REDBOOK译稿讲解学习

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。REDBOOK译稿铸钢件冒口和补缩指导美国铸钢工作者协会2001年索引TOCo1-2hzuHYPERLINKl_Toc3895486631前言PAGEREF_Toc389548663h4HYPERLINKl_Toc3895486642浇冒口的基础知识和术语PAGEREF_Toc389548664h6HYPERLINKl_Toc3895486653浇冒口程序PAGEREF_Toc389548665h12HYPERLINKl_Toc3895486664冒口和端部区域的铸件致密性PAGEREF_Toc3895

2、48666h15HYPERLINKl_Toc3895486674.1顶部浇冒口的铸件节段在模具中终止PAGEREF_Toc389548667h17HYPERLINKl_Toc3895486684.2顶部浇冒口铸件节段的横向补缩PAGEREF_Toc389548668h20HYPERLINKl_Toc3895486694.3侧部浇冒口的铸件节段PAGEREF_Toc389548669h24HYPERLINKl_Toc3895486705补缩距离的计算PAGEREF_Toc389548670h26HYPERLINKl_Toc3895486715.1具备端部效应的顶部冒口PAGEREF_Toc389

3、548671h26HYPERLINKl_Toc3895486725.2横向补缩（在顶部冒口之间补缩）PAGEREF_Toc389548672h29HYPERLINKl_Toc3895486735.3带端部效应的侧部冒口PAGEREF_Toc389548673h31HYPERLINKl_Toc3895486745.4冷铁PAGEREF_Toc389548674h34HYPERLINKl_Toc3895486755.5锥形PAGEREF_Toc389548675h38HYPERLINKl_Toc3895486765.6其它铸造条件PAGEREF_Toc389548676h40HYPERLINKl_

4、Toc3895486776冒口尺寸计算PAGEREF_Toc389548677h43HYPERLINKl_Toc3895486787参考PAGEREF_Toc389548678h46HYPERLINKl_Toc389548679附录PAGEREF_Toc389548679h481前言1973年，美国铸钢工作者协会（SFSA）出版了钢铸件浇冒口方案1，编制该铸造手册的目的是为钢铁铸造厂提供浇冒口指导。钢铸件浇冒口方案中包括的指导方针以铸造实验以及计算机模拟为基础。该指导手册为钢铁铸造行业带来了福音。遵循指导手册开展铸造作业获得的铸造件通常都是无疵铸件。但是，在过去二十五年中出现的情况表明，钢铸件

5、浇冒口方案中规定的冒口补缩距离规则在某些情况下显得太过保守，当利用规定的冒口补缩距离规则推断结果时，情况就更是如此。因为补缩距离规则相对保守，导致出现铸造件冒口浪费情形，而这种情形进而降低了铸件产量。为制订一套新的浇冒口指导原则2、3，从二十世纪九十年代中期开始，开展了大量研究工作。研究工作以一组广泛的低合金钢板铸造实验为基础，实验在北美洲的多家铸造厂进行。在实验中使用了多种钢板尺度，生产出了各种规格的铸造件，从影像学角度来讲的无疵铸件以及ASTM收缩X射线5级（ASTMshrinkagex-raylevel5）铸件均在其列。各铸造厂分别记录了每个钢板铸件的铸造条件（合金成分、模具材料、过热、

6、浇注时间等），后来借助现代铸造模拟软件，利用这些信息对各钢板的铸造进行了数值模拟。一旦确定铸造实验结果和对应的模拟之间实现了良好的一致性，就会对铸造实验中未使用的几何形状和/或铸造条件进行大量模拟，通过这种方式获得一套更加完整的数据集。通过分析所有数据，为无疵铸件制订了一套新的补缩距离规则。这些新规则包括在本刊中。本刊与钢铸件浇冒口方案之间存在的差异：一般来讲不太保守的补缩距离：在某些情况下，利用本刊给出的指导规则计算获得的补缩距离，与利用钢铸件浇冒口方案中的指导规则计算获得的补缩距离相似，而且在其它情况下也不那么保守。一般来讲，当铸件的宽度厚度比率W/T增加时，与利用钢铸件浇冒口方案获得的补

7、缩距离相比，当前的补缩距离不再显得过于保守。补缩距离定义的一致性：在本刊中，对如下三种类型冒口的补缩距离的定义是一致的：具有尾端效应的顶冒口、可进行水平补缩的顶冒口、侧部冒口，但是在钢铸件浇冒口方案，对这三种冒口的定义不一致。不同条件下的乘数：提供了多个乘数，满足不同铸造合金成分、模具材料、浇注过热度和期望的铸件致密性等级的补缩距离要求。冒口区域和端部区域的致密性：希望通过本刊第四部分给出的信息，使铸造工程师了解冒口补缩凝固收缩机制的物理原理。沿用钢铸件浇冒口方案的部分：浇冒口定型流程：在钢铸件浇冒口方案已有信息的基础上，制订了本刊中的浇冒口流程。2适用的部分：钢铸件浇冒口方案中仍然适用于本刊

8、的部分已收入本手册。高合金浇冒口指导：本刊介绍的工作仅适用于低合金钢。将为高合金钢制订类似的补缩距离规则，目前这项工作正在进行中。希望本刊给出的指导原则和规则，不仅能够有助于高效地浇铸钢铸件冒口、提高铸件产量，而且还能够加深对补缩工艺物理现象的理解。虽然可以用现代的铸造模拟软件，取代实际的铸造实验，来检测钢铸造作业中的补缩和浇冒口问题，但是当前规则仍然可以满足如下多个重要用途：铸造模拟不提供铸件的初始冒口设计；所以，可以利用当前规则制订第一个“实验”冒口设计。铸造模拟不自动优化浇冒口方案；所以，可以利用当前规则，为某个浇冒口流程（例如，冒口之间的最大距离）提供准确的能力和局限性信息并说明它们如

9、何随着铸造条件和期望的致密性发生变化，通过这种方式来缩短模拟迭代周期。由于各种原因，大量钢铸件未使用铸造模拟；因此，当前规则成为合理设计铸件冒口系统的唯一途径。在爱荷华大学（UniversityofIowa）C.Beckermann教授的指导下，R.A.Hardin、S.Ou和K.D.Carlson进行了研究工作，本手册给出的新规则即是他们的研究成果。美国铸钢工作者协会（SFSA）谨此衷心感谢Beckermann教授和其团队开展的研究工作。此外，还要对参与铸造实验的铸造厂表示感谢，感谢他们在研究工作方面花费的大量时间和投入的资源。本手册的编制由美国能源部（DOE）DEFC0798ID13691

10、号奖项提供支持。但是本手册中陈述的任意观点、研究成果、结论或建议都是作者本人的，不一定反应美国能源部的意见。马尔科姆布莱尔（MalcolmBlair）副总裁技术碳和低合金研究委员会（CarbonandLowAlloyResearchCommittee）：S.Kulkarni，主席P.BrunoJ.CarpenterG.HartayK.MurphyA.SeeB.Shah32浇冒口的基础知识和术语碳钢在凝固过程中要收缩3%左右。当浇铸完成后，在液态金属冷却过程中，体积还会再减小。这种收缩会形成内部缺陷（即，孔隙），但在下列情形下，即到凝固过程结束为止，冒口或者液态金属储层始终都提供液态补缩金属的情

11、况例外。冒口还起到热储层的作用，它形成一个温度梯度，温度梯度将诱发定向凝固。在未定向凝固的情况下，可以从冒口将铸件中的液态金属截断，这样就会造成内部孔隙。可以通过两个标准来确定冒口是否合适：1）相对于铸件凝固时间，冒口的凝固时间；以及2）冒口的补缩距离。为了行之有效，应继续通过冒口向铸件补缩液态金属，直到铸件完全凝固为止。因此，冒口的凝固时间一定要比铸件的凝固时间长。因为影响凝固时间的关键因素是热损失，所以使冒口的热损失最小化是一个重要的考虑因素。对于一个体积固定的冒口而言，当冒口几何结构的表面积最小时，热损失也最小。球面的体积表面积比率（V/A，凝固模数）最大，因此按照Chorinov规则，

12、球面的凝固速率最慢。但是，球形冒口遇到了模塑问题。直径DR与高度H相等的圆柱体是通常建议的冒口几何形状，因为这种形状简单、易于模塑、而且体积表面积比率较大。可利用各种绝缘或者发热冒口套来降低冒口的热损失。不论冒口的形状如何，冒口必须足够大，这样不用将冒口收缩管插入到铸件中就可以提供足够的补缩金属。如图1所示，有两种常见冒口配置：顶部冒口，通常来讲这种冒口的效率更高，以及侧部冒口。侧部冒口的半球形底部阻止冒口/铸件连接点的过早凝固1。建议通过侧部冒口对铸件进行浇口作业，这样就可以获得最大效用1。补缩距离（FD）指的是最大距离，冒口将通过这段距离输送补缩金属，从而使铸件节段相对来讲，摆脱内部孔隙。

13、然后，补缩距离将决定需要的冒口数量。补缩距离始终都是量取从冒口边缘到需由该冒口补缩的铸件节段最远点之间的距离。图2给出了具有顶部冒口钢板的补缩距离，图3给出了具有侧部冒口钢板的补缩距离。当存在多个冒口时，冒口之间的补缩称之为横向补缩。同样，横向补缩距离（LFD）也是最大距离，仅由一个冒口为这段距离输送补缩金属。如果有人希望在由某个冒口输送补缩金属的铸造节段与由临近冒口输送补缩金属的铸造节段之间划一条线，那么横向补缩距离就是这条线上从冒口边缘到铸件最远点的距离，图4说明的就是这种情况。还可以通过另外一个方法，即以冒口为中心，以补缩距离和冒口半径（参见图24）之和为半径画一个圆，来说明如何量取补缩

14、距离。位于圆内的铸件节段将由该冒口补缩。对于由多个冒口补缩的铸件（例如在横向补缩案例中）而言，圆圈必须重叠，只有这样铸件的所有节段才能都包括在圆圈内。4补缩距离部分地取决于温度梯度，也就是凝固过程中单位长度范围内的温度变化情况。图5b说明急剧的温度梯度如何促成铸件补缩4。在凝固过程中，临近液态金属的固体表面层的形状随着温度梯度的倾斜度而变化。当温度梯度高时，就会形成开放的、更易于访问的补缩路径。在为凝固收缩进行补缩的液体池中，存在一个临界锥角。从补缩通路上截断的液体进入液体分离池，因为液体池的角度要比这个临界锥角的角度小，所以在液体分离池中会形成中心线收缩。图5a说明的就是这种情形。而且，补缩

15、距离还取决于凝固过程中钢材的冷却速度，之后将取决于铸件节段的厚度。当冷却/凝固速度（铸件节段的厚度小）比较大时，补缩距离则较小，这是因为补缩金属流动弥补收缩的速率较大。伴随这种较大的补缩金属速率，补缩通路上的压降增加，因而促进了孔隙的形成。因为温度梯度和冷却速度都受到铸件节段几何形状、浇注条件、钢种、成型材料等因素的影响，所以补缩距离会随着所有这些参数变化。下面章节中给出的补缩距离，是以新山判据（NiyamaCriterion）为基础得到的5，在这个判据中融合考虑了温度梯度和冷却率对孔隙形成的影响。在考虑补缩距离时，对如下两个词汇的理解非常重要：冒口区域和端部区域。因为冒口的温度将保持高于待补

16、缩铸件节段的温度，从而形成一个温度梯度，促成补缩。冒口发生效应阻止收缩孔隙的长度距离被称为冒口区长度（RZL）。图6说明的就是冒口区长度。铸件节段末尾模具产生的冷却效果也在待补缩铸件节段的长度方向上，形成了一个温度梯度。这种效果被称之为端部效果，它在所谓的端部区长度（EZL）上形成无疵铸件。图7说明的就是端部区长度。补缩距离是冒口区长度和端部区长度的函数；这部分内容将在第4部分讨论。有时候，采用方法来增加补缩距离。端部冷铁能够形成额外的温度梯度，并加强端部区长度（并通过这种方法加强补缩距离），但是对冒口区域长度没有效果。可以通过使用下型箱冷铁的方式，来加强横向补缩距离。下型箱冷铁不会增加冒口区

17、长度，但是会形成一个温度梯度，形成的温度梯度会在冒口之间形成端部效果。锥形也会促成开放补缩通路的形成，在锥形结构中，铸件节段的厚度向着冒口方向不断增加。实际上，一个足够大的锥形能够形成一个无限长的补缩距离。5（a）顶部冒口TLW（b）侧部冒口TWL图1由（a）顶部冒口以及（b）侧部冒口补缩的铸造节段的尺寸（参见1）。冒口直径补缩距离图2补缩距离FD的概念图释；补缩距离始终都是量取从冒口边缘到需由该冒口补缩的铸件节段最远点之间的距离。6L顶视图WFD侧视图T直径H=DR图3有端部效果的侧部冒口铸造节段的钢板尺寸定义。LFDDRDRLFD图4两个冒口之间横向补缩的图释说明；横向补缩距离量取从冒口边

18、缘到需由该冒口补缩的铸件节段最远点之间的距离。7（a）热梯度太薄，液体分离池会形成收缩YXX（b）热梯度足够急剧，能够形成锥形液体池，对铸件进行补缩，无收缩YX液体池的角度图5板状铸件图释，有（b）没有（a），适当的温度梯度阻止收缩孔隙的形成（参见4）。冒口区长度，RZL直径冒口区域图6铸件节段冒口区长度（RZL）图释，无端部效果；请注意：冒口区长度与冒口直径DR无关。8W铸件端部区长度，EZL模具图7铸件节断的端部区长度（EZL）图释；请注意：当W/T7时，端部区长度是W的函数。93浇冒口程序钢铸件的浇冒口应以系统的方式进行。第一步是将铸件表现为一系列简单的板形节段。用外形简单的节段来表现铸

19、件，方便计算每个铸件节段的凝固模数（体积和表面积的比值）。如第2节所述，凝固模数越大，凝固时间越长。如果某个铸件节段的模数比周围所有铸件节段的模数都大，那么在周围节段完全凝固之后，该节段将仍然还在凝固过程中。这个铸件节段中最后凝固的区域称为热点（hotspot）。一旦明确铸件的各个热点，就必须将冒口放置在每个热点旁边，保证补缩金属可以对每个热点进行补缩，直到凝固最终完成。表现铸件的各个简单节段必须为板形，因为本手册提出的浇冒口原则是针对简单板状外形制定的。所以，必须采用这样的外形以便应用这些浇冒口原则。做到这一点之后，就必须明确每个铸件节段的哪些边缘具备端部效应，而哪些边缘不具备端部效应。冒口

20、和不具备端部效应的边缘之间的补缩距离应视为横向补缩距离（LFD），反之应视为常规补缩距离（FD）。图8-10给出的示例，说明了用简单板状外形表现铸件以及识别具备/不具备端部效应的边缘的过程。用一系列简单的板状外形表现铸件之后，就必须明确铸件的补缩区域（feedingzone）。补缩区域是铸件的凝固区域，它在凝固的时候必须单独进行浇冒口操作（例如，含有热点的区域就是一个补缩区域）。补缩区域可能需要一个以上的冒口用于补缩，具体情况视涉及的补缩距离而定。补缩区域可以通过凝固模数（体积/面积的比值）识别。凝固模数最小的节段首先凝固，铸件可能分成多个不同的补缩区域。凝固模数较大的节段需要补缩金属，直至凝

21、固结束。在凝固的最后阶段，这些节段必须添加冒口以防止出现收缩。简单铸件的补缩区域可能是组成铸件的简单板形部分。如图8-10所示，板形部分组成的各个补缩区域非常容易识别。对于复杂的铸件来说，就没有这么简单了。补缩区域明确之后，就必须确定每个补缩区域的补缩路径（feedingpath）。必须识别存在充分锥形和定向凝固的铸件区域。在确定补缩距离时，这些区域无须凝固。此外，在这些情况下，确定补缩距离时也没有端部效应。放置冒口时应考虑定向凝固的原则。补缩路径应确定下来，以便从第一个补缩区域进行到最后一个补缩区域。冒口应放置在补缩路径的最后一个位置。内浇道应放置好，以便补缩金属从顶部冒口之下进入，并始终通

22、过侧部冒口。计算每个补缩区域的补缩距离和冒口尺寸之前的最后步骤，是确定补缩尺寸。待补缩节10段的补缩尺寸包括长（L）、宽（W）和厚（T）。图1显示了两例节段的长（L）、宽（W）和厚（T）。如该图所示，补缩区域和补缩路径必须明确，以便确定浇冒口尺寸。总而言之，钢铸件浇冒口的推荐流程如下：（a）将铸件表现为一系列简单的板形节段找出热点，并在每个热点旁边放置一个冒口确定每个板形节段具备/不具备端部效应的边缘（b）确定补缩区域、补缩路径和补缩尺寸（c）确定补缩距离（第5节）（d）确定冒口尺寸（第6节）11图8管形铸件表现为一块钢板，两个边缘具备端部效应，两个边缘不具备端部效应（参见1）。图9齿轮铸件表

23、现为三个不同的板形几何形状（参见1）。图10负载均衡器铸件分为三种不同的板形组件（参见1）。124冒口和端部区域的铸件致密性冒口区域和端部区域没有孔隙，因为这些区域存在一个热梯度，可以促进定向固化并方便补缩流量。图6和图7分别显示了冒口区域和端部区域的概念。冒口区域的尺寸主要是冒口区长度（RZL），它从顶部冒口呈辐射状向外延伸。端部区域的尺寸主要是端部区长度（EZL），它正常测量至铸件节段的端部。图11显示的是标准化的冒口区长度（RZL/T）和端口区长度（EZL/T），它们是标准化节段宽度（W/T）的函数，其中T为节段厚度。图11中的曲线对于插图中列举的铸件条件是有效的（也可参见第5节）。请注

24、意，当W/T从1逐步增加时，这两条曲线均开始提升，然后在各自的最大值W/T=7左右进入平稳状态。W/T7）时，模具产生的热梯度延伸EZL/T=4.2的距离进入铸件。但是，当W/T降低到7以下时，EZL/T开始下降。这是因为实际上有三个端部区域作用于图11中EZL/T曲线上面的铸件节段。所示端部区域从铸件右侧边缘开始延伸，但是也有端部区域从宽度方向两侧开始延伸。这些侧端部区域产生的定向凝固使得凝固前沿从两侧移动进入铸件，就像右端部区域使得凝固前沿从右边缘进入铸件一样。当W/T降低到7以下时，从侧部延伸的凝固前沿开始会合于中线，然后从右边缘延伸的凝固前沿将移动整个端部区长度。当侧部边缘会合时，它们

25、将切断右端部区域的补缩流量，并有效地减小该端部区域的尺寸。这样，当W/T趋近于1时，EZL/T便开始降低。RZL/T的降低也是如此：当W/T较小时，在铸件节段的宽度方向从侧部延伸的端部区域会合于中线，并有效减小冒口区域的尺寸。W/T7时，冒口区长度固定为RZL/T=3.05，而不受冒口直径影响。通过利用冒口区域和端部区域的概念，可以确定冒口补缩的铸件节段是否无疵，以及若铸件节段不是无疵的，则孔隙在哪里形成。关于下列详情，请参见后续章节：（1）顶部冒口补缩在模具中终止的铸件节段，（2）顶部冒口之间的侧向补缩，以及（3）侧部冒口补缩的铸件节段。135端部区长度（EZL/T）W4.5EZL4冒口区长

26、度RZL3.5（RZL/T）WDR32.521.511AISI1025钢材呋喃树脂砂模140F（60C）过热度1”T12”（2.54厘米30.5厘米）无可见收缩孔隙，采用X光2345678910111213141516宽度/厚度的比值，W/T17图11冒口区长度和端部区长度是宽度和厚度的函数。144.1顶部浇冒口的铸件节段在模具中终止图12和图13显示了两种不同的情况，涉及顶部冒口补缩在模具中终止的铸件节段。在图12显示的情况中，铸件节段宽度W小于或等于从侧部沿着铸件节段宽度方向延伸的端部区域尺寸的两倍（即W2EZL2）。应该注意的是，端部区长度EZL1和EZL2可以有所不同，因为它们是铸件与

27、模具接口长度的函数。因此，EZL1是W的函数，而EZL2是所示（而非所标记）节段侧部边缘长度的函数。图12a显示的是无疵的铸件节段。虚线（一条位于中线上方，另外一条位于中线下方）之间的区域，是该铸件节段既不在冒口区域也不在从其右边缘（即EZL1）延伸的端部区域的唯一区域。但是这些区域在从侧部边缘沿着铸件节段宽度方向延伸的端部区域内。因此，不在冒口下面的整个铸件节段被冒口区域或端部区域覆盖，铸件节段无疵。图12b显示，若冒口和铸件节段右部边缘之间的距离增加，则收缩孔隙将沿着冒口区域和从铸件右部边缘延伸的端部区域之间的中线产生。该铸件节段应该是无疵的，因为整个节段位于冒口区域、从右部边缘延伸的端部

28、区域、或者从侧部边缘延伸的端部区域。但是，由于从铸件节段侧部边缘延伸的端部区域产生定向凝固，凝固前沿将从侧部边缘向中线推进。这些前沿将会合于中线，冒口区域至从右部边缘延伸的端部区域的补缩金属将切断。这样将会产生中线收缩孔隙，如图12b所示。图13显示的情况是，铸件节段的宽度W大于从所示铸件节段侧部边缘延伸的端部区域尺寸的两倍（即W2EZL2）。图13a为无疵的铸件。同样，不在冒口下面的整个铸件节段被冒口区域或端部区域覆盖。图13b显示，当冒口和铸件节段右部边缘之间的距离增加至超过图13a所示无疵铸件的最大距离时，收缩孔隙开始产生。请注意，当W2EZL2时，收缩孔隙开始在没有被端部区域或冒口区域

29、覆盖的两个较小区域中形成，而非像当W2EZL2时那样沿着中线形成。图13c和图13d显示，当冒口和铸件节段右部边缘之间的距离继续增加时，收缩孔隙区域如何扩大，并最终合并成为一个区域。通过比较图12a和图13c，可以发现图12和图13描述的两种情况之间存在一项重要区别。注意，这两个图非常相似，因为在两个图中，从铸件右部边缘延伸的端部区域均相切于冒口区域。不过，由于两个图中铸件节段宽度W不同，所以图12a产生的是无疵铸件，而图13c产生的是收缩孔隙。15(a)无疵俯视图（b）中线收缩俯视图EZL1DRRZLEZL2W2EZL2EZL2EZL1EZL2侧视图横截面DRW2EZL2EZL2RZL收缩孔

30、隙RZLEZL1TEZL=端部区长度RZL=冒口区长度图12具备端部效应的顶部浇冒口板材，板材宽度W2EZL2。（a）若冒口区域和从铸件节段右部边缘延伸的端部区域相切（如图所示）或重叠，则板材无疵。（b）若这些区域不会合，则板材在它们之间存在中线收缩。16(a）DRRZL俯视图（c）收缩孔隙DRRZL俯视图EZL2EZL1EZL2EZL2EZL1EZL2WW（b）收缩孔隙DRRZL俯视图（d）收缩孔隙DRRZL俯视图EZL2EZL1WEZL2EZL2EZL1WEZL2EZL=端部区长度RZL=冒口区长度图13具备端部效应的顶部浇冒口板材，板材宽度W2EZL2。（a）若端部区域的重叠部分位于冒口

31、区域内或与冒口区域重叠，则板材无疵。（b）-（d）显示当板材长度增加时，哪些地方会产生孔隙。174.2顶部浇冒口铸件节段的横向补缩顶部浇冒口横向补缩的各种情况见图1416。在图14显示的情况中，铸件节段宽度W小于或等于从侧部边缘沿着铸件节段宽度方向延伸的端部区域尺寸的两倍（即W2EZL）。图14a显示的是无疵的铸件节段。冒口区域彼此相切，包括整个铸件节段，虚线之间的区域除外。这些区域属于从铸件节段侧部边缘延伸的端部区域，见图14a。当冒口之间的距离增加时，如图14b所示，冒口区域不重叠。与图12b的情况类似，沿着图14b中铸件节段端部边缘推进的凝固前沿会合于中线，切断冒口区域的补缩。于是中线收

32、缩，如图14b所示。图15描述的情况是，固件节段的宽度大于沿着铸件节段侧部边缘延伸的端部区域尺寸的两倍（即W2EZL）。图15a显示的是无疵的铸件节段。同样，整个节段位于冒口下面，或者位于冒口区域或端口区域。当冒口之间的距离增加时，铸件没有被冒口区域或端部区域覆盖的区域将形成收缩孔隙。如图15b所示。与图13类似，当冒口之间的距离继续增加时，收缩孔隙区域不断扩大和合并，见图15b-15d。请注意，图14a和图15c相似，因为两图中，冒口区域彼此相切。但是，由于宽度不同，图14a的铸件无疵，而图15c的铸件则出现收缩孔隙。图16显示的情况是，有关区域不存在端部效应。为了实现无疵的铸件，所有冒口之

33、间的铸件节段必须位于一个或多个冒口区域内。如图16a所示。图16b和图16c显示收缩孔隙首先在哪里产生，以及当冒口相隔更远时该区域如何扩大。基于图1216描述的情况，可以说，当下列三个条件全部都满足时，铸件节段就是无疵的：（1）没有直接位于冒口之下的整个铸件节段必须位于冒口区域或端部区域内。（2）如果两个或更多端部区域重叠，则重叠点必须位于冒口区域的边界线上或边界线内。（3）如果两个或更多冒口区域重叠，并且区域中存在端部效应，则冒口区域的重叠点必须位于端部区域的边界线上或边界线内。如图12所示，从铸件节段侧部边缘延伸的端部区域在中线会合（没有显示出来）。因此，这些端部区域拥有一个共同的边界线，

34、即铸件节段的中线。该边界线和从铸件节段右部边缘延伸的端部区域的边界线之间的重叠点，是垂直端部区域边界虚线的中点，如图12所示。图12a中，该重叠点是冒口区域和从铸件节段右部边缘延伸的端部区域之间的会合点。因此，上述条件（1）-（3）均满足，铸件节段无疵。图12b中，端部区域之间的重叠点位于冒口区域之外。条件（2）不满足，出现收缩孔隙。18（a）无疵俯视图RZLDRRZLEZLW2EZLDREZL（b）中线收缩俯视图RZLDRRZLEZLW2EZLDREZL收缩孔隙侧视图横截面RZLRZLTEZL=端部区长度RZL=冒口区长度图14横向补缩的顶部浇冒口板材，板材宽度W2EZL。（a）若冒口区域相

35、切（如图所示）或重叠，则板材无疵。（b）若这些区域不会合，则冒口区域之间存在中线收缩。19（a）EZLDRDRRZLRZL俯视图EZL收缩孔隙WDRRZL俯视图（b）EZLWDRRZLEZL（c）（d）EZLEZL收缩孔隙收缩孔隙DRDRWDRDRWRZLRZLRZLRZL俯视图EZL俯视图EZLEZL=端部区长度RZL=冒口区长度图15横向补缩的顶部浇冒口板材，板材宽度W2EZL。（a）若端部区域线位于冒口区域内或与冒口区域重叠，则板材无疵。（b）-（d）显示当冒口之间的距离增加时，哪些地方会产生孔隙。20（a）RZLDR俯视图（b）RZLDR俯视图（c）收缩孔隙RZLDR俯视图RZL=冒口

36、区长度图16横向补缩的顶部浇冒口板材，板材节段存在端部效应。（a）若全部位于一个或多个冒口区域内，则冒口之间的板材区域无疵。（b）和（c）显示当冒口之间的距离增加时，哪些地方会产生孔隙。214.3侧部浇冒口的铸件节段尽管冒口区域和端部区域的讨论限于顶部浇冒口的节段，但是这些概念也可以在侧部冒口方面加以考虑。端部区域的概念与顶部冒口相同，因为端部区域只是铸件/模具接口的函数，而非冒口的函数。冒口区域的概念稍有不同，因为侧部冒口不会像顶部冒口那样在所有方向进行径向补缩，冒口区域和靠近冒口的端口区域存在竞争效应。图17显示的铸件通过侧部冒口进行补缩。该铸件的四侧至少部分与模具接触，所以存在四个端部区

37、域。图17a和图17b中，从左右两侧延伸的端部区域是长度L的函数，从上下两侧延伸的端部区域是宽度W的函数。图17a和图17b所示冒口区域为近似。如前所述，侧部冒口与顶部冒口补缩铸件的方式不同。对于侧部冒口，进入铸件的部分补缩金属径向移动（与顶部冒口一样）。但是，补缩金属还必须在拐角处返回，从冒口触点左右两侧补缩金属。此外，冒口中较热金属形成的热梯度与模具的制冷效应在冒口触点附近铸件边缘竞争。由于侧部冒口补缩和顶部冒口补缩存在这些差异，所以冒口区域仅近似一个圆弧，如图17所示。但是，基本的概念仍然适用。图17a中的铸件节段是无疵的。端部区域的重叠点位于冒口区域，整个铸件被冒口区域或端部区域覆盖。

38、因此，第4.2节列举的三个条件全部满足。图17b显示，随着宽度W增加，端部区域的重叠点移动到冒口区域之外。如图12和图14所示，收缩孔隙在冒口区域和端部区域重叠点之间的水平中线处形成。与第4.1节类似，侧部冒口也可以考虑各种各样的几何图形，采用的程序与本节相同。当从RZL和EZL的角度考虑侧部浇冒口节段的致密性时，图11中给出的曲线可以使用，但是RZL的值应该考虑为近似。22（a）无疵EZLWWLRZLEZLL（b）中线收缩EZLLDREZLWW收缩孔隙LRZLEZLLEZLLDRRZL=冒口区长度（近似）EZLL=基于L的端口区长度EZLW=基于W的端口区长度图17冒口区和端口区概念应用于侧

39、部浇冒口板材示例。（a）若端口区重叠处位于冒口区边界线之上或之内，则板材无疵。（b）若它们会合，则重叠处和冒口区之间形成收缩孔隙。235补缩距离的计算补缩距离，即从冒口边缘到铸件节段最远点的距离，它所指示的铸件节段长度可以通过该冒口补缩，而不会产生射线检测可见的收缩缺陷（即：优于ASTM收缩X射线1级）。如图24所示，补缩距离的概念最适用于以冒口为中心画圆，半径等于补缩距离加上冒口半径。然后，该圆中的铸件节段通过冒口进行补缩。本节提出的补缩距离规则适用于厚度T范围1”至12”（2.54厘米至30.5厘米）的铸件节段。对于较薄的铸件节段即：厚度小于1”（2.54厘米），补缩距离高度依赖于加注工艺

40、。如果较薄的铸件节段通过冒口浇进，则补缩距离最高两倍于根据当前规则预计的距离1。若考虑加注效果，则这里提出的补缩规则可以用于较薄的节段，但是在许多情况下，它们产生的补缩距离预计将过于保守。5.1至5.6节提供的公式和图表可以用来通过给定的尺寸计算铸件节段的补缩距离。顶部冒口、侧部冒口、锥形节段以及各种不同的端部冷却条件（常规端部效应、横向补缩和冷硬）都可以考虑。此处讨论的补缩距离适用于下列基本铸件条件：AISI1025钢PUNB（呋喃树脂）沙模140F（60C）浇铸过热度第5.6节说明如何将这些补缩距离应用于通过各种不同的合金组合物、铸型材料、浇铸过热度以及其它致密水平（例如，较高的ASTM收

41、缩X射线等级）所铸造的节段。如同前一节中的RZL/T和EZL/T曲线一样，附录也提供了本节所示曲线的第四阶多项式曲线拟合。5.1具备端部效应的顶部冒口顶部浇冒口节段的补缩距离（图2）如图18所示的曲线，其中FD/T基于W/T。将FD和W除以厚度T（图18所示铸件草图的尺寸），便可以用一个曲线来表示所有节段厚度的补缩距离。端部效应的补缩距离曲线终止于W/T值15左右。当W/T值较大时，节段宽度大于其长度（标准冒口直径），两者可切换。第2节提到，补缩距离与冒口和端部区域的长度相关。比较图11和图18便可明白这一点。例如，W/T=1。当W/T较小时，最大的无疵铸件节段对应于图12a，其中冒口区域相切

42、于端部区域。因为W较小，所以FD大约等于冒口边缘至铸件右部边缘中线的距离，即RZL+EZL。图11中，W/T=1时的RZL/T和EZL/T值分别为1.65和2.05。24它们的和为3.7，大约是W/T=1时的FD/T值，见图18。当W/T增加时，RZL/T和EZL/T随之增加，直至W/T=7左右，此时它们达到最大值并保持恒定。从W/T=1到W/T=7，FD/T比RZL/T和EZL/T的和增加稍快。超过W/T=7后，尽管RZL/T和EZL/T保持恒定，但FD/T继续随W/T增加。这是因为，FD/T是从冒口到铸件节段最远点的对角距离，由于W/T不断增加，所以FD/T也在增加。一旦W/T大于2（EZ

43、Lmax=8.4），最大无疵铸件节段将对应于图13a。同样，当W/T继续增加时，FD/T也在增加，直至W/T=15左右，此时FD/T达到最大值9.0左右。2510AISI1025钢呋喃树脂沙模140F（60C）过热度1”T12”9（2.54厘米30.5厘米）无可见收缩孔隙采用X光876FDWDR5431234567891011121314151617宽度/厚度比值，W/T图18补缩距离（FD）为顶部浇冒口节段宽度和厚度的函数265.2横向补缩（在顶部冒口之间补缩）顶部冒口的标准化横向补缩距离LFD/T（图4）是宽度/厚度比值W/T的函数，见图19。对于较小的W/T值，横向补缩距离等于端部效应补

44、缩距离的大约48%，即：LFDT=FDFD0.48TlateralT,forW/T7（1）endeffect该公式近似适用于最高W/T=7。请注意，上述公式中除以厚度T不是必要的，因为T相互抵消了。之所以除以厚度T，只是为了使乘数更简便地用于关联FD/T的各种公式和数字。应该注意的是，图19所示LFD/T曲线中存在轻度的冒口直径依赖。当最高W/T=7时，其效果比较小。但是当W/T值比较大时，该曲线的误差可能达到百分之几，具体视冒口直径而定。考虑的横向补缩区不存在端部效应时（例如，四个冒口，见图16），宽度W不相关。在这种特殊情形下，横向补缩距离等于最大冒口区长度值3.05T。图19的右下方插入

45、的草图说明了这个情况。278LFD76543211WDRDRLFD顶部冒口横向测量距离（LFD/T）AISI1025钢呋喃树脂沙模140F（60C）过热度1”T12”（2.54厘米30.5厘米）无可见收缩孔隙采用X光没有端部效应（即，没有相关的W）：LFD=RZL=3.05TRZLDRLFDLFD2345678910111213141516宽度/厚度比值，W/T17图19横向补缩距离（LFD）是顶部浇冒口节段宽度和厚度的函数285.3带端部效应的侧部冒口侧部浇冒口铸件节段的标准化补缩距离FD/T（图3）是宽度/厚度比值W/T的函数，见图20。请注意，与图18所示顶部冒口FD/T不同，侧部冒口的

46、补缩距离无法通过一条曲线给出。相反，图20中的FD/T也是标准化冒口直径DR/T的函数。其部分原因在于侧部冒口补缩更加复杂，因为补缩金属必须在冒口/铸件会合处转弯，而非沿着径向直接前进。另外一个影响因素是FD对于冒口尺寸存在几何依赖性。图20中标记为“W=DR时的补缩距离”的曲线是一种重要的极限情况。当W=DR时，侧部浇冒口铸件的一端放置冒口即相当于顶部浇冒口铸件，如图20上方草图所示。在这种极限情况下，侧部冒口FD/T与顶部冒口FD/T相同。换句话说，W=DR曲线就是图18的FD/T曲线。图20虚线表示恒定标准化长度线L/T。如果补缩距离、冒口直径和铸件节段宽度已知，那么铸件节段长度可以通过

47、下面的公式计算：（2）这些L/T线可以部分说明长度如何随着有关参数变化。图20中DR/T=1、2和4的曲线看起来比较复杂，但是也可以通过刚才说明的极限情况开始追踪一个曲线来进行理解。例如，考虑DR/T=2曲线。当W/T=DR/T=2时，FD/T值为5.0，就像W/T=2时的顶部冒口一样（见图18）。当W/T从这个点增加时，注意DR/T曲线几乎平行于代表L/T=4.9的线条。因此，当W/T沿着曲线DR/T=2curve增加时，L/T几乎保持恒定，铸件节段变得更宽。FD/T随着W/T增加，直到W/T达到最大值14.5左右，此时FD/T曲线急转弯，W/T开始降低。W/T=14.5代表可以通过直径为D

48、R/T=2的冒口可靠补缩的最大节段宽度。DR/T=2的FD/T曲线在W/T=14.5处转弯，并开始向下然后向左，请注意L/T和W/T开始降低。这可以理解为，当节段长度L降低时，可以通过给定冒口补缩的宽度W也会降低。当L降低时，在端部冒口另外一边从铸件节段边缘延伸的端部区域使得凝固前沿开始从该边缘向冒口区域推进。此外，铸件侧部靠近冒口/铸件结合点的地方存在端部效应，将促进这些区域的铸件凝固。当这些端部效应造成的凝固前沿向铸件中间移动时，它们开始凝固补缩路径，迫使补缩材料急转弯沿切线方向进行补缩。从本质上讲，当L变小时，补缩金属转弯以及对铸件节段进行切向补缩的难度加大，而且补缩路径很快就凝固。因此

49、，当L减小时，W也必须减小，这样铸件节段才能是无疵的。请注意图20中的“无疵”标签。它表明处在FD/T曲线“U”结构内的任意铸件几何结构都无疵的，而落到“U”结构外的几何结构29都有可能包含缩孔。以一个DR/T=2并且W/T=12的侧部冒口铸件节段为例。DR/T=2曲线的下半部分在FD/T=5.8这个点与W/T=12交叉。这个位置的L/T为2.2。这个曲线的上半部分与W/T=12线再次在FD/T=7.4前后的位置交叉，此时L/T为4.8。这个情况可以解释如下：如果DR/T=2并且W/T=12，侧部冒口可以通过介于2.24.8之间的L/T值对铸件节段进行无疵补缩。如果L/T大于4.8，那么节段简

50、直就太大了，冒口就无法为其补缩。如果L/T小于2.2，那么端部效果会造成切向补缩困难，而且补缩路径将过早凝固。3010AISI1025钢材9876呋喃树脂砂模FD140F（60C）W=DR过热度的补缩距离1”T12”L（2.54厘米30.5厘米）无可见收缩孔隙，采用X光L/T=6.4DR/T=4WL/T=4.9L/T=4L/T=3.5L/T=3L/T=2.5L/T=25431DR/T=2无疵DR/T=1234567L/T=189101112L/T=1.5FDDRWL131415161718宽厚比，W/T图20侧部冒口补缩距离，FD，是DR、L、W和T之间的一个函数。315.4冷铁将冷铁试样插入

51、模具中，通过插入后形成的急剧温度梯度，来加强补缩距离。与铸件接触的冷铁表面必须干净、干燥。表面粗糙度对热传递特性的影响微乎其微。冷铁可以和薄的耐火涂层或者碳黑合用。在各种实际应用中，铸铁或者钢制冷铁的效果等同。与未冷却的铸铁或者石墨激冷试块相比，水冷铜激冷试块的效用更佳。但是，当铸件收缩远离激冷试块时，由于在铸件/冷铁接口处形成的缺口，使得这些外部激冷试块的效用大打折扣。石墨冷铁的性能会随着使用退化。冷铁在铸件节段（“端部冷铁”）的端部使用，充当两个冒口之间的“下型箱冷铁”。它们的用途和效用将在下文分别讲述。端部冷铁：端部冷铁可以增加端部区长度，通过这种方式来增加补缩距离。如图21所示，端部冷

52、铁有一个激冷厚度，简称为CT，按照定义，激冷厚度与铸件/冷铁接触面垂直。激冷厚度应介于1/2T和2/3T之间；更大的激冷厚度也不会进一步增加补缩距离。用激冷厚度CT=2/3T，计算得到下面公式（3）和公式（4）中给出的端部冷铁乘数。选择的激冷宽度，简称为CW，以及激冷长度，简称为CL，都应该与铸件节段的几何形状匹配，即CW=T，CL=W。在这种情况下，补缩距离FD的定义与在端部效果案例中的定义一样，即从冒口边缘到铸件节段（不包括冷铁）最远点之间的距离。尽管图21给出的是和顶部冒口一起使用的端部冷铁的范例，但是端部冷铁还可以同样的方式，与侧部冒口一起使用。在上述两种用例中，端部冷铁使端部效果补缩

53、距离增加约19%，即（3）(3)因为端部冷铁仅影响端部区长度对补缩距离的效果，因此端部冷铁的效用也可以表示为端部冷铁实现的端部区长度改变值。模拟结果表明，增加一个冷铁试块后，端部区长度增加约38%，即(4)其中下标端部效果指的是图11中的EZL/T曲线。下型箱冷铁：在图22中，将一块冷铁试块放入两个冒口之间的下型箱中。因为从本质上讲，在两个冒口之间形成了端部效果，所以这个流程增加了横向补缩距离。如同端部冷铁的情况一样，激冷厚度，简称为CT，按照定义，激冷厚度与冷铁接触面垂直，而且取值应介于1/2T和2/3T之间。激冷宽度，简称为CW，按照定义，激冷宽度与长度方向上的接触面平行，而且取值应介于1

54、/2T和2/3T之间。更大的激冷厚度和激冷宽度不会进一步增加补缩距离。实际上，因为激冷宽度大于2T，因此会在冷铁上形成孔隙1。通过CT=CW=1/2T，计算得出了下面公式（5）中的下型箱冷铁乘数，但是在这个乘数中，用1/2T还是用2/3T做CT和CW，差别并不大。选择的激冷长度，简称为CL，应与铸造节段几何结构匹配，即CL=W。如图22所示，32有下型箱冷铁的补缩距离从冒口边缘量起，量至下型箱冷铁上方之外，铸件节段的最远点。请注意：补缩距离不是一路延伸至冒口（即，下型箱冷铁的中心线）之间的对称线，而只是延伸至冷铁的边缘。下型箱冷铁在冒口之间形成了一个伪终端效果，相当于铸件节段在模具中终止时，9

55、5%左右的终端效果，也就是说，(5)就横向补缩而言，如果将公式（1）与公式（5）进行对比，就可以发现下型箱冷铁几乎使横向补缩距离翻番。33CTFD端部冷铁WDRCL端部冷铁DRTCWCT图21顶部冒口铸件节段的端部冷铁尺寸FD下型箱冷铁FD下型箱冷铁FD端部效果CL=WDRDRDRDRT下型箱冷铁CTCW图22使用下型箱冷铁，进行顶部冒口的横向补缩。345.5锥形可以利用与铸件节段厚度方向垂直的表面上形成的锥形（又称“金属填料”），来获得所需的纵向热梯度，从而对任意长度完成致密性补缩。存在一个临界锥度，在这个锥度上，可以使铸件节段无限长。在临界值以下使用锥度不会获得有益效果，即铸件节段的长度不

56、会增加。在图23中，给出了一个锥形节段的范例，其中使用了顶部冒口。从图中可以看出，锥形增加了壁厚。因为铸件端部在端部区长度EZL上不需要锥形，而且靠近冒口的区域在冒口区长度RZL上不需要锥形，所以利用这一点，就可以使厚度增加最小化。图11给出了端部区长度和冒口区长度。可使铸件节段无限长的临界锥形是宽厚比W/T之间的一个函数，如图24所示。在该图中，锥形表示为H锥形/L锥形，其中H锥形和L锥形分别代表锥形铸造节段的高度和长度。请注意：相对于小的W/T来讲，这个锥形比较大。当W/T增加时，锥形急剧缩小，直到W/T=6时达到接近常数的值0.011为止。图24中的锥形曲线是通过数值模拟获得的，模拟方式

57、与本手册中的补缩距离曲线的模拟方式相同。但是，需要说明的是，与补缩距离曲线不同的是，目前没有直接的实验数据，为该曲线提供支持。因此，应该慎用这里给出的锥形值。冒口区长度DRRZLH锥形T端部区长度EZL锥形（英寸/英寸）L锥形图23钢板中的锥形，钢板使用顶部冒口。350.04AISI1025钢材呋喃树脂砂模0.0350.030.0250.020.0150.010.005冒口区长度DRRZLH锥形锥形（英寸/英寸）T140F（60C）过热度1”T12”（2.54厘米30.5厘米）无可见收缩孔隙，采用X光端部区长度EZLL锥形012345678910宽厚比，W/T图24，锥形，表示为H锥形/L锥形

58、，是W/T的一个函数。365.6其它铸造条件通过使用乘数，可以将上面小节中给出的补缩距离用于已列明基本条件之外的铸造条件。表1给出了备用砂模材料、铸造合金成分、浇注过热度和期望铸造致密性的乘数清单。基本条件之外的铸造条件的补缩距离可利用下面的公式计算：（6）其中，（FD/T）基本情况是上面小节中介绍的适当铸造条件的规范补缩距离。重申一下，在上面的公式中，不是必需除以厚度T，因为T取消了。请注意：如果基本情况与端部效果吻合，那么上面小节中介绍的横向补缩和冷铁乘数，就可以代入公式（6）中。对于与基本铸造条件类似的任意条件而言，其中C=1。表1中给出的乘数，最初是为图18中的端部效果补缩距离设置的，

59、它们对该曲线（即，最高达W/T=15左右）的整个范围都有效。通过公式（1），也可以将这些乘数用于横向补缩。但是，只有在高达W/T=7左右时才是准确的。除了这个值，都仅是近似结果。可以通过同样的方式，将乘数用于冒口区长度和端部区长度，得到的常数值为W/T=7左右，最后，乘数对侧部冒口补缩距离也仅仅是大致有效。ASTM收缩X射线15级的致密性乘数C致密性可以从图25中获得。此图中的空心符号代表铸造实验中使用的钢板，当前补缩规则正是以这些铸造实验为基础制订的2、3。符号下方的数字代表乘数钢板。实心正方形代表X射线14级C致密性的平均值，用线条表示，表示从平均值中加上/减去一个标准偏差。平均值显示在实

60、心正方形上方，用黑体表示。回想一下，基本情形的定义是制造从放射影像角度讲完全致密的铸件。这些从放射影像角度讲致密的钢板是ASTM收缩X射线1级（表明“1级或更好”）的子集，在图25中，在1级中对它们进行了单独分组。这样做的目的是强调，如果希望得到1级评级，那么可能会使用一个大于乘积的X射线等级乘数（请注意：1级的C致密性平均值是1.14）。因为这个等级包括次于4级的所有铸件，所以未表示5级的平均值。换句话说，任意足够大的C致密性值都可能形成一个5级的铸件。从图25可以看出，C致密性随着X射线等级增加。但是，每个等级都有大量C致密性散射，这主要是由于按照ASTM标准6、7评估X射线等级时有很多不