铸件热节和冒口的补缩能力优化策略

1.铸件热节圆及热节圆直径

（1）铸件热节与热节圆直径的概念 铸件上凝固较晚的部位称为热节。在铸造工艺图（或铸件图中）凝固较晚的截面上，画出的内切圆称之为热节圆。内切圆直径即为热节圆直径d₀。热节圆直径表示铸件的冷凝速度。热节圆直径d₀值大，则凝固速度慢；热节圆直径d₀值小，则凝固速度快。热节圆直径d₀是确定冒口尺寸的基本工艺参数。

（2）确定铸件上热节圆直径的方法 有以下三种：

1）作图法。按比例（最好取1∶1比例，包括加工余量、脱模斜度）画出铸件被补缩处的截面，在截面内画内切圆，此内切圆即为热节圆。直接测量出热节圆直径，作为设计冒口尺寸的依据，如图3-12所示。

图3-12 求铸件热节圆直径

2）计算法。图3-12c中的T形截面热节圆直径，也可用公式计算：

3）查表法。见表3-89、表3-90，表中尺寸a、C、R包含零件图尺寸+加工余量和工艺补贴。

表3-89 Τ、Г形结构的热节圆直径（对照图3-12c） （单位：mm）

（续）

表3-90 “十”字形结构的热节圆直径 （单位：mm）

（续）

2.冒口具有补缩能力的基本条件

冒口的补缩能力是有限的，冒口必须具备以下三个条件才具有补缩能力：

1）冒口的容积要足够大，即在冒口内应有足够的金属液补缩铸件。

2）冒口凝固时间晚于铸件凝固时间，即冒口的模数必须大于铸件被补缩部分的模数。

3）冒口与被补缩的铸件之间应有补缩通道，并要保持畅通。

3.冒口的有效补缩距离

冒口的补缩距离是有限的，超过这个限度，冒口再大也起不到补缩作用。因此，要想利用冒口补缩获得致密铸件，必须根据冒口的有效补缩距离范围合理确定冒口的位置和数量。

（1）有效补缩距离的概念

1）冒口水平方向的补缩距离。冒口水平方向的补缩距离如图3-13a所示。水平方向补缩距离是确定冒口位置和数量的基本依据。冒口水平补缩距离是有限的。为增加冒口水平补缩距离，工艺上常设置水平补贴。

图3-13a左边所示：只有靠近铸件边缘的末端区和靠近冒口的冒口区相连接，才能获得致密的无缩松的合格铸件。否则，如图3-13a右边所示的那样，将在铸件末端区和冒口区之间产生缩松区。故将“冒口区与末端区之和”称之为冒口有效补缩距离（简称冒口补缩距离）。超出这个距离，铸件中间将产生轴线缩松。

2）冒口垂直方向的补缩距离。冒口垂直方向的补缩距离如图3-13b所示。冒口垂直方向的补缩距离是确定冒口补贴的基本依据。

如图3-13b所示，冒口垂直方向的补缩距离也是有限的。冒口垂直补缩距离≥铸件高度，铸件不会出现轴线缩松；冒口垂直补缩距离<铸件高度，在铸件中间一段仍会有轴线缩松。冒口垂直补缩距离与铸件壁厚和冷却条件有关。被补缩铸件越厚、冷却条件越好，则冒口垂直补缩距离越大。

图3-13 冒口补缩距离

a）冒口水平方向补缩距离 b）冒口垂直方向补缩距离

冒口垂直方向补缩距离是有限的，为增加冒口的垂直补缩距离，可增设垂直补贴，补贴高度=壁高-末端区。例如对致密度要求高的铸件常设补贴，造成向冒口方向的定向凝固，以增大冒口在垂直方向的补缩距离，来消除铸件的轴线缩松。

（2）补缩距离的表示方法 有两种：

1）用热节圆直径D₀（或d₀）的倍数，表示冒口的补缩距离。

2）用延续度（也称冒口的相对长度）表示冒口水平方向的补缩距离。冒口延续度等于冒口根部尺寸之和与铸件同方向长度之比的百分比。只要在此数值范围内，就能保证铸件不产生缩孔和缩松。对于立浇的板状铸钢件和轮形铸钢件，延续度大小随板厚和轮缘厚度而定，延续度一般取30%～45%，如图3-14所示。

图3-14 冒口延续度的示意图

a）长形件，延续度 b）轮形件，延续度

铸件及各种齿轮件的冒口延续度参考表3-91。

表3-91 铸件及各种轮形件的冒口延续度

（3）碳钢[w（C）=0.2%～0.30%]铸件的水平补缩距离

1）板状（截面宽∶厚≥5∶1）铸钢件的水平补缩距离见表3-92。

表3-92 板状铸钢件的水平补缩距离

（续）

2）杆状（截面宽∶厚＜5∶1）铸钢件的水平补缩距离见表3-93。

表3-93 杆状铸钢件的水平补缩距离

3）冒口补缩距离与铸件壁厚的关系见图3-15。

图3-15 冒口补缩距离与铸件壁厚的关系

a）冒口区长度与铸件壁厚的关系b）末端区长度与铸件壁厚的关系（图中5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1是铸件截面宽厚比）

4.冒口的补缩通道

铸件凝固时，畅通的补缩通道是冒口具有补缩能力的三条件之一。

（1）垂直补缩通道 垂直补缩通道如图3-16c所示。

图3-16 铸钢齿轮轮缘冒口、补缩通道、缩孔

a）冒口位置 b）有缩孔 c）无缩孔

1—轮缘 2—辐板 3—冒口 4—缩孔 5—液相线等温面 6—固相线等温面

图3-16a所示为铸钢齿轮铸件，冒口设置在轮缘上，轮缘和轮辐交接处的热节圆直径T大于轮缘厚度，因而轮缘先凝固、热节后凝固，堵塞了金属液的补缩通道，在凝固结束后，热节处的中心部位出现缩孔（图3-16b）。

图3-16c在轮缘上部加补贴使其增厚，造成上下温差，凝固区域由下向上逐渐推移，而且凝固是从壁的两侧同时进行，在液相线等温面（图中序号5）之间形成一夹角φ（补缩通道扩张角）。在补缩通道扩张角φ的夹角范围内的金属都处于液态，它始终和冒口及凝固区域相通，形成补缩通道。只要此补缩通道畅通，冒口中的金属液就能经此通道补充给铸件。

补缩通道的长度与铸件的结构、冷却条件、合金成分及凝固特征有关。

（2）水平补缩通道 水平补缩通道如图3-17所示。图中所示为在一端设置冒口的均匀壁厚铸件。在由液相线等温面形成的补缩通道扩张角φ₂的夹角范围内的金属都处于液态，始终和冒口及凝固区域相通，形成补缩通道。

图3-17 均匀壁厚铸件冒口水平补缩通道

a）、b）等液相线和等固相线移动情况 c）中间凝固区放大 d）凝固结束后的三个区域（中间区产生轴线缩松）

（φ₁末端区扩张角，φ₂、φ₃冒口区扩张角，φ₄=0中间区扩张角）

5.冒口补贴

板状铸件和壁厚均匀的薄壁铸件，单纯设置冒口，由于凝固时没有向着冒口的补缩通道扩张角（畅通的补缩通道），铸件得不到补缩，仍出现缩松缺陷。如果在靠近冒口区的一端向着冒口逐渐增加铸件壁厚，形成一个向着冒口的补缩通道扩张角，就能显著增加冒口的有效补缩距离。称这种人为的、在靠近冒口的铸件壁上逐渐增加的厚度为冒口补贴（简称补贴）。冒口补贴是增加冒口补缩距离的有效工艺措施。

（1）水平补贴（又称凸肩补贴） 水平补贴增设在冒口侧面，以增加冒口水平补缩距离。冒口区则从水平补贴的末端开始计算（图3-18b）。水平补贴尺寸的计算方法见图3-18c。

图3-18 冒口水平补贴尺寸

a）无补贴 b）有水平补贴 c）水平补贴尺寸计算(www.xing528.com)

水平补贴的模数计算公式为

式中 M_Ⅰ—Ⅰ——补贴模数；

M_N——冒口颈模数。

（2）垂直补贴 对致密度要求高的铸件，当冒口在垂直方向补缩距离达不到时，应在冒口下设置补贴造成向冒口方向的顺序凝固，以增加冒口的补缩距离。

1）板状件的补贴。如图3-19所示为厚度≤100mm的碳钢板状铸件立浇、顶注时的补贴厚度与铸件壁厚和高度的关系曲线。

由图3-19可知：

①可以查得冒口在垂直方向的补缩距离。假设补贴厚度为零（即不加补贴），从横坐标上可直接读出冒口的垂直补缩距离：当厚度δ=25mm时，对应壁的高度为60mm；δ=100mm时，壁的高度为270mm，在这个高度范围内，铸件不需要加补贴，只要有足够大的冒口，就可获得致密的、无轴线缩松的铸件。

②补贴的高度与铸件被补缩部分的厚度有关，铸件的下部是致密区（冒口区+末端区），壁越厚，则致密区范围越大。补贴高度按下式确定：补贴高度=壁高-末端区

图3-19 补贴厚度与铸件壁厚和高度的关系曲线

2）杆形铸件的补贴厚度。先按杆形件的壁厚从图3-19查得补贴厚度a，再根据杆的宽厚比，从表3-94查得补偿系数，两者的乘积，即为杆形铸件补贴的总厚度。

表3-94 杆形铸件补贴厚度的补偿系数

例如，杆形铸件的横截面的宽∶厚=3∶1，厚度为30mm，高度为300mm，由图3-19查得补贴厚度为55mm。再从表3-94查得补偿系数为1.25，则该杆形铸件补贴的总厚度为55mm×1.25=69mm。

3）铸钢件垂直补贴值的计算方法见表3-95。

表3-95 补贴尺寸的确定

（续）

5.冒口的补缩效率

（1）补缩效率的概念及其作用 冒口中缩孔体积（V_缩）与冒口本身体积（V_冒）之比，称为冒口的补缩效率η。其作用是在冒口设计中，利用冒口的补缩效率检验所设计冒口的大小和数量是否合理。

（2）冒口补缩效率计算式 冒口补缩效率计算式为

冒口中缩孔那部分钢液，除了补充冒口自身凝固收缩外，主要是用于补充铸件收缩的需要。这样，式（3-5）可以演变成如下形式：

推导得

若将体积换算成重量，则式（3-5）可演变成下式：

式中 V_冒——冒口的体积（dm³）；

V_缩——冒口中缩孔的体积（dm³）；

V_件——被冒口补缩的铸件最大体积（dm³）；

G_件——被冒口补缩的铸件最大重量（kg）；

G_冒——冒口的重量（kg）；

ε——钢的体收缩率（%），一般取ε=4.2%～7.0%，生产中常把各种钢的体收缩率ε列表供查，见表3-96。

η——冒口补缩效率（%），一般由试验得出。铸件无缩孔的不同类型冒口的

补缩效率η不同，见表3-97。

表3-96 常用钢种的体收缩率ε

表3-97 冒口补缩效率

将表3-97中的η值，代入式（3-6）和式（3-7）中，则得出各类冒口能补缩最大铸件的体积和最大重量公式：

圆柱形和腰圆形冒口：

暗顶冒口：

球形冒口：

其余依此类推。

（3）补缩效率的计算案例 有一大型环形铸钢件，材质ZG270-500（ZG35），毛重5100kg，设计为明冒口，冒口尺寸为φ450×600mm，每个冒口重量896kg，共三个冒口。验算冒口数目。

已知：铸钢件毛重=5100kg。冒口重量G_冒=896kg。查表3-96，得ZG270-500（ZG35）钢凝固收缩率ε=4.7%。

查表3-97，得明冒口的补缩效率η=14%。

代入式（3-7）中，则一个冒口最大能补缩的铸件重量为

即一个冒口最大能的补缩铸件重量是1780kg。

铸件毛重5100kg，需要冒口数目n为

即，验算结果表明：所设计冒口数目3个是合适的。

6.工艺出品率

在冒口尺寸确定后，计算工艺出品率。用工艺出品率判断所设计冒口是否有足够的金属液补缩铸件。

（1）计算公式

浇注系统重量占铸件重量的3%～6%。铸件重量为500～600kg时取6%左右，铸件重量≥25t时取3%。验算时，浇注系统也可不计入。

（2）工艺出品率的经验数据 工艺出品率是长期生产实践的成功经验总结，具有一定的实用价值。

1）齿轮类铸钢件的工艺出品率见表3-98。

表3-98 齿轮类铸钢件的工艺出品率

2）碳钢、低合金钢铸件的工艺出品率见表3-99。

表3-99 碳钢、低合金钢铸件的工艺出品率

（续）

注：1.机械加工量大小，按50%为界限。

2.没有考虑用冷铁。

（3）判据 如果计算出的工艺出品率小于表3-98、表3-99中的数值，则说明冒口偏大了，虽能满足铸件补缩要求，但增加铸件成本；如大于表3-98、表3-99中的数值，则说明冒口偏小了，铸件会产生缩孔、缩松。应据此调整冒口的尺寸和数量，使其工艺出品率在要求范围之内。对于质量要求高的铸件，工艺出品率可低一些。