球墨鑄鐵實用冒口與均衡凝固技術設計冒口的對比

張 帆，魏勝輝，盧景秀，劉瑞玲

（河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊050000）

球墨鑄鐵件利用石墨化膨脹進行自補縮的冒口設計方法有實用冒口和均衡凝固技術兩種方法。實用冒口補縮理論經(jīng)過以S I Karsay博士為代表學者的實踐和總結，形成了較為實用的技術理論；均衡凝固技術是魏兵教授在上世紀80年代提出的凝固補縮技術。兩種方法具有一些差異性，也具有一些相關性。本文將兩種方法進行對比，以找出二者的異同點。

1 兩種方法的冒口補縮原理

1.1 實用冒口補縮原理

球墨鑄鐵凝固過程可分為：一次收縮、體積膨脹和二次收縮三個階段，圖1為球墨鑄鐵凝固過程體積隨溫度變化的規(guī)律[1]。

圖1 球墨鑄鐵體積隨溫度變化的規(guī)律

圖1 中a1、a2為一次收縮，b1、b2為體積膨脹，c1、c2為二次收縮，曲線1為冷卻速度低、冶金質量高的條件下球鐵的體積變化，曲線2為冷卻速度高、冶金質量差條件下球鐵的體積變化。冶金質量好的鑄鐵，在同樣化學成分、冷卻速度下，液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值都小，因而形成縮孔、縮松和鑄件長大變形的傾向小，容易獲得健全的鑄件。

由于不同的鑄型強度所能承載石墨化膨脹壓力不同，而鑄件模數(shù)的大小也會影響鑄鐵的膨脹壓力，實用冒口根據(jù)鑄型強度及鑄件模數(shù)進行分類，實用冒口的種類及適用范圍如圖2所示[2]。

圖2 實用冒口的種類及適用范圍

1.1.1 直接實用冒口補縮原理

直接實用冒口僅補給鑄件的液態(tài)收縮，當液態(tài)收縮終止或體積膨脹開始時，讓冒口頸或用澆注系統(tǒng)兼起實用冒口作用的內(nèi)澆道及時凍結。在鑄型內(nèi)，鑄鐵的共晶膨脹形成內(nèi)壓，迫使液體流向縮孔、縮松形成之處，這樣就可以預防鑄件于凝固初期內(nèi)部出現(xiàn)真空度，從而避免了縮孔、縮松缺陷。

直接實用冒口適用于高強度鑄型，鑄件模數(shù)在0.4 8 cm～2.5 cm的球墨鑄鐵件；強度較低的濕型、模數(shù)小于0.48 cm的鑄件。此時不會由于鑄件膨脹力超過鑄型的承壓能力而導致鑄件脹大變形，產(chǎn)生縮松[3]。

1.1.2 控制壓力冒口補縮原理

球墨鑄鐵件的模數(shù)如果比較大，而且鑄型強度又低，則鑄型承受不了共晶膨脹的作用要擴大，這時共晶膨脹補償不了二次收縮。此時采用控制壓力冒口，在共晶膨脹時往冒口中釋放掉一部分壓力，以免型內(nèi)壓力過大而產(chǎn)生型壁移動?？刂苹靥畛潭仁硅T件內(nèi)建立適中的內(nèi)壓克服二次收縮缺陷，從而獲得既無縮孔縮松又能避免脹大變形的鑄件。所以控制壓力冒口適用于鑄件模數(shù)在0.48 cm～2.5 cm的球墨鑄鐵件。

1.1.3 無冒口補縮原理

由于冷卻速度越小，鑄鐵的液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值也越小，而冷卻速度主要取決于鑄件模數(shù)。對于大模數(shù)鑄件，冷卻速度小，凝固時間長、降溫慢，對補縮要求低，創(chuàng)造適當?shù)墓に嚄l件，可實現(xiàn)無冒口鑄造。所以無冒口鑄造適用于鑄型強度較高的干型，鑄件模數(shù)大于2.5 cm的球墨鑄鐵件。只要鐵液冶金質量高，鑄件模數(shù)大，采用低溫澆注和緊固的鑄型，就能保證澆注型內(nèi)的鐵液，從一開始就膨脹，從而避免了收縮缺陷，因而無需冒口。

1.2 均衡凝固技術補縮原理

均衡凝固就是利用膨脹與收縮動態(tài)疊加的自補縮和澆注系統(tǒng)的外部補縮，采取工藝措施，使單位時間的收縮與膨脹、收縮與補縮按比例進行的一種凝固原則。均衡凝固是基于一個鑄件在凝固的某一時刻，有些部分正在收縮，有些部分已經(jīng)進入石墨化膨脹，時間是同時的，鐵液是相通的，這時，脹縮就可以疊加相抵，鑄件表現(xiàn)出來的收縮值，實際上是脹縮相抵的凈結果。鑄鐵件收縮與膨脹的疊加如圖3所示[4]。

均衡凝固技術也可進行無冒口鑄造，利用澆注結束后澆注系統(tǒng)短期暢通的補縮作用和凝固過程中石墨化膨脹來補償鐵液的冷卻、凝固和收縮，實現(xiàn)不專設補縮冒口的工藝。均衡凝固無冒口鑄造適用條件中，用鑄件凝固模數(shù)Mc≥2.5 cm來反映鑄件的結構特點，質量周界商Qm為鑄件體積與其凝固模數(shù)立方之比，用Qm≥20 kg/cm3進一步描述鑄件結構特點[5]。

圖3 鑄鐵件收縮與膨脹的疊加

2 兩種方法的對比

2.1 冒口頸的凝固時間

實用冒口中，直接實用冒口只補償鑄件的液態(tài)收縮，冒口頸在液態(tài)收縮結束時或自補縮之前及時凝固?？刂茐毫γ翱诘淖饔糜袃蓚€：一是對液態(tài)收縮進行補縮，冒口中的鐵水補縮鑄件；二是調(diào)解鑄型內(nèi)鐵水石墨化膨脹壓力，使一部分鐵水回填冒口。因此，控制壓力冒口頸在鐵水回填冒口，使鑄型釋放一部分壓力后封死。無冒口補縮前期主要利用澆注系統(tǒng)進行液態(tài)補縮，后期主要利用鑄件內(nèi)部的石墨化膨脹進行自補縮，所以，內(nèi)澆道當冒口頸補縮時是在進入石墨化膨脹前凝固封死。

均衡凝固技術設計的冒口，冒口補縮至均衡點，均衡點之后為自補縮，在補縮完成后冒口頸內(nèi)金屬液不再流動。而均衡凝固技術中的無冒口鑄造，內(nèi)澆道也是在均衡點時及時凝固。

兩種冒口設計方法中，實用冒口中的直接實用冒口與均衡凝固技術設計冒口的冒口頸凝固時間相似，都是在補縮完鑄件所需鐵液后冒口頸及時截斷，從而充分利用石墨化膨脹在鑄件內(nèi)部進行自補縮[6]。實用冒口中的控制壓力冒口考慮鑄件模數(shù)與鑄型強度的關系，在型內(nèi)建立適中壓力后冒口頸才凝固，而均衡凝固技術設計冒口并未考慮鑄件模數(shù)與鑄型強度之間的關系，因此控制壓力冒口頸凝固時間較長。實用冒口中的無冒口與均衡凝固技術的無冒口鑄造，其冒口頸也都是在補縮完鑄件所需鐵液后凝固。

2.2 冒口的位置

直接實用冒口的位置可選在關鍵部分或更厚的任何部位上，冒口設在最高部位能節(jié)約金屬。直接實用冒口的關鍵部分為：本身的體積膨脹量能抵償所有更厚部分的液態(tài)收縮量，直到比它更厚的部分開始膨脹為止?？刂茐毫γ翱跒榱朔乐硅T件內(nèi)壓力過大，使膨脹壓力最大的部位是鑄件最厚部位，即模數(shù)最大部位，因此控制壓力冒口安放在模數(shù)大的部位。

均衡凝固技術推薦將冒口設置在均衡段位置，以使冒口既靠近鑄件或補縮對象的熱節(jié)分體，又離開該熱節(jié)分體。均衡段為鑄件結構分體中幾何模數(shù)等于鑄件收縮模數(shù)的分體。但是對于很多鑄件沒有適合設置冒口的部位作為均衡段，比如均衡段位置過薄，不適合設置冒口，冒口只能設置在厚大部位或熱節(jié)上，并沒有避開熱節(jié)設置[7]。補縮原理與均衡凝固技術相似的直接實用冒口，其冒口位置較均衡凝固技術的冒口位置選擇更靈活。

2.3 冒口的設計依據(jù)

兩種方法皆充分利用石墨化膨脹補縮，二者從本質上的區(qū)別點在于：實用冒口是基于球鐵體積隨溫度變化規(guī)律設計冒口，其依據(jù)僅為被測點一處的冷卻、凝固情況，不能代表整個鑄件，并且就一點而言，收縮發(fā)生在前，膨脹發(fā)生在后，脹縮不能相抵；而均衡凝固技術是對鑄件整體而言，各個區(qū)域進入收縮、膨脹的時間有先有后，相互交錯、重疊，使得冒口只補自補不足的這部分差額，所以均衡凝固技術比實用冒口更強調(diào)凝固收縮與石墨膨脹的疊加過程[8]。

因此，從理論上看，實用冒口體積較均衡凝固技術設計冒口的體積較大，但在具體設計中，實用冒口將冶金質量作為影響冒口設計的因素，使冒口體積成為變量，遂無法確切將二者冒口大小進行比較。由于二者設計本質不同，實用冒口中直接實用冒口是補縮完鑄件液態(tài)收縮后冒口頸凝固，而均衡凝固技術中冒口頸是在脹縮相抵后凈收縮為零時凝固，使得兩者的冒口頸模數(shù)不同。

此外，實用冒口考慮鑄型強度及鑄件模數(shù)之間的關系具體分為三種冒口設計方法，而均衡凝固技術根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗只有一種統(tǒng)一設計冒口的方法，并未考慮鑄型強度及鑄件模數(shù)之間的關系對冒口設計的影響。

3 結 論

1）實用冒口中的直接實用冒口與均衡凝固技術設計冒口的原理相似，冒口頸凝固時間相近，但直接實用冒口較均衡凝固技術的冒口位置選擇更靈活。

2）實用冒口基于球鐵體積隨溫度變化規(guī)律設計冒口，收縮發(fā)生在前，膨脹發(fā)生在后，脹縮不能相抵；均衡凝固技術是對鑄件整體而言，各個區(qū)域脹縮疊加，冒口只補自補不足的差額。

3）實用冒口考慮鑄型強度及鑄件模數(shù)之間的關系對冒口進行設計，而均衡凝固技術并未考慮二者之間的關系對冒口設計的影響。

［1］ Karsay S I.球墨鑄鐵的澆口和冒口［M］．白天申，譯.北京：清華大學出版社，1983：115-116.

［2］ 王華清，李魁盛.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002：306-307.

［3］ 洪恒發(fā).基于球墨鑄鐵凝固原理的補縮方法［J］.鑄造，2011，60（12）：1194-1202.

［4］ 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，1998：2-3.

［5］ 汪興娟，何順榮，李偉，等.球鐵箱蓋件的無冒口鑄造工藝設計及數(shù)值模擬［J］.中國鑄造裝備與技術，2014（3）：47-50.

［6］ 金永錫.汽車球鐵件冒口補縮設計方法及其評價（2）［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（2）：29-44.

［7］ 金永錫.汽車球鐵件冒口補縮設計方法及其評價（1）［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（1）：15-25.

［8］周亙.對“均衡凝固技術”幾個基本問題的討論——球墨鑄鐵縮松、縮孔問題探討（三）［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2004（5）：4-12.