張 帆，魏勝輝，盧景秀，劉瑞玲

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050000）

球墨鑄鐵件利用石墨化膨脹進(jìn)行自補(bǔ)縮的冒口設(shè)計(jì)方法有實(shí)用冒口和均衡凝固技術(shù)兩種方法。實(shí)用冒口補(bǔ)縮理論經(jīng)過(guò)以S I Karsay博士為代表學(xué)者的實(shí)踐和總結(jié)，形成了較為實(shí)用的技術(shù)理論；均衡凝固技術(shù)是魏兵教授在上世紀(jì)80年代提出的凝固補(bǔ)縮技術(shù)。兩種方法具有一些差異性，也具有一些相關(guān)性。本文將兩種方法進(jìn)行對(duì)比，以找出二者的異同點(diǎn)。

1 兩種方法的冒口補(bǔ)縮原理

1.1 實(shí)用冒口補(bǔ)縮原理

球墨鑄鐵凝固過(guò)程可分為：一次收縮、體積膨脹和二次收縮三個(gè)階段，圖1為球墨鑄鐵凝固過(guò)程體積隨溫度變化的規(guī)律[1]。

圖1 球墨鑄鐵體積隨溫度變化的規(guī)律

圖1 中a1、a2為一次收縮，b1、b2為體積膨脹，c1、c2為二次收縮，曲線(xiàn)1為冷卻速度低、冶金質(zhì)量高的條件下球鐵的體積變化，曲線(xiàn)2為冷卻速度高、冶金質(zhì)量差條件下球鐵的體積變化。冶金質(zhì)量好的鑄鐵，在同樣化學(xué)成分、冷卻速度下，液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值都小，因而形成縮孔、縮松和鑄件長(zhǎng)大變形的傾向小，容易獲得健全的鑄件。

由于不同的鑄型強(qiáng)度所能承載石墨化膨脹壓力不同，而鑄件模數(shù)的大小也會(huì)影響鑄鐵的膨脹壓力，實(shí)用冒口根據(jù)鑄型強(qiáng)度及鑄件模數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，實(shí)用冒口的種類(lèi)及適用范圍如圖2所示[2]。

圖2 實(shí)用冒口的種類(lèi)及適用范圍

1.1.1 直接實(shí)用冒口補(bǔ)縮原理

直接實(shí)用冒口僅補(bǔ)給鑄件的液態(tài)收縮，當(dāng)液態(tài)收縮終止或體積膨脹開(kāi)始時(shí)，讓冒口頸或用澆注系統(tǒng)兼起實(shí)用冒口作用的內(nèi)澆道及時(shí)凍結(jié)。在鑄型內(nèi)，鑄鐵的共晶膨脹形成內(nèi)壓，迫使液體流向縮孔、縮松形成之處，這樣就可以預(yù)防鑄件于凝固初期內(nèi)部出現(xiàn)真空度，從而避免了縮孔、縮松缺陷。

直接實(shí)用冒口適用于高強(qiáng)度鑄型，鑄件模數(shù)在0.4 8 cm～2.5 cm的球墨鑄鐵件；強(qiáng)度較低的濕型、模數(shù)小于0.48 cm的鑄件。此時(shí)不會(huì)由于鑄件膨脹力超過(guò)鑄型的承壓能力而導(dǎo)致鑄件脹大變形，產(chǎn)生縮松[3]。

1.1.2 控制壓力冒口補(bǔ)縮原理

球墨鑄鐵件的模數(shù)如果比較大，而且鑄型強(qiáng)度又低，則鑄型承受不了共晶膨脹的作用要擴(kuò)大，這時(shí)共晶膨脹補(bǔ)償不了二次收縮。此時(shí)采用控制壓力冒口，在共晶膨脹時(shí)往冒口中釋放掉一部分壓力，以免型內(nèi)壓力過(guò)大而產(chǎn)生型壁移動(dòng)?？刂苹靥畛潭仁硅T件內(nèi)建立適中的內(nèi)壓克服二次收縮缺陷，從而獲得既無(wú)縮孔縮松又能避免脹大變形的鑄件。所以控制壓力冒口適用于鑄件模數(shù)在0.48 cm～2.5 cm的球墨鑄鐵件。

1.1.3 無(wú)冒口補(bǔ)縮原理

由于冷卻速度越小，鑄鐵的液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值也越小，而冷卻速度主要取決于鑄件模數(shù)。對(duì)于大模數(shù)鑄件，冷卻速度小，凝固時(shí)間長(zhǎng)、降溫慢，對(duì)補(bǔ)縮要求低，創(chuàng)造適當(dāng)?shù)墓に嚄l件，可實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造。所以無(wú)冒口鑄造適用于鑄型強(qiáng)度較高的干型，鑄件模數(shù)大于2.5 cm的球墨鑄鐵件。只要鐵液冶金質(zhì)量高，鑄件模數(shù)大，采用低溫澆注和緊固的鑄型，就能保證澆注型內(nèi)的鐵液，從一開(kāi)始就膨脹，從而避免了收縮缺陷，因而無(wú)需冒口。

1.2 均衡凝固技術(shù)補(bǔ)縮原理

均衡凝固就是利用膨脹與收縮動(dòng)態(tài)疊加的自補(bǔ)縮和澆注系統(tǒng)的外部補(bǔ)縮，采取工藝措施，使單位時(shí)間的收縮與膨脹、收縮與補(bǔ)縮按比例進(jìn)行的一種凝固原則。均衡凝固是基于一個(gè)鑄件在凝固的某一時(shí)刻，有些部分正在收縮，有些部分已經(jīng)進(jìn)入石墨化膨脹，時(shí)間是同時(shí)的，鐵液是相通的，這時(shí)，脹縮就可以疊加相抵，鑄件表現(xiàn)出來(lái)的收縮值，實(shí)際上是脹縮相抵的凈結(jié)果。鑄鐵件收縮與膨脹的疊加如圖3所示[4]。

均衡凝固技術(shù)也可進(jìn)行無(wú)冒口鑄造，利用澆注結(jié)束后澆注系統(tǒng)短期暢通的補(bǔ)縮作用和凝固過(guò)程中石墨化膨脹來(lái)補(bǔ)償鐵液的冷卻、凝固和收縮，實(shí)現(xiàn)不專(zhuān)設(shè)補(bǔ)縮冒口的工藝。均衡凝固無(wú)冒口鑄造適用條件中，用鑄件凝固模數(shù)Mc≥2.5 cm來(lái)反映鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，質(zhì)量周界商Qm為鑄件體積與其凝固模數(shù)立方之比，用Qm≥20 kg/cm3進(jìn)一步描述鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[5]。

圖3 鑄鐵件收縮與膨脹的疊加

2 兩種方法的對(duì)比

2.1 冒口頸的凝固時(shí)間

實(shí)用冒口中，直接實(shí)用冒口只補(bǔ)償鑄件的液態(tài)收縮，冒口頸在液態(tài)收縮結(jié)束時(shí)或自補(bǔ)縮之前及時(shí)凝固。控制壓力冒口的作用有兩個(gè)：一是對(duì)液態(tài)收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，冒口中的鐵水補(bǔ)縮鑄件；二是調(diào)解鑄型內(nèi)鐵水石墨化膨脹壓力，使一部分鐵水回填冒口。因此，控制壓力冒口頸在鐵水回填冒口，使鑄型釋放一部分壓力后封死。無(wú)冒口補(bǔ)縮前期主要利用澆注系統(tǒng)進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮，后期主要利用鑄件內(nèi)部的石墨化膨脹進(jìn)行自補(bǔ)縮，所以，內(nèi)澆道當(dāng)冒口頸補(bǔ)縮時(shí)是在進(jìn)入石墨化膨脹前凝固封死。

均衡凝固技術(shù)設(shè)計(jì)的冒口，冒口補(bǔ)縮至均衡點(diǎn)，均衡點(diǎn)之后為自補(bǔ)縮，在補(bǔ)縮完成后冒口頸內(nèi)金屬液不再流動(dòng)。而均衡凝固技術(shù)中的無(wú)冒口鑄造，內(nèi)澆道也是在均衡點(diǎn)時(shí)及時(shí)凝固。

兩種冒口設(shè)計(jì)方法中，實(shí)用冒口中的直接實(shí)用冒口與均衡凝固技術(shù)設(shè)計(jì)冒口的冒口頸凝固時(shí)間相似，都是在補(bǔ)縮完鑄件所需鐵液后冒口頸及時(shí)截?cái)?，從而充分利用石墨化膨脹在鑄件內(nèi)部進(jìn)行自補(bǔ)縮[6]。實(shí)用冒口中的控制壓力冒口考慮鑄件模數(shù)與鑄型強(qiáng)度的關(guān)系，在型內(nèi)建立適中壓力后冒口頸才凝固，而均衡凝固技術(shù)設(shè)計(jì)冒口并未考慮鑄件模數(shù)與鑄型強(qiáng)度之間的關(guān)系，因此控制壓力冒口頸凝固時(shí)間較長(zhǎng)。實(shí)用冒口中的無(wú)冒口與均衡凝固技術(shù)的無(wú)冒口鑄造，其冒口頸也都是在補(bǔ)縮完鑄件所需鐵液后凝固。

2.2 冒口的位置

直接實(shí)用冒口的位置可選在關(guān)鍵部分或更厚的任何部位上，冒口設(shè)在最高部位能節(jié)約金屬。直接實(shí)用冒口的關(guān)鍵部分為：本身的體積膨脹量能抵償所有更厚部分的液態(tài)收縮量，直到比它更厚的部分開(kāi)始膨脹為止?？刂茐毫γ翱跒榱朔乐硅T件內(nèi)壓力過(guò)大，使膨脹壓力最大的部位是鑄件最厚部位，即模數(shù)最大部位，因此控制壓力冒口安放在模數(shù)大的部位。

均衡凝固技術(shù)推薦將冒口設(shè)置在均衡段位置，以使冒口既靠近鑄件或補(bǔ)縮對(duì)象的熱節(jié)分體，又離開(kāi)該熱節(jié)分體。均衡段為鑄件結(jié)構(gòu)分體中幾何模數(shù)等于鑄件收縮模數(shù)的分體。但是對(duì)于很多鑄件沒(méi)有適合設(shè)置冒口的部位作為均衡段，比如均衡段位置過(guò)薄，不適合設(shè)置冒口，冒口只能設(shè)置在厚大部位或熱節(jié)上，并沒(méi)有避開(kāi)熱節(jié)設(shè)置[7]。補(bǔ)縮原理與均衡凝固技術(shù)相似的直接實(shí)用冒口，其冒口位置較均衡凝固技術(shù)的冒口位置選擇更靈活。

2.3 冒口的設(shè)計(jì)依據(jù)

兩種方法皆充分利用石墨化膨脹補(bǔ)縮，二者從本質(zhì)上的區(qū)別點(diǎn)在于：實(shí)用冒口是基于球鐵體積隨溫度變化規(guī)律設(shè)計(jì)冒口，其依據(jù)僅為被測(cè)點(diǎn)一處的冷卻、凝固情況，不能代表整個(gè)鑄件，并且就一點(diǎn)而言，收縮發(fā)生在前，膨脹發(fā)生在后，脹縮不能相抵；而均衡凝固技術(shù)是對(duì)鑄件整體而言，各個(gè)區(qū)域進(jìn)入收縮、膨脹的時(shí)間有先有后，相互交錯(cuò)、重疊，使得冒口只補(bǔ)自補(bǔ)不足的這部分差額，所以均衡凝固技術(shù)比實(shí)用冒口更強(qiáng)調(diào)凝固收縮與石墨膨脹的疊加過(guò)程[8]。

因此，從理論上看，實(shí)用冒口體積較均衡凝固技術(shù)設(shè)計(jì)冒口的體積較大，但在具體設(shè)計(jì)中，實(shí)用冒口將冶金質(zhì)量作為影響冒口設(shè)計(jì)的因素，使冒口體積成為變量，遂無(wú)法確切將二者冒口大小進(jìn)行比較。由于二者設(shè)計(jì)本質(zhì)不同，實(shí)用冒口中直接實(shí)用冒口是補(bǔ)縮完鑄件液態(tài)收縮后冒口頸凝固，而均衡凝固技術(shù)中冒口頸是在脹縮相抵后凈收縮為零時(shí)凝固，使得兩者的冒口頸模數(shù)不同。

此外，實(shí)用冒口考慮鑄型強(qiáng)度及鑄件模數(shù)之間的關(guān)系具體分為三種冒口設(shè)計(jì)方法，而均衡凝固技術(shù)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)只有一種統(tǒng)一設(shè)計(jì)冒口的方法，并未考慮鑄型強(qiáng)度及鑄件模數(shù)之間的關(guān)系對(duì)冒口設(shè)計(jì)的影響。

3 結(jié) 論

1）實(shí)用冒口中的直接實(shí)用冒口與均衡凝固技術(shù)設(shè)計(jì)冒口的原理相似，冒口頸凝固時(shí)間相近，但直接實(shí)用冒口較均衡凝固技術(shù)的冒口位置選擇更靈活。

2）實(shí)用冒口基于球鐵體積隨溫度變化規(guī)律設(shè)計(jì)冒口，收縮發(fā)生在前，膨脹發(fā)生在后，脹縮不能相抵；均衡凝固技術(shù)是對(duì)鑄件整體而言，各個(gè)區(qū)域脹縮疊加，冒口只補(bǔ)自補(bǔ)不足的差額。

3）實(shí)用冒口考慮鑄型強(qiáng)度及鑄件模數(shù)之間的關(guān)系對(duì)冒口進(jìn)行設(shè)計(jì)，而均衡凝固技術(shù)并未考慮二者之間的關(guān)系對(duì)冒口設(shè)計(jì)的影響。

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［2］ 王華清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：306-307.

［3］ 洪恒發(fā).基于球墨鑄鐵凝固原理的補(bǔ)縮方法［J］.鑄造，2011，60（12）：1194-1202.

［4］ 魏兵，袁森，張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：2-3.

［5］ 汪興娟，何順榮，李偉，等.球鐵箱蓋件的無(wú)冒口鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2014（3）：47-50.

［6］ 金永錫.汽車(chē)球鐵件冒口補(bǔ)縮設(shè)計(jì)方法及其評(píng)價(jià)（2）［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（2）：29-44.

［7］ 金永錫.汽車(chē)球鐵件冒口補(bǔ)縮設(shè)計(jì)方法及其評(píng)價(jià)（1）［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（1）：15-25.

［8］周亙.對(duì)“均衡凝固技術(shù)”幾個(gè)基本問(wèn)題的討論——球墨鑄鐵縮松、縮孔問(wèn)題探討（三）［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2004（5）：4-12.