铸铁件表面有限补缩与缩短收缩时间的关系

张怀敏 杨东明

(辽阳锻压机床股份有限公司，辽宁111000)

作者简介：张怀敏(1967—)女，工程师，工学学士，主要从事铸造工艺设计方面的技术工作。

自均衡凝固的理论推广以来，在铸造工程领域起到了较大的作用。长期以来，顺序凝固和同时凝固难以解决和不能解决的铸造缺陷，诸如冒口根部的夹砂、缩孔、缩松，出气冒口根部的气、缩孔等都可以运用小冒口、特殊形冒口、不用冒口等多种方式很好地解决，这对提高铸铁件的工艺出品率有着积极的进步意义。均衡凝固理论能弥补顺序凝固和同时凝固的不足，这在理论和实践上都得到了行业内的认可。

1 理论依据

铸铁件表面收缩时间AP的长短对铸件质量和废品率有很大影响。要使铸件表面收缩时间缩短的重要原因在于使铸件收缩和膨胀的时间尽可能达到一致，见图1。我们可以用微积分的方法把铸件整体看作若干个微小单位的组合体，在铸件冷却凝固时，单位甲在收缩初始需要补缩时，单位乙开始石墨化膨胀，甲乙胀缩时间近乎同时发生。通过对铸件的这种不断补缩，使其表面的收缩时间趋于零。无冒口铸造可以定义为表面收缩时间基本等于零的铸造。

当然，从理论上讲，铸件的表面收缩时间受铸件的几何形状、尺寸大小、壁厚差异及铸造工艺等多种因素的影响。在无法改变铸件的几何形状、尺寸大小、壁厚差和材质等固定因素的情况下，铸件浇注速度的快慢、浇注温度的高低、浇冒口系统的大小以及冒口和冷铁的分布等情况则是可以影响铸件质量的关键因素。

图1 铸件收缩和膨胀的叠加Figure 1 The superposition of shrinkage and expansion of castings

2 具体工艺

(1) 浇注的速度对铸件质量的影响

以加快浇注速度，将铁水控制在很短的时间内充满铸型，使流动着的铁水快速平静下来并有序地冷却凝固、有序地胀缩相抵，加上合适的补缩冒口，是个优化的工艺方案。如果浇注的速度过慢，势必使先通过型砂的铁水与后进入的铁水表面温度差距过大，最后静止的铁水往往只在热节处集中，缩胀时差扩大，从而造成铸件表面收缩时间延长，对铸件质量造成恶劣的影响。另一方面，浇注快的铁水由于温度损失小，可以明显减少气孔。在生产实践中内浇口根部有缩松的铸件，一般都是由于浇速慢产生的。通常来说，两吨内的铸件理论浇注时间应在60 s内完成，两吨以上的在2 min之内完成较为合理。

(2) 冒口和冷铁的处理工艺

均衡凝固的冒口为有限补缩冒口，冒口的位置要离开热节并离热节近些为适当，冒口尺寸应小于或等于铸件的热节圆。冷铁应被放到厚壁处和热节处。

(3)内浇口的分布

内浇口的分布对铸件表面收缩时间的影响很大，铸件的薄壁处及边缘部分开设内浇冒口最为适当。同时尽量避免内浇口的铁水流经铸件的热节区。因为平板型铸件的每个面都要加工，不能存在气孔、砂眼、缩松等缺陷，所以平板型铸件应采用强补缩工艺。

在侧边浇冒口的工艺中板的热节就是该板厚度。由于其中心散热较慢，主要热节在中心部位，侧边冒口工艺能有效离开中心热节，但其弱点是中心部位易出现缩凹缺陷。因为平板中部是高温铁水的必经之路，这会使中心部位温度快速升高，使得中心部位冷却收缩时间加长，而四周侧边、棱角边和底边冷却较快。这样一来，就铸件整体而言，收缩和膨胀的时间差扩大了，中心部位收缩需要补缩时，其它部位石墨化膨胀已经结束，冒口颈因堵死而引起缩凹。

浇口分成两个或多个的好处在于铁水可以从边缘处进入铸型，冒口放在铸型侧边的四分之一处，内浇口在铸件边缘开设，铁水从侧面进入铸型时可以有效升高侧边温度，中心部位的高温铁水减少，铸件中心部位温度降低，胀缩相抵加强，有效提高了铸件质量并降低了废品率。

3 结论

(1)合理的冒口有限补缩位置比合理的冒口尺寸更为重要。对一些冒口位置安放不当的铸件，改变一下冒口的位置，用小冒口也可收到较好的补缩效果。

(2)在铸件的局部小热节上扎一至数个出气口，通过出气口使热节部位的热量迅速转移，可起到消除局部小热节的作用，是提高小件工艺品率的有效方法，有时比放置补缩冒口效果好。