袁 森

（西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

鑄鐵件收縮缺陷的預(yù)防和消除，是鑄造工藝設(shè)計(jì)和實(shí)踐的永恒課題。即使鑄件安設(shè)了補(bǔ)縮冒口，試制過(guò)程中也可能會(huì)出現(xiàn)收縮缺陷，需要改進(jìn)、完善。

冒口設(shè)計(jì)的三個(gè)要素：模數(shù)、體積、冒口頸。模數(shù)是凝固時(shí)間的表征，體積決定冒口所能提供的補(bǔ)縮液量，冒口頸尺寸保證補(bǔ)縮通道暢通。

針對(duì)鑄鐵件（灰鐵、球鐵）縮孔縮松缺陷的防止和消除，談?wù)勆a(chǎn)實(shí)踐中的一些思路和體會(huì)，與一線技術(shù)人員進(jìn)行交流。

1 冒口頸（內(nèi)澆口）處鑄件縮孔縮松的消除

冒口頸（內(nèi)澆口）處鑄件收縮缺陷分為兩種情況進(jìn)行分析。

1）冒口頸（內(nèi)澆口）打掉后暴露出抽孔，孔細(xì)而深，孔壁較光整。出現(xiàn)這種情況，是冒口補(bǔ)縮不足的表現(xiàn)?；蛘呤敲翱隗w小，冒口提前凝固，補(bǔ)縮液量不足，而鑄件還在收縮，朝向冒口抽出了孔洞；或者是冒口頸提前凝固，補(bǔ)縮通道截死。可以采用的針對(duì)性措施是：①適當(dāng)加大冒口體的尺寸；②加大（厚）冒口頸的尺寸（增大模數(shù)）；或者減小冒口頸長(zhǎng)度，縮短冒口與鑄件之間的距離。

2）冒口頸（內(nèi)澆口）打掉后暴露出分散的小孔洞，或者無(wú)形，或者很粗糙，像爛脖子。出現(xiàn)這種情況，則可能是冒口和鑄件形成了接觸熱節(jié)所致，即冒口對(duì)鑄件構(gòu)成了較強(qiáng)的熱干擾。原因可能是冒口頸尺寸過(guò)大；或者是冒口頸太短（冒口距鑄件太近），冒口的熱干擾過(guò)強(qiáng)。再加上冒口頸充填與補(bǔ)縮的流通效應(yīng)，冒口頸周?chē)蜕氨患訜?，使接觸熱節(jié)更大，延緩了冒口頸處鑄件的凝固。在這種情況下，需要減?。p?。┟翱陬i尺寸，減小或消除接觸熱節(jié)，而不要盲目加大冒口體或冒口頸。

兩種情況剛好相反，必須正確區(qū)分判斷，否則會(huì)背道而馳。

接觸熱節(jié)：將冒口安放在鑄件的幾何熱節(jié)處，使本來(lái)凝固較遲的熱節(jié)更大了。考慮到冒口頸處尖角砂被加熱，該處冷卻緩慢，加上冒口中金屬液補(bǔ)縮流動(dòng)帶入的熱量，實(shí)際上比已經(jīng)加大了熱節(jié)圓還要大。冒口和鑄件接觸處這個(gè)被加大了的熱節(jié)稱(chēng)為接觸熱節(jié)，它大于鑄件原來(lái)的幾何熱節(jié)，在一定限度內(nèi)也大于冒口直徑。接觸熱節(jié)是產(chǎn)生縮孔縮松的重要因素之一。

冒口頸的流通效應(yīng)：冒口頸受冒口與鑄件的熱影響，周?chē)蜕氨患訜?，充填冒口和補(bǔ)縮流動(dòng)過(guò)程中，不斷更新熱鐵水，使尺寸較小的冒口頸，凝固時(shí)間大大延長(zhǎng)，也即保持暢通的時(shí)間大大延長(zhǎng)，稱(chēng)為冒口頸的流通效應(yīng)。冒口頸的流通效應(yīng)與金屬液流過(guò)冒口頸的體積及時(shí)間有關(guān)。據(jù)測(cè)算，在原來(lái)幾何模數(shù)的基礎(chǔ)上，冒口頸的凝固時(shí)間一般可延長(zhǎng)40%～60%.

2 鑄件熱節(jié)處的縮孔縮松

鑄鐵件（特別是糊狀凝固方式的球鐵件）熱節(jié)處出現(xiàn)縮孔縮松缺陷，最有效的補(bǔ)縮工藝措施是：冒口+冷鐵。在很多情況下，所加冒口只能是冷冒口（澆口不通過(guò)冒口，冒口最后單獨(dú)充填，溫度低），不可能是熱冒口（澆口通過(guò)冒口，冒口中充填的是熱鐵液）。冷冒口的補(bǔ)縮效果有限，所以，配合以冷鐵，加快該處的凝固，減小熱節(jié)，使冒口的補(bǔ)縮時(shí)間和補(bǔ)縮液量能夠滿足鑄件收縮的需要。

冷鐵必須與冒口相配合，因?yàn)槔滂F不能提供補(bǔ)縮液量，所以單獨(dú)使用冷鐵往往不能根除縮松。

如果采用發(fā)熱保溫冒口，完全按照順序凝固的工藝原則進(jìn)行補(bǔ)縮，即冒口最后凝固，并且能夠提供充足的補(bǔ)縮液量，則可以不使用冷鐵。

使用多大的發(fā)熱保溫冒口？一般按照生產(chǎn)廠家提供的冒口有效模數(shù)進(jìn)行選擇，只要冒口的有效模數(shù)大于鑄件熱節(jié)處的模數(shù)，即可保證冒口最后凝固；冒口頸處一般設(shè)計(jì)為易割片，即冒口頸很短，補(bǔ)縮通道可以保持長(zhǎng)時(shí)間的暢通；最主要的是，冒口與鑄件的溫度場(chǎng)是順序的，補(bǔ)縮通道張開(kāi)角始終朝向冒口，補(bǔ)縮效果好。

3 鑄鐵件頂冒口的使用

由于鑄鐵件具有石墨化膨脹自補(bǔ)縮能力，其冒口的補(bǔ)縮是有限的，即冒口不一定要晚于鑄件凝固，所以，鑄鐵件的冒口往往不能把熱節(jié)移出到冒口中。這一點(diǎn)與鑄鋼件不同。

鑄鐵件慎用頂冒口，因?yàn)轫斆翱诘拿翱陬i處常常出現(xiàn)收縮孔洞。原因是頂冒口處于最高位置，在鑄件的液態(tài)收縮階段，冒口承擔(dān)著整個(gè)鑄件的補(bǔ)縮，如果補(bǔ)縮液量設(shè)計(jì)不足，又是冷冒口，溫度低，補(bǔ)縮時(shí)間短，整個(gè)鑄件的收縮抽吸及冒口自身的凝固收縮，使冒口負(fù)擔(dān)太重。加大冒口體也往往難于湊效。在這種情況下，建議采用發(fā)熱保溫冒口，完全按順序凝固原則補(bǔ)縮。

對(duì)于厚大的鑄鐵件，如果工藝上只能采用頂冒口，而且冒口根部鑄件又出現(xiàn)孔洞，建議采用冷頸冒口技術(shù)。

冷頸冒口技術(shù)，是指采用較大尺寸的冒口頸，同時(shí)在冒口頸處安放冷鐵。這樣，以大的過(guò)流面積，來(lái)適應(yīng)厚實(shí)鑄鐵件冷卻凝固初期，需要冒口集中提供大補(bǔ)縮液量的要求。冷鐵一方面減小或消除了冒口與鑄件之間的接觸熱節(jié)，另一方面又能使冒口頸在補(bǔ)縮流動(dòng)停止后適時(shí)凝固截死，充分利用石墨化膨脹的自補(bǔ)縮作用，獲得致密健全的鑄件。

4 設(shè)置冒口處，鑄件側(cè)面或頂面縮凹（外縮孔）

對(duì)于有一定高度的鑄件，中間分型，冒口設(shè)在分型面上，上箱中鑄件與冒口平行相鄰，常常發(fā)生鑄件側(cè)面成頂面縮凹現(xiàn)象。原因是鑄件與冒口距離較近，中間的型砂被加熱到較高溫度，相鄰冒口的鑄件處凝固速度減慢，表面凝固結(jié)殼后尚處于高溫塑性變形階段，鑄件其他部位的收縮形成了負(fù)壓抽吸，使表層結(jié)殼處內(nèi)凹。

克服的思路是減小或者消除冒口的熱干擾，辦法是：①將冒口向外移動(dòng)，加大冒口與鑄件之間的距離；②在發(fā)生縮凹的位置安放冷鐵，加快凝固速度，盡早形成較厚的表面凝固層。

有時(shí)在內(nèi)澆口引入處發(fā)現(xiàn)此種現(xiàn)象，可能是內(nèi)澆道少而鑄件厚大，鐵水引入過(guò)分集中所致；冒口窩下面也可能出現(xiàn)，原因是冒口窩過(guò)大，熱量過(guò)多，形成了較大的熱干擾?？朔霓k法：前者則需采用多道內(nèi)澆口分散引入；后者可適當(dāng)減小減薄冒口窩。

5 輪類(lèi)鑄件的冒口設(shè)置

1）輪緣較厚大的輪類(lèi)球鐵鑄件，其結(jié)構(gòu)決定了輪緣容易出現(xiàn)軸線縮松，側(cè)冒口補(bǔ)縮難于完全解決，設(shè)置冷鐵是必要的。由于凝固時(shí)間長(zhǎng)，普通砂型冒口（黏土砂、樹(shù)脂砂）難于湊效，最好采用發(fā)熱保溫的頂冒口。

2）對(duì)于結(jié)構(gòu)上帶有輪輻（筋輻）的鑄件，輪輻與輪緣連接處構(gòu)成幾何熱節(jié)，若鑄件直徑不是很大，可在兩個(gè)熱節(jié)之間設(shè)置冒口，一個(gè)冒口補(bǔ)縮兩個(gè)熱節(jié)，有利于提高工藝出品率，也符合鑄鐵件冒口離開(kāi)熱節(jié)的原則。即使鑄件直徑大，受冒口補(bǔ)縮距離的限制，必須在每個(gè)熱節(jié)處單獨(dú)設(shè)置冒口補(bǔ)縮時(shí)，冒口也不必放在熱節(jié)上，冒口應(yīng)該偏離熱節(jié)一定距離，既避免了形成較大的接觸熱節(jié)，提高了補(bǔ)縮效果，還可減小冒口尺寸，節(jié)約鐵水。

3）如果輪轂內(nèi)部發(fā)生縮孔縮松，可在輪轂砂芯上座一冒口，冒口側(cè)面向下引出冒口頸到輪轂端面；若縮孔較深或處于輪轂下部（輪轂高），頂冒口補(bǔ)縮距離有限，可在砂芯內(nèi)部自帶出冒口補(bǔ)縮，方形冒口頸與輪轂的中下部位相連。

輪類(lèi)鑄件的澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口以多道分散徑向引入為好。

6 爬芯澆注和補(bǔ)縮工藝

中間分型平澆的圓筒類(lèi)（回轉(zhuǎn)體）鑄件，澆注系統(tǒng)和冒口一般習(xí)慣設(shè)在分型面上，也可獲得成功，但也常常出現(xiàn)問(wèn)題。

1）如果鑄件直徑較大，雖然冒口很高，但有效補(bǔ)縮高度卻不高（按最小壓力角要求），在兩端法蘭與鑄件交接的圓周熱節(jié)頂部，容易出現(xiàn)縮孔縮松，鉆孔時(shí)暴露出來(lái)，特別是頂部帶有螺栓搭子的情況更易發(fā)生。克服的辦法是采用爬芯頂注熱側(cè)冒口工藝，原來(lái)的分型條件不變，改中注為頂注，即將橫澆道延長(zhǎng)到芯頭處，再順著芯頭爬上去，貼著芯頭隨型引入內(nèi)澆口。并在芯頭上座一熱側(cè)冒口（稍帶冒口窩），補(bǔ)縮效果好，工藝出品率高。

2）對(duì)于一些直徑較大的回轉(zhuǎn)型鑄件，采用中間分型平澆工藝，內(nèi)澆口下部區(qū)域（靠近鑄件底部），鑄件內(nèi)表面粗糙，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)夾雜物被噴丸清理后留下的成片淺坑。原因可分析為鑄件直徑較大，中間分型引入鐵水，相當(dāng)于高鑄件頂注，如果內(nèi)澆口出流速度較大，射流嚴(yán)重，并不斷改變沖擊方向，沖擊型芯。①有可能沖掉砂粒砂團(tuán)形成砂眼；②也有可能將鑄型表面涂料（樹(shù)脂砂型）沖掉，隨鐵水流動(dòng)，停留在上型芯的下表面處，形成大面積的淺坑；③球鐵鐵水不平穩(wěn)流動(dòng)所導(dǎo)致的二次氧化，形成較多渣滓，也是一個(gè)重要因素。

消除的思路是平穩(wěn)充型，減小射流沖擊。此類(lèi)鑄件工藝上無(wú)法實(shí)現(xiàn)階梯澆注，可以考慮底注。辦法是將水平橫澆道延長(zhǎng)，順著芯頭向下引入半圓形橫澆道，再隨型引入內(nèi)澆口（可設(shè)置多道），實(shí)現(xiàn)底注。

底注工藝，內(nèi)澆口以多道、分散、截面尺寸開(kāi)放為設(shè)計(jì)原則。

3）類(lèi)似的情況，在采用立澆頂注工藝澆注一些較高鑄件時(shí)也有發(fā)生（如圓筒形鑄件）。在內(nèi)澆口下部區(qū)域，表面粗糙，嚴(yán)重時(shí)形成鼠尾、溝槽等與石英砂膨脹有關(guān)的缺陷。此種情況經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件的外表面（與鑄型接觸的表面）。消除的思路，應(yīng)以克服鑄型表面受熱膨脹產(chǎn)生的缺陷為主導(dǎo)。

7 垂直分型（DISA 線）的澆冒口設(shè)置

采用垂直分型（DISA線）造型線生產(chǎn)飛輪、剎車(chē)盤(pán)等面積較大且結(jié)構(gòu)連續(xù)的鑄件，一般需要設(shè)置冒口補(bǔ)縮。冒口位置設(shè)在何處比較合適？建議設(shè)在鑄件左上方或右上方大約45°處為好。冒口設(shè)在頂部，冒口根部容易出問(wèn)題；設(shè)在中間位置，冒口必須高于鑄件，冒口的有效補(bǔ)縮高度小，工藝出品率低。

垂直分型的澆注工藝，內(nèi)澆口引入位置以中注為佳。頂注容易沖砂形成砂眼；底注比較平穩(wěn)，不易沖砂，但冒口補(bǔ)縮效果較差（冷冒口）。如果因?yàn)樾蜕暗脑蜃非笃椒€(wěn)充填而采用底注方式，最好將頂側(cè)部位的冒口與直澆道連起來(lái)，使冒口最后能夠得到熱鐵水的充填。但需注意連接的通道應(yīng)與直澆道形成倒銳角，避免冒口較早進(jìn)入鐵水，導(dǎo)致類(lèi)似于階梯澆注的混亂充填。

8 鐵模覆砂工藝縮孔縮松的消除

鐵模覆砂工藝的模具一旦成型，修改較難。而且設(shè)置冒口補(bǔ)縮也相對(duì)于砂型比較麻煩。一旦鑄件上個(gè)別孤立的熱節(jié)出現(xiàn)縮孔縮松，最好是從化學(xué)成分上進(jìn)行調(diào)整。

金屬型冷速快，石墨結(jié)晶數(shù)量多，細(xì)小，球鐵的石墨更趨于圓整，球化級(jí)別高，球徑小。因此，碳硅含量可取上限并適當(dāng)放寬，利用增多的石墨化膨脹體積進(jìn)行自補(bǔ)縮。由于冷速快，收縮比較集中，澆注系統(tǒng)的后補(bǔ)作用強(qiáng)，型腔充滿后直澆道可以提供較好的補(bǔ)縮，即使發(fā)生收縮缺陷，體積也比較小，使得調(diào)整成分的效果比較明顯。

正常生產(chǎn)的情況下，如果突然出現(xiàn)收縮缺陷，首先應(yīng)該從爐料變更、配料偏差、合金元素加入量等方面進(jìn)行檢查分析，尋找原因和對(duì)策。

9 幾個(gè)與工藝有關(guān)的問(wèn)題

1）球鐵小件，冷卻速度快，收縮比較集中，外部（冒口或澆注系統(tǒng)）補(bǔ)縮需求量大，工藝出品率一般比較低，不能用犧牲鑄件的內(nèi)部質(zhì)量來(lái)追求高的工藝出品率。例如，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分散的球鐵小件，如排氣歧管、增壓器殼體等，可能帶有多個(gè)孤立小熱節(jié)，常常需要設(shè)置多個(gè)小冒口解決，這是正常的。

2）無(wú)冒口鑄造是一種理想狀態(tài)，不設(shè)冒口是不安全的。結(jié)構(gòu)比較集中的小件，有時(shí)未設(shè)冒口，其實(shí)質(zhì)是用澆注系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)縮，并不是鑄件不需要補(bǔ)縮。所以設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)尺寸時(shí)，應(yīng)兼顧補(bǔ)縮功能。

3）強(qiáng)化孕育，細(xì)化晶粒，石墨較早形核析出長(zhǎng)大，使補(bǔ)縮流動(dòng)阻力增大，會(huì)導(dǎo)致疏松（晶間微小孔洞），對(duì)氣密性要求高的鑄鐵件或者伸長(zhǎng)率要求高的球鐵件，這是一個(gè)矛盾?？商岣邼裁翱谘a(bǔ)縮的靜壓頭；也可考慮采用含鍶的孕育劑。

4）冒口窩不能省。冒口窩的作用是以所存貯的高溫鐵水，對(duì)薄小的內(nèi)澆口進(jìn)行加熱保溫，延長(zhǎng)冒口頸的流動(dòng)暢通時(shí)間。有些廠從冒口窩上引出冒口頸（同處于下箱），是不對(duì)的，實(shí)際上等于沒(méi)有冒口窩。冒口窩也不必做成半球，其高度為小于球半徑的一半就可以了。

5）有些鑄件，設(shè)了冒口，清理時(shí)發(fā)現(xiàn)冒口卻未縮下去；去掉冒口，鑄件又有問(wèn)題。說(shuō)明冒口還是不能取掉的。因?yàn)橐话F水，澆注有先有后，澆溫有高有低，收縮值是變化的，再加上不同爐次鐵水成分、溫度的變化，批量生產(chǎn)情況下不設(shè)冒口是不安全的?？梢圆粩喔倪M(jìn)優(yōu)化冒口尺寸，求得最佳的工藝出品率。

6）關(guān)于澆注速度。快澆，鐵水在型腔中降溫小，溫度高，有利于氣體、夾雜物的上浮?，F(xiàn)在大多采用電爐熔煉，出爐溫度超過(guò)1500℃，收縮大，主要問(wèn)題是補(bǔ)縮。對(duì)于比較厚大的鑄件，建議采用慢澆，充分利用澆注過(guò)程中的后補(bǔ)作用，減小收縮量，保證冒口安全，鑄件致密健全。

7）按鑄件模數(shù)或熱節(jié)模數(shù)設(shè)計(jì)冒口尺寸，僅僅考慮了補(bǔ)縮時(shí)間的要求。但在液態(tài)收縮和凝固收縮初期，鐵水聯(lián)通，冒口實(shí)際上是補(bǔ)縮整個(gè)鑄件的。這可能是冒口相對(duì)于熱節(jié)已經(jīng)很大，但仍然補(bǔ)縮不足的原因。所以，采用補(bǔ)縮液量法校核冒口體積是否滿足，就顯得十分重要。

8）正常生產(chǎn)的樹(shù)脂砂球鐵鑄件模具，轉(zhuǎn)到粘土砂濕型生產(chǎn)，往往會(huì)出現(xiàn)縮孔縮松。這充分表明粘土砂型的剛度低，容易退讓?zhuān)蛎涀匝a(bǔ)縮的利用率低。也就是說(shuō)，粘土砂型生產(chǎn)球鐵件，補(bǔ)縮冒口要比樹(shù)脂砂型的大。

9）冷肋。在鑄鐵件頂面設(shè)置冷肋（相當(dāng)于一個(gè)較粗的出氣棒），先于鑄件凝固，固體金屬的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于鑄型，會(huì)加快冷肋設(shè)置處鑄件的冷卻速度，作用相當(dāng)于冷鐵。對(duì)鑄件上表面的局部小熱節(jié)，可采用冷肋或出氣片，平衡此處壁厚，防止出現(xiàn)局部小縮凹、縮孔及縮松，還可以起到溢流排氣的作用。

[1]魏兵，袁森，張衛(wèi)華．鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.