第三章澆冒口系統設計冒口系統設計材料科學工程系

一、冒口的作用

為了使鑄件在凝固的最后階段得到補縮，防止縮孔、縮松、裂紋、變形等產生，則在鑄件上設置冒口。

冒口－儲備足量的液態金屬，又可排氣、集渣。鑄造合金凝固時，均產生體積收縮，凝固后均會形成孔洞－縮孔、縮松。

合適的冒口工藝可以有效地防止或減少鑄件的收縮缺陷。收縮缺陷與合金的凝固特性有關，也與冒口自身設計有關》

對于逐層凝固產生集中縮孔的合金，設置適當容積、足夠的溫度梯度的冒口，就可以有效地防止縮孔和縮松。

對于糊狀凝固的合金，冒口的作用很小，適當設置小冒口，可以在一定限度上減少縮孔缺陷和減少縮松缺陷。二、冒口的類型及設計原理

冒口種類

１）按冒口在鑄件上的位置分①

頂冒口：位于鑄件的最高處②

側冒口：設置在鑄件的熱節點處③

補貼冒口：方向凝固④

局部冒口

2）按冒口結構分①

矩形冒口②

圓柱形冒口③

球型冒口3）按冒口內腔與大氣之間關系①

明冒口②

暗冒口大氣壓力冒口③

發氣壓力冒口

三、冒口的設計原則（一）設置冒口的必要性（二）、冒口位置選擇原則

1方向性（順序）凝固，要使凝固進行方向超香冒口

2一般在熱節上方，厚壁部分設置；

3冒口應比鑄件晚凝固，最后凝固才能補縮；

4冒口在滿足補縮條件下，尺寸盡量小，

5防止裂紋產生，冒口不設在鑄件應力集中處（阻礙收縮），防止引起裂紋；

6盡可能地將冒口設在方便和容易消除冒口殘根的地方；

7冒口的補縮距離要大于冒口的有效補縮范圍。

（三）確定冒口的種類和類型在選定冒口的種類和類型時要考慮設置冒口的效果和造型及去除冒口時是否方便。圖3－13是常采用的幾種冒口形式（四）決定冒口的尺寸（1）一般來說，冒口系統（冒口和冒口頸）的凝固應晚于鑄件的凝固。（2）冒口要能根據設計的要求提供足夠的金屬來補償鑄件的液態收縮，凝固收縮以及由于型腔擴大而增加的體積。而且要力求鑄件的成品率高。（3）冒口和鑄件受補縮部位之間，要保持一定的溫度梯度和凝固梯度，以保證補縮通道暢通。（五）校驗方向性（順序）凝固和多冒口的綜合效果由于冒口的有無及其位置、大小等將直接影響鑄件的溫度場，從而影響凝固的進行狀態。此外，在多冒口的情況下還有可能發生相互間的干擾。因此需要校驗是否不產生缺陷。３－３冒口的設計及計算

以鑄鋼件冒口設計為主，凡實行順序凝固的一切合金鑄件均適用。冒口的設計：凝固時間原則：模數法幾何關系原則：縮管法熱節圓法

模數法基本原理：１、按順序凝固的基本條件，冒口凝固時間τr應大于鑄件被補縮部位的凝固時間τc。

已知：式中：Mr,Mc－為冒口、鑄件的模數；

Kr,Kc－為冒口、鑄件的凝固系數；

Kr=Kc（一般情況下）得：

一般取f＝1.2則Mr=f·Mcf為冒口系數（f≥１）

對碳鋼、低合金鋼鑄件，冒口、冒口頸和鑄件模數關系：側冒口Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2

頂冒口Mr=(1.2-1.0)Mc

內澆道通過冒口Mc:Mn:Mr=1:(1-1.03):1.2

２、冒口必須能提供足夠的金屬液以補償鑄件在凝固結束前體收縮（包括型壁移動擴大的容積）故應滿足：

式中：

Vc、Vr、Ve鑄件、冒口、型壁移動擴大的體積；

ε金屬液的收縮率

η冒口補縮效率

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

為了保證冒口比鑄件晚凝固，一般取Mr＝1.2McMr=1.2Mc＝2.35

查標準腰圓形冒口表：當收縮率＝５％、Mr＝2.42cm、每個冒口能補縮最大鑄件體積＝4.8L（重量37kg）時冒口的尺寸為

a=100mm,

b=200mm,

h=150mm(h=1.5a)。

2）輪轂冒口計算把輪轂同樣看成長方形桿，則

Mc＝1.92cmMr=1.2Mc=2.3cm

查標準圓柱形暗冒口表：當Mr=2.38cm,收縮率為5％、每個暗冒口能補縮的最大鑄件體積為4.1L（重量32kg）時，冒口的尺寸為￠120mm×188mm(h)(h=1.5d)。可見設計一個冒口已經足夠。

如果考慮砂芯的影響，按照表３－３－３取k＝1.5，則散熱面積減小、相當于鑄件厚度增加。于是，重新計算鑄件的體積和散熱面積（加大桿的厚度）

Mc=2.36cmMr=1.2Mc=2.83cm

查同一表得：冒口的尺寸￠150mm×225mm(h)。這個冒口可能偏大，要通過試澆來選定。（二）補縮液量法

假設：①鑄件凝固層增長速度與冒口相等；②冒口內供補縮用金屬液體積（縮孔體積）為直徑d0的球所以，當冒口高度與直徑相等時，鑄件中最大凝固層厚度為壁厚的一半。則冒口中凝固層厚度也為鑄件厚度的一半，因而冒口中縮孔球直徑d0等于冒口直徑與鑄件壁厚之差。

Hd0DrT即d0=Dr-T則Dr=T+d0

T-鑄件壁厚

d0-冒口直徑而且直徑d0的球體積應等鑄件（被補縮部分）的總體收縮容積。

即：

πd03=εVc

Vc

鑄件體積ε

金屬凝固體收縮率ε值查表，然后計算出Vc，再通過d0計算公式求出補縮球直徑d0，最后用Dr公式求出冒口直徑Dr。

實際應用中，冒口高度大于冒口直徑，取Hr=(1.15-1.8)Dr(三)熱節圓法

實踐中總結出，冒口尺寸相對于熱節圓直徑的比例關系，即熱節圓法：以熱節圓直徑dy作為冒口計算的基本參數的方法計算（繪圖）原理：

1）確定熱節圓直徑，一般用做圖法求出。熱節圓直徑＝零件尺寸＋加工余量＋總尺寸×線收縮率量出熱節圓直徑T或用幾何公式算出熱節圓直徑TRcaT–熱節圓直徑2）按比例確定冒口尺寸①冒口補貼②冒口尺寸的確定冒口直徑B(寬)：明冒口B=(1.8-2.0)T（熱節圓直徑）暗冒口B=(2.2-2.5)T（熱節圓直徑）冒口高度:H=(1.15-1.18)B冒口直徑或寬冒口長度：A=(1.5-1.8)B冒口寬③冒口補縮距離:Ln=4dy=(4-5)T④鑄件工藝出品率校核:應用實例：已知ZG45鑄鋼輪尺寸如圖所示，試用熱節圓法計算明冒口尺寸，并計算該產品件工藝出品率（澆口重87kg）

（四）提高冒口補縮效率的方法

一般通用冒口占鑄件重30－50％耗費金屬材料,為此：提高冒口中金屬液補縮壓力－大氣壓力冒口延長冒口中金屬液保持時間－保溫冒口、發熱冒口

1)

大氣壓力冒口

在暗冒口頂部安裝細砂芯，伸入冒口中心，為大氣壓力冒口。澆注冒口表面結殼，外界大氣壓力仍可作用至金屬液面上，可以增加冒口的補縮壓力。

2)

保溫冒口使用保溫材料、發熱材料作冒口套。⑴冒口套：耐火材料－石英砂、鎂砂、鉻鐵礦砂保溫材料－膨脹珍珠巖、陶瓷棉、發泡石膏發熱劑－鋁粉、氧化鐵粉2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+208×4184J粘結劑－膨潤土、水玻璃、酚醛樹脂

⑵保溫冒口套實例:膨脹珍珠巖復合保溫冒口套珍珠巖8-10%，鋁礬土27-28%，水泥23-25%，陶瓷棉38-40%，適量水

(3)易割冒口

3－8冷鐵和鑄筋

（一）冷鐵

為了增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內或表面安放金屬塊，增加金屬冷卻作用，把這種起激冷作用的金屬塊稱為冷鐵。冷鐵分為內冷鐵、外冷鐵。內冷鐵安放在鑄型壁內或型腔內，其材質要求與鑄件材質相同并要求二者能很好的融合為一體；外冷鐵安放在砂型（芯）壁上，不溶入鑄件內。冷鐵作用：⑴加快鑄件熱節部分的冷卻速度，使鑄件趨于同時凝固，有利于防止鑄件變形或出現裂紋。并有可能減少偏析。⑵與冒口配合使用，使鑄件局部冷卻加速，強化了鑄件順序凝固的條件，有利于冒口補縮和擴大冒口補縮范圍。這樣不僅有利于防止鑄件產生縮孔、縮松缺陷，還有可能減少冒口的數目或體積及補貼的斜度，提高工藝出品率。⑶加快鑄件某些特殊部位的冷卻速度，以期達到提高鑄件表面硬度和耐磨性、細化基體組織的目的。⑷在難于設置冒口或冒口不易補縮到的部位放置冷鐵以減少或防止出現縮孔、縮松。⑸對球鐵，用冷鐵進行激冷可以增大鑄件表面和中心的溫度梯度，有利于提高石墨化膨脹的利用程度和提高冒口補縮效果。

1、外冷鐵－直接外冷鐵、間接外冷鐵外冷鐵是自鑄件外壁施加激冷作用，它不與鑄件表面溶接，可以回收重用。所以外冷鐵的材料以選擇導熱性好、有足夠高的熔點的為好。直接外冷鐵－金屬激冷材料直接與鑄件相接觸稱為直接外冷鐵間接外冷鐵－金屬激冷材料通過一薄層非金屬材料（如砂子、涂料等厚度在10－15mm）與鑄件相接觸稱為間接冷鐵

要求：①外冷鐵與表面接觸面光潔、去污銹、刷涂料②外冷鐵呈45°角型砂與鐵過渡冷卻③與壁相連接處不易有尖角，隨形④外冷鐵厚度過厚鑄件易裂，過薄易熔合，激冷作用時間短，一般為壁厚的0.5-0.7倍冷鐵尺寸及分布距離2、內冷鐵內冷鐵澆注后與鑄件熔合在一起，其材料應與鑄件材料相同，激冷效果好，作用優于外冷鐵，可以消除鑄件的縮孔、縮松。但是，重量過小不易消除縮孔、縮松，過大不易熔合產生裂紋降低性能。其重量計算：

G冷＝0.28(G2-G1)G冷內冷鐵重

G2鑄件厚壁處重量

G1鑄件薄壁處重量要求：①內冷鐵應噴砂（丸）處理，去銹污，或鍍錫等②型內放好冷鐵，3－4小時內澆注，防止吸潮產生氣孔③薄壁件不放置內冷鐵，承受高溫、高壓等鑄件不應該放置內冷鐵④內冷鐵上方設出氣孔⑤加工余量應小于冷鐵尺寸，加工后不裸露。（二）鑄筋

鑄筋是保證鑄件質量的一種工藝措施。收縮筋

-為防止鑄件產生熱裂的稱為收縮筋（割筋）清理去除拉筋

-為防止鑄件產生變形的稱為拉筋（割筋）熱處理后清理去除

1）收縮筋：鑄件凝固收縮受型（芯）阻