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1、铸造工艺学主讲教师：赵中魁1作业nP289n3、4、72第14讲冒口的种类及补缩原理n冒口的种类n通用冒口补缩原理3合金收缩的三个阶段合金收缩的三个阶段4缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降，缩松还使铸件在气密性试验和水压试验时出现渗漏现象。生产中可通过在铸件的厚壁处设置冒口的工艺措施，使缩孔转移至最后凝固的冒口处，从而获得完整的铸件，如下图所示，冒口是多余部分，切除后便获得完整、致密的铸件；也可以通过合理地设计铸件结构，避免铸件局部金属积聚，来预防缩孔的产生。阀体的冒口补缩阀体的冒口补缩5什么是冒口？冒口？冒口冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的
2、作用。习惯上把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。冒口的作用冒口的作用(1)补偿铸件凝固时的收缩。即将冒口设置在铸件最后凝固的部位，由冒口中的合金液补偿其体收缩，使收缩形成的孔洞移入冒口，防止铸件产生缩孔、缩松缺陷。(2)调整铸件凝固时的温度分布，控制铸件的凝固顺序。(3)排气、集渣。(4)利用明冒口观察型腔内金属液的充型情况。6一、冒口的种类明冒口暗冒口顶冒口侧冒口贴边冒口7它在轻合金铸件、铸铁件及中小型铸钢件的生产中多使用明冒口。（1）明冒口一般都设置在铸件顶部与大气相通，排气及浮效果较好。8如需要补缩的部分与铸型顶面的距离较大，如需要补缩的部分与铸型顶面的距离较大，或冒口的上部受到铸件另一部
3、分结构的阻碍以或冒口的上部受到铸件另一部分结构的阻碍以及在高压釜中浇注时，常常采用暗冒口。及在高压釜中浇注时，常常采用暗冒口。（2）暗冒口）暗冒口可设置在铸件的可设置在铸件的任何位置任何位置上。上。9一般一般设于铸件最高位置或热节部位的上面设于铸件最高位置或热节部位的上面，这样补缩压力大，补缩效果好，而且浮渣和排气这样补缩压力大，补缩效果好，而且浮渣和排气也比较容易。也比较容易。（3）顶冒口）顶冒口常采用常采用明冒口明冒口的形式。的形式。10侧冒口也有侧冒口也有明冒口明冒口和和暗冒口暗冒口两种形式，依两种形式，依热节在铸件所处的位置而定。热节在铸件所处的位置而定。（4）侧冒口）侧冒口当铸件的热
4、节部位当铸件的热节部位处于铸件的侧面和下处于铸件的侧面和下部部时，应选用。时，应选用。11需要加比较大的需要加比较大的补贴工艺余量补贴工艺余量，才能充分发挥贴，才能充分发挥贴边冒口的补缩作用边冒口的补缩作用（5）贴边冒口）贴边冒口介于顶冒口和侧冒口之间的冒口。介于顶冒口和侧冒口之间的冒口。适用于铸件的厚大部位处于铸件的中、下部而垂适用于铸件的厚大部位处于铸件的中、下部而垂直壁厚又比较小的情况直壁厚又比较小的情况。12冒口形状冒口形状有圆柱形、球顶圆柱形、长（腰）圆柱形、球有圆柱形、球顶圆柱形、长（腰）圆柱形、球形及局球形等多种。图形及局球形等多种。图3-5-1为常用冒口种类。为常用冒口种类。在
5、冒口体积相同的情况下，球形冒口的散热面积最小，模在冒口体积相同的情况下，球形冒口的散热面积最小，模数最大，凝固时间最长，补缩效果最好，其它形状冒口的补缩数最大，凝固时间最长，补缩效果最好，其它形状冒口的补缩效果，依次为圆柱形、长方体形等。效果，依次为圆柱形、长方体形等。13二、通用冒口补缩原理二、通用冒口补缩原理1.基本条件基本条件设计的通用冒口应遵守设计的通用冒口应遵守顺序凝固顺序凝固的基本条件：的基本条件：(1)冒口的凝固时间应冒口的凝固时间应大于或等于大于或等于铸件（被补缩部分）铸件（被补缩部分）的凝固时间。的凝固时间。(2)冒口应有冒口应有足够大的体积足够大的体积，以保证有足够的金属液
6、补，以保证有足够的金属液补充铸件的液态收缩和疑固收缩，补偿浇注后型腔扩大的体积。充铸件的液态收缩和疑固收缩，补偿浇注后型腔扩大的体积。(3)在铸件整个凝固的过程中，在铸件整个凝固的过程中，冒口与被补缩部位之间冒口与被补缩部位之间的补缩通道应该畅通的补缩通道应该畅通，即使扩张角始终向着冒口。，即使扩张角始终向着冒口。（4）还需要注意将冒口与浇注系统、冷铁、工艺补贴等）还需要注意将冒口与浇注系统、冷铁、工艺补贴等配合使用，使铸件在较大的温度梯度下，配合使用，使铸件在较大的温度梯度下，自远离冒口的末端自远离冒口的末端区逐渐向着冒口方向实现明显的顺序凝固区逐渐向着冒口方向实现明显的顺序凝固。142.选
7、择冒口位置的原则选择冒口位置的原则1）冒口应冒口应就近设在就近设在铸件热节的上方或侧旁铸件热节的上方或侧旁。2）尽量设在铸件最尽量设在铸件最高、最厚的部位。高、最厚的部位。对低处对低处的热节增设补贴和使用冷的热节增设补贴和使用冷铁（铁（图图3-5-2），造成补），造成补缩的有利条件。缩的有利条件。3）冒口）冒口不不应设在铸应设在铸件重要的、受力大的部位，件重要的、受力大的部位，以防组织粗大降低强度。以防组织粗大降低强度。4）冒口位置）冒口位置不不要选要选在铸造应力集中处，应注在铸造应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩阻碍，意减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹。以免引起裂纹。155）尽量用一个冒口
8、尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件。（图同时补缩几个热节或铸件。（图3-5-3）6）冒口）冒口布置在加工面上布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好。，可节约铸件精整工时，零件外观好。7）不同高度上的冒口，）不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开。（图（图3-5-4）163.3.冒口的有效补缩距离的确定冒口的有效补缩距离的确定冒口的末端区冒口的末端区：在远离冒口的一端由于铸件存在边角，：在远离冒口的一端由于铸件存在边角，补缩通道扩张角比较大，凝固时易于补缩，此区域称为末端补缩通道扩张角比较大，凝固时易于补缩，此区域称为末端区。区。冒口的补缩距
9、离冒口的补缩距离：即冒即冒口的有效补缩距离，口的有效补缩距离，它是冒它是冒口作用区和末端区长度之和，口作用区和末端区长度之和，是确定冒口数目的依据。是确定冒口数目的依据。冒口的有效补缩距离与冒口的有效补缩距离与合金种类合金种类、铸件结构铸件结构、几何几何形状形状以及以及铸件凝固方向上的铸件凝固方向上的温度梯度有关温度梯度有关，也和凝固时，也和凝固时析出气体的反压力析出气体的反压力及及冒口的冒口的补缩压力补缩压力有关。有关。17（1）铸钢件冒口的补缩距离碳钢铸件的冒口补缩距离如图3-5-5所示。更精确的数据可依图3-5-6曲线查出。181920可见：冒口区长度和末端区长度都随铸件厚度增大而增大，
10、冒口区长度和末端区长度都随铸件厚度增大而增大，且随截面的宽厚比减少而减小。薄壁件比厚壁铸件更难于消且随截面的宽厚比减少而减小。薄壁件比厚壁铸件更难于消除轴线缩松，而杆件比板件补缩难度大。除轴线缩松，而杆件比板件补缩难度大。阶梯形铸钢件的冒口补缩距离比板形大。（图阶梯形铸钢件的冒口补缩距离比板形大。（图3-5-3-5-7 7）冒口的垂直补缩距离至少等于冒口的水平补缩距离。冒口的垂直补缩距离至少等于冒口的水平补缩距离。21（2）铸铁件通用冒口的补缩距离）铸铁件通用冒口的补缩距离1）高牌号灰铸高牌号灰铸铁铁的共晶度低，结的共晶度低，结晶温度范围宽，共晶温度范围宽，共晶转变前析出奥氏晶转变前析出奥氏体
11、体阻碍阻碍补缩，所以补缩，所以冒口补缩距离小。冒口补缩距离小。222）球墨铸铁球墨铸铁具有具有糊状凝固特性糊状凝固特性，采用通用冒口补缩效果，采用通用冒口补缩效果较较差差。只有在湿型或壳形铸造较厚的球墨铸铁件时，才有必要只有在湿型或壳形铸造较厚的球墨铸铁件时，才有必要采用传统冒口。采用传统冒口。3）可锻铸铁可锻铸铁冒口的补缩距离为冒口的补缩距离为44.5倍壁厚。倍壁厚。铸件壁厚水平补缩垂直补缩湿型湿型湿型壳型6.3512.7015.8619.0525.4038.1050.80101.6114.3101.6127.0138.7152.431.75101.6114.3228.688.9127.01
12、27.088.9133.4165.3228.6球墨铸铁球墨铸铁冒口的补缩距离冒口的补缩距离23（3）有色合金的冒口补缩距离）有色合金的冒口补缩距离1）铜合金铜合金锡青铜和磷青铜锡青铜和磷青铜凝固范围宽，呈糊状凝固，冒口的有凝固范围宽，呈糊状凝固，冒口的有效补缩距离短，易出现缩松。效补缩距离短，易出现缩松。无锡青铜和黄铜无锡青铜和黄铜凝固范围窄，冒口补缩距离大。凝固范围窄，冒口补缩距离大。铜合金冒口的补缩距离合金种类铸件形状末端区长冒口区长补缩距离锡锌青铜(wSn=8%,wZn=4%)板件杆件0锰铁黄铜(wCu=55%,wMn=3%,wFe=1%)板件铝铁青铜(wAl=9%,wFe=4%)板件在
13、干型，水平浇注条件下测出。板厚或杆的边长242）铝合金铝合金共晶型铝合金共晶型铝合金的冒口补缩距离为的冒口补缩距离为4.5T。非共晶型铝合金非共晶型铝合金的冒口补缩距离为的冒口补缩距离为2T。成分为成分为w(Si)7%，w(Cu)4%的合金，冒口补缩距离的合金，冒口补缩距离为为零零。25（4）外冷铁的影响）外冷铁的影响1）在）在两个冒口之间安放冷铁两个冒口之间安放冷铁，相当于在铸件中间增加了，相当于在铸件中间增加了激冷端，使冷铁两端向着两个冒口方向的温度梯度扩大，形激冷端，使冷铁两端向着两个冒口方向的温度梯度扩大，形成两个冷铁末端区，成两个冷铁末端区，显著地增大了冒口的补缩距离显著地增大了冒口
14、的补缩距离。2）把）把冷铁置冷铁置于板或杆件末端于板或杆件末端时，铸铁末端区时，铸铁末端区长度长度略有增加略有增加。263）多边布置多块多边布置多块冷铁冷铁，可，可大大延长冷铁大大延长冷铁末端区的长度末端区的长度。外冷铁之间距离为外冷铁之间距离为0.51倍于冷铁长度。倍于冷铁长度。27（5）补贴的应用）补贴的应用1）什么是补贴？）什么是补贴？为为实现顺序凝固实现顺序凝固和和增强补增强补缩效果缩效果，在，在靠近冒口的铸件壁靠近冒口的铸件壁厚上厚上补加的补加的倾斜倾斜的的金属块金属块称为称为补贴补贴，也称衬补、增肉。，也称衬补、增肉。2）补贴的作用）补贴的作用冒口附近有热节或铸件尺冒口附近有热节或
15、铸件尺寸寸超出超出冒口补缩距离，利用补冒口补缩距离，利用补贴可造成向冒口的补缩通道，贴可造成向冒口的补缩通道，实现补缩，消除铸件热节下的实现补缩，消除铸件热节下的缩孔，延长补缩距离，减少冒缩孔，延长补缩距离，减少冒口的数量。口的数量。283）补贴的种类）补贴的种类根据在铸件上根据在铸件上的位置分为：的位置分为：水平补贴水平补贴、垂直补贴垂直补贴。按有无特殊措按有无特殊措施分为：施分为：金属补贴金属补贴、加热补贴加热补贴、发热补贴发热补贴、保温补贴保温补贴。294）补贴尺寸确定）补贴尺寸确定 水平补贴：水平补贴：最大长度最大长度：L L=4.7=4.7M M冒冒 宽度：宽度：B=B B=B冒冒
16、靠近冒口端的高度：靠近冒口端的高度：h h1 1=0.8=0.8M M冒冒 远离冒口端的宽度：远离冒口端的宽度：h h2 2=0.3=0.3M M冒冒 I-II-I断面处的补贴模数断面处的补贴模数：按冒口颈模数计算按冒口颈模数计算 M1=ab/2(a+b-c)L=4.7M冒冒h h1 1=0.8=0.8M M冒冒h2=0.3M冒冒30 垂直补贴垂直补贴 按图按图3-5-153-5-15确定。确定。冒口区末端区冒口区末端区冒口区末端区缩松区缩松区HTTT壁的高度壁的高度h/mm补贴厚度补贴厚度a/mm壁厚壁厚T/mm31如果如果生产条件与上述试验条件有差别生产条件与上述试验条件有差别时，需要把图
17、时，需要把图3-5-13查出的补贴厚度乘一个查出的补贴厚度乘一个补偿系数补偿系数。铸钢件的垂直补贴。铸钢件的垂直补贴的补偿系数见表的补偿系数见表3-5-3。表表3-5垂直补贴的补偿系数垂直补贴的补偿系数补偿原因补偿原因补偿条件补偿条件补偿系数补偿系数杆件比板件的杆件比板件的冒口补缩距离冒口补缩距离小，需要较大小，需要较大的补贴厚度才的补贴厚度才能保证铸件致能保证铸件致密密杆件断面宽厚比：杆件断面宽厚比：4:13:12:11.5:11.1:11.01.251.51.72.0 充型方式充型方式和化学成分不和化学成分不同同底注式，碳钢及低合金钢铸件底注式，碳钢及低合金钢铸件顶注式，高合金钢铸件顶注式
18、，高合金钢铸件底注式，高合金钢铸件底注式，高合金钢铸件1.251.251.251.25=1.5851.25=1.5832 滚圆法滚圆法 对重要部位的热节用扩大滚圆法。对重要部位的热节用扩大滚圆法。对次要部位的热节用对次要部位的热节用不不扩大滚圆法。扩大滚圆法。33一、铸钢件冒口的设计n模数法n三次方程法n补缩液量法n比例法n铸件工艺出品率341.模数法（1）模数的概念）模数的概念M=V/A（cm）式中，M为模数，V为体积，A为面积。注意注意：不管铸件的形状如何，只要它们的模数相等，其凝固时间就相等或相近。铸件的模数和凝固时间之间的关系遵守平方根定律：=(M/k)2 k为凝固系数，与铸件金属、铸
19、型的热物理性能、铸件形状、浇注温度等有关。对碳钢和低合金钢而言，k=(0.91.26)10-3m/s1/2。35（2）模数法计算冒口原理）模数法计算冒口原理为了实现补缩，冒口与铸件上被补缩部位之间必须存在补缩通道，同时他还必须满足以下两个条件：1）冒口凝固时间应大于至少等于铸件（或铸件被补缩）冒口凝固时间应大于至少等于铸件（或铸件被补缩部分）的凝固时间部分）的凝固时间。即即冒口冒口铸件铸件 (M冒口冒口/k冒口冒口)2 (M铸件铸件/k铸件铸件)2 所以：所以：M冒口冒口=f M铸件铸件 f为冒口的安全系数，为冒口的安全系数，f 1。一般取：一般取：f=1.2 36碳钢、低合金钢铸件，碳钢、低
20、合金钢铸件，冒口、冒口颈和铸件的模数关系：冒口、冒口颈和铸件的模数关系：边冒口边冒口：M铸件铸件:M冒口颈冒口颈:M冒口冒口=1:1.1:1.2内浇道作冒口内浇道作冒口：M铸件铸件:M冒口颈冒口颈:M冒口冒口=1:(11.03):1.2顶冒口顶冒口：M冒口冒口=(11.2)M铸件铸件372)冒口必须提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在冒口必须提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的凝固完毕前的体收缩体收缩和因铸型和因铸型型壁移动而扩大的容积型壁移动而扩大的容积，使，使缩松不致伸入铸件内。缩松不致伸入铸件内。必须满足：必须满足：(V铸件铸件+V冒口冒口)+V型壁移动型壁移动V冒口冒口 为
21、金属从浇注完到凝固完毕的为金属从浇注完到凝固完毕的体收缩率体收缩率，具体参，具体参数见表数见表3-5-4、表、表3-5-5。为为冒口的补缩效率冒口的补缩效率，=(补缩体积补缩体积/冒口体积冒口体积)100%，各种冒口的补缩效率见表各种冒口的补缩效率见表3-5-6。381.普通铸钢=0按下表查出确定铸钢体收缩率确定铸钢体收缩率392.合金钢的体收缩率=0+x 0为碳钢的体收缩率，可由图查出。x=Kiwi式中，x合金元素对体收缩率的影响；wi合金钢中各元素的含量，wi为w1，w2 Ki各合金元素对体收缩率的修正系数，Ki为K1，K2 Ki可由下表查出合金元素WNiMnCrSiAl修正系数-0.53
22、-0.0354+0.0585+0.12+1.03+1.7040铸件材质（%）中碳钢2.53.0wc=1%碳钢4.0灰铸铁1.9膨胀白口铸铁4.05.5纯铝6.6纯铜4.92表3-5-5常用合金的收缩率41冒口种类或工艺措施（%）圆柱或腰圆柱形冒口1213球形冒口1520补浇冒口1520浇口通过冒口3035发热保温冒口3050大气压力冒口1520表3-5-6冒口的补缩效率冒口的补缩效率冒口的补缩效率42 、对冒口体对冒口体积的影响见图积的影响见图3-5-153-5-15。43 铸件形状系数铸件形状系数对冒口补缩效率的影响对冒口补缩效率的影响 铸件形状系数铸件形状系数q，又称周界商，定义为铸件体积
23、又称周界商，定义为铸件体积V铸件铸件与其模与其模数的立方数的立方M3铸件铸件的比值的比值，即：，即：q=V铸件铸件/M3铸件铸件 q使铸件形状数量化，使铸件形状数量化，q值的大小表明了铸件的形状特征：值的大小表明了铸件的形状特征：形状越接近简单的实心球体，形状越接近简单的实心球体，q越小；反之，铸件形状越接近越小；反之，铸件形状越接近展开的大平面，展开的大平面，q越大越大。实心球体的实心球体的q=113，最小，大平板件的，最小，大平板件的q很大；铸件的很大；铸件的q多在多在1135000范围内。范围内。铸件形状系数与冒口补缩效率的关系见表铸件形状系数与冒口补缩效率的关系见表35-7。44铸件形
24、状系数与冒口补缩效率的关系铸件形状系数与冒口补缩效率的关系见表见表35-7。铸件形状系数q1000冒口的补缩冒口的补缩效率效率/%25303335404545（3）铸件模数的计算）铸件模数的计算任何复杂的铸件，均可以看作是有许多简单的几何体组任何复杂的铸件，均可以看作是有许多简单的几何体组合而成。只要掌握一些简单的几何体、组合体的模数计算合而成。只要掌握一些简单的几何体、组合体的模数计算公式，就不必用繁琐的公式去计算铸件的体积和表面积。公式，就不必用繁琐的公式去计算铸件的体积和表面积。矩形长杆的模数：矩形长杆的模数：M=ab/2(a+b)方形长杆的模数：方形长杆的模数：M=a/4 大平面的模数
25、：大平面的模数：M=T/2 立方体的模数：立方体的模数：M=a/6 空心圆柱体的模数：空心圆柱体的模数：M=a/2各种热节点的模数计算方法：各种热节点的模数计算方法：1）测定热节点中心和平板中心的凝固时间测定热节点中心和平板中心的凝固时间。设铸件平。设铸件平板厚度为板厚度为T，凝固时间为，凝固时间为，热节点中心处凝固时间为，热节点中心处凝固时间为j，则，则热节点模数：热节点模数：M=Tj/2 46各种热节点的模数计算方法：各种热节点的模数计算方法：1）测定热节点中心和平板中心的凝固时间测定热节点中心和平板中心的凝固时间设铸件设铸件平板厚度平板厚度为为T，凝固时间凝固时间为为，热节点中心处凝固时
26、间热节点中心处凝固时间为为j，则则热节点模数热节点模数：472）热节园当量板（或杆）法把热节部位看作热节园直径为厚度的板或杆。板件相交板件相交a.用1:1比例绘出相交节点的图形。b.板壁相交处圆角半径板壁相交处圆角半径取壁厚的1/3已足够，即r=a/3或r=b/3;c.考虑砂尖角对凝固时间的影响时，作图时让热节圆的圆周线热节圆的圆周线通过r的中心，量出热节圆半径R;热节点模数：热节点模数：48杆件相交杆件相交a.用1:1比例绘出相交节点的图形。b.板壁相交处圆角半径取壁厚的1/3已足够，即r=a/3或r=b/3;c.考虑砂尖角对凝固时间的影响时，作图时让热节圆的圆周线通过r的中心，量出热节圆半
27、径Dr;d.将热节处看作厚度为Dr的杆件；热节点模数：热节点模数：49管与法兰相交管与法兰相交a.用1:1比例绘出相交节点的图形。b.板壁相交处圆角半径取壁厚的1/3已足够，即r=a/3或r=b/3;c.考虑砂尖角对凝固时间的影响时，作图时让热节圆的圆周线通过r的中心，量出热节圆半径Dr;d.将法兰看作厚度为Dr的角形杆，用扣除非散热面法用扣除非散热面法计算热节模数：计算热节模数：503）用用“一倍厚度法一倍厚度法”求热节模数求热节模数。51举例：求缸体模数缸底：直径缸底：直径400mm400mm，侧面，侧面为非冷面，可视为为非冷面，可视为140mm140mm厚厚的板件，的板件，M=14/2=
28、7cmM=14/2=7cm帽状部分：看作板帽状部分：看作板件，厚件，厚100mm，M=5cm缸体主壁：看作厚缸体主壁：看作厚120mm的板，的板，M=6cm上部平板部分：上部平板部分：看作厚看作厚80mm板件，板件，M=4cm120mm120mm孔的孔的四周部分四周部分:看看作厚作厚80mm80mm的板的板件，件，M=4cmM=4cm热节：缸体热节：缸体主壁与斜壁主壁与斜壁相交处，热相交处，热节圆节圆180mm180mm，看作，看作180mm180mm厚的当量板，厚的当量板，M=18/2=9cmM=18/2=9cm525354（4）模数法设计冒口的步骤）模数法设计冒口的步骤1）把铸件划分为几个补缩区，计算各区的铸件模数。）把铸件划分为几个补缩区，计算各区的铸件模数。2）计算冒口和冒口颈的模数；）计算冒口和冒口颈的模数；3）确定冒口形状和尺寸（尽量采用标准系列冒口尺寸）确定冒口形状和尺寸（尽量采用标准系列冒口尺寸）。4）检查顺序凝固条件，如补缩距离是否足够，补缩通）检查顺序凝固条件，如补缩距离是否足够，补缩通道是否畅通。道是否畅通。5）校核模数的计算。）校核模数的计算。55