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铸钢件冒口的设计规范

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2020年4月19日
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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）。
随着办公条件的改进，计算机的普及，模数能够用计算机进行计算。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。一般采用以下方法：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。
能够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εC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=εC+∑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
一般把断面的宽厚比为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：

从以上能够看出：（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，能够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，能够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（φ600mm）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
水平补贴能够按下图进行计算

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=K1K2a，K1 为杆状件补贴的补偿系数，K2 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K1
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K2
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。好的覆盖剂能够提高冒口的补缩效率5%。
8、保温冒口
当前，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。后两种能够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/cm3。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。当前，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。
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
9.1、圆形暗冒口

9.2、矩形明冒口

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

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
2
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

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～
200
50
6
≥
250
50