防止铸铁件收缩缺陷的实践和体会

袁 森

（西安理工大学，陕西 西安 710048）

铸铁件收缩缺陷的预防和消除，是铸造工艺设计和实践的永恒课题。即使铸件安设了补缩冒口，试制过程中也可能会出现收缩缺陷，需要改进、完善。

冒口设计的三个要素：模数、体积、冒口颈。模数是凝固时间的表征，体积决定冒口所能提供的补缩液量，冒口颈尺寸保证补缩通道畅通。

针对铸铁件（灰铁、球铁）缩孔缩松缺陷的防止和消除，谈谈生产实践中的一些思路和体会，与一线技术人员进行交流。

1 冒口颈（内浇口）处铸件缩孔缩松的消除

冒口颈（内浇口）处铸件收缩缺陷分为两种情况进行分析。

1）冒口颈（内浇口）打掉后暴露出抽孔，孔细而深，孔壁较光整。出现这种情况，是冒口补缩不足的表现。或者是冒口体小，冒口提前凝固，补缩液量不足，而铸件还在收缩，朝向冒口抽出了孔洞；或者是冒口颈提前凝固，补缩通道截死。可以采用的针对性措施是：①适当加大冒口体的尺寸；②加大（厚）冒口颈的尺寸（增大模数）；或者减小冒口颈长度，缩短冒口与铸件之间的距离。

2）冒口颈（内浇口）打掉后暴露出分散的小孔洞，或者无形，或者很粗糙，像烂脖子。出现这种情况，则可能是冒口和铸件形成了接触热节所致，即冒口对铸件构成了较强的热干扰。原因可能是冒口颈尺寸过大；或者是冒口颈太短（冒口距铸件太近），冒口的热干扰过强。再加上冒口颈充填与补缩的流通效应，冒口颈周围型砂被加热，使接触热节更大，延缓了冒口颈处铸件的凝固。在这种情况下，需要减小（减薄）冒口颈尺寸，减小或消除接触热节，而不要盲目加大冒口体或冒口颈。

两种情况刚好相反，必须正确区分判断，否则会背道而驰。

接触热节：将冒口安放在铸件的几何热节处，使本来凝固较迟的热节更大了。考虑到冒口颈处尖角砂被加热，该处冷却缓慢，加上冒口中金属液补缩流动带入的热量，实际上比已经加大了热节圆还要大。冒口和铸件接触处这个被加大了的热节称为接触热节，它大于铸件原来的几何热节，在一定限度内也大于冒口直径。接触热节是产生缩孔缩松的重要因素之一。

冒口颈的流通效应：冒口颈受冒口与铸件的热影响，周围型砂被加热，充填冒口和补缩流动过程中，不断更新热铁水，使尺寸较小的冒口颈，凝固时间大大延长，也即保持畅通的时间大大延长，称为冒口颈的流通效应。冒口颈的流通效应与金属液流过冒口颈的体积及时间有关。据测算，在原来几何模数的基础上，冒口颈的凝固时间一般可延长40%～60%.

2 铸件热节处的缩孔缩松

铸铁件（特别是糊状凝固方式的球铁件）热节处出现缩孔缩松缺陷，最有效的补缩工艺措施是：冒口+冷铁。在很多情况下，所加冒口只能是冷冒口（浇口不通过冒口，冒口最后单独充填，温度低），不可能是热冒口（浇口通过冒口，冒口中充填的是热铁液）。冷冒口的补缩效果有限，所以，配合以冷铁，加快该处的凝固，减小热节，使冒口的补缩时间和补缩液量能够满足铸件收缩的需要。

冷铁必须与冒口相配合，因为冷铁不能提供补缩液量，所以单独使用冷铁往往不能根除缩松。

如果采用发热保温冒口，完全按照顺序凝固的工艺原则进行补缩，即冒口最后凝固，并且能够提供充足的补缩液量，则可以不使用冷铁。

使用多大的发热保温冒口？一般按照生产厂家提供的冒口有效模数进行选择，只要冒口的有效模数大于铸件热节处的模数，即可保证冒口最后凝固；冒口颈处一般设计为易割片，即冒口颈很短，补缩通道可以保持长时间的畅通；最主要的是，冒口与铸件的温度场是顺序的，补缩通道张开角始终朝向冒口，补缩效果好。

3 铸铁件顶冒口的使用

由于铸铁件具有石墨化膨胀自补缩能力，其冒口的补缩是有限的，即冒口不一定要晚于铸件凝固，所以，铸铁件的冒口往往不能把热节移出到冒口中。这一点与铸钢件不同。

铸铁件慎用顶冒口，因为顶冒口的冒口颈处常常出现收缩孔洞。原因是顶冒口处于最高位置，在铸件的液态收缩阶段，冒口承担着整个铸件的补缩，如果补缩液量设计不足，又是冷冒口，温度低，补缩时间短，整个铸件的收缩抽吸及冒口自身的凝固收缩，使冒口负担太重。加大冒口体也往往难于凑效。在这种情况下，建议采用发热保温冒口，完全按顺序凝固原则补缩。

对于厚大的铸铁件，如果工艺上只能采用顶冒口，而且冒口根部铸件又出现孔洞，建议采用冷颈冒口技术。

冷颈冒口技术，是指采用较大尺寸的冒口颈，同时在冒口颈处安放冷铁。这样，以大的过流面积，来适应厚实铸铁件冷却凝固初期，需要冒口集中提供大补缩液量的要求。冷铁一方面减小或消除了冒口与铸件之间的接触热节，另一方面又能使冒口颈在补缩流动停止后适时凝固截死，充分利用石墨化膨胀的自补缩作用，获得致密健全的铸件。

4 设置冒口处，铸件侧面或顶面缩凹（外缩孔）

对于有一定高度的铸件，中间分型，冒口设在分型面上，上箱中铸件与冒口平行相邻，常常发生铸件侧面成顶面缩凹现象。原因是铸件与冒口距离较近，中间的型砂被加热到较高温度，相邻冒口的铸件处凝固速度减慢，表面凝固结壳后尚处于高温塑性变形阶段，铸件其他部位的收缩形成了负压抽吸，使表层结壳处内凹。

克服的思路是减小或者消除冒口的热干扰，办法是：①将冒口向外移动，加大冒口与铸件之间的距离；②在发生缩凹的位置安放冷铁，加快凝固速度，尽早形成较厚的表面凝固层。

有时在内浇口引入处发现此种现象，可能是内浇道少而铸件厚大，铁水引入过分集中所致；冒口窝下面也可能出现，原因是冒口窝过大，热量过多，形成了较大的热干扰。克服的办法：前者则需采用多道内浇口分散引入；后者可适当减小减薄冒口窝。

5 轮类铸件的冒口设置

1）轮缘较厚大的轮类球铁铸件，其结构决定了轮缘容易出现轴线缩松，侧冒口补缩难于完全解决，设置冷铁是必要的。由于凝固时间长，普通砂型冒口（黏土砂、树脂砂）难于凑效，最好采用发热保温的顶冒口。

2）对于结构上带有轮辐（筋辐）的铸件，轮辐与轮缘连接处构成几何热节，若铸件直径不是很大，可在两个热节之间设置冒口，一个冒口补缩两个热节，有利于提高工艺出品率，也符合铸铁件冒口离开热节的原则。即使铸件直径大，受冒口补缩距离的限制，必须在每个热节处单独设置冒口补缩时，冒口也不必放在热节上，冒口应该偏离热节一定距离，既避免了形成较大的接触热节，提高了补缩效果，还可减小冒口尺寸，节约铁水。

3）如果轮毂内部发生缩孔缩松，可在轮毂砂芯上座一冒口，冒口侧面向下引出冒口颈到轮毂端面；若缩孔较深或处于轮毂下部（轮毂高），顶冒口补缩距离有限，可在砂芯内部自带出冒口补缩，方形冒口颈与轮毂的中下部位相连。

轮类铸件的浇注系统，内浇口以多道分散径向引入为好。

6 爬芯浇注和补缩工艺

中间分型平浇的圆筒类（回转体）铸件，浇注系统和冒口一般习惯设在分型面上，也可获得成功，但也常常出现问题。

1）如果铸件直径较大，虽然冒口很高，但有效补缩高度却不高（按最小压力角要求），在两端法兰与铸件交接的圆周热节顶部，容易出现缩孔缩松，钻孔时暴露出来，特别是顶部带有螺栓搭子的情况更易发生。克服的办法是采用爬芯顶注热侧冒口工艺，原来的分型条件不变，改中注为顶注，即将横浇道延长到芯头处，再顺着芯头爬上去，贴着芯头随型引入内浇口。并在芯头上座一热侧冒口（稍带冒口窝），补缩效果好，工艺出品率高。

2）对于一些直径较大的回转型铸件，采用中间分型平浇工艺，内浇口下部区域（靠近铸件底部），铸件内表面粗糙，严重时出现夹杂物被喷丸清理后留下的成片浅坑。原因可分析为铸件直径较大，中间分型引入铁水，相当于高铸件顶注，如果内浇口出流速度较大，射流严重，并不断改变冲击方向，冲击型芯。①有可能冲掉砂粒砂团形成砂眼；②也有可能将铸型表面涂料（树脂砂型）冲掉，随铁水流动，停留在上型芯的下表面处，形成大面积的浅坑；③球铁铁水不平稳流动所导致的二次氧化，形成较多渣滓，也是一个重要因素。

消除的思路是平稳充型，减小射流冲击。此类铸件工艺上无法实现阶梯浇注，可以考虑底注。办法是将水平横浇道延长，顺着芯头向下引入半圆形横浇道，再随型引入内浇口（可设置多道），实现底注。

底注工艺，内浇口以多道、分散、截面尺寸开放为设计原则。

3）类似的情况，在采用立浇顶注工艺浇注一些较高铸件时也有发生（如圆筒形铸件）。在内浇口下部区域，表面粗糙，严重时形成鼠尾、沟槽等与石英砂膨胀有关的缺陷。此种情况经常出现在铸件的外表面（与铸型接触的表面）。消除的思路，应以克服铸型表面受热膨胀产生的缺陷为主导。

7 垂直分型（DISA 线）的浇冒口设置

采用垂直分型（DISA线）造型线生产飞轮、刹车盘等面积较大且结构连续的铸件，一般需要设置冒口补缩。冒口位置设在何处比较合适？建议设在铸件左上方或右上方大约45°处为好。冒口设在顶部，冒口根部容易出问题；设在中间位置，冒口必须高于铸件，冒口的有效补缩高度小，工艺出品率低。

垂直分型的浇注工艺，内浇口引入位置以中注为佳。顶注容易冲砂形成砂眼；底注比较平稳，不易冲砂，但冒口补缩效果较差（冷冒口）。如果因为型砂的原因追求平稳充填而采用底注方式，最好将顶侧部位的冒口与直浇道连起来，使冒口最后能够得到热铁水的充填。但需注意连接的通道应与直浇道形成倒锐角，避免冒口较早进入铁水，导致类似于阶梯浇注的混乱充填。

8 铁模覆砂工艺缩孔缩松的消除

铁模覆砂工艺的模具一旦成型，修改较难。而且设置冒口补缩也相对于砂型比较麻烦。一旦铸件上个别孤立的热节出现缩孔缩松，最好是从化学成分上进行调整。

金属型冷速快，石墨结晶数量多，细小，球铁的石墨更趋于圆整，球化级别高，球径小。因此，碳硅含量可取上限并适当放宽，利用增多的石墨化膨胀体积进行自补缩。由于冷速快，收缩比较集中，浇注系统的后补作用强，型腔充满后直浇道可以提供较好的补缩，即使发生收缩缺陷，体积也比较小，使得调整成分的效果比较明显。

正常生产的情况下，如果突然出现收缩缺陷，首先应该从炉料变更、配料偏差、合金元素加入量等方面进行检查分析，寻找原因和对策。

9 几个与工艺有关的问题

1）球铁小件，冷却速度快，收缩比较集中，外部（冒口或浇注系统）补缩需求量大，工艺出品率一般比较低，不能用牺牲铸件的内部质量来追求高的工艺出品率。例如，结构复杂且分散的球铁小件，如排气歧管、增压器壳体等，可能带有多个孤立小热节，常常需要设置多个小冒口解决，这是正常的。

2）无冒口铸造是一种理想状态，不设冒口是不安全的。结构比较集中的小件，有时未设冒口，其实质是用浇注系统进行补缩，并不是铸件不需要补缩。所以设计浇注系统尺寸时，应兼顾补缩功能。

3）强化孕育，细化晶粒，石墨较早形核析出长大，使补缩流动阻力增大，会导致疏松（晶间微小孔洞），对气密性要求高的铸铁件或者伸长率要求高的球铁件，这是一个矛盾。可提高浇冒口补缩的静压头；也可考虑采用含锶的孕育剂。

4）冒口窝不能省。冒口窝的作用是以所存贮的高温铁水，对薄小的内浇口进行加热保温，延长冒口颈的流动畅通时间。有些厂从冒口窝上引出冒口颈（同处于下箱），是不对的，实际上等于没有冒口窝。冒口窝也不必做成半球，其高度为小于球半径的一半就可以了。

5）有些铸件，设了冒口，清理时发现冒口却未缩下去；去掉冒口，铸件又有问题。说明冒口还是不能取掉的。因为一包铁水，浇注有先有后，浇温有高有低，收缩值是变化的，再加上不同炉次铁水成分、温度的变化，批量生产情况下不设冒口是不安全的。可以不断改进优化冒口尺寸，求得最佳的工艺出品率。

6）关于浇注速度。快浇，铁水在型腔中降温小，温度高，有利于气体、夹杂物的上浮。现在大多采用电炉熔炼，出炉温度超过1500℃，收缩大，主要问题是补缩。对于比较厚大的铸件，建议采用慢浇，充分利用浇注过程中的后补作用，减小收缩量，保证冒口安全，铸件致密健全。

7）按铸件模数或热节模数设计冒口尺寸，仅仅考虑了补缩时间的要求。但在液态收缩和凝固收缩初期，铁水联通，冒口实际上是补缩整个铸件的。这可能是冒口相对于热节已经很大，但仍然补缩不足的原因。所以，采用补缩液量法校核冒口体积是否满足，就显得十分重要。

8）正常生产的树脂砂球铁铸件模具，转到粘土砂湿型生产，往往会出现缩孔缩松。这充分表明粘土砂型的刚度低，容易退让，石墨化膨胀自补缩的利用率低。也就是说，粘土砂型生产球铁件，补缩冒口要比树脂砂型的大。

9）冷肋。在铸铁件顶面设置冷肋（相当于一个较粗的出气棒），先于铸件凝固，固体金属的导热能力远大于铸型，会加快冷肋设置处铸件的冷却速度，作用相当于冷铁。对铸件上表面的局部小热节，可采用冷肋或出气片，平衡此处壁厚，防止出现局部小缩凹、缩孔及缩松，还可以起到溢流排气的作用。

[1]魏兵，袁森，张卫华．铸件均衡凝固技术及其应用[M］.北京：机械工业出版社，1998.