第三节 冒口、冷铁设计教材

第三节冒口、冷铁设计一、冒口

冒口是铸型内设置的一个储存金属液的空腔。冒口的概念冒口的作用冒口的分类常见冒口形式冒口的设计1)对于凝固温度范围宽，不产生集中缩孔的合金，冒口的作用主要是排气和收集液流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液。这种冒口多置于内浇道的对面，其尺寸也不必太大。2)对于要求控制显微组织的铸件，冒口可以收集液流前沿的过冷金属液，避免铸件上出现过冷组织。3)对于凝固期间体积收缩量大，且趋向于形成集中缩孔的合金（如铸钢、锰黄铜和铝青铜等），冒口的主要作用是补偿铸件的液态收缩和凝固收缩以得到致密的铸件。

对铸件进行补缩，防止产生缩孔、缩松等缺陷，同时提高排气、集渣等效果，防止产生气孔、夹渣等缺陷。冒口的作用冒口顶冒口侧冒口明冒口暗冒口依所在位置分依覆盖情况分压缩空气冒口发气压力冒口大气压力冒口保温发热冒口发热冒口加氧冒口煤气加热冒口电弧加热冒口易割冒口依加压方式分依加热方式分普通冒口特种冒口直接实用冒口控制压力冒口传统冒口铸铁件的实用冒口分类暗顶冒口明侧冒口暗侧冒口易割冒口压边冒口整体冒口发热（保温）冒口大气压力冒口明顶冒口冒口形式

功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不相同。冒口的设计要充分考虑铸造合金的性质和铸件的特点。

根据铸件的特点，冒口一般可分为通用冒口和实用冒口。1.通用冒口设计1

通用冒口的特点

适用于所有合金铸件的冒口称为通用冒口。2

通用冒口的补缩原理冒口设计①冒口凝固时间大于或等于铸件（被补缩部分）的凝固时间。1)基本条件②有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固补缩以及浇注后型腔扩大的体积。③在凝固期间，冒口和被补缩部位之间存在补缩通道，扩张角始终向着冒口。

铸件凝固过程中液相线之间形成的向冒口方向的扩张角称为补缩通道扩张角，用

表示。补缩通道：

铸件凝固过程中，冒口和铸件被补缩部位之间始终保持着畅通的液态通道，称为补缩通道。补缩通道扩张角：

2)补缩通道和有效补缩距离①冒口与铸件间的补缩通道②冒口的有效补缩距离中间区末端区冒口作用区冒口有效补缩距离

冒口的有效补缩距离应考虑冒口补缩和铸件末端冷却效应的联合作用。掌握冒口补缩距离，可以合理地规定大铸件冒口的间距和数量。

一般情况下，平行截面的板状、棒状钢铸件冒口有效补缩距离为其厚度(T)的二倍，如有末端效应则为厚度的四点五倍（4.5T）。金属补贴③冒口的有效补缩的保证利用冷铁和工艺补贴。加热补贴

固相补缩是最后阶段，对铸件外形收缩有直接影响。3)补缩的过程

液态补缩为凝固初期的主要补缩方式。

重量补缩是紧跟液态补缩发生的固相在重力下自动积聚的补缩方式。

第三阶段枝晶间补缩，对形成疏松缺陷有直接影响。4)适用条件

适用于所有合金铸件。但通常用于铸型刚度差的较厚铸铁件的生产。3

通用冒口的设计

冒口的设计包括两个内容：一是确定位置和数量，二是确定冒口的尺寸。②冒口应设在铸件最高和最后凝固的部位，同时必须采取措施形成向冒口方向的定向凝固。1)冒口的位置①冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁。③冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位。⑤冒口应尽量设置在方便和容易清除冒口残根的地方或尽量放在加工面上，减少铸件不必要的加工或修整。⑥对于不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩距离隔开。④冒口应避免放在铸件上应力集中的部位，注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免由于加大热差造成铸件变形或开裂。2)冒口的尺寸模数法、比例法、三次方程法、补缩液量法①模数法的基本原理顺序凝固

c

n

r铸件受补缩部分的凝固时间冒口的凝固时间冒口颈的凝固时间<<castriserheadneckofriserhead凝固系数模数

模数小的铸件，凝固时间短，模数大的铸件，凝固时间长，模数相同的铸件，凝固时间相等或相近。凝固模数：铸件的体积和传热面积的比值，简称模数。铸件的凝固时间取决于它的模数。M＝V／A（cm）对于普通冒口：Kc=Kn=Kr对于碳钢铸件：侧冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2内浇道通过冒口：Mc:Mn:Mr=1:（1~1.03）:1.2顶冒口：Mr=（1~1.2）Mc考虑到缩孔应完全在冒口内，有：金属的体收缩率冒口的补缩效率型壁移动而扩大的体积②冒口设计的基本步骤a)计算铸件的模数b)求出冒口及冒口颈的模数c)确定冒口的形状和尺寸d)确定冒口的个数e)校核冒口的最大补缩能力③计算举例见教材121页。几种常见几何体的模数计算公式4

提高通用冒口补缩效率的措施

提高冒口中金属液的补缩压力（采用大气压力冒口）和延长冒口中金属凝固时间（采用保温、发热冒口）2.实用冒口设计1)实用冒口设计法

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，从而克服补缩缺陷。①直接实用冒口

原理：直接实用冒口是利用冒口来补偿铸件的液态收缩，而当共晶膨胀开始时，让冒口颈及时凝固，只要铸型的刚性足够，就可利用共晶膨胀弥补可能出现的缩孔、缩松缺陷。

特点：铸件工艺出品率高，冒口设计灵活，去除冒口的费用少，但要求铸型强度高，浇注温度范围严格，保证冒口颈冻结时间准确，模数不易确定。②控制压力冒口

冒口对铸件的液态收缩进行补偿，并且在共晶膨胀初期冒口颈仍然保持畅通，使铸件内部铁液回填冒口以释放压力。（三）基于均衡理论的冒口设计1.铸铁件的均衡凝固理论

均衡凝固就是利用收缩和膨胀的动态叠加，通过工艺措施使单位时间的收缩与补缩、收缩与膨胀按比例进行的凝固原则2.均衡凝固的工艺原则1)铸铁件的体收缩率取决于铸铁成分、外界浇注条件及铸件本身。2)壁厚越薄的小件，补缩要求越高，壁厚越厚的大件，补缩要求越低。3)任何铸铁件都应以自补缩为基础。4)冒口不应放在铸件热节点上。要靠近热节以利补缩，又要离开热节，以减少冒口对铸件的热干扰。5)开设浇冒口时，要避免在浇冒口和铸件接触处形成接触热节。6)尽量使用耳冒口、飞边冒口等冒口颈短、薄、宽的形式。7)铸件的厚壁热节应放在浇注位置的下部。8)可利用冷铁平衡壁厚差，消除热节。9)优先采用顶注工艺。利于尽早发生石墨化膨胀，提高自补缩程度。二、冷铁的设计冷铁：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称为冷铁。（一）冷铁的种类及作用1.种类冷铁直接外冷铁间接外冷铁内冷铁外冷铁2.作用1)在冒口难以补缩的部位防止缩孔、缩松。2)划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口的补缩距离，提高冒口的补缩效率。3)加速壁厚交叉部分及急剧变化部位的凝固，避免产生热裂纹。4)改善铸件局部的金相组织和力学性能。（二）冷铁材料的选择冷铁钢冷铁和铸铁冷铁铝冷铁铜冷铁石墨镁砂等激冷物（三）外冷铁的设计1.确定外冷铁形状形状一致原则。成型冷铁平面冷铁2.确定冷铁尺寸1)冷铁厚度T序号使用条件外冷铁的厚度123456灰铸铁件球墨铸铁件铸钢件铜合金件轻合金件=（0.25~0.5）T=（0.3~0.8）T=（0.3~0.8）T=（1.0~2.0）T=（0.6~1.0）T=（0.25~0.5）T

冷铁置于铸件底部或末端时，厚度可选大些；在铸件局部热节处安放的冷铁必须严格控制其厚度。2)确定冷铁工作表面积

激冷效果相当于在原有砂型的散热表面上净增了两倍冷铁工作表面积(As=A0+2AC1)

在重力和铸件收缩力作用下同铸件表面紧密接触。①气隙外冷铁

（设在铸件顶部和外侧）

激冷效果相当于在原有砂型的散热表面上净增了一倍的冷铁工作表面积(As=A0+AC2)。②无气隙外冷铁（设在铸件底部和内侧）而

当实现同时凝固时，M1等于热节四周簿壁部分的模数；

实现顺序凝固时，M1=（0.83~0.91）MP，MP是热节旁补缩壁的模数。

经验证明，只有满足MP0.67M0的条件下，才能用外冷铁消除热节的影响。3.使用注意事项1)外冷铁尺寸不易过大，长度尺寸不超过200mm。2)尽量将外冷铁放在底部和侧面。3)外冷铁表面工作表面应平整光洁，无油污和锈蚀，并涂以涂料。4)冷铁的安放位置必须充分考虑铸件的结构与冒口的配合。思考题1.什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？什么是均衡凝固原则？各有什么优缺点？2.铸件的壁厚为什么不宜过薄和过厚？为什么尽可能厚薄均匀？为什么要规定铸件的最小壁厚？3.为便于生产和保证铸件质量，通常对铸件结构有哪些要求？4.何谓铸件的浇注位置？其对铸件的质量有什么影响？应按何原则来选择？5.试述分型面与分模面