紀漢成

（科華控股股份有限公司，江蘇常州 213354）

1 激冷系統(tǒng)的作用、分類及設置原則

1.1 激冷系統(tǒng)的作用

（1）與澆注系統(tǒng)和冒口配合控制鑄件的凝固次序，加強鑄件的順序凝固條件，增加冒口的縱向補縮長度。

（2）加快鑄件的凝固冷卻速度，改善優(yōu)化鑄件金相組織，細化晶粒，提高鑄件的力學性能。

（3）劃分冒口的補縮區(qū)域，控制和擴大冒口的補縮范圍，提高冒口的補縮效率。

（4）減輕和防止厚壁鑄件偏析，避免化學粘砂。

（5）減小鑄件縮孔縮松傾向，減小冒口尺寸，提高工藝出品率。

（6）減小鑄件熱節(jié)模數，消除局部熱應力，避免鑄件產生裂紋缺陷。

1.2 激冷系統(tǒng)的分類

激冷系統(tǒng)的分類，按其使用材質可分為兩大類：鐵質冷鐵和非鐵質冷鐵。鐵質冷鐵包括各種金屬冷鐵、石墨、碳化硅等；非鐵質冷鐵包括各種激冷砂、激冷涂料、強制冷卻介質等。

金屬冷鐵包括鑄鐵冷鐵、鑄鋼冷鐵、鋁合金冷鐵、銅合金冷鐵等，其中鑄鐵冷鐵在中小鑄件上使用最為普遍廣泛；石墨冷鐵采用石墨粉材料壓制、燒結、切割、加工而成，一般在中大型、大型鑄件使用多；激冷涂料是采用化學焓變涂料（化學冷鐵）如碲粉激冷涂料或鋯英石粉+鉻鐵礦砂粉激冷涂料涂刷在鑄件熱節(jié)處激冷，使用在復雜鑄件難以補縮及放置冷鐵的內腔熱節(jié)處；激冷砂包括石墨砂、碳化硅砂、鉻鐵礦砂、鋯英石砂等，一般應用在復雜鑄件難以補縮及放置冷鐵的內腔流道處及熱節(jié)處；強制冷卻系統(tǒng)是向鑄件的內部區(qū)域通入冷卻介質（壓縮空氣、循環(huán)冷卻水、霧化水、冰塊、液態(tài)氮等），加速鑄件的凝固與冷卻，改善鑄件的組織結構和機械性能，加快生產周期的工藝措施，適應于大型厚壁鑄鋼件、球墨鑄鐵件等。

激冷系統(tǒng)的分類，按其使用方式可分為兩大類：外激冷系統(tǒng)和內激冷系統(tǒng)。

外激冷系統(tǒng)主要包括外冷鐵及其它激冷砂，激冷涂料及強制冷卻激冷方式，外冷鐵的位置在鑄件本體的表面外側，可分為直接外冷鐵（明冷鐵）和間接外冷鐵（暗冷鐵、隔砂冷鐵、掛砂冷鐵）兩類。

根據冷鐵的使用還可以分為特殊形狀冷鐵、標準形冷鐵和可變型冷鐵（激冷砂）。

外冷鐵按在鑄型型腔的位置可分為底面冷鐵、側面冷鐵、頂面冷鐵、端面冷鐵。金屬鑄模、石墨鑄型及鐵型覆砂、殼型背丸也是外冷鐵應用的一種方式。“散熱片”的冷卻工藝對鑄件有一定的好處和使用效果。還有一種更為特殊的工藝冷鐵是熱貼（發(fā)熱片、保溫塊），是使鑄件的補縮通道通暢，起到“負冷鐵”的作用，在一定程度上也屬于冷鐵技術的范疇。

內激冷系統(tǒng)主要是內冷鐵，內冷鐵的位置在鑄件內部，并成為鑄件的一部分。主要應用于黑色、有色鑄造厚大鑄件。它對鑄件質量影響非常大。大多數質量標準都不允許有沒熔的內冷鐵。因此為了減小這種影響，內冷鐵的材質應盡量接近鑄件材質。如果沒熔或未達到質量標準，應采用機器將其移除。

激冷系統(tǒng)設計按其使用范圍及鑄件材質分為三大類：鑄鐵件激冷系統(tǒng)設計(灰鐵件的激冷、球鐵件的激冷等)、鑄鋼件激冷系統(tǒng)設計、非鐵合金激冷系統(tǒng)（鑄銅件的激冷、鑄鋁件的激冷等）設計。

激冷系統(tǒng)設計按其使用范圍及鑄造方式分為幾大類：潮模砂砂型鑄造、樹脂砂鑄造、殼型鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造與V法鑄造、反重力鑄造等。

1.3 激冷系統(tǒng)的設計原則

（1）外冷鐵的設置位置不應破壞順序凝固條件，不應堵塞補縮通道。

（2）外冷鐵設計不應過大、過長、留有尖角，冷鐵之間應留有間隙，避免鑄件產生裂紋。

（3）盡量把外冷鐵設置在鑄件底部和側面、端面，頂部外冷鐵影響型腔排氣，易形成氣隔。

（4）外冷鐵表面應光潔平整，不得有氣孔、凹坑等缺陷，并保持冷鐵干燥，防止冷鐵表面形成冷凝，造成鑄件氣孔缺陷。

（5）外冷鐵材質的選擇，其蓄熱能力和導熱性能要高于同時配套使用的造型材料，冷鐵材質的熔點必須不低于鑄件的熔點，避免冷鐵熔接。

（6）外冷鐵盡量選擇直接置于砂芯中，或在造型過程中直接放置，以免造成清理難度大及影響鑄件尺寸精度問題。

（7）外冷鐵的預熱非常重要，預熱主要是為了要避免冷鐵含有濕氣。另對于樹脂砂造型制芯，要保持冷鐵與室溫一樣的溫度，在冬天有必要預熱，防止低溫阻礙硬化反應，造成冷鐵處鑄型緊實度差。

（8）避免冷鐵銹蝕，冷鐵表面刷涂耐火醇基涂料，或冷鐵表面浸涂濃度為9～12°Be'水玻璃溶液保護膜，延長冷鐵的可使用時間，防止鑄件氣孔缺陷。

（9）確認所用冷鐵是為特定鑄型、鑄件設計定制的，造型和制芯起模時冷鐵要放得住，可用磁鐵吸附或鋼釘固定。

（10）大型冷鐵可以在造型時嵌入型砂中，冷鐵可以直接放在模樣上，或在模樣和冷鐵之間緊實一層型砂（隔砂冷鐵），一般覆砂層控制在8～12mm。

（11）大型冷鐵應注意冷鐵的起吊和放置，可在冷鐵上焊接吊鉤點（吊環(huán)），利用吊車專用電磁吸盤小心將冷鐵放到模樣上。

（12）冷鐵的最大效用為：其厚度的一半或壁厚的一半，兩者之間選擇最小值。為了節(jié)約冷鐵，只要有可能，應該把冷鐵設計得達到95%的熱飽和度。

（13）外冷鐵設計應根據鑄件的結構及補縮熱節(jié)、區(qū)域的模數，計算冷鐵尺寸大小，并應用計算機模擬冷鐵的激冷能力及效果，并對冒口的補縮增益效果進行實踐驗證。

（14）外冷鐵的設計壁厚形狀取決于使用冷鐵部位鑄件的形狀和冷鐵所起的作用。一般球鐵件冷鐵的厚度δ冷與所需補縮部位厚度t的關系如下：δ冷=0.8-1.2t；灰鐵件為 δ冷=0.4-0.6t；鑄鋼件為δ冷=0.5-1.0t。一般鑄鋼件的冷鐵厚度為其補縮熱節(jié)及區(qū)域幾何模數的1～2倍，其冷鐵長度為厚度的 2～4 倍[1]。

（15）外冷鐵經過多次使用，表層氧化嚴重，激冷能力下降，應規(guī)定限制冷鐵的使用次數，防止冷鐵粘接，氣孔缺陷。一般灰鐵冷鐵可使用 8～12次，石墨冷鐵可使用20～30次。

2 激冷系統(tǒng)的激冷材質及激冷性能分析

2.1 激冷鐵質材料及性能分析

用來做激冷材質的材料很多，每種鐵質材料（石墨、碳化硅等暫且做鐵質考慮）都可以拿來做冷鐵，因為它們的熔點較高，并且蓄熱能力好。但是不同鐵質材料做冷鐵的效果不同，主要區(qū)別在它們的導熱能力不同。在不同鐵質材料中，導熱能力最強的即為冷鐵冷卻效果最好的。各種激冷鐵質冷鐵參數性能，如表1所示。

從表1中可以看到，片狀石墨的灰鐵導熱最好，其次是有著蠕蟲狀石墨的蠕鐵，再其次是石墨形狀呈球形的球鐵。

可鍛鑄鐵和白口鑄鐵（馬氏體鑄鐵含有大量的碳化物）都不能做冷鐵，因為他們的導熱性差，而且易裂。用鋼來做冷鐵，熔點較高，不易熔接，主要做鑄鋼冷鐵用。

石墨冷鐵的冷卻效果比較好，與鐵質冷鐵的效果近似。其優(yōu)點是鑄件表面夾氣問題少，冷鐵的修理維護成本低，且易于加工，適合于中大型鑄件及鑄孔砂芯。故此，最常用的冷鐵材質應為高碳低硅灰鐵、高碳鑄鋼及石墨，可實現最高的冷鐵冷卻效應。單位體積的石墨冷鐵和鐵質冷鐵的冷卻性能幾乎相同。

2.2 激冷非鐵質材料參數及性能分析

各種激冷非鐵質冷鐵參數性能，如表2所示。

冷鐵的“蓄熱能力”強，意味著其轉移熱量的能力強、速度快。冷鐵的蓄熱能力越強，需要使用的冷鐵體積就越小?！皩嵝阅堋痹阼F水冷卻過程中使冷鐵不斷的吸收熱量，直至其對應部位的鑄件完全凝固。

表1 各種激冷鐵質冷鐵參數性能

表2 各種激冷非鐵質冷鐵參數性能

采用碳化硅或鉻礦砂可事先做成特殊形狀的冷鐵或砂芯，適合于中大型厚壁件及鑄孔砂芯中。砂質冷鐵的效果不如鐵材質的，一般直接用于造型制芯時成型，更適合用于圓滑拐角的位置，或鋪放于冷鐵中間。其操作簡單可靠，對鑄件局部的質量有好處。

2.3 激冷能力分析

激冷材質的導熱系數越小，保溫效果越好，蓄熱系數越大，隔熱效果越好。鑄件激冷物的激冷能力取決于其蓄熱系數的大小，而蓄熱系數又取決于其密度、比熱容、熱導率的大小。冷鐵的激冷作用主要是在凝固的開始階段發(fā)生的，當冷鐵儲蓄到一定的熱量時，其激冷作用將明顯減弱。通過對鑄鐵件使用外冷鐵的復用問題和補縮增益問題進行了初步研究,證明外冷鐵經多次使用,激冷能力下降；冷鐵對冒口的增益作用,存在著一個臨界值[2]。

3 激冷系統(tǒng)的設計管理誤區(qū)及廢品原因分析

在鑄造工藝設計中，鑄造工藝設計人員往往只注重鑄造工藝參數的設計，澆注系統(tǒng)的設計，冒口補縮系統(tǒng)的設計等。但對激冷系統(tǒng)設計不夠重視，對激冷系統(tǒng)的認識存在一定誤區(qū)，片面地認為只要放置冷鐵就可以解決鑄件的縮孔縮松缺陷，冷鐵設計全憑經驗，對冷鐵的激冷能力未加校核計算及計算機模擬分析，特別是澆注系統(tǒng)設計、冒口補縮系統(tǒng)設計及排氣系統(tǒng)設計與激冷系統(tǒng)設計配合不到位，造成冷鐵的激冷效果未達到預期的效果，甚至影響了鑄件冒口補縮，起了相反的作用。如果鑄造激冷系統(tǒng)設計不合理，冷鐵設計過大或過小，冷鐵位置設置不合理，與澆冒口系統(tǒng)設計配合不到位，鑄件會產生氣孔、外冷鐵熔接、內冷鐵熔接不良，且鑄件縮孔縮松缺陷難以解決，甚至出現嗆火、金屬液噴濺等安全事故。

激冷系統(tǒng)標準化設計不到位，產品種類多，冷鐵種類多，冷鐵的統(tǒng)一標準化不規(guī)范，冷鐵的生產管理松懈，對冷鐵的質量管理、過程控制不嚴格，造型制芯時操作使用偏差，造成鑄件披縫大，打磨工作量較大，影響尺寸精度，且大部分廢品集中在氣孔、熔接缺陷。

這些因冷鐵的設計誤區(qū)、生產管理誤區(qū)造成鑄件廢品往往比較嚴重，有時冷鐵廢品率達10%以上，給我們造成很大的經濟損失，也是鑄造工作者急切要解決的問題之一。

（1）設計誤區(qū)一：冷鐵能解決縮松就可以去除縮松，冷鐵可以補償收縮，可以減少鐵水收縮量，起到補縮的目的。

依賴冷鐵設置解決鑄件縮松缺陷，造成鑄件縮松從一個位置遷移到另一位置，縮松缺陷得不到徹底解決。冷鐵能解決縮松但不能根除縮松，冷鐵其實是將鑄件該處的模數減小，進而縮松減輕了；冷鐵絕不會補償收縮，只會將縮松轉移到其它位置。冷鐵不會減少鐵水收縮量，但通過移位，可以將收縮逼近或逼到冒口的作用范圍內。

（2）設計誤區(qū)二：冷鐵設計全憑經驗，缺乏對冷鐵激冷能力的校核計算及計算機模擬分析。

過多的依賴經驗設計，造成冷鐵的激冷效果未達到預期的效果，甚至影響了鑄件冒口補縮，起了相反的作用。冷鐵設計過大，對鑄件激冷過度；冷鐵設計過小，激冷效果作用小。

通過計算機對冷鐵的激冷能力進行校核計算，通過MAGMA模擬分析冷鐵的激冷效果，對冷鐵的正確設計設置起了很好的指導作用，加強了冷鐵的激冷效果，保證了鑄件質量。正確地引入每種冷鐵的實際作用效果，對計算機模擬能達到的準確性非常關鍵。

（3）設計誤區(qū)三：過多的依賴冷鐵設置，冷鐵設計數量繁多，片面的提高鑄件工藝出品率。

由于工藝設計冷鐵數量繁多，雖然鑄件工藝出品率有所提高，但造成造型制芯及清理工作量加大。

合理的設計冷鐵數量，減輕造型制芯及清理工作量，加強澆冒口系統(tǒng)與冷鐵的配合，確定合理的工藝出品率。

（4）設計誤區(qū)四：冷鐵材質選用低于鑄件熔點的材質。

如鑄鋼件、耐熱鑄鋼選用鑄鐵材質的冷鐵，由于鑄鐵的熔點低于鑄鋼件，鑄鋼件的澆注溫度一般在1520℃以上，往往由于冷鐵表面涂刷涂料不到位，就會造成冷鐵熔接，鑄件報廢。

冷鐵材質選用應不低于鑄件熔點的鐵材質材料和非材質材料。外冷鐵材質的選擇，其蓄熱能力和導熱性能要高于同時配套使用的造型材料，冷鐵材質的熔點必須不低于鑄件的熔點，防止冷鐵熔接。

（5）設計誤區(qū)五：產品的種類多，專用冷鐵多。

由于產品的種類多，冷鐵的設計種類繁多，專用冷鐵多，冷鐵的設計未成系列化、標準化，通用性不足，造成冷鐵的生產管理和質量控制困難，影響鑄件質量和生產效率。

冷鐵的設計應系列化、標準化，通用性要強，便于冷鐵的生產管理和質量控制。

（6）設計誤區(qū)六：忽視冷鐵的準確定位。

造型制芯時，冷鐵的準確定位非常關鍵，直接影響到冷鐵的激冷效果、鑄件尺寸精度及后續(xù)清理工作量。如果冷鐵不固定，造型制芯時易跑偏、移位甚至掉落。

冷鐵設計時不僅要考慮冷鐵的大小、位置，還要考慮冷鐵的準確定位問題。

（7）設計誤區(qū)七：冷鐵的擺放及排列組合整齊劃一。

設計外冷鐵之間間隙過大或過小，或者不留間隙，冷鐵的排列組合整齊劃一，造成鑄件激冷效果不均勻，產生裂紋缺陷。如果需要冷鐵在鑄件本體上作用的范圍大一些，就應該考慮冷鐵厚度不要太厚，形成厚度梯度，使冷卻影響區(qū)域遞減。

形成橫向梯度范圍，鑄件的冷卻模數遞減。冷鐵的擺放應留有適當間隔，冷鐵的排列組合應錯位放置，有必要形成冷卻作用效果遞減態(tài)勢。

（8）設計誤區(qū)八：忽視冷鐵設置處的鑄型排氣問題。

在鑄件的熱節(jié)及激冷區(qū)域放置冷鐵，雖然加快了鑄件冷卻速度，但同時影響了冷鐵設置處的鑄型排氣問題，造成排氣不暢，鑄件易產生氣孔、冷隔缺陷。

加強冷鐵設置處的鑄型排氣，加設排氣孔；有必要在外冷鐵表面開設排氣孔，冷鐵的非鐵水接觸面做成空的，有利于消除氣孔。

（9）設計誤區(qū)九：忽視冷鐵的冷卻效率問題。

冷鐵設置在內澆口區(qū)域，冷鐵所在位置的金屬液流量大，冷鐵的用量及尺寸又太小，導致冷鐵的冷卻效率降低，未起到應有的激冷效果，還會影響鑄件補縮。

冷鐵應偏離內澆口區(qū)域。

（10）設計誤區(qū)十：片面追求冷鐵的激冷效果，冷鐵越大激冷效果越好。

根據鑄件的模數及動態(tài)熱節(jié)合理確定冷鐵的尺寸大小，冷鐵越大雖然激冷效果好，但造成鑄件激冷過度，鑄件會產生縮凹缺陷。況且冷鐵尺寸設計大小及激冷效果還有一個臨界值。無論冷鐵厚度多少，其冷卻作用范圍只能到鑄件壁厚的一半。所以要確定合理的冷鐵尺寸大小及適合的激冷效果。

（11）管理誤區(qū)：忽視冷鐵預熱的重要性。

預熱是為了要避免冷鐵含有濕氣，防止鑄件產生氣孔缺陷。冷鐵和鑄件金屬的溫度差會影響到凝固過程中冷卻金屬的金相和石墨形態(tài)。特別是冬天，低溫阻礙造型制芯樹脂砂的硬化反應，造成冷鐵處鑄型緊實度差。所以冷鐵的預熱非常重要，它是冷鐵生產管理的一個重要工序。

（12）管理誤區(qū)：冷鐵管控不嚴，不限制冷鐵的使用次數。

對冷鐵的生產管理重視不夠，未形成有效的質量管控，沒有嚴格的冷鐵管理程序及操作作業(yè)指導書，造成冷鐵的制作使用不規(guī)范，并因此造成鑄件廢品嚴重，經濟損失大。外冷鐵經過多次使用，表層氧化嚴重，激冷能力下降，如果不規(guī)定限制冷鐵的使用次數，鑄件易產生冷鐵粘接，氣孔缺陷。

嚴格冷鐵質量管控，應規(guī)定限制冷鐵的使用次數，一般灰鐵冷鐵可使用 8～12次，石墨冷鐵可使用20～30次。（未完待續(xù)）

[1] 中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊：鑄造工藝卷[M].第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2011：379-394.

[2] 豆柱，等.冷鐵的初步研究[J].鑄造，1988（10）：23-30.