防止鑄鐵件收縮缺陷的實踐和體會

袁 森

（西安理工大學，陜西 西安 710048）

鑄鐵件收縮缺陷的預防和消除，是鑄造工藝設計和實踐的永恒課題。即使鑄件安設了補縮冒口，試制過程中也可能會出現收縮缺陷，需要改進、完善。

冒口設計的三個要素：模數、體積、冒口頸。模數是凝固時間的表征，體積決定冒口所能提供的補縮液量，冒口頸尺寸保證補縮通道暢通。

針對鑄鐵件（灰鐵、球鐵）縮孔縮松缺陷的防止和消除，談談生產實踐中的一些思路和體會，與一線技術人員進行交流。

1 冒口頸（內澆口）處鑄件縮孔縮松的消除

冒口頸（內澆口）處鑄件收縮缺陷分為兩種情況進行分析。

1）冒口頸（內澆口）打掉后暴露出抽孔，孔細而深，孔壁較光整。出現這種情況，是冒口補縮不足的表現?；蛘呤敲翱隗w小，冒口提前凝固，補縮液量不足，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，補縮通道截死?？梢圆捎玫尼槍π源胧┦牵孩龠m當加大冒口體的尺寸；②加大（厚）冒口頸的尺寸（增大模數）；或者減小冒口頸長度，縮短冒口與鑄件之間的距離。

2）冒口頸（內澆口）打掉后暴露出分散的小孔洞，或者無形，或者很粗糙，像爛脖子。出現這種情況，則可能是冒口和鑄件形成了接觸熱節(jié)所致，即冒口對鑄件構成了較強的熱干擾。原因可能是冒口頸尺寸過大；或者是冒口頸太短（冒口距鑄件太近），冒口的熱干擾過強。再加上冒口頸充填與補縮的流通效應，冒口頸周圍型砂被加熱，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薄）冒口頸尺寸，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縮流動帶入的熱量，實際上比已經加大了熱節(jié)圓還要大。冒口和鑄件接觸處這個被加大了的熱節(jié)稱為接觸熱節(jié)，它大于鑄件原來的幾何熱節(jié)，在一定限度內也大于冒口直徑。接觸熱節(jié)是產生縮孔縮松的重要因素之一。

冒口頸的流通效應：冒口頸受冒口與鑄件的熱影響，周圍型砂被加熱，充填冒口和補縮流動過程中，不斷更新熱鐵水，使尺寸較小的冒口頸，凝固時間大大延長，也即保持暢通的時間大大延長，稱為冒口頸的流通效應。冒口頸的流通效應與金屬液流過冒口頸的體積及時間有關。據測算，在原來幾何模數的基礎上，冒口頸的凝固時間一般可延長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)處出現縮孔縮松缺陷，最有效的補縮工藝措施是：冒口+冷鐵。在很多情況下，所加冒口只能是冷冒口（澆口不通過冒口，冒口最后單獨充填，溫度低），不可能是熱冒口（澆口通過冒口，冒口中充填的是熱鐵液）。冷冒口的補縮效果有限，所以，配合以冷鐵，加快該處的凝固，減小熱節(jié)，使冒口的補縮時間和補縮液量能夠滿足鑄件收縮的需要。

冷鐵必須與冒口相配合，因為冷鐵不能提供補縮液量，所以單獨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行補縮，即冒口最后凝固，并且能夠提供充足的補縮液量，則可以不使用冷鐵。

使用多大的發(fā)熱保溫冒口？一般按照生產廠家提供的冒口有效模數進行選擇，只要冒口的有效模數大于鑄件熱節(jié)處的模數，即可保證冒口最后凝固；冒口頸處一般設計為易割片，即冒口頸很短，補縮通道可以保持長時間的暢通；最主要的是，冒口與鑄件的溫度場是順序的，補縮通道張開角始終朝向冒口，補縮效果好。

3 鑄鐵件頂冒口的使用

由于鑄鐵件具有石墨化膨脹自補縮能力，其冒口的補縮是有限的，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。這一點與鑄鋼件不同。

鑄鐵件慎用頂冒口，因為頂冒口的冒口頸處常常出現收縮孔洞。原因是頂冒口處于最高位置，在鑄件的液態(tài)收縮階段，冒口承擔著整個鑄件的補縮，如果補縮液量設計不足，又是冷冒口，溫度低，補縮時間短，整個鑄件的收縮抽吸及冒口自身的凝固收縮，使冒口負擔太重。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縮。

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

冷頸冒口技術，是指采用較大尺寸的冒口頸，同時在冒口頸處安放冷鐵。這樣，以大的過流面積，來適應厚實鑄鐵件冷卻凝固初期，需要冒口集中提供大補縮液量的要求。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縮流動停止后適時凝固截死，充分利用石墨化膨脹的自補縮作用，獲得致密健全的鑄件。

4 設置冒口處，鑄件側面或頂面縮凹（外縮孔）

對于有一定高度的鑄件，中間分型，冒口設在分型面上，上箱中鑄件與冒口平行相鄰，常常發(fā)生鑄件側面成頂面縮凹現象。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壓抽吸，使表層結殼處內凹。

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，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。

有時在內澆口引入處發(fā)現此種現象，可能是內澆道少而鑄件厚大，鐵水引入過分集中所致；冒口窩下面也可能出現，原因是冒口窩過大，熱量過多，形成了較大的熱干擾。克服的辦法：前者則需采用多道內澆口分散引入；后者可適當減小減薄冒口窩。

5 輪類鑄件的冒口設置

1）輪緣較厚大的輪類球鐵鑄件，其結構決定了輪緣容易出現軸線縮松，側冒口補縮難于完全解決，設置冷鐵是必要的。由于凝固時間長，普通砂型冒口（黏土砂、樹脂砂）難于湊效，最好采用發(fā)熱保溫的頂冒口。

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

3）如果輪轂內部發(fā)生縮孔縮松，可在輪轂砂芯上座一冒口，冒口側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），頂冒口補縮距離有限，可在砂芯內部自帶出冒口補縮，方形冒口頸與輪轂的中下部位相連。

輪類鑄件的澆注系統，內澆口以多道分散徑向引入為好。

6 爬芯澆注和補縮工藝

中間分型平澆的圓筒類（回轉體）鑄件，澆注系統和冒口一般習慣設在分型面上，也可獲得成功，但也常常出現問題。

1）如果鑄件直徑較大，雖然冒口很高，但有效補縮高度卻不高（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，容易出現縮孔縮松，鉆孔時暴露出來，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冒口工藝，原來的分型條件不變，改中注為頂注，即將橫澆道延長到芯頭處，再順著芯頭爬上去，貼著芯頭隨型引入內澆口。并在芯頭上座一熱側冒口（稍帶冒口窩），補縮效果好，工藝出品率高。

2）對于一些直徑較大的回轉型鑄件，采用中間分型平澆工藝，內澆口下部區(qū)域（靠近鑄件底部），鑄件內表面粗糙，嚴重時出現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，相當于高鑄件頂注，如果內澆口出流速度較大，射流嚴重，并不斷改變沖擊方向，沖擊型芯。①有可能沖掉砂粒砂團形成砂眼；②也有可能將鑄型表面涂料（樹脂砂型）沖掉，隨鐵水流動，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)流動所導致的二次氧化，形成較多渣滓，也是一個重要因素。

消除的思路是平穩(wěn)充型，減小射流沖擊。此類鑄件工藝上無法實現階梯澆注，可以考慮底注。辦法是將水平橫澆道延長，順著芯頭向下引入半圓形橫澆道，再隨型引入內澆口（可設置多道），實現底注。

底注工藝，內澆口以多道、分散、截面尺寸開放為設計原則。

3）類似的情況，在采用立澆頂注工藝澆注一些較高鑄件時也有發(fā)生（如圓筒形鑄件）。在內澆口下部區(qū)域，表面粗糙，嚴重時形成鼠尾、溝槽等與石英砂膨脹有關的缺陷。此種情況經常出現在鑄件的外表面（與鑄型接觸的表面）。消除的思路，應以克服鑄型表面受熱膨脹產生的缺陷為主導。

7 垂直分型（DISA 線）的澆冒口設置

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

垂直分型的澆注工藝，內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，但冒口補縮效果較差（冷冒口）。如果因為型砂的原因追求平穩(wěn)充填而采用底注方式，最好將頂側部位的冒口與直澆道連起來，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與直澆道形成倒銳角，避免冒口較早進入鐵水，導致類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。而且設置冒口補縮也相對于砂型比較麻煩。一旦鑄件上個別孤立的熱節(jié)出現縮孔縮松，最好是從化學成分上進行調整。

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

正常生產的情況下，如果突然出現收縮缺陷，首先應該從爐料變更、配料偏差、合金元素加入量等方面進行檢查分析，尋找原因和對策。

9 幾個與工藝有關的問題

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）補縮需求量大，工藝出品率一般比較低，不能用犧牲鑄件的內部質量來追求高的工藝出品率。例如，結構復雜且分散的球鐵小件，如排氣歧管、增壓器殼體等，可能帶有多個孤立小熱節(jié)，常常需要設置多個小冒口解決，這是正常的。

2）無冒口鑄造是一種理想狀態(tài)，不設冒口是不安全的。結構比較集中的小件，有時未設冒口，其實質是用澆注系統進行補縮，并不是鑄件不需要補縮。所以設計澆注系統尺寸時，應兼顧補縮功能。

3）強化孕育，細化晶粒，石墨較早形核析出長大，使補縮流動阻力增大，會導致疏松（晶間微小孔洞），對氣密性要求高的鑄鐵件或者伸長率要求高的球鐵件，這是一個矛盾?？商岣邼裁翱谘a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，對薄小的內澆口進行加熱保溫，延長冒口頸的流動暢通時間。有些廠從冒口窩上引出冒口頸（同處于下箱），是不對的，實際上等于沒有冒口窩。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，設了冒口，清理時發(fā)現冒口卻未縮下去；去掉冒口，鑄件又有問題。說明冒口還是不能取掉的。因為一包鐵水，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，批量生產情況下不設冒口是不安全的。可以不斷改進優(yōu)化冒口尺寸，求得最佳的工藝出品率。

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

7）按鑄件模數或熱節(jié)模數設計冒口尺寸，僅僅考慮了補縮時間的要求。但在液態(tài)收縮和凝固收縮初期，鐵水聯通，冒口實際上是補縮整個鑄件的。這可能是冒口相對于熱節(jié)已經很大，但仍然補縮不足的原因。所以，采用補縮液量法校核冒口體積是否滿足，就顯得十分重要。

8）正常生產的樹脂砂球鐵鑄件模具，轉到粘土砂濕型生產，往往會出現縮孔縮松。這充分表明粘土砂型的剛度低，容易退讓，石墨化膨脹自補縮的利用率低。也就是說，粘土砂型生產球鐵件，補縮冒口要比樹脂砂型的大。

9）冷肋。在鑄鐵件頂面設置冷肋（相當于一個較粗的出氣棒），先于鑄件凝固，固體金屬的導熱能力遠大于鑄型，會加快冷肋設置處鑄件的冷卻速度，作用相當于冷鐵。對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．鑄件均衡凝固技術及其應用[M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.