知识篇——冒口位置对铸件质量的影响　避免接触热节

冒口设计对铸钢件的内在质量起着非常重要的作用，在钢液凝固的过程中，体积会有显著的缩小，体积收缩时所需钢液要从冒口中获得，因此冒口设计时，必须充分考虑冒口比铸件凝固晚，冒口内要有充足的钢液补充铸件，铸件与冒口间要形成顺序凝固。

在生产实践过程中，相同铸件由于冒口放置的位置不同，会对铸钢件的内在质量产生较大影响，下面以图1所示铸件进行分析。铸件质量GC=770㎏，材质ZG275—485H，铸件化学成分为：wC=0.20%，wSi≤0.5%， wMn=1.0%，wS≤0.035%，wP≤0.035%。铸件整体模数MC=5.95cm。生产方式采用水玻璃石英砂重力铸造。

工艺方案1：采用φ400mm冒口，高度500mm，冒口模数MR1=7.12cm，冒口完全和铸件接触，此时铸件模数MC1=6.52cm，冒口容积63.2 dm3，冒口钢液重量为430㎏，铸件工艺出品率为64.2%。采用此方案生产，浇注后采用人工捣冒口进行干预，铸件切割冒口时铸件无缩孔出现，经UT检测，铸件中心部位存有缺陷。对铸件进行精加工，并对加工表面进行喷砂处理后，在铸件的中心部位出现缩松缺陷（见图2）。

图2 铸件缺陷

工艺方案2：采用φ400mm冒口，高度500mm，冒口模数MR2=7.12cm，冒口不完全和铸件表面接触，此时铸件模数MC2=6.25cm，冒口及补贴所需钢液重量为437㎏，铸件工艺出品率为63.6%。铸件切割冒口后无缩孔，经UT检测未发现异常，对铸件精加工，并对加工表面经喷砂处理后，无任何缺陷。

两种工艺方案的冒口完全相同，出品率相近，方案1铸件存有缩松缺陷，方案2无缺陷，下面通过CAE模拟、冒口补缩效率、热节圆法及模数法对这两种工艺方案进行分析，找出问题存在的原因。

1．CAE模拟分析

铸造设计中的计算机辅助工程软件（CAE）是分析和优化铸造工艺的重要工具，它以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件的成形过程进行工艺分析和质量预测，从而协助工艺人员完成铸件的工艺优化。通过铸造CAE进行纯凝固模拟分析（不考虑浇注系统充型对凝固的影响），发现方案1铸件出现严重缩孔，且缩孔深度几乎达到铸件厚度的一半（见图3）；方案2铸件无缺陷（见图4）。CAE模拟计算铸件凝固时间，方案1铸件完全凝固历时14894s，方案2铸件完全凝固历时12183s，在铸件凝固时间上，方案2明显比方案1短。

2．冒口补缩效率分析

对两种方案进行冒口补缩效率验算，铸钢件浇注温度1560℃，根据含碳量和浇注温度对碳钢体收缩影响（见图5）及合金元素对铸钢件体收缩率ε影响（见附表），计算出铸件的体收缩率ε=4.77%。

合金元素对铸钢件的影响

因方案1铸件与冒口相互影响较大，铸件凝固时间延长明显，取ε1 =6%；方案2铸件和冒口相互影响较小，取ε2 =5.5%，根据冒口补缩公式

GC —冒口最大能补缩铸件重量；

ε —铸钢件的体收缩率（%）；

ＶＲ —冒口体积；

ρ —铸钢件密度，取7.8㎏/dm3。

计算出:

通过冒口补缩效率分析，方案1中，铸件GC=770㎏，GC1明显低于GC，可以认定方案1铸件冒口补缩能力不足；方案2中，铸件GC=776，GC2和GC重量接近，在不实施其他工艺措施的情况下，铸件仅会出现轻微缩孔，但在实际浇注过程中，通过补浇冒口、浇注系统阶梯设置等方法，基本上可以满足致密铸钢件的工艺要求。

3.热节圆法分析

在不考虑放置冒口的情况下，铸件最大热节圆直径为294mm，方案1将冒口放置在铸件的热节处，放置冒口后，铸件的实际热节圆直径增大到422mm，造成铸件热节大于冒口直径；方案2将冒口放置于铸件的非热节处，冒口偏离铸件最大热节，没有造成铸件热节增大，有文献称方案1形成的热节为“接触热节”，铸件的凝固方式为“几何顺序凝固”，方案2铸件的凝固方式为“动态顺序凝固”。

通过热节分析，方案1铸件热节大于冒口直径，不可能形成从铸件到冒口的顺序凝固，方案2冒口直径大于铸件热节，可形成铸件与冒口的顺序凝固。

4．模数法分析

方案1铸件模数MC1=6.52cm，冒口模数MR1=7.12cm，冒口扩大系数ƒ1＝MR1：MC1＝1.09；方案2铸件模数MC2=6.25cm，MR2=7.12cm，ƒ2＝MR2：MC2＝1.14。根据模数法设计冒口原则，冒口扩大系数取值为1.1～1.2，显然方案1冒口扩大系数偏小，不利于形成顺序凝固；方案2冒口扩大系数在取值范围内，可以形成顺序凝固。

通过几种方式分析，证明方案1会有缩孔出现。在生产过程中，对于这种较大的冒口，浇注时一般不一次完成浇注，在钢液上升到冒口的一定高度后，再对铸件进行补浇冒口，铸件浇注完成后，采用捣冒口的方式，不断破坏冒口结晶过程形成的晶核，使晶核脱落后不断进入铸件内，这种方式对冒口补缩效率提高是明显的，但同时也损失了冒口的热量，有可能造成冒口与铸件后期凝固部分形成同时凝固，或造成冒口与铸件接触部位早于铸件厚大部位凝固，使铸件形成二次缩孔，因此生产致密度高的铸件时最好不进行捣冒口操作。

结语

通过生产实践及几种方式的工艺分析，在偏离热节处放置冒口，可以避免形成接触热节，能够有效减少铸件的缩孔、缩松缺陷，显著提高钢液利用率。