《材料液态成型工艺学a1-7-2015》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料液态成型工艺学a1-7-2015（112页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,Dalian University of Technology,大连理工大学 张兴国,材料成型工艺及设备,材料科学与工程学院,第八章 冒口设计,一、冒口的作用 1.冒口：铸型中能储存一定的金属液，可以对铸件进行补缩的专门工艺“空腔”称之为冒口。 铸件在凝固过程中需要补偿的体积变化有： 1）铸型的胀大（体积膨胀）； 2）金属液的液态收缩（高温到低温）； 3）金属的凝固收缩（液态到固态）。,第八章 冒口设计,一、冒口的作用,由于冒口设计不当所造成的缺陷主要有缩孔和缩松。 缩孔、缩松的存在减少铸件有效受力面积，降低铸件的强度。 特别是隐藏在铸件内部的缩孔，对质量要求高，机械加工量大的铸件危险很大，
2、有些要求耐压的铸件，因缩孔、缩松的存在经受不住液体的压力而发生渗漏现象，以致报废。 2.冒口的作用： 1）主要作用就是补缩铸件; 2）出气和集渣。 冒口要达到补缩的目的，必须满足三个基本条件： 1）冒口的凝固时间必须大于或至少等于铸件（或铸件被补缩部分）的凝固时间； 2）冒口中必须储存足够的金属液补充铸件（或铸件被补缩部分）的收缩； 3）冒口与铸件被补缩部位之间必须存在良好的补缩通道。,第八章 冒口设计,3.冒口的设计内容 1）选择冒口形状及安放位置； 2）初步确定冒口的数量； 3）计算冒口的尺寸； 4）校核冒口的最大补缩能力； 5）校核冒口工艺出品率。,二、冒口种类及位置,二、冒口种类及位置
3、,1.冒口的类型： 1）按位置分类：顶冒口和边冒口； 2）按覆盖情况分类：明冒口和暗冒口。,冒口类型举例,明冒口的优点： 造型方便，便于观察铸型中金属液的上升情况，可以向冒口中补浇金属液，在冒口顶面散发热剂、保温剂等来延长冒口的凝固时间。 明冒口的缺点：因顶部敞开，散热较快，同样体积的冒口，明冒口比暗冒口的补缩效率低。,二、冒口种类及位置,冒口,冒口,铸件,补贴,铸件,补贴,边冒口：当热节在铸件浇注位置的侧面时，常采用边冒口。 边冒口优点：补缩效果好，造型方便，冒口清理容易。 边冒口分明边冒口和暗边冒口，多采用暗边冒口。 暗边冒口优点：不受铸件上热节点位置的限制，可依热节点就近设置冒口。 暗边
4、冒口缺点：占砂箱面积大，热节不在分型面时造型麻烦。,二、冒口种类及位置,边冒口的种类,整体冒口：整个铸件浇注位置的上部均为冒口。 如“30万千瓦汽轮机缸体外缸下半”铸件，铸件重58吨，冒口重达26吨。,二、冒口种类及位置,高压外缸下半缸铸造工艺简图,特种冒口：1）大气压力冒口：,二、冒口种类及位置,自重压力暗边冒口与大气压力暗边冒口的补缩比较,带吊砂的大气压力暗边冒口,自重压力暗冒口与大气压力暗冒口 a)、b)暗冒口 c)、d) 大气压力暗冒口 A-真空区,2）压缩空气冒口-冒口中通入压缩空气提高补缩效率； 3）气弹冒口（发气压力冒口）：将混合物（弹药）外层由耐火粘土包裹，在8600C发生如下
5、反应： CaCO3(85%)+煤粉(15%)CaO+CO2（达45个大气压） 4）煤气加热冒口； 5）电弧加热冒口； 6）加氧冒口； 7）发热保温冒口： 利用保温剂和发热剂等专门材料制成发热套，构成冒口型腔内表面，浇注后发热套材料产生化学反应激烈发热，使冒口中的金属液温度提高，凝固时间延长。,二、冒口种类及位置,发热保温冒口,发热剂：铝粉、硅铁粉、氧化铁皮等。其混合物称为铝硅热剂。铝粉与氧化铁皮组成的混合物叫做铝热剂。 在金属液的热作用下，当发热剂的温度超过12500C时，铝和硅都可以被激烈氧化而放出大量的热量，化学反应生成物的温度可达30000C以上，冒口中金属液被剧烈加热，开始温度升高，而
6、后缓慢冷却，延长了冒口的凝固时间，大大提高冒口的补缩效率。 化学反应式： 8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe+3243103焦 2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+838103焦 2Si+Fe3O4=2SiO2+3Fe+557103焦 3Si+2Fe2O3=3SiO2+4Fe+1379103焦,二、冒口种类及位置,保温剂：一般用木炭粒、锯木屑。其导热系数小，作用是延长发热剂的燃烧时间和具有保温作用。 粘结剂：水玻璃和膨润土，将发热剂和保温剂的混合料作成发热套。,二、冒口种类及位置,8）易割冒口：在冒口根部放置一块由耐火材料或油砂芯制成的冒口隔片，隔片中有一小于冒口直径的补缩圆孔，形
7、成暗冒口根部的缩颈，使冒口易于从铸件上去除。 隔片厚度：0.1d冒；冒口颈尺寸：d0=0.4d冒；,二、冒口种类及位置,易割冒口示意图,2.冒口的形状 使用时，在相同体积的条件下，选用散热面积最小的形状。这样散热慢，凝固时间长，补缩效果好。 球形散热表面积最小,但造型麻烦,常用冒口形状如图所示。,二、冒口种类及位置,常用的冒口形状 a)球形 b)球顶圆柱形 c)圆柱形（带拔模斜度）d) 腰圆柱形（明）e)腰圆柱形（暗）,3.冒口的位置： 冒口的位置设置不当，就不能有效的消除缩孔和缩松，有时还会引起裂纹等铸造缺陷。 在确定浇注位置时就应考虑冒口的位置，应以下面的基本原则确定冒口的位置： 1）冒口
8、应尽量放在铸件补缩 部分的上部或热节点的旁边。 2）冒口应放置在铸件最高最 厚的部位，以便利用金属液的 自重力补缩。,二、冒口种类及位置,3.冒口位置,3）在铸件不同高度上有热节需要补缩时，可按不同水平面放置冒口，并配合使用冷铁。,不等高冒口的隔离 a)阶梯形热节 b)上下有热节 1顶明冒口 2铸件 3边暗冒口 4外冷铁,4）冒口应尽可能不阻碍铸件的收缩，不应放在应力集中处，以免引起裂纹； 5）力求用一个冒口同时补缩一个铸件的几个热节或几个铸件的热节。,3.冒口位置,6）冒口最好布置在需要进行机械加工的表面，以减少精整工件的工时。 7）为加强铸件的顺序凝固，应尽可能使内浇道靠近或通过冒口，以造
9、成对冒口有利的温度分布。 8）应避免在铸件的重要部位放置冒口，因冷却缓慢，晶粒粗大，造成性能下降。,3.冒口位置,阀体铸件的顺序凝固,3.冒口位置的选择原则-总结,1)冒口应尽量放在铸件补缩部分的上部或热节点旁边。 2)冒口应放置在铸件最高最厚的部位，以便利用金属液的自重 力补缩。 3)在铸件不同高度上有热节需要补缩时，可按不同水平面放置 冒口，并配合使用冷铁。 4)冒口应尽可能不阻碍铸件的收缩，不应放在应力集中处，以 免引起裂纹； 5)力求用一个冒口同时补缩一个铸件的几个热节或几个铸件的 热节。 6)冒口最好布置在需机械加工的表面，减少精整工件的工时。 7)为加强铸件的顺序凝固，应尽可能使内
10、浇道靠近或通过冒 口，以造成对冒口有利的温度分布。 8)应避免在铸件的重要部位放置冒口，因冷却缓慢，晶粒粗 大，造成性能下降。,三、冒口的有效补缩距离,1.冒口有效补缩距离的概念：为了防止铸件产生缩孔和缩松，冒口必须保证铸件实现顺序凝固，在铸件凝固的过程中始终保持畅通的补缩通道，这样冒口中的金属液才能源源不断的补给铸件，否则冒口再大也达不到补缩的目的。 这表明冒口实现安全补缩应满足的三个条件缺一不可。 补缩通道扩张角：液相线的等温面之间形成的夹角。,冒口的有效补缩距离：致密的冒口作用区与致密的末端区之和称为冒口的有效补缩距离，即 b=冒口区+末端区= c+e 如果铸件被补缩部分的长度大于有效补
11、缩距离，就会产生缩孔和缩松；只有长度小于有效补缩距离时铸件才是健全的。 冒口有效补缩距离是指长度方向的，实际上冒口的补缩作用是一个范围。 以圆柱冒口为例：以冒口中心为圆心，用冒口半径加上有效补缩距离为半径做圆，圆内就是冒口的有效补缩范围。,三、冒口的有效补缩距离,2.碳钢铸件冒口的有效补缩距离 水平方向的有效补缩距离 对较简单铸件的冒口有效补缩距离， 曾进行一系列的研究，已掌握其规律性。 1）形状因素的影响 对碳钢(0.20.35%C），在其他条件相同的情况下，铸件的形状不同，补缩的通道不一样，冒口的有效补缩距离也不相同。 板形铸件：有效补缩距离 b=4.5a, 冒口区 c=2a, 末端区 e
12、=2.5a 杆形铸件： a板件或杆件的厚度。,三、冒口的有效补缩距离,2.碳钢铸件冒口的有效补缩距离,杆形与板形的区别： 宽厚比大于等于4:1为板件，小于4:1的为杆件。 对两端都用冒口补缩的板形或杆形铸钢件，在靠近末端方向冒口的有效补缩距离不变。对板形件末端的有效补缩距离依然是b=4.5a。而冒口之间因少一个散热端面，有效补缩距离稍小一些，对板形件，b=4a。 同样地，对杆形件，靠近末端方向和冒口之间的有效补缩距离分别为：,下图分别是依据不同尺寸板形和杆形铸钢件的实验结果作出的“冒口区长度”、“末端区长度”与铸件壁厚之间的关系曲线。,2.碳钢铸件冒口的有效补缩距离,对板形或杆形件,当宽厚比一
13、定时,随着铸件壁厚的减少,冒口区长度和末端区长度都随之减少。说明对壁厚均匀的薄壁铸钢件,冒口的有效补缩距离减少,单纯靠冒口很难避免轴线缩松。 当铸件壁厚一定时,随宽厚比的减小,冒口区长度和末端区长度也显著减少。说明消除杆件轴线缩松比消除板形件的更困难。,2.碳钢铸件冒口的有效补缩距离,2.碳钢铸件冒口的有效补缩距离,2）冷铁对冒口有效距离的影响 板形和杆形件上应用冷铁的实验结果表明：对板形件冷铁放在末端时，冷铁的厚度应等于该板的厚度是适宜的，当冷铁放在两冒口之间时，冷铁约需板厚的二倍。 冷铁使铸件末端的冷却 速度增大，从而使板形铸 件致密的末端区长度增加 约50mm，此数值与板厚无关。 对于杆
14、形铸件来说，冷 铁使致密的末端区增加铸 件厚度的一倍或50mm。 在两冒口之间放置冷铁时， 相当于增加了一个末端区。,冷铁对冒口有效补缩距离的影响,碳钢铸件冒口的有效补缩距离,碳钢铸件冒口的有效补缩距离示意图,板形铸件,杆形铸件,四、补贴的应用,实现冒口补缩铸件的基本条件之一是铸件凝固时始终保持着向冒口张开的补缩通道扩张角，而且角度大些好。然而对板件和壁厚均匀的薄壁铸件往往难于达到这个要求。单纯增加冒口的直径和高度也效果不大，这时就应采用补贴，提高冒口的补缩效果。,齿轮铸件采用的补贴举例 a)传统的金属补贴 b)保温（发热）补贴 c)金属补贴加陶瓷隔片 1金属补贴作热壁 2陶瓷隔片,补缩通道扩
15、张角,1.补贴：所谓补贴就是 人为的在靠近冒口的铸件壁上逐渐增加的厚度，称为冒口补贴，简称补贴。 补贴的确定：一般地，是在冒口有效补缩距离以上开始加补贴，使铸件壁向着冒口方向逐渐加厚，直到冒口的根部。 铸件加厚量为a,称为补贴厚度。,四、补贴的应用,垂直壁的补贴 d铸件壁厚 a补贴厚度 A末端区 B冒口区 C缩松区,四、补贴的应用,下图表示补贴厚度、铸件壁厚及铸件高度间的关系。 1）板形件补贴的确定 当铸件的厚度一定时，随着 铸件高度的增加，补贴的厚度 增加。 当铸件的高度一定时，随着 铸件壁厚的减少，补贴值增大。 假设补贴厚度a=0，则从图 中的横坐标就可直接得到冒口 的垂直有效补缩距离。
16、例如：对截面高度500mm，壁厚 50mm的板件,其补贴厚度为48mm。,不同壁厚和壁高的铸件所需的补贴值,2）杆形件补贴的确定 杆形件的有效补缩距离比板形小，故需有较大的补贴值才能保证铸件的组织致密。 杆件补贴值的求法：先从图中查出相同壁厚板件的补贴值，然后再根据宽厚比从表中查得补偿系数。 对底注式和高合金钢板的补偿系数： （1）底注式碳钢和低合金钢板：1.25； （2）顶注式高合金钢板件：1.25； （3）底注式高合金钢板件：1.251.25。,四、补贴的应用,水平方向加冒口补贴称为水平补贴，如图所示。 2.补贴种类 1）金属补贴，使铸件加厚； 2）采用保温补贴。,四、补贴的应用,水平补贴应用举例 a)发热（绝热）材料补贴 b)及 c)下为金属材料补贴 c)上为三个普通冒口 1冒口 2补贴,3.轮缘补贴的作法,3.轮缘补贴的作法： 1）按比例画出轮缘和轮辐（最好是1:1），并添上加工余量； 2）画出热节点内切圆直径dy，考虑砂尖角效应需作必要的
