铸造工艺第五章

第五章冒口、冷铁和铸肋冒口的种类及补缩原理铸钢件冒口的设计与计算铸铁件实用冒口的设计提高补缩效率措施及特种冒口冷铁铸肋§5-1冒口的种类及补缩原理冒口是在铸型内专门设置的储存金属液的空腔。一、冒口的作用◆补偿铸件凝固时的收缩◆调整铸件凝固时的温度分布，控制铸件的凝固顺序◆排气、集渣◆利用明冒口观察型腔内金属液的充型情况二、冒口的种类1、冒口种类常用冒口种类:顶冒口位于铸件的最高部位，不仅有利于排气，浮渣，也有利于重力补缩，厚大的铸钢件多用用这种冒口补缩侧冒口是由铸件侧面热节处引出的冒口，一般采用暗冒口形式，它有利于机械化造型顶冒口和侧冒口又有明冒口和暗冒口之分

常用冒口种类明顶冒口大气压力顶冒口铸件铸件明顶冒口侧冒口压边冒口铸件a）铸钢件冒口b）铸铁件冒口常用冒口的特点：明冒口造型方便，并能通过它观察到型腔内金属液面上升情况，便于在冒口顶面撒发热剂和保温剂，对于厚大铸件还能进行捣动冒口液面和补浇等操作，加强补缩作用明冒口不受砂箱高度限制，必要时可利用冒口圈来保证所要求的高度，其缺点是补缩效率比暗冒口低暗冒口要求砂箱高于冒口，使砂箱体积增大，但它比较灵活，可以靠近铸件热节点开设大型铸件尤其是铸钢件多采用明冒口，而中小型可锻铸铁、球墨铸铁件的冒口以暗冒口为主暗冒口尤其适用于机器造型

冒口的形状应使其容量足够大而其相对的散热面积最小（即有足够大的模数），有一定的金属液压头，以达到延长其凝固时间，提高补缩效果的目的2、冒口形状b）球顶圆柱形a）球形c）圆柱形（带斜度）d）腰圆柱形（明）e）腰圆柱形（暗）3、冒口的应用生产中常用圆柱形、球顶圆柱形、腰圆柱形及整圈冒口齿圈、轮形类铸件，常采用腰圆柱形冒口筒、套类件及轮毂部位多采用整圈接长冒口

钢锭纵剖面形状对缩孔深度的影响示意图h1、h2、h3—分别表示缩孔的深度三、常用冒口补缩原理（一）基本条件◆冒口凝固时间须大于或等于被补缩部分凝固时间◆有足够的金属液补充铸件收缩所需金属液◆冒口和铸件被补缩部位间须存在补缩通道（二）冒口的位置冒口安放的位置是否合理，直接影响铸件的质量以及冒口的补缩效率冒口位置不合理，不但不能消除缩孔和缩松，还可能引起其它缺陷确定冒口位置的基本原则：

冒口应就近放在铸件热节的上方和侧面

冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位不同高度冒口的隔离顶明冒口顶明冒口顶明冒口铸件铸件侧暗冒口侧暗冒口外冷铁外冷铁外冷铁a）阶梯型热节b）上下有热节冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位冒口应尽可能放在铸件加工面上，以减少精整工时尽量用一个冒口补缩多个热节，以提高冒口补缩效率避开应力集中点一个冒口补缩几个热节冒口冒口铸件浇道a）补缩同一铸件上的三个热节b）补缩多个铸件上的热节（三）冒口的有效补缩距离1、冒口有效补缩距离

板状铸件凝固过程示意图a）、b）等液相线和等固相线移动情况c）中间区凝固区域放大d）凝固结束后的三个区域

冒口有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口数目的依据。影响因素

铸件结构合金成分凝固特性冷却条件对铸件质量要求

2、铸件冒口补缩范围的确定

1）碳钢件的补缩距离铸钢件冒口区长度与铸件尺寸的关系铸钢冒口的补缩距离冒口铸件铸件冒口冒口铸件冒口铸件a)板形件b)杆形件铸钢件末端区长度与铸件尺寸的关系阶梯形铸钢件冒口补缩距离冒口铸件2）灰铸铁件冒口的补缩距离

灰铸铁冒口补缩距离和共晶度的关系3、外冷铁对冒口补缩距离的影响

外冷铁对冒口补缩距离的影响冒口冷铁冷铁冒口铸件铸件a)板件b)杆件4、补贴的应用水平壁补贴颈模数计算:M补=ab/2(a＋b－c)＝M冒(最小)

为实现顺序凝固和增强补缩效果，铸造工艺人员在靠近冒口的铸件壁厚上补加的倾斜的金属块称为补贴。水平补贴a)发热（绝热）材料补贴b)金属材料补贴垂直壁的补贴垂直壁的补贴

补贴厚度与铸件高度及厚度关系碳钢钢套类铸件补贴钢套铸件的补缩方案杆状铸件补贴值的补偿系数杆的宽厚比4:13:12:11.5:11.1:1补偿系数1.01.251.51.72.0用滚圆法确定轮缘和轮毂的补贴高合金及低合金钢的补偿系数为：1）底注式碳钢及低合金钢板件为1.252）顶注式高合金钢板件为1.253）底注式高合金钢板件为1.25×1.25=1.5轮缘补贴值的确定：

d1=1.05dyd2=1.05d1式中dy——热节圆直径

齿轮铸件补贴示例

采用发热（保温）补贴注意事项：1）设计冒口时，把发热补贴材料作为金属断面对待2）金属断面须占金属和发热材料总断面的60％齿轮铸件采用的补贴举例

§5-2铸钢件冒口的设计与计算冒口设计与计算的一般步骤是：确定冒口的安放位置初步确定冒口的数量划分每个冒口的补缩区域，选择冒口的类型计算冒口的具体尺寸冒口尺寸主要指冒口的根部直径（或宽度）和高度一、模数法1、模数法计算冒口的原理铸钢件冒口、冒口颈、铸件模数应满足的关系明顶冒口：M冒=（1.1～1.2）M件

暗侧冒口：M件:M颈:M冒=1:1.1:1.2钢液通过冒口浇注：M件:M颈:M冒=1:(1～1.03):1.2冒口的凝固时间应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间M冒≥M件

冒口必须能提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和因型壁移动而扩大的容积，使缩孔不致伸入铸件内冒口的补缩效率，具体值见表η=（补缩体积/冒口体积）×100%铸件体积、冒口体积和因型壁移动而扩大的体积金属从浇完到凝固完毕的体收缩率，见表冒口种类和工艺措施η（%）冒口种类和工艺措施η（%）圆柱或腰圆柱形冒口球形冒口补浇冒口时12~1515~2015~20浇口通过冒口时发热保温冒口大气压力冒口30~3530~5015~20冒口的补缩效率2、模数法计算冒口的步骤1）计算铸件的模数类型简图计算公式板状体杆状体圆柱体球、立方体、正圆柱体类型简图计算公式环形体、空心圆柱体法兰体L形体实心法兰体杆的相交体类型简图计算公式板的相交体M=r十形——r=0.68aT形——r=0.62aL形——r=0.56a圆柱与圆盘组合体杆与板的相交体2）计算冒口及冒口颈模数

3）确定铸钢的体收缩率εV

4）确定冒口的形状和尺寸

5）冒口数目的确定

6）校核冒口最大补缩能力：V件=V冒（η－εV）/εV

二、比例法比例法是在分析、统计大量工艺资料的基础上，总结出的冒口尺寸经验确定法。这种方法就是使冒口的根部直径大于铸件被补缩处热节圆直径或壁厚，再以冒口根部直径来确定其它尺寸。D=cd热节圆直径a)壁厚均匀b)壁面相交普通顶冒口尺寸关系类型H0/dDD1D2hH冒口延伸度（%）应用实例A型<5>5(1.4~1.6)d(1.6~2.0)d(1.5~1.6)D(1.8~2.0)D(2.0~2.5)D35~4030~35车轮、齿轮、联轴器B型1<d<50(2.0~2.5)d(2.0~2.5)D30~35瓦盖C型<5>5D=

D=

(1.3~1.5)D(1.4~1.8)D100100D型<5>5(1.5~1.8)d(1.6~2.0)d(1.3~1.5)D1.1D0.3H0.3H(2.0~2.5)D(2.5~3.0)D100制动臂E型<5>5(1.3~1.5)d(1.6~1.8)d(1.1~1.3)D(1.3~1.5)D15~2015~20(2.0~2.5)D(2.5~3.0)D100制动臂三、铸钢件工艺出品率的校核碳钢和低合金钢铸件的工艺成品率组别名称铸件重量/kg大部分铸件壁厚

/

mm工艺出品率（%）明冒口半球型暗冒口I一般重要的小铸件<100<2020~50>5054~6253~6052~5859~6758~6557~63特别重要的小铸件<100<2020~50>5052~5851~5750~5657~6356~6255~61组别名称铸件重量/kg大部分铸件壁厚

/

mm工艺出品率（%）明冒口半球型暗冒口II一般重要的中等铸件100~150<3030~60>6056~6454~6252~6061~6959~6757~65特别重要的中等铸件100~150<3030~60>6054~6253~6050~5859~6758~6555~63III一般重要的大铸件500~5000<5050~100>10057~6555~6353~6162~7060~6858~66特别重要的大铸件500~5000<5050~100>10055~6353~6151~5960~6858~6656~64组别名称铸件重量/kg大部分铸件壁厚

/

mm工艺出品率（%）明冒口半球型暗冒口IV一般重要的重型铸件>5000>5050~100>10058~6656~6454~6262~7060~6866~68特别重要的重型铸件>5000>5050~100>10057~655~6353~6161~6959~6757~65V齿轮

100100~500>50054~5855~5955~6058~6259~63VI齿圈

1000>100056~6058~6259~6361~65VII外形或内表面加工的圆筒活塞>100061~67§5-3铸铁件冒口的设计与计算一、球墨铸铁件的冒口设计设计法通用（传统）冒口设计：遵循定向凝固原则，依靠冒口的金属液柱重力补偿凝固收缩，冒口和冒口颈迟于铸件凝固，铸件进入共晶膨胀期会把多余的铁水挤回冒口实用冒口设计法：遵循的原则是让冒口和冒口颈先于铸件凝固，利用全部或部分的共晶膨胀量在铸件内部建立压力，实现“自补缩”，使铸件不出现缩孔、缩松缺陷。实用冒口的工艺出品率高，铸件质量好，更实用实用冒口可分为直接实用冒口和控制压力冒口。1、直接实用冒口（又称压力冒口）

原理：利用冒口来补缩铸件的液态收缩，而当液态收缩终止或共晶膨胀开始时，冒口颈即行凝固用途：适用于高强度铸型（如干型、自硬型等）生产的模数为0.48～2.5cm的铸件（1）冒口和冒口颈

冒口有效体积：是指高于铸件最高点的那一部分的冒口体积，只有这部分金属液才能对铸件起补缩作用

◆冒口有效体积依铸件液态收缩体积而定，一般比铸件所需补缩的铁液量大铸铁的ε—t浇曲线

ε—液态体收缩率t浇—浇注温度1—CE=4.3%2—CE=3.6%

共晶成分的铸铁，冒口有效体积取铸件体积的5%碳当量低的铸件，冒口有效体积取铸件体积的6%◆冒口颈模数M的确定：

式中M颈

——冒口颈模数（cm）

M件——设置冒口部位的铸件模数（cm）t浇

——浇注温度（℃）c——铁液比热容，c与铁液温度有关，在1150～1350℃范围内，c为835～963J/(kg·℃)L——铸铁结晶潜热，为（193～247）×103J/kg◆设置冒口部位应满足的条件：当冒口颈凝固时，该部分的石墨化膨胀量能抵偿所有更厚部分液态体收缩量，直到比它厚部分开始体积膨胀为止

◆近似地确定冒口颈的模数M颈：M件和M颈的关系图（2）用浇注系统代替直接实用冒口◆对于湿型铸造，铸件模数M件＜0.48的薄壁小型球铁件，可用浇注系统代替冒口图中，超过铸件最高点水平面的浇口盆和直浇道部分实质上就是冒口浇注系统当冒口（阴影部分）浇口盆直浇道内浇道（冒口颈）横浇道铸件（3）直接实用冒口特点

主要优点：铸件工艺出品率高冒口位置便于选择，冒口颈可很长冒口便于去除，花费少主要缺点：要求铸型强度高要求严格控制浇注温度范围，保证冒口颈冻结时间准确对于形状复杂的多模数铸件，关键模数不易确定。为了验证冒口颈是否正确，需要进行试验2、控制压力冒口（又称释压冒口）

利用部分共晶膨胀量来补偿铸件的凝固收缩浇注结束，冒口补给铸件的液态收缩在共晶膨胀初期，冒口颈畅通，使铸件内部的铁液回填冒口以释放“压力”应用合理的冒口颈尺寸或一定的暗冒口容积控制回填程度使铸件内建立适中的内压来克服凝固收缩，从而获得既无缩孔、缩松又能避免胀大变形的铸件用途：适用于砂型铸造，模数为0.48～2.5cm的球铁件特点：（1）冒口和冒口颈冒口以暗侧冒口为宜，安放在铸件厚大部位附近

冒口模数M冒与铸件厚大部分的模数M件及冶金质量有关冒口的有效补缩容积位于铸件最高点以上

控制压力冒口示意图b）液态收缩a）浇注结束c）膨胀回填冒口颈的模数按下式确定：M颈=0.67M冒

（cm）冒口模数M冒选定：M冒和M件的关系图

1—冶金质量差2—冶金质量好需要补缩金属液量和铸件模数的关系VT—设置冒口部位铸件或热节体积VC—铸件需补缩体积

（2）冒口的补缩距离

补缩距离：由凝固部位向冒口输送回填铁液的距离。

铁液输送距离和冶金质量及铸件模数的关系1—冶金质量好2—冶金质量中等3—冶金质量很差

与铁水的冶金质量和铸件的模数密切相关3、无冒口铸造的应用条件用途：适用于刚性大的砂型，模数大于2.5cm的球铁件实现无冒口铸造须满足的工艺条件：冶金质量好铸件平均模数M件>2.5cm砂型强度、刚度高，且型紧固牢靠，无变形和抬型

低温浇注采用扁薄内浇道分散引入金属液设置出气孔，且均布二、灰铸铁件的冒口设计

灰铸铁凝固特点：

◆以层状－糊状方式凝固，共晶膨胀压力小

◆石墨片尖端伸向铁液生长，“自补”能力好

◆铸件形成缩孔、缩松的倾向小

◆一般低牌号灰铸铁因碳硅含量高，石墨化比较充分时，不需设置冒口，只需安放排气冒口即可

◆高牌号灰铸铁，当其产生石墨化体积膨胀量不足以补偿凝固收缩时，则应设置冒口，但所需冒口体积较小常用冒口的形式和参数DR=(1.2~2.5)THR=(1.2~2.5)DRd=(0.8~0.9)Th=(0.3~0.35)DRDR=(1.2~2.5)THR=(1.2~2.5)DRa=(0.8~0.9)Tb=(0.6~0.8)TDR=(1.2~2.0)THR=(1.2~1.5)DRH=0.3HR浇道通过冒口时：d=(0.33~0.5)T浇道不通过冒口时：d=(0.5~0.66)T注：1、T为铸件的厚度或热节圆直径2、明冒口高度HR可根据砂箱高度适当调整3、随明顶冒口直径DR增大，冒口颈处的角度取小值三、可锻铸铁件的冒口设计可锻铸铁无石墨化膨胀，凝固收缩大，须用冒口补缩为增强冒口的补缩作用，常用带暗冒口的浇注系统可锻铸铁件带暗冒口的浇注系统直浇道暗冒口冒口颈铸件横浇道内浇道确定可锻铸铁件补缩冒口尺寸图

V—冒口体积D—冒口直径

f—冒口颈截面积

m—铸件质量M—铸件模数

2、比例法

可锻铸铁件暗冒口尺寸暗冒口直径D铸件被补缩位置冒口颈截面积与铸件被补缩部分热节圆的截面积之比上型下型D=(2.2~2.8)TH=1.5Dh=0.25DH=DH=0.25D(1~1.5)∶1注：1.对于壁厚较薄，但重要较大或形状较高的铸件，D/T的数值应适当扩大，一般可取

D=(3~4)T。

2.当一个只暗冒口补缩两个热节区时，该暗冒口的直径要相应增大到表中数据的1.1~1.2倍；当一只暗冒口补缩两个以上的热节区时，该暗冒口的直径要相应增大到表中数据的1.2~1.3倍。四、铸铁件的均衡凝固原理均衡凝固理论要点：铸件在凝固的某一时刻，有些部分正在收缩，有些部分则已进入石墨化膨胀，时间同时，铁液相通，则收缩和膨胀可以叠加相抵当某时间收缩值与膨胀值相等时，就达到均衡状态铸铁件凝固时收缩和膨胀的叠加曲边三角形ABC—铸件的总收缩曲边三角形ADC—铸件总膨胀曲边三角形AB

P—铸件的表观收缩P—均衡点，为收缩量等于膨胀量的时间均衡凝固原则下的冒口设计要点：

冒口尺寸或模数可小于铸件壁厚或模数

采用“短、薄、宽”的冒口颈

冒口不应该放在铸件的热节上，但要靠近热节

冒口根部可放冷铁，缩短凝固收缩时间，防止缩松

利用刚性大的铸型，最大限度地利用石墨化膨胀铸铁件推荐冒口类型及结构示意图§5-4

提高通用冒口补缩效率措施和特种冒口提高冒口补缩效率的途径：提高冒口中金属液的补缩压力，如用大气压力冒口等延长冒口金属保持液态时间，如用发热和保温冒口等一、大气压力冒口

大气压力冒口是在暗冒口顶部插入一个透气性好的砂芯，或做出倒锥形吊砂，并延伸进冒口热区。由于砂芯底部或吊砂尖端部分剧烈受热，使其晚于冒口其它部分凝固，而大气压力却可通过砂的孔隙作用在冒口内的金属液面上，从而提高了冒口的补缩压力。普通暗侧冒口和大气压力侧冒口a）普通侧暗冒口b）大气压力侧暗冒口c）带吊砂的侧暗冒口d）铸钢件用大气压力冒口砂芯冒口吊砂砂芯冒口内浇道铸件冒口侧冒口直径D冒、冒口颈最小尺寸l1与铸件热节圆直径D之间关系：l1＝（1.3～1.7）D节D冒＝（2.0～2.5）D节机器造型的中、小铸件多采用吊砂大气压力冒口

铸钢件多采用带砂芯的大气压力冒口

椭圆形冒口颈，则短︰长轴=1：L(1.2～1.5)

二、发热冒口及保温冒口

1、发热冒口

发热冒口是用发热材料做成发热套，造型时放入型中，形成冒口的型腔发热冒口明冒口发热套排气孔型砂层出气孔暗冒口明冒口顶上保温剂明冒口a）发热套b）发热套暗冒口c）发热套明冒口发热套材料配方比例（质量分数）（单位：%）序号膨润土木碳粉氧化铁木屑水玻璃无烟煤粉植物油铝屑水（另加）12.553.51011203/43/4320～25（占发热材料量）22.03/41523243024适量32.025151425153/44适量2、保温冒口材料主要成分珍珠岩

体积分数：膨胀珍珠岩95；水玻璃4；质量分数为10％NaOH水溶液1发泡石膏

质量分数：石膏78；水泥20；发泡剂0.25；促凝剂（钾矾）0.5；水陶瓷棉

陶瓷棉加木质纤维素湿砂型

红砂100/200；水分约6％保温冒口用材料普通冒口和保温冒口对比保温冒口补缩效率为25％～30％冒口体积可减少50％左右延长冒口中金属液态作用时间的方法还有加氧冒口和电弧加热冒口三、易割冒口

易割冒口即在冒口根部放一片由耐火材料制成的隔片，隔片上有一个小于冒口直径的圆孔，形成冒口根部的“缩颈”，使冒口中的金属液通过“缩颈”对铸件进行补缩易割冒口结构示意图铸件隔片暗冒口浇道易割冒口尺寸的确定：冒口直径：D＝（2~2.5）T

（铸件被补缩长度大于8T时）

D＝（1.5~1.8）T

（铸件被补缩长度小于8T时）冒口高度：H＝（1.5~1.7）D

（明冒口时）

H＝（2.0~2.2）D（暗侧冒口时）易割冒口缩颈、隔片厚度与冒口直径的关系

冒口直径D隔片厚度d缩颈孔直径小端d2大端d1806253010073034120734401508344018010～124046§5-5

冷铁一、概述

冷铁是指为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块。分类内冷铁：放置在型腔内能与铸件熔合为一体的金属激冷块。它是铸件的一部分外冷铁：造型（芯）时放在模样（芯盒）表面上的金属激冷块。它是铸型的一部分冷铁的作用：在冒口难于补缩的部位防止缩孔、缩松防止壁厚交叉部位及急剧变化部位产生裂纹与冒口配合使用，能增加铸件的顺序凝固条件，扩大冒口补缩距离或范围，减少冒口数目或体积用冷铁加速个别热节的冷却，使整个铸件接近于同时凝固，既可防止或减轻铸件变形，又可提高工艺出品率改善铸件局部的金属组织和力学性能，如细化基体组织，提高铸件表面硬度和耐磨性等减轻或防止厚壁铸件中的偏析二、外冷铁

常用的材料有轧制钢材和铸铁、铸钢的成型冷铁外冷铁可分为直接外冷铁和间接外冷铁两类

直接外冷铁a）平面直线形的b）平面直

线形的c）带切口

平面的d）平面棱形的e）圆柱形的f）异形的间接外冷铁直接外冷铁的特点：它与铸件表面直接接触，激冷作用强间接外冷铁的特点：激冷作用弱，可避免铸件表面裂纹，避免灰铁件表面出现白口，外观平整，不会出现冷铁与铸件熔接缺陷外冷铁的位置和尺寸冷铁安放位置尺寸备注t=(0.5~0.7)a如法兰宽度较大（超过200），外冷铁可分为内外两圈或多圈交错安放t=(0.7~1.0)at=(0.6~0.7)a(1)b>a

t=(0.6~0.8)a(2)根据圆角处半径，采用相同R的冷铁转角半径

R15，放圆钢外冷铁；转角半径>R15，用成型圆角冷铁(1)b>a

t=(0.7~0.9)a(2)按转角处半径，采用相同R的冷铁转角半径

R15，放圆钢外冷铁；转角半径>R15，用成型圆角冷铁圆角冷铁根据转角半径放t=(0.5~0.6)bL=100~200mm转角半径

R15，放圆钢外冷铁；转角半径>R15，用成型圆角冷铁安放外冷铁时应注意以下几点：冷铁表面不得有孔洞、裂纹、氧化皮等，表面需刷涂料，且保持干燥铸件厚大处，尽量不用外冷铁，以免与铸件熔接板状冷铁厚度不超过80mm，圆钢冷铁直径不宜超过40～50mm，厚壁铸件最放内冷铁厚板状冷铁四周应作45°斜面平缓过渡，防止裂纹外冷铁不宜太长，可采用多块小外冷铁交错间隙布置安放位置要得当，保证补缩道畅通，避免形成缩孔冷铁边界处的裂纹机床床身导轨使用冷铁工艺冷铁位置对补缩通道的影响a)

补缩通道变小b)补缩通道正常铸件铸件冷铁冷铁位置对冒口补缩力的影响冷铁铸件冒口冒口铸件冷铁a)冒口补缩力减弱b)冒口补缩力正常三、内冷铁

内冷铁通常是在外冷铁激冷效果不够时才采用，而且多用于厚大的质量要求不高的铸件由于要求内冷铁与铸件金属相熔合，所以用作内冷铁的材料应与铸件材质基本相同或相适应铸钢件和铸铁件宜用低碳钢作内冷铁，铜合金铸件应用铜质内冷铁

内冷铁的重量m冷计算：

m冷＝Km件