铸钢件冒口的设计规范

铸钢件冒口的设计规范 钢水从液态冷却到常温的过程中，体积发生收缩。在液态和凝固状态下，钢水的体积收缩可导致铸件产生缩孔、缩松。冒口的作用就是补缩铸件，消除缩孔、缩松缺陷。另外，冒口还具有出气和集渣的作用。 1、冒口设计的原则和位置 1.1 冒口设计的原则 1.1.1、冒口的凝固时间要大于或等于铸件（或铸件被补缩部分）的凝固时间。 1.1.2、冒口所提供的补缩液量应大于铸件（或铸件被补缩部分）的液态收缩、凝固收缩和型腔扩大量之和。 1.1.3、冒口和铸件需要补缩部分在整个补缩的过程中应存在通道。 1.1.4、冒口体内要有足够的补缩压力，使补缩金属液能够定向流动到补缩对象区域，以克服流动阻力，保证铸件在凝固的过程中一直处于正压状态，既补缩过程终止时，冒口中还有一定的残余金属液高度。 1.1.5、在放置冒口时，尽量不要增大铸件的接触热节。 1.2、冒口位置的设置 1.2.1、冒口一般应设置在铸件的最厚、最高部位。 1.2.2、冒口不可设置在阻碍收缩以及铸造应力集中的地方。 1.2.3、要尽量把冒口设置在铸件的加工面或容易清除的部位。 1.2.4、对于厚大件一般采用大冒口集中补缩，对于薄壁件一般采用小冒口分散补缩。 1.2.5、应根据铸件的技术要求、结构和使用情况，合理的设置冒口。 1.2.6、对于清理冒口困难的钢种，如高锰钢、耐热钢铸件的冒口，要少放或不放，非放不可的，也尽量采用易割冒口或缩脖型冒口。 2、设置冒口的步骤与方法 冒口的大小、位置及数量对于铸钢件的质量至关重要。对于大型铸钢件来说，必须把握技术标准及使用情况，充分了解设计意图，分清主次部位，集中解决关键部位的补缩。以模数法为例，冒口设计的步骤如下： 2.1、对于大、中型铸钢件，分型面确定之后，首先要根据铸件的结构划分补缩范围，并计算铸件的模数（或铸件被补缩部分的模数）M铸。 2.2、根据铸件（或铸件被补缩部分）的模数M铸，确定冒口模数M冒。 2.3、计算铸件的体收缩ε 。 2.4、确定冒口的具体形状和尺寸。 2.5、根据冒口的补缩距离，校核冒口的数量。 2.6、根据铸件结构，为了提高补缩距离，减少冒口的数量，或者使冒口的补缩通道畅通，综合设置内外冷铁及冒口增肉。 2.7、校核冒口的补缩能力，要求ε （V 冒+V 件）≤V 冒η 。 3、设计冒口尺寸的方法 3.1、模数法 在铸件的材料、铸型的性质和浇注条件确定之后，铸件的凝固时间决定于铸件的模数。 模数M=V/A（厘米），V—体积（厘米 3 ）；A—散热面积（厘米 2 ）。 随着办公条件的改善，计算机的普及，模数可以用计算机进行计算。方法是：用 SolidWorks 软件画出铸件（或铸件被补缩部分）的立体图，计算出铸件的体积和散热面积，然后用公式M=V/A 计算模数。 冒口的凝固时间大于铸件的凝固时间，冒口的模数一般是铸件模数的1.1～ 1.2 倍，M冒=1.1～1.2M铸 对于厚实铸件，如：圆柱体、块状铸件，用模数法确定的冒口往往偏大，故必须采取一些方法加快铸件的凝固，同时延长冒口的凝固时间。通常采用以下方法：1、加放内、外冷铁；2、补浇冒口；3、采用保温冒口。 采用以上措施后，M冒=KM铸，K 按下表进行选择。 铸件壁厚 铸件模数 内冷铁及冒口补浇情况 K ≤100 不下内冷铁 1.25～1.2 局部下内冷铁 1.2～1.1 100～200 下内冷铁，冒口不补浇 1.1～1.0 ＞200 下较多内冷铁，冒口不补浇 1 ＞14.5 下满内冷铁，冒口补浇一次 0.9 ＞23 下满内冷铁，冒口补浇二次 0.9～0.85 ＞28.5 下满内冷铁，冒口补浇3～4 次 0.85～0.80 注：对于要求比较高的铸件、探伤件，尽量不放内冷铁。 3.2、热节圆法 根据铸件壁厚部位热节圆的大小来确定冒口尺寸的一种方法。热节圆法主要适用于轮形铸件，一般冒口与热节不连通，需要用滚热节圆的方法确定冒口增肉，然后确定冒口尺寸。 可以用绘图软件画出铸件热节的形状，然后画出热节的内切圆，即为热节圆。 4、钢的体收缩率 碳钢的体收缩率ε C 的大小与碳钢的含碳量和浇注温度有关。如下图： 合金钢的体收缩率比碳钢大，它既与含碳量和浇注温度有关也与合金元素及其含量有关。合金元素对铸钢体收缩率的影响如下： 合金元素 W Ni Mn Cr Si Al 修正系数Ki -0.53 -0.0354 0.0585 0.12 1.03 1.7 合金钢的体收缩率ε =ε C +∑KiXi Xi 为合金元素的含量 注：以上修正系数只适用于低于1600℃时的体收缩。 5、冒口的有效补缩距离 冒口区与末端区之和称为冒口补缩距离，超出该距离，在铸件中间区产生轴线缩松。 5.1、板件和杆件的补缩距离 通常把断面的宽厚比为5：1 以上的称为板型件；断面的宽厚比为5：1 以下的称为杆型件。下图为碳钢（C=0.20～0.30%），板型件的厚度≤175mm、杆型件的厚度≤200mm 的冒口有效补缩距离。 在铸件的末端区和冒口之间放外冷铁，冒口有效补缩距离如下： 从以上可以看出：（1）冒口对板型件的有效补缩距离大于杆型件的有效补缩距离。（2）杆型件的末端区长度远大于冒口区长度。（3）使用外冷铁，可以有效的提高冒口的有效补缩距离。 另外，冒口的有效补缩距离还受以下因素的影响： （1）厚实铸件的凝固区域变宽，冒口的有效补缩距离相对较小。 （2）结晶温度范围较宽的铸钢，冒口的有效补缩距离较小；结晶温度范围较窄的铸钢，冒口的有效补缩距离较大。例如，含碳量为0.15%的碳素钢比含碳量为0.30%的碳素钢的结晶温度范围较窄，冒口的有效补缩距离较后者大30%。 （3）使用发热冒口，可以增加冒口的有效补缩距离。 5.2、轮型件冒口的有效补缩距离 轮型件讲究冒口的延续度。冒口的延续度为冒口根部长度（沿轮型周向）之和与轮形周长的比率，称为冒口的延续度。延续度的大小取决于轮缘的厚度与其内在质量的要求程度。如铣齿齿轮、缸体其延续度适当增加，不重要的且厚壁轮型件可适当减少。 （1）一般小件（φ 600mm）不铣齿的轮型件，冒口的延续度取25～35%。 （2）中等高度和大小齿轮和齿圈（铣齿深度不超度 4/10 轮缘厚度），冒口的延续度取36～40%。 （3）轮缘较高的双辐板、三辐板齿轮，冒口的延续度取38～42%。 （4）高压缸类的受压与有探伤要求件，冒口延续度可取100%。 6、冒口补贴 对于致密度要求高的铸件，当冒口的补缩距离达不到时，应在冒口处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。 6.1、水平补贴 水平补贴可以按下图进行计算 6.2、垂直补贴 对于壁厚≤100mm 碳素钢板状铸件，浇注系统为上注时，铸件的补贴厚度如下图： 根据铸钢件的形状、浇注位置和钢种的不同，补贴厚度=K 1 K 2 a，K 1 为杆状件补贴的补偿系数，K 2 为铸件材质和浇注方式的补偿系数。 杆状件补贴的补偿系数K 1 横断面的宽厚比 4.0：1.0 3.0：1.0 2.0：1.0 1.5：1.0 1.0：1.0 补偿系数 1.0 1.25 1.5 1.7 2.0 铸件材质和浇注方式的补偿系数K 2 材质和浇注方式 碳钢及低合金钢 高合金钢 上注 底注 上注 底注 补偿系数 1.0 1.25 1.25 1.56 厚实铸件的轴线缩松是很难消除的，对于一般铸件，轴线缩松只要不被切削加工所显露，则不影响它的使用性能。 对于压力容器铸件和用于承受疲劳冲击应力的铸件，一般均随其工矿压力、温度、应力状况和铸件壁厚的不同，而分别允许存在射线探伤等级1～ 3 级的轴线缩松。一般铸钢件的轴线缩松允许4～5 级。 据厚度为100～150mm 介于杆-板之间的铸钢试验件的试验结果，射线探伤质量等级与补贴斜率存在如下关系： 射线探伤质量等级 1 2 3 4 5 补贴斜率（%） 10～11 9～10 8～9 6～8 5～7 对大型汽轮机缸体、泵体类薄壁型打压、探伤铸件的补缩，根据日本室兰的经验，UT 按ASTM标准，RT 按ASME 标准，对不同补缩斜度的铸件进行无损检测的结果，补缩斜度可按： 补缩斜度8%（1：12.5）可达1 级 补缩斜度6%（1：16.6）可达2 级 补缩斜度3%（1：33.3）可达3 级 7、冒口的补缩效率 不同类型的冒口的补缩效率η 为： 冒口类型 明冒口、边冒口 暗顶冒口 球形暗冒口 保温冒口 η （%） 14 15 20 25～45 另外，冒口覆盖剂也能提高冒口的补缩效率。好的覆盖剂可以提高冒口的补缩效率5%。 8、保温冒口 目前，保温套主要分成：珍珠岩复合型保温套、纤维复合型保温套、空心微珠复合型保温套和陶粒保温套。后两种可以做较大铸钢件的保温套。 保温套的堆密度一般控制在 0.6～0.8g/cm 3 。保温套的厚度一般取保温冒口模数的 1～1.5 倍，保温效果好的取下限。保温剂的用量约为冒口重量的1.0～1.7%，冒口的上部不见红时，保温效果比较理想。在此条件下，保温冒口的模数约为普通冒口模数的1.3～1.4 倍，补缩效率为25～45。 9、冒口的形状与尺寸 按照冒口的保温性能可分为普通冒口和保温冒口；按照冒口的形状可分为圆冒口和矩形冒口；按照冒口是否被砂型所覆盖可分为明冒口和暗冒口。目前，在我厂铸钢件的生产过程中，直径小于（或等于）1600mm 圆冒口，一般采用保温冒口，直径大于 1600mm 圆冒口，一般采用普通冒口。为了提高冒口的补缩距离（或延续度），可采用矩形冒口。在铸件的上部一般采用明冒口，在铸件的下部一般采用暗冒口。 9.1、圆形暗冒口 9.2、矩形明冒口 编号 D（mm） H（mm） R（mm） 重量（kg） 模数（cm） 1 90 130 43 5 1.7 2 100 140 48 7 1.9 3 110 150 53 9 2 4 120 160 58 11 2.2 5 130 170 63 14 2.4 6 140 180 68 17 2.6 7 150 190 73 21 2.7 8 160 200 78 25 2.9 9 170 220 81 30 3.1 10 180 240 86 37 3.3 11 190 260 91 44 3.5 12 200 280 86 56 3.7 13 220 310 106 72 4.1 14 240 340 116 95 4.5 15 260 350 126 117 4.8 16 280 380 136 144 5.2 17 300 400 145 174 5.5 18 320 410 155 200 5.8 19 350 420 170 265 6.2 20 400 430 195 320 6.9 21 450 450 220 420 7.5 矩形明冒口的重量和模数： 编号 A B H 250 300 350 400 450 500 550 600 700 800 1 300 150 96 120 144 170 198 3.7 4.1 4.4 4.6 4.7 2 350 200 178 212 250 285 326 4.8 5.1 5.3 5.5 5.7 3 400 250 295 341 392 445 500 5.7 6.0 6.2 6.5 6.7 4 500 300 500 570 643 722 810 6.8 7.1 7.4 7.6 7.9 5 600 350 780 880 985 1090 1200 7.9 8.2 8.5 8.7 9.0 6 700 400 1160 1290 1420 1700 1990 8.9 9.3 9.6 10.0 10.6 9.3、圆型明冒口 圆形明冒口的重量、模数表 编 号 φ 高度（H） 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 900 1000 1100 1 300 222 262 303 346 392 5.7 6.0 6.2 6.5 6.7 2 350 344 397 453 510 570 7.5 7.8 8.0 8.3 8.6 3 400 510 570 645 720 793 7.5 7.8 8.0 8.3 8.6 4 450 706 795 882 976 1070 8.3 8.7 9.0 9.3 9.5 5 500 960 1065 1170 1285 1140 9.2 9.5 9.8 10.1 10.4 6 550 1260 1390 1530 1660 1800 10.1 10.4 10.8 11.0 11.2 7 600 1625 1775 1930 2090 2420 11.0 11.3 11.6 11.9 12.4 8 650 2050 2230 2410 2800 3200 12.0 12.3 12.5 13.1 13.6 9 700 2550 2760 3190 3610 4100 12.8 13.1 13.8 14.3 14.8 编 号 φ 高度（H） 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 10 750 3120 3600 4100 4600 5150 13.6 14.3 14.9 15.4 16.0 11 800 4000 4600 5150 5750 6350 14.9 15.5 16.0 16.6 17.2 12 900 5650 6350 7050 7800 8600 16.7 17.2 17.9 18.4 19.0 13 1000 7650 8500 9400 10300 11200 18.4 19.1 19.7 20.4 20.9 14 1100 10100 11100 12200 13300 14350 20.2 20.8 21.5 22.1 22.6 15 1200 12950 14200 15350 16700 18050 22.1 22.7 23.2 23.8 24.4 16 1300 16400 17850 19300 20900 22200 23.7 24.5 25.2 25.7 26.2 17 1400 20400 22000 23100 24500 27200 25.5 26.3 26.8 27.5 28.0 18 1500 27000 29000 31100 33300 35400 27.3 28.0 28.6 29.2 29.8 9.4、保温冒口 保温冒口的重量、模数表 编 号 φ 高度（H） 400 450 500 550 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1 400 362 407 452 497 543 6.7 6.9 7.1 7.3 7.5 2 500 636 707 777 848 989 8.0 8.3 8.6 8.8 9.2 3 600 1221 1424 1628 1730 1831 10.0 10.5 10.9 11.3 11.5 4 700 1939 2216 2354 2493 2769 3046 11.7 12.2 12.6 13.0 13.3 13.5 5 800 2894 3256 3617 3979 4341 13.3 13.8 14.3 14.7 15.0 6 900 4120 4578 5036 5494 5952 6409 15.0 15.5 16.0 16.4 16.7 17.0 7 1000 5652 6217 6782 7348 7913 8478 16.7 17.2 17.6 18.1 18.4 18.8 编 号 φ 高度（H） 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 8 1100 7523 8207 8891 9574 10258 10942 18.3 18.9 19.3 19.7 20.1 20.5 9 1200 9767 10581 11394 12208 13022 13836 14650 20.0 20.5 21.0 21.4 21.8 22.2 22.5 10 1300 12417 13373 14328 15283 16238 17193 18149 21.7 22.2 22.7 23.1 23.5 23.9 24.2 11 1400 15509 16617 17725 18832 19940 21048 23.3 23.9 24.3 24.8 25.2 25.6 25.9 12 1500 19076 20347 21619 22891 24162 25434 25.0 25.5 26.0 26.5 26.9 27.3 13 1600 23151 24598 26044 27491 28938 26.7 27.2 27.7 28.1 28.6 9.5、冒口座、冒口圆角 冒口与铸件的接触部位要做出圆角，保温冒口的下部要做冒口座。 编号 φ R B 1 ≤500 80 30 2 500～750 100 30 3 751～1000 120 40 4 1001～1400 150 40 5 1401～2000 200 50 6 ≥2000 250 50