冒口系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

Dipl.-Ing. Stefan Fischer，Dipl.-Ing. Udo Skerdi，Dr. mont. Stephan Hasse

冒口系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

Dipl.-Ing. Stefan Fischer，Dipl.-Ing. Udo Skerdi，Dr. mont. Stephan Hasse

一、概述

在鑄造缺陷中，體積缺陷(宏觀縮孔、微觀縮孔、縮痕)是報(bào)廢的常見原因。具有體積缺陷的鑄件只有在特殊情況下通過特殊修復(fù)措施（例如滲補(bǔ)）才能修復(fù)為可用的鑄件，多數(shù)此類鑄件必須報(bào)廢。

制造低缺陷率的鑄件需要在鑄造生產(chǎn)各階段均做出一定程度的技術(shù)努力。該技術(shù)工作包括區(qū)分大量原材料、能量和工藝，并反映在財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)中。

使用冒口系統(tǒng)對(duì)體積缺陷有著較好的抑制效果，通過在鑄件內(nèi)或表面使用外部或內(nèi)部冷卻元素以及保溫發(fā)熱冒口，或特定鑄件（可控定向凝固），通常能夠優(yōu)化冒口系統(tǒng)的作用。而使用冒口則意味著在鑄件制造中增加支出（見圖1）。

計(jì)算鑄件出品率ηG的公式中包含的補(bǔ)縮系統(tǒng)質(zhì)量mS和鑄件質(zhì)量mT的商可用作鑄件加壓補(bǔ)縮所需技術(shù)補(bǔ)縮量的指標(biāo)。出品率的定義為鑄件質(zhì)量mT（不包括澆注系統(tǒng)和補(bǔ)縮系統(tǒng)的鑄件質(zhì)量）和澆注質(zhì)量mG（包括澆注系統(tǒng)和補(bǔ)縮系統(tǒng)的鑄件質(zhì)量）的商。澆注質(zhì)量mG包括鑄件質(zhì)量mT、澆注系統(tǒng)質(zhì)量mGi和補(bǔ)縮系統(tǒng)質(zhì)量mS，關(guān)系式如下：

因此，鑄件出品率作為成本/收益率，代表鑄件生產(chǎn)中澆注和補(bǔ)縮技術(shù)的技術(shù)效率因子，它隨補(bǔ)縮系統(tǒng)質(zhì)量和澆注系統(tǒng)質(zhì)量的增加而減小。

所以，冒口系統(tǒng)質(zhì)量必須在不影響冒口實(shí)際作用即補(bǔ)償金屬液凝固過程中體積變化的情況下，盡可能保持在較低的水平（見圖2）。

圖2所示實(shí)例中，鑄件材質(zhì)為球墨鑄鐵，立方體鑄件重量為28.7kg，普通冒口的鐵液重量為23.0kg，與鑄件接觸面積為153.8cm2；發(fā)熱冒口的鐵液重量是8.4kg，與鑄件接觸面積為73.5cm2；而微型冒口的鐵液重量只有1.3kg，與鑄件接觸面積為19.6cm2。

圖1　帶有澆口、冒口和內(nèi)澆道的騎士雕像

圖2　普通冒口、發(fā)熱冒口和微型冒口的對(duì)比（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）

二、冒口系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求

所有金屬受熱膨脹遇冷收縮，其體積變化與溫度的關(guān)系如圖3所示。

體積變化取決于合金的性

質(zhì)，常用鑄造材料收縮值（指導(dǎo)值）見附表。

制造鑄件時(shí)，必須對(duì)金屬液冷卻或凝固時(shí)發(fā)生的體積變化進(jìn)行補(bǔ)償。灰鑄鐵和球墨鑄鐵在凝固過程（石墨析出過程中的膨脹階段）中還會(huì)出現(xiàn)體積膨脹。凝固過程中發(fā)生的體積變化分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。只有凝固收縮與澆注和補(bǔ)縮技術(shù)有關(guān)，因?yàn)檫@種體積變化必須使用補(bǔ)縮技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。固態(tài)收縮對(duì)模型構(gòu)造很重要，因?yàn)槟Ｐ捅仨殑?chuàng)建的比這個(gè)百分比量大。

為保證補(bǔ)縮作用足夠，冒口系統(tǒng)必須符合以下基本要求：

第一，冒口凝固時(shí)間必須比需要補(bǔ)縮的鑄件凝固時(shí)間長。

第二，冒口頸（冒口和鑄件之間的連接管道）的凝固時(shí)間必須不短于鑄件的凝固時(shí)間。

第三，在鑄件的收縮過程中，即從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程中，冒口必須儲(chǔ)存足夠補(bǔ)償鑄件體積收縮的金屬液。

第四，功能正常的冒口的補(bǔ)縮效率必須能擴(kuò)張到最大。但是，基于技術(shù)安全的原因，最佳的冒口尺寸和設(shè)計(jì)必須限制冒口內(nèi)的收縮孔深度不超過冒口高度的80%。圖4和圖5展示了利用優(yōu)化的冒口形狀和發(fā)熱材料對(duì)吸入功率的作用來提高補(bǔ)縮效率。如今經(jīng)常使用的微型冒口表現(xiàn)出燃燒時(shí)間非常長的特點(diǎn)，即補(bǔ)縮所需的材料可以減到最少，或者說吸入的體積達(dá)到最大值，結(jié)果是出品率顯著提高（見圖6）。

從圖6可以看出，與帶圓柱形冒口蓋的傳統(tǒng)組合相比，微型冒口具有明顯更長的燃燒時(shí)間（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）。帶蓋冒口補(bǔ)縮效率約30%，微型冒口補(bǔ)縮效率約70%。

（1）在鑄件收縮過程中，只有在冒口內(nèi)的金屬液保持與空氣的持續(xù)接觸才能保證冒口的作用。如果隨著冒口壁的凝固，冒口處過早形成封閉的凝固硬皮，冒口內(nèi)金屬液與空氣間的接觸受阻，大氣壓引起的位移作用就會(huì)消失。如果冒口是明冒口，則可以通過添加保溫物質(zhì)或發(fā)熱物質(zhì)以保持與空氣的接觸，然而暗冒口的冒口區(qū)則必須使用多孔砂芯插入物或伸入冒口型腔的砂緣（威廉氏楔）。威廉氏砂芯目前已應(yīng)用于一系列的設(shè)計(jì)中，例如在自然形成的冒口上作為威廉氏點(diǎn)或威廉氏棒，或作為由硅砂或發(fā)熱物質(zhì)制成的威廉氏砂芯，在冒口模型上成形或插入冒口型腔。

圖3　體積變化與溫度的關(guān)系

鑄造材料收縮值

圖4　改進(jìn)的幾何結(jié)構(gòu)提高補(bǔ)縮效率（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）

圖5　可“加熱”冒口的發(fā)熱材料進(jìn)一步提高吸入功率（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）

（2）凝固過程中必須確保有持續(xù)的金屬液從冒口流入鑄件。位于鑄件和冒口連接處的冒口頸的交叉部分及其性能對(duì)此至關(guān)重要。不允許形成局部隔離的熔融區(qū)或凝固晚的熔融區(qū)，這些區(qū)域會(huì)導(dǎo)致金屬液不能正常供

應(yīng)。定向凝固是冒口作用不出現(xiàn)問題的先決條件。

三、冒口系統(tǒng)應(yīng)用指南

不同種類冒口的可用性不單取決于鑄件結(jié)構(gòu)（形狀和尺寸），還受一系列技術(shù)條件的影響。由此，可以得出一些通用的應(yīng)用要求和指南。設(shè)計(jì)和安排冒口系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將這些因素考慮在內(nèi)。

（1）冒口應(yīng)根據(jù)鑄件的形狀和尺寸進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，以確保鑄件補(bǔ)縮的經(jīng)濟(jì)可行性。

（2）冒口應(yīng)易于成形。

（3）冒口不得阻礙鑄件收縮。

（4）冒口應(yīng)易于去除。

（5）對(duì)于因結(jié)構(gòu)不能或不得進(jìn)行機(jī)械加工的鑄件，應(yīng)盡可能避免直接在其表面放置冒口

（6）應(yīng)優(yōu)先選擇使用具有大氣壓效應(yīng)的圓柱形暗冒口，因?yàn)檫@種冒口具有以下優(yōu)點(diǎn)：無論鑄造條件如何，由于冒口金屬液體積固定，因此補(bǔ)縮作用穩(wěn)定；良好的補(bǔ)縮效果得益于冒口內(nèi)的縮孔腔，因?yàn)槭湛s孔一般形成于鑄件的上部區(qū)域；暗冒口容易成形，尤其是機(jī)器造型時(shí)；暗冒口內(nèi)可能的壓力應(yīng)用，從而減少微觀縮孔。

（7）制造大型鑄件時(shí)推薦使用明冒口，因?yàn)榭梢韵蛎翱趦?nèi)重新填充金屬液，或者冒口表面由發(fā)熱物質(zhì)覆蓋。

（8）當(dāng)同時(shí)補(bǔ)縮多個(gè)鑄件時(shí)（組冒口），以及因鑄件表面高度結(jié)構(gòu)化而無法使用頂部冒口時(shí)，應(yīng)使用側(cè)冒口。暗側(cè)冒口應(yīng)超出鑄件上緣至少25mm。

（9）使用帶易割片的冒口可減少去除冒口所需的工作量。帶易割片的易割冒口在無法使用氧化燃料切割的鑄鋼件中有著特別明顯的優(yōu)勢(shì)。

四、進(jìn)一步發(fā)展

1. 微型冒口

鑄造公司的生產(chǎn)效率很大程度上取決于完工鑄件所需的清潔工作。在這方面，微型冒口相較于普通和發(fā)熱冒口有著明顯的優(yōu)勢(shì)（見圖7）。

由圖7可看出，與普通冒口和發(fā)熱冒口相比，使用微型冒口時(shí)具有更高的生產(chǎn)率和出品率。

2. 彈簧銷

為防止強(qiáng)放熱物質(zhì)與鑄件之間直接接觸產(chǎn)生負(fù)面影響，彈簧銷在行業(yè)中越來越受到青睞，同時(shí)，它還能使冒口的接觸面積減小。在彈簧銷技術(shù)中，冒口巧妙地利用模具向下運(yùn)動(dòng)對(duì)冒口和鑄件間的型砂層施加壓力，從而達(dá)到最佳模制和精確的模具輪廓，甚至冒口周圍的區(qū)域也能受此正面影響。

3. 易割片

覆膜砂易割片簡(jiǎn)化了冒口的去除。冒口在接近鑄件的地方斷裂，從而減少了清理工作。但是，這種方法需要較大的接觸面積?，F(xiàn)代成形系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展還暴露出了另一個(gè)弱點(diǎn)：覆膜砂易割片不能承受持續(xù)增加的壓力，進(jìn)而可能導(dǎo)致鑄造缺陷。覆膜砂易割片還可能導(dǎo)致模型磨損，也同樣會(huì)在鑄件表面上有所表現(xiàn)（見圖9）。

圖6　微型冒口的發(fā)熱曲線

圖7　與普通冒口和發(fā)熱冒口相比，使用微型冒口時(shí)具有更高的生產(chǎn)率和出品率

要出現(xiàn)相應(yīng)的發(fā)熱形成橫向收縮，開發(fā)帶有內(nèi)部彈簧的創(chuàng)新性彈簧銷是不可缺少的一步（見圖10）。得益于彈簧銷技術(shù)，易割片的發(fā)熱材料再也不需直接與鑄件接觸，取而代之的是在向下的運(yùn)動(dòng)中對(duì)冒口下的型砂施加壓力。同時(shí)，易割片形成所需的橫向收縮，使去除簡(jiǎn)單化。

五、加熱影響冒口凝固

與冒口保溫一樣，通過加熱冒口也能顯著減小有效冒口的尺寸。在鑄造銅基或鐵基合金時(shí)該技術(shù)措施可作為首選。發(fā)熱混合物放出的熱量延長了冒口凝固的時(shí)間。這可使冒口尺寸減小，從而提高鑄件出品率。大量研究發(fā)熱混合物對(duì)所需冒口尺寸影響的試驗(yàn)表明，這些發(fā)熱物質(zhì)的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的凝固延遲作用可以顯著縮小冒口尺寸。

為加熱冒口，發(fā)熱粉末（鋁熱劑混合物）通常用于覆蓋明冒口，而由發(fā)熱混合物組成的冒口套及坯料則用于覆蓋冒口以及選定的鑄件。

發(fā)熱混合物包含可燃物（Al、Mg），含氧化合物（Fe2O3、NaNO3、KNO3、Mn2O3、SiO2），降低反應(yīng)速率的填充物（硅砂、耐火粘土、珍珠巖、混凝土）和粘結(jié)劑（水玻璃、樹脂）。特定的組分在反應(yīng)中具有特殊的作用。例如，硝酸鹽使點(diǎn)燃混合物更容易并可加快燃燒。氟化物降低著火點(diǎn)，還能加強(qiáng)鋁熱反應(yīng)。由于近年原材料短缺，鑄造廠在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)使用高質(zhì)量輔助材料，以防止出現(xiàn)可能的波動(dòng)。在此，現(xiàn)代冒口系統(tǒng)通過最優(yōu)化性能已經(jīng)成為確保生產(chǎn)過程中的可靠性和效率的一個(gè)重要因素。毫無疑問，現(xiàn)有技術(shù)的冒口不含致癌性纖維，僅排放最低限度的有機(jī)物，這都?xì)w功于無機(jī)粘結(jié)劑的使用，這減少了鑄造廠內(nèi)的氣體污染，降低了氣孔缺陷率，還可保護(hù)員工的健康。

將冒口材料燃燒后的殘余燒結(jié)，可使冒口殘留物易于分離，并能防止型砂循環(huán)被污染。

在20世紀(jì)90年代中期，亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)公司是首個(gè)生產(chǎn)出完全無氟冒口的制造商。這為提高鑄造業(yè)循環(huán)砂的質(zhì)量以及防止表面缺陷做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，它減少了因處理舊砂造成的污染，并幫助削減了處理費(fèi)用。如此，冒口技術(shù)的最新發(fā)展對(duì)確保鑄造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)做出了持續(xù)性的貢獻(xiàn)。

圖8　彈簧銷原理

圖9　具有易割片的成形冒口

圖10　具有特定斷裂邊緣的斷裂區(qū)

20150205

鏈接：2015年3月31～4月3日，上海，中國國際鑄造博覽會(huì)，亞世科化學(xué)展位：1號(hào)館，1M11

作者簡(jiǎn)介：Dipl.-Ing. Stefan Fischer，亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)有限公司歐洲產(chǎn)品經(jīng)理；Dipl.-Ing. Udo Skerdi，亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)有限公司總經(jīng)理；Dr. mont. Stephan Hasse, 鑄造技術(shù)及工程股份有限公司總經(jīng)理。