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第三章浇冒口系统设计冒口系统设计材料科学工程系吴士平1

1一、冒口的作用为了使铸件在凝固的最后阶段得到补缩，防止缩孔、缩松、裂纹、变形等产生，则在铸件上设置冒口。冒口－储备足量的液态金属，又可排气、集渣。铸造合金凝固时，均产生体积收缩，凝固后均会形成孔洞－缩孔、缩松。2

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4合适的冒口工艺可以有效地防止或减少铸件的收缩缺陷。收缩缺陷与合金的凝固特性有关，也与冒口自身设计有关》对于逐层凝固产生集中缩孔的合金，设置适当容积、足够的温度梯度的冒口，就可以有效地防止缩孔和缩松。对于糊状凝固的合金，冒口的作用很小，适当设置小冒口，可以在一定限度上减少缩孔缺陷和减少缩松缺陷。5

5二、冒口的类型及设计原理冒口种类１）按冒口在铸件上的位置分①顶冒口：位于铸件的最高处②侧冒口：设置在铸件的热节点处③补贴冒口：方向凝固④局部冒口6

62）按冒口结构分①矩形冒口②圆柱形冒口③球型冒口3）按冒口内腔与大气之间关系①明冒口②暗冒口大气压力冒口③发气压力冒口7

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9三、冒口的设计原则（一）设置冒口的必要性10

10（二）、冒口位置选择原则1方向性（顺序）凝固，要使凝固进行方向超香冒口2一般在热节上方，厚壁部分设置；3冒口应比铸件晚凝固，最后凝固才能补缩；4冒口在满足补缩条件下，尺寸尽量小，5防止裂纹产生，冒口不设在铸件应力集中处（阻碍收缩），防止引起裂纹；6尽可能地将冒口设在方便和容易消除冒口残根的地方；7冒口的补缩距离要大于冒口的有效补缩范围。11

11图3-3-8平板铸件用冒口补缩时出现缩松区的情况b-有效补缩区c-冒口补缩区e-末端边角激冷区f-缩松区12

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14（三）确定冒口的种类和类型在选定冒口的种类和类型时要考虑设置冒口的效果和造型及去除冒口时是否方便。图3－13是常采用的几种冒口形式15

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16（四）决定冒口的尺寸（1）一般来说，冒口系统（冒口和冒口颈）的凝固应晚于铸件的凝固。（2）冒口要能根据设计的要求提供足够的金属来补偿铸件的液态收缩，凝固收缩以及由于型腔扩大而增加的体积。而且要力求铸件的成品率高。（3）冒口和铸件受补缩部位之间，要保持一定的温度梯度和凝固梯度，以保证补缩通道畅通。17

17（五）校验方向性（顺序）凝固和多冒口的综合效果由于冒口的有无及其位置、大小等将直接影响铸件的温度场，从而影响凝固的进行状态。此外，在多冒口的情况下还有可能发生相互间的干扰。因此需要校验是否不产生缺陷。18

18３－３冒口的设计及计算以铸钢件冒口设计为主，凡实行顺序凝固的一切合金铸件均适用。冒口的设计：凝固时间原则：模数法几何关系原则：缩管法热节圆法19

19（一）模数法模数：体积和散热表面积的比值称模数M=V/A其中：M－　模数（m）；V－　铸件体积（m3）A－　散热表面积（m2）模数法：根据铸件凝固理论，铸件凝固时间决定于它的体积和表面积的比值，即铸件的模数。M小的铸件凝固时间短；M大的铸件凝固时间长，模数方法计算冒口尺寸就是建立在模数的基础之上。20

20模数法基本原理：１、按顺序凝固的基本条件，冒口凝固时间τr应大于铸件被补缩部位的凝固时间τc。已知：式中：Mr,Mc－　为冒口、铸件的模数；Kr,Kc－　为冒口、铸件的凝固系数；Kr=Kc（一般情况下）得：21

21一般取f＝1.2则Mr=f·Mcf为冒口系数（f≥１）对碳钢、低合金钢铸件，冒口、冒口颈和铸件模数关系：侧冒口Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2顶冒口Mr=(1.2-1.0)Mc内浇道通过冒口Mc:Mn:Mr=1:(1-1.03):1.222

22２、冒口必须能提供足够的金属液以补偿铸件在凝固结束前体收缩（包括型壁移动扩大的容积）故应满足：式中：Vc、Vr、Ve铸件、冒口、型壁移动扩大的体积；ε金属液的收缩率η冒口补缩效率23

23结果：铸件模数（查表）　→　按Mr＝1.2Mc计算得出冒口的模数　→　再查表（）→　分别求出圆柱形、腰圆形（明冒口）或圆柱形按冒口的尺寸设计步骤：①　将铸件划分几个补缩区，计算各区的铸件模数②　计算冒口、冒口颈的模数③　确定冒口的形状和尺寸④　检查顺序凝固条件、补缩距离⑤　核验冒口补缩能力（按表）Vr－冒口体积；εv－铸钢件的收缩率24

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25M=(1-1.25)M’M=(1-1.143)M’M=(1-1.151)M’26

26计算实例：ZG４５齿轮如图３－３－１７所示，其收缩率约为５％１）轮缘冒口计算把轮缘看作长方形断面的杆，当在冒口之间不采用冷铁时，大致需要设置三个冒口。在冒口之间设置冷铁，可以只设二个冒口。首先计算轮缘铸件部分的模数Mc=Vc／Ac＝1.9627

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28为了保证冒口比铸件晚凝固，一般取Mr＝1.2McMr=1.2Mc＝2.35查标准腰圆形冒口表：当收缩率＝５％、Mr＝2.42cm、每个冒口能补缩最大铸件体积＝4.8L（重量37kg）时冒口的尺寸为a=100mm,b=200mm,h=150mm(h=1.5a)。29

292）轮毂冒口计算把轮毂同样看成长方形杆，则Mc＝1.92cmMr=1.2Mc=2.3cm查标准圆柱形暗冒口表：当Mr=2.38cm,收缩率为5％、每个暗冒口能补缩的最大铸件体积为4.1L（重量32kg）时，冒口的尺寸为￠120mm×188mm(h)(h=1.5d)。可见设计一个冒口已经足够。30

30如果考虑砂芯的影响，按照表３－３－３取k＝1.5，则散热面积减小、相当于铸件厚度增加。于是，重新计算铸件的体积和散热面积（加大杆的厚度）Mc=2.36cmMr=1.2Mc=2.83cm查同一表得：冒口的尺寸￠150mm×225mm(h)。这个冒口可能偏大，要通过试浇来选定。31

31（二）补缩液量法假设：①铸件凝固层增长速度与冒口相等；②冒口内供补缩用金属液体积（缩孔体积）为直径d0的球所以，当冒口高度与直径相等时，铸件中最大凝固层厚度为壁厚的一半。则冒口中凝固层厚度也为铸件厚度的一半，因而冒口中缩孔球直径d0等于冒口直径与铸件壁厚之差。32

32Hd0DrT33

33即d0=Dr-T则Dr=T+d0T-铸件壁厚d0-冒口直径而且直径d0的球体积应等铸件（被补缩部分）的总体收缩容积。即：πd03=εVc34

34Vc铸件体积ε金属凝固体收缩率ε值查表，然后计算出Vc，再通过d0计算公式求出补缩球直径d0，最后用Dr公式求出冒口直径Dr。实际应用中，冒口高度大于冒口直径，取Hr=(1.15-1.8)Dr35

35(三)热节圆法实践中总结出，冒口尺寸相对于热节圆直径的比例关系，即热节圆法：以热节圆直径dy作为冒口计算的基本参数的方法计算（绘图）原理：1）确定热节圆直径，一般用做图法求出。热节圆直径＝零件尺寸＋加工余量＋总尺寸×线收缩率量出热节圆直径T或用几何公式算出热节圆直径36

36TRca37

37T–热节圆直径38

382）按比例确定冒口尺寸①冒口补贴②冒口尺寸的确定冒口直径B(宽)：明冒口B=(1.8-2.0)T（热节圆直径）暗冒口B=(2.2-2.5)T（热节圆直径）冒口高度:H=(1.15-1.18)B冒口直径或宽冒口长度：A=(1.5-1.8)B冒口宽39

39③冒口补缩距离:Ln=4dy=(4-5)T④铸件工艺出品率校核:应用实例：已知ZG45铸钢轮尺寸如图所示，试用热节圆法计算明冒口尺寸，并计算该产品件工艺出品率（浇口重87kg）40

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41（四）提高冒口补缩效率的方法一般通用冒口占铸件重30－50％耗费金属材料,为此：提高冒口中金属液补缩压力－大气压力冒口延长冒口中金属液保持时间－保温冒口、发热冒口42

421)大气压力冒口在暗冒口顶部安装细砂芯，伸入冒口中心，为大气压力冒口。浇注冒口表面结壳，外界大气压力仍可作用至金属液面上，可以增加冒口的补缩压力。43

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442)保温冒口使用保温材料、发热材料作冒口套。⑴冒口套：耐火材料－石英砂、镁砂、铬铁矿砂保温材料－膨胀珍珠岩、陶瓷棉、发泡石膏发热剂－铝粉、氧化铁粉2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+208×4184J粘结剂－膨润土、水玻璃、酚醛树脂45

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47⑵保温冒口套实例:膨胀珍珠岩复合保温冒口套珍珠岩8-10%，铝矾土27-28%，水泥23-25%，陶瓷棉38-40%，适量水(3)易割冒口48

483－8冷铁和铸筋（一）冷铁为了增加铸件局部冷却速度，在型腔内或表面安放金属块，增加金属冷却作用，把这种起激冷作用的金属块称为冷铁。冷铁分为内冷铁、外冷铁。内冷铁安放在铸型壁内或型腔内，其材质要求与铸件材质相同并要求二者能很好的融合为一体；外冷铁安放在砂型（芯）壁上，不溶入铸件内。49

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50冷铁作用：⑴加快铸件热节部分的冷却速度，使铸件趋于同时凝固，有利于防止铸件变形或出现裂纹。并有可能减少偏析。⑵与冒口配合使用，使铸件局部冷却加速，强化了铸件顺序凝固的条件，有利于冒口补缩和扩大冒口补缩范围。这样不仅有利于防止铸件产生缩孔、缩松缺陷，还有可能减少冒口的数目或体积及补贴的斜度，提高工艺出品率。⑶加快铸件某些特殊部位的冷却速度，以期达到提高铸件表面硬度和耐磨性、细化基体组织的目的。51

51⑷在难于设置冒口或冒口不易补缩到的部位放置冷铁以减少或防止出现缩孔、缩松。⑸对球铁，用冷铁进行激冷可以增大铸件表面和中心的温度梯度，有利于提高石墨化膨胀的利用程度和提高冒口补缩效果。52

521、外冷铁－直接外冷铁、间接外冷铁外冷铁是自铸件外壁施加激冷作用，它不与铸件表面溶接，可以回收重用。所以外冷铁的材料以选择导热性好、有足够高的熔点的为好。直接外冷铁－金属激冷材料直接与铸件相接触称为直接外冷铁间接外冷铁－金属激冷材料通过一薄层非金属材料（如砂子、涂料等厚度在10－15mm）与铸件相接触称为间接冷铁53

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54要求：①外冷铁与表面接触面光洁、去污锈、刷涂料②外冷铁呈45°角型砂与铁过渡冷却③与壁相连接处不易有尖角，随形④外冷铁厚度过厚铸件易裂，过薄易熔合，激冷作用时间短，一般为壁厚的0.5-0.7倍55

55冷铁尺寸及分布距离56

562、内冷铁内冷铁浇注后与铸件熔合在一起，其材料应与铸件材料相同，激冷效果好，作用优于外冷铁，可以消除铸件的缩孔、缩松。但是，重量过小不易消除缩孔、缩松，过大不易熔合产生裂纹降低性能。其重量计算：G冷＝0.28(G2-G1)G冷内冷铁重G2铸件厚壁处重量G1铸件薄壁处重量57

57要求：①内冷铁应喷砂（丸）处理，去锈污，或镀锡等②型内放好冷铁，3－4小时内浇注，防止吸潮产生气孔③薄壁件不放置内冷铁，承受高温、高压等铸件不应该放置内冷铁④内冷铁上方设出气孔⑤加工余量应小于冷铁尺寸，加工后不裸露。58

58（二）铸筋铸筋是保证铸件质量的一种工艺措施。收缩筋-为防止铸件产生热裂的称为收缩筋（割筋）清理去除拉筋-为防止铸件产生变形的称为拉筋（割筋）热处理后清理去除1）收缩筋：铸件凝固收缩受型（芯）阻碍，在受拉应力壁上易产生热裂。加筋后，凝固早、强度建立早，可承受较大的拉应力，防热裂。当1-2，不设收缩筋承受拉应力壁为主壁，而与之相交形成热节、是主壁产生邻壁长度L，主邻壁之间关系，拉应力的壁为邻壁，决定收缩应力大小59

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602）拉筋：若断面呈U形，半圆时，凝固、冷却后出现变形，而防止拉筋（在变形处），热处理后去除。拉筋厚度小于铸件厚度，保证拉筋先于铸件凝固，拉筋厚度为铸件厚度的倍。实际用反变形模样－反变形量C。61

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