浅谈铸造激冷系统的设计及冷铁标准化（续）

纪汉成

（科华控股股份有限公司，江苏常州 213354）

（续上期）

4 合理激冷系统的设计及工艺预防措施

合理的激冷系统设计不仅要遵循冷铁设计的各种原则，避免冷铁的各种设计管理误区，优化激冷系统设计，合理布局，使激冷效果达到最佳化，还要注重与浇注系统设计、冒口补缩系统设计、排气系统设计的有机配合，注重冷铁的激冷能力模拟分析及冷铁的失效质量问题、重复使用次数问题，还有冷铁的排列组合、准确定位、预热、排气等问题。

善于并灵活运用冷铁，发挥冷铁对冒口补缩的最大增益作用，保证铸件质量，降低铸件成本，减少冷铁和冒口，提高工艺出品率，获得更大的经济效益。

外激冷系统的设计主要包括外冷铁、激冷砂、激冷涂料、强制冷却、散热片等激冷方式。

4.1 外冷铁在铸造生产的应用

外冷铁应用在铸件的表侧面，可分为直接外冷铁（明冷铁）和间接外冷铁（暗冷铁或隔砂挂砂冷铁）两大类。外冷铁应用在多种铸件材质及多种铸造方式上，如铸铁件、铸钢件及非铁合金件，潮模砂砂型铸造、树脂砂铸造、壳型铸造、熔模铸造、消失模铸造与V法铸造、反重力铸造等。

（1）如图1所示，潮模砂流水线造型球铁电梯转子（QT500）轴孔芯由树脂砂芯改为球铁铁芯，有效防止铸件轴孔加工后缩孔缩松及夹渣、渗硫缺陷，取得了很好的技术、经济效益[3]。

图1 球铁电梯转子轴孔铁芯

图2 转向机缸体搭子冷铁

（2）如图2示，树脂砂造型转向机缸体（QT500）采用发热冒口补缩改为冷铁激冷，解决了搭子内部的缩松缺陷[4]。

使用本体发热冒口时，在冒口与铸件本体连接的部位，因热量集中，凝固晚，导致铸件硬度偏低、石墨形态差等质量问题，故此以前使用本体发热冒口消除内部的缩松缺陷，后来改用冷铁同样达到了相同的效果，质量更加稳定，从而达到了使用冷铁减小冒口，提高工艺出品率的目的。

（3）如图3所示，壳型铸造耐热钢（1.4837）涡轮壳流道搭子采用端面冷铁激冷，加工搭子轴孔出现严重的缩松缺陷。后改进采用对开式、成型面式冷铁工艺，解决了搭子轴孔加工缩松问题[5]。但冷铁还不能彻底解决铸件的缩松问题，只能减小缩松缺陷，不能起到补缩作用。

图3 壳型铸造涡轮壳搭子成型面式冷铁

解决缩孔缩松缺陷的原理是使热节部位快速冷却。一般冷铁只能将缺陷移位，即将缺陷移到非关键部位，而不能将缺陷消除，除非有足够的补缩通道，实现顺序凝固，才能将缺陷移到最后凝固的冒口中。此对开式成型面式冷铁和铸件搭子的大部分接触，使搭子大部分处于冷铁的包覆状态，铸件激冷效果大幅提升，加快了搭子的冷却速度，搭子经解剖及PT检测，搭子疏松缺陷成细小的＜ø0.5mm中心轴线,经机械加工后疏松缺陷得到彻底消除。

（4）采用“铸造冷铁”新工艺解决熔模精密铸造难题

由于精密铸造中薄壁复杂铸件（铸钢件）存在较大热节，难以补缩成型，易产生缩孔、缩松缺陷。采用“铸造冷铁”新工艺解决了精铸中的热节补缩技术难题，防止铸件产生缩孔、缩松缺陷，降低了成本，提高了产品质量，是一种简单、经济、适用的铸造新工艺方法[6]。

基于此，需要找到一种适合的冷铁，使其既能在高温焙烧时不产生氧化皮，又能在浇铸后容易加工。为了有效防止冷铁在1100℃左右的高温和长时间焙烧环境下被氧化，并将钢液与冷铁隔离开，防止冷铁与金属液直接接触，避免冷铁在起冷却防缩松作用的同时又产生其它的副作用，需要一种“铸造冷铁”专用耐热涂料，将冷铁保护起来，防止冷铁氧化。该工艺技术的关键是在熔模精密铸造铸件热节处安放“铸造冷铁”，并保证冷铁在高温焙烧环境下不被氧化，在浇注时不与金属液接触。

采用低碳钢“铸造冷铁”有很强的激冷特征，可使热节处金属液快速凝固。在激冷、重力的共同作用下，金属液的流动性增强，充型速度加快，保证了铸件热节处凝固结晶的形核率，使铸件内部组织细化，可以生产普通熔模精密铸造不能或难以生产的大型、薄壁、复杂的铸件。

该工艺技术保留了传统熔模精密铸造的基本工艺及特点，在熔模铸造件的热节处设置冷铁使充入型壳的金属液在激冷状态下结晶凝固，大大简化了传统熔模铸造的浇注系统，提高了工艺出品率和铸件合格率。该工艺应用于中大型薄壁复杂且存在热节铸件，熔模精密铸造成形效果很好，在高强度铸造铝合金、铜合金、合金钢、碳钢等相关零件的精密成形中都可得到广泛应用。

（5）应用挂砂冷铁生产M2210磨床桥板铸件（HT250）

实践证明，应用挂砂冷铁可提高导轨的硬度，不产生碳化铁而影响加工，同时减少了导轨疏松的倾向，既能起到外冷铁的激冷作用，又避免了外冷铁易造成白口、气孔、粘连及使用寿命短等缺点[7]（如图4所示）。

图4 挂砂冷铁及其制作

挂砂冷铁具有冷铁的作用，又消除了普通冷铁的负面影响。在壁厚较大的机床铸件的生产中应用挂砂冷铁，经济、实惠、可行。考虑到导轨面的组织及硬度要求，挂砂层厚度选8～10mm。采用树脂砂固化、覆膜砂加热固化挂砂造型制作冷铁。

4.2 石墨冷铁在铸造生产的应用

石墨冷铁具有密度小、导热性能高、蓄热能力强、耐火度高、铸件不易产生气孔、造型制芯操作方便、可多次使用等优势，且石墨冷铁的使用效果优于铸铁冷铁，因而得到了快速发展，越来越多的铸造企业正在推广以石墨作为激冷材料的铸造新工艺。但石墨冷铁也有自身的使用缺点：循环使用次数少，随形石墨冷铁制作难度大，使用成本较高。

目前市场所用的石墨冷铁以挤压石墨为原料，通过铣床、车床等机床加工成所要求规格的石墨冷铁，这种加工方式的优点是石墨冷铁表面光滑平整，有益于铸件热量的均匀导出，缺点是原料价格高，加工效率低，使得石墨冷铁，特别是随形石墨冷铁的成本过高。因此采用以价格较低的石墨粉为原料，通过3D打印技术打印成型石墨冷铁，是石墨冷铁发展的一个方向。

（1）石墨内冷铁在机体毛坯生产中的应用

604直列六缸机体毛坯特别是曲轴箱每档之间的主滑油孔处,热节较大且无法补缩,造成了铸件主滑油孔处很容易产生缩孔、缩松缺陷[8]。原在主滑油孔处应用铸铁成形内孔冷铁，内冷铁与金属液不能很好的融合，且容易生锈，铸件易出现气孔缺陷及加工困难等问题。采用石墨内孔冷铁，彻底消除主滑油孔处缩孔缩松及气孔缺陷，且加工性能良好。故此，消除铸件内相对孤立热节较大，同时又无法用冒口等工艺措施进行补缩时,可优用石墨内冷铁。但为降低石墨冷铁自身的发气量,应选焦油含量较低的石墨材料制作。

（2）石墨冷铁在大断面大型铸铁件上的应用

由于大断面大型铸件，冷却缓慢，铸件易产生硬度不均，加工色差及石墨形态异常等缺陷，为此，通过石墨冷铁的巧妙应用，灵活的置于铸件需用激冷的各个面上，解决了大断面球铁件易产生缩孔、缩松及表面硬度低的问题，保证了铸件加工面硬度的均匀一致，消除了加工面加工后的色差，实现了无冒口铸造，大大提高了大断面铸铁件的工艺出品率[9]。

石墨冷铁使用得当，寿命可达25次以上，其成本不比金属冷铁（使用10次）高，但必须回收好、管理好。当石墨块的厚度与铸件壁厚相当或是铸件模数的2倍左右时能起到最大的激冷效果。石墨块在实际选用时应综合考虑各种情况的影响，以选用合适的厚度。

4.3 激冷砂在铸造生产中的开发和应用

激冷砂包括铬铁矿砂、碳化硅砂、石墨砂、锆英石砂等，一般应用在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的热节处与内腔处，包括砂型、砂芯。在热节部位使用激冷砂的造型、制芯材料，激冷作用较铸件冷铁缓和，操作使用成型方便，加快了热节部位的冷却速度，转移或者消除了铸件缩松缺陷，防止铸件粘砂及金相组织异常缺陷。

在实际生产中，铬铁矿砂、碳化硅砂用得较多，可将铬铁矿砂或者碳化硅混制成型砂或者芯砂（呋喃树脂砂、派普树脂砂等），在热节部位使用。如图5所示，使用铬铁矿砂制芯，防止了转向机缸盖中心孔部位、曲轴连杆颈部位等铸件产生缩松缺陷。使用铬铁矿砂制芯,防止大断面铸件细长铸孔严重粘砂缺陷[3]。另，激冷覆膜砂（铬铁矿砂）对解决铸件的渗漏性缺陷及流道芯中热节处缩松缺陷有独特的优势。故此，在铸造领域中，激冷砂对推动造型材料的发展将产生积极影响。

图5 转向机缸盖及其铬铁矿砂芯

4.4 激冷涂料在铸造生产中的开发和应用

激冷涂料是采用化学焓变涂料如碲粉激冷涂料或锆英石粉、铬铁矿砂粉激冷涂料涂刷在铸件热节处激冷，使用在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的内腔热节处及搭子处。

如图所示，采用碲基涂料代替冷铁，操作简单易行，有效防止压缩机缸体（HT250）螺孔脐子缩松、渗漏缺陷，大大降低了废品率[10]。采用激冷型特种铸型涂料（锆英砂+铬铁矿砂）能细化铸件基体组织,保证铸件性能要求,防止铸件裂纹缺陷，并易实现柔性生产，收到了良好的技术效果。

4.5 强制冷却在大型铸件生产中的应用

强制冷却系统是向铸件的内部区域通入冷却介质（压缩空气、循环冷却水、雾化水、冰块、液态氮等）加速铸件的凝固与冷却，改善铸件的组织结构和机械性能，加快生产周期的工艺措施，适应于大型厚壁铸钢件、球墨铸铁件等。如图6所示，在大型厚大断面球铁花盘生产中，采用的强制冷却铸造工艺[11]，即在主砂芯内增设通风管,在铸件凝固和冷却降温期间,用压缩空气带走砂芯内的热量,以使铸件内部能均匀冷却,避免粘砂和收缩缺陷的产生。

图6 厚大断面球铁花盘强制冷却工艺

强制冷却技术是对大型厚壁铸件进行凝固控制和改善芯砂工作条件的重要手段。但其使用需要特别注意：冷却介质的开通时机很重要，否则会引起其他严重的问题，因为这类冷却介质在管壁上容易凝露，形成铸件的气孔缺陷。也可暂时归为“冷铁”的一种。

将拌好的育苗床土装入盘或育苗钵中，新装的盘压在已经装好的盘上，一层层地压，下边压实的再拿到上边压新装土的盘，使育苗床土填实，再利用刮板从穴盘一方刮向另一方，使每个空穴都能平整的装满育苗土。

4.6 散热片或冷却筋冷却工艺

冷筋的作用原理与冷铁相似，但可以免除冷铁制造引起成本增加的缺点。在易产生缺陷的热节部位附近模具上设置直径5～8mm 的细棒，或厚2～5mm 的散热薄片，浇注后，细圆棒或者薄片快速凝固，快速散热，带动该热节部位凝固速度加快，相当于在该位置放置了一块冷铁，将缩松移位或者消除。如图7所示，使用冷筋或者散热薄片工艺[3]。

4.7 采用多种激冷方式、激冷材料相结合，可收到良好的效果

根据铸件的结构特点、材质要求及技术质量要求、铸造工艺方式，合理选用内外激冷系统方式，将金属冷铁、石墨冷铁、激冷砂、激冷涂料等有机的结合，发挥各种激冷方式、激冷材料的优势，防止铸件产生缩孔缩松、粘砂、裂纹及组织异常铸造缺陷。

4.8 冷铁的准确定位非常关键

图7 采用冷筋消除排气管缩松

造型制芯时，冷铁的准确定位非常重要，直接影响到冷铁的激冷效果、铸件尺寸精度及后续清理工作量。如果冷铁固定不稳，造型制芯时易跑偏、移位甚至掉落。制芯时，在热芯盒模具上安装钕铁硼磁铁固定冷铁[12]，耐高温（240℃）使用效果好，结构简单,定位可靠,防止冷铁移动、滑落，适合于大批量生产。

在树脂砂流水线造型过程中，使用外冷铁存在捂置困难容易移位问题，加上硬化起模，移位的冷铁修复难度大，给厚薄不均匀的铸件尤其是大型铸件的浇注带来许多困扰。为此在模样上加装适合的过盈配合强力磁铁[13]，冷铁固定不移位，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率，提高了铸件表面质量和尺寸精度。

4.9 铸铁件冷铁冒口的研究和应用

冷铁冒口是根据铸件均衡凝固理论与有限补缩原则，结合无冒口铸造的理论设计的新型冒口，其特点体现在压边冒口颈处安放冷铁，利用冷铁吸热消除冒口和铸件形成的接触热节，并充分利用铁液的凝固膨胀获得质量较好的铸件[14]。

冷铁冒口工艺是无冒口铸造理论同均衡凝固理论的有机结合。采用压边冒口的形式，在压边缝隙处安放大小和形状合适的冷铁，用冷铁来平衡冒口根部集中的热量，消除人为热节，自适应地调节冒口对铸件以及铸件自身的补缩能力。同时，冷铁又可以加快压边冒口缝隙处的凝固速度，从而使压边宽度增加，这使液态补缩更加充分有效，达到均衡时，在冷铁的作用下冒口缝隙迅速凝固封闭，利用其自身的膨胀压力获得健全的铸件。

冷铁冒口的应用条件如下：

（2）普通粘土砂干型和其他自硬砂型。冷铁冒口应用于厚大球墨铸铁件、蠕墨铸铁件和灰铸铁件，彻底解决了铸件内部的缩孔和缩松问题；放宽了对冶金质量的要求，适应性强；放宽了压边宽度值，降低了冒口对压边宽度的敏感性；提高了铸件的工艺出品率，取得了很好的技术经济效益。

4.10 冷铁分割包围配合冒口补缩工艺

使用适当的补缩冒口被认为是防止缩孔缺陷的安全且健全的对策，但对于形状复杂的铸件，仅使用冒口还不能完全消除缺陷，并且从经济角度出发如果工艺出品率降低，生产成本会大幅上升。由于球墨铸铁凝固特性的关系，对冒口补缩效果的期待值又不能过高。这时，如果采用半补缩冒口的形式，有时会更加引起缩孔的发生。在这种情况下，生产球铁件时，为了防止缩孔的发生，多使用冷铁来代替冒口，或者采用冷铁分割冒口，防止补缩冒口间相互作用相互影响。

如图8所示，蜂巢板，材质QT500，在面积为1220×846mm的一块平板上分布着4525个通孔，通孔内不允许有任何缺陷。采用冷铁分割包围避免冒口相互影响、配合冒口补缩的工艺成功攻克了这一难题，铸件质量完全满足客户要求[15]。

5 冷铁的标准化设计、管理及失效原因分析

图8 蜂巢板冷铁分割包围工艺

5.1 冷铁的失效原因分析及防止措施

如图9所示，灰铸铁材质的冷铁经过多次使用，表层氧化严重，石墨发生氧化和基体织构发生改变，激冷能力下降，而激冷能力的下降是导致冷铁失效的根本原因[16]。故此应规定限制冷铁的使用次数，防止冷铁粘接、气孔缺陷。一般小型铸件用冷铁复用次数限定在10次以内，大型铸件用冷铁限定在5～8次（冷铁表面氧化失效后可机械加工1～2mm后重新使用），石墨冷铁可使用20～30次。

多品种铸钢件用外冷铁，经过钢液浇注后，铸件表面容易粘冷铁，轻则导致表面粗糙，重则冷铁与铸件熔为一体，大大增加铸件清理工作量，生产效率低下。冷铁激冷能力与铸钢件粘冷铁有密切的联系，工艺设计校核冷铁重量，选择适当规格的冷铁及耐高温涂料可以有效地防止铸钢件粘冷铁；循环使用的冷铁在使用过2～3次后，表面生成0.5～1mm厚的氧化层，降低了冷铁的激冷能力。故此在重复使用之前，应将使用面加工去除1mm的氧化层，可在一定程度上恢复冷铁的激冷能力，防止铸件粘冷铁[17]。

5.2 冷铁的标准化设计、管理

随着产品质量的不断提高和发展，激冷系统的设计技术在铸造工艺设计中的地位显得越来越重要，外冷铁使用也越来越广泛。针对铸件产量大、产品形状复杂、产品种类较多的厂家，由于大量使用外冷铁，在冷铁的存放、管理、设计制作、复用性等方面都存在着许多的问题。冷铁的工艺质量直接影响铸件质量，各类小批量生产所使用的冷铁，如果没有标准化，代用在其它铸件上就十分困难，许多冷铁只能一次性使用，造成冷铁制作工作量大，消耗较多的能源和工时，造成了比较大浪费。

设计标准化冷铁的突出优点在于它的复用性方面，专用冷铁不但不可以代替新铸件的冷铁，更不能代替标准冷铁，当它用于其它铸件时，或是大了，或是小了，或是形状不一致，如果凑合着用，这就影响了铸件工艺设计的合理性，影响了铸件质量的可靠性。标准冷铁的另一优点在于它的管理和制作方面，每次回收后的标准冷铁按统一的编号分类堆放，使用起来极为方便。冷铁重复使用多次以后，有的锈蚀严重，有的激冷作用衰退，有的在生产过程中流失，只要按编号选择原有模型补做新冷铁即可，就不必重新设计冷铁和制作冷铁模型。

因此，各厂应根据自己的生产实际情况，制定合理的冷铁标准管理程序或按行业归类统一冷铁标准是有必要的。同时也不排除对少数产品搞一些专用冷铁，既照顾一般，又兼顾特殊，这是铸铁工艺标准化、正规化的一项重要基础工作。

（1）标准冷铁的管理：冷铁生产要与铸件一样的标准执行；冷铁质量与铸件质量一样重要；冷铁要进行编号管理，不能混用；如图10、11所示，冷铁的管理体现一个铸造企业的管理水平，窥一斑而见全豹。在使用冷铁前要进行一系列的检查，包括检查表面质量、尺寸和放置的位置。铁质冷铁引起的问题可以通过改用石墨或碳化硅冷铁来避免。

（2）标准冷铁的制定：对所使用的冷铁进行分类，并统计分析设置冷铁部位的各类铸件情况，对大部分冷铁进行标准化处理，对少部分形状比较特殊的固定产品，仍然使用专用冷铁，两方面结合起来，可使冷铁工艺达到了比较满意的效果。

图9 新冷铁与回用冷铁的金相组织对比

图10 树脂砂大型铸件冷铁标准现场管理

图11 壳型铸造小型铸件冷铁标准现场管理

6 结论

（1）冷铁能解决缩松但不能根除缩松，冷铁其实是将铸件该处的模数减小，进而缩松减轻了；冷铁不会补偿收缩，只会将缩松转移到其它位置；冷铁不会减少铁水收缩量，但通过移位，可以将收缩逼近或逼到冒口的作用范围内。

（2）通过计算机对冷铁的激冷能力进行校核计算，通过MAGMA模拟分析冷铁的激冷效果，对冷铁的正确设计起了很好的指导作用，加强了冷铁的激冷效果，保证了铸件质量。正确地引入每种冷铁的实际作用效果，对计算机模拟的准确性起到关键作用。

（3）合理的激冷系统设计不仅要遵循冷铁设计的各种原则，避免冷铁的各种设计管理误区，优化激冷系统设计，合理布局，使激冷效果达到最佳化，还要注重与浇注系统设计、冒口补缩系统设计、排气系统设计的有机配合，注重冷铁的激冷能力模拟分析及冷铁的失效质量问题、重复使用次数问题，还有冷铁的排列组合、准确定位、预热、排气等问题。外激冷系统的设计主要包括外冷铁、激冷砂、激冷涂料、强制冷却、散热片等激冷方式。

（4）采用多种激冷方式、激冷材料相结合，可收到良好的效果。根据铸件的结构特点、材质要求及技术质量要求、铸造工艺方式，合理选用内外激冷系统方式，将金属冷铁、石墨冷铁、激冷砂、激冷涂料等有机的组合，发挥各种激冷方式、激冷材料的优势，防止铸件产生缩孔缩松、粘砂、裂纹及组织异常等铸造缺陷。

（5）冷铁的激冷效果还有一个临界值，无论冷铁厚度多少，冷铁的最大效用只能到铸件壁厚的一半；冷铁对冒口的增益作用也存在着一个临界值。故此合理的设计冷铁数量，减轻造型制芯及清理工作量，加强浇冒口系统与冷铁的配合，确定合理的工艺出品率。

（6）外冷铁材质的选择，其蓄热能力和导热性能要高于同时配套使用的造型材料，冷铁材质的熔点必须不低于铸件的熔点，避免冷铁熔接。

（7）造型制芯时，冷铁的准确定位非常关键，直接影响到冷铁的激冷效果、铸件尺寸精度及后续清理工作量。

一般在芯盒或模样上加装适合的过盈配合强力磁铁，保证冷铁固定不移位，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率，提高了铸件表面质量和尺寸精度。

（8）石墨冷铁具有密度小，导热性能高，蓄热能力强，耐火度高，铸件不易产生气孔，造型制芯操作方便，可多次使用等优势，且石墨冷铁的使用效果优于铸铁冷铁，因而得到了快速发展，越来越多的铸造企业正在推广以石墨作为激冷材料的铸造新工艺。

（9）在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的内腔热节处，使用激冷砂的造型、制芯材料及激冷涂料，激冷作用较铸件冷铁缓和，操作使用成型方便，加快了热节部位的冷却速度，转移或者消除了铸件缩松、渗漏缺陷，防止铸件粘砂、裂纹及金相组织等异常缺陷，并易实现柔性生产，收到了良好的技术效果。

（10）冷铁经过多次使用，表层氧化严重，石墨发生氧化和基体织构发生改变，激冷能力下降，而激冷能力的下降是导致冷铁失效的根本原因。故此应规定限制冷铁的使用次数，防止冷铁粘接、气孔缺陷。一般小型铸件用冷铁复用次数限定在10次以内，大型铸件用冷铁限定在5～8次，石墨冷铁可使用20～30次。

（11）标准冷铁的制定：对所使用的冷铁进行分类，并统计分析设置冷铁部位的各类铸件情况,，对大部份冷铁进行标准化处理，对少部分形状比较特殊的固定产品，仍然使用专用冷铁，两方面结合起来，可使冷铁工艺达到了比较满意的效果。

（12）标准冷铁的管理：冷铁生产要与铸件一样的标准执行；冷铁质量与铸件质量一样重要；冷铁要进行编号管理，不能混用；冷铁的管理体现一个铸造企业的管理水平，窥一斑而见全豹。在使用冷铁前要进行一系列的检查和管理措施，包括检查表面质量、尺寸和放置的位置。