Dipl.-Ing. Stefan Fischer，Dipl.-Ing. Udo Skerdi，Dr. mont. Stephan Hasse

冒口系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

Dipl.-Ing. Stefan Fischer，Dipl.-Ing. Udo Skerdi，Dr. mont. Stephan Hasse

一、概述

在鑄造缺陷中，體積缺陷(宏觀縮孔、微觀縮孔、縮痕)是報(bào)廢的常見原因。具有體積缺陷的鑄件只有在特殊情況下通過(guò)特殊修復(fù)措施（例如滲補(bǔ)）才能修復(fù)為可用的鑄件，多數(shù)此類鑄件必須報(bào)廢。

制造低缺陷率的鑄件需要在鑄造生產(chǎn)各階段均做出一定程度的技術(shù)努力。該技術(shù)工作包括區(qū)分大量原材料、能量和工藝，并反映在財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)中。

使用冒口系統(tǒng)對(duì)體積缺陷有著較好的抑制效果，通過(guò)在鑄件內(nèi)或表面使用外部或內(nèi)部冷卻元素以及保溫發(fā)熱冒口，或特定鑄件（可控定向凝固），通常能夠優(yōu)化冒口系統(tǒng)的作用。而使用冒口則意味著在鑄件制造中增加支出（見圖1）。

計(jì)算鑄件出品率ηG的公式中包含的補(bǔ)縮系統(tǒng)質(zhì)量mS和鑄件質(zhì)量mT的商可用作鑄件加壓補(bǔ)縮所需技術(shù)補(bǔ)縮量的指標(biāo)。出品率的定義為鑄件質(zhì)量mT（不包括澆注系統(tǒng)和補(bǔ)縮系統(tǒng)的鑄件質(zhì)量）和澆注質(zhì)量mG（包括澆注系統(tǒng)和補(bǔ)縮系統(tǒng)的鑄件質(zhì)量）的商。澆注質(zhì)量mG包括鑄件質(zhì)量mT、澆注系統(tǒng)質(zhì)量mGi和補(bǔ)縮系統(tǒng)質(zhì)量mS，關(guān)系式如下：

因此，鑄件出品率作為成本/收益率，代表鑄件生產(chǎn)中澆注和補(bǔ)縮技術(shù)的技術(shù)效率因子，它隨補(bǔ)縮系統(tǒng)質(zhì)量和澆注系統(tǒng)質(zhì)量的增加而減小。

所以，冒口系統(tǒng)質(zhì)量必須在不影響冒口實(shí)際作用即補(bǔ)償金屬液凝固過(guò)程中體積變化的情況下，盡可能保持在較低的水平（見圖2）。

圖2所示實(shí)例中，鑄件材質(zhì)為球墨鑄鐵，立方體鑄件重量為28.7kg，普通冒口的鐵液重量為23.0kg，與鑄件接觸面積為153.8cm2；發(fā)熱冒口的鐵液重量是8.4kg，與鑄件接觸面積為73.5cm2；而微型冒口的鐵液重量只有1.3kg，與鑄件接觸面積為19.6cm2。

圖1　帶有澆口、冒口和內(nèi)澆道的騎士雕像

圖2　普通冒口、發(fā)熱冒口和微型冒口的對(duì)比（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）

二、冒口系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求

所有金屬受熱膨脹遇冷收縮，其體積變化與溫度的關(guān)系如圖3所示。

體積變化取決于合金的性

質(zhì)，常用鑄造材料收縮值（指導(dǎo)值）見附表。

制造鑄件時(shí)，必須對(duì)金屬液冷卻或凝固時(shí)發(fā)生的體積變化進(jìn)行補(bǔ)償。灰鑄鐵和球墨鑄鐵在凝固過(guò)程（石墨析出過(guò)程中的膨脹階段）中還會(huì)出現(xiàn)體積膨脹。凝固過(guò)程中發(fā)生的體積變化分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。只有凝固收縮與澆注和補(bǔ)縮技術(shù)有關(guān)，因?yàn)檫@種體積變化必須使用補(bǔ)縮技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。固態(tài)收縮對(duì)模型構(gòu)造很重要，因?yàn)槟Ｐ捅仨殑?chuàng)建的比這個(gè)百分比量大。

為保證補(bǔ)縮作用足夠，冒口系統(tǒng)必須符合以下基本要求：

第一，冒口凝固時(shí)間必須比需要補(bǔ)縮的鑄件凝固時(shí)間長(zhǎng)。

第二，冒口頸（冒口和鑄件之間的連接管道）的凝固時(shí)間必須不短于鑄件的凝固時(shí)間。

第三，在鑄件的收縮過(guò)程中，即從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程中，冒口必須儲(chǔ)存足夠補(bǔ)償鑄件體積收縮的金屬液。

第四，功能正常的冒口的補(bǔ)縮效率必須能擴(kuò)張到最大。但是，基于技術(shù)安全的原因，最佳的冒口尺寸和設(shè)計(jì)必須限制冒口內(nèi)的收縮孔深度不超過(guò)冒口高度的80%。圖4和圖5展示了利用優(yōu)化的冒口形狀和發(fā)熱材料對(duì)吸入功率的作用來(lái)提高補(bǔ)縮效率。如今經(jīng)常使用的微型冒口表現(xiàn)出燃燒時(shí)間非常長(zhǎng)的特點(diǎn)，即補(bǔ)縮所需的材料可以減到最少，或者說(shuō)吸入的體積達(dá)到最大值，結(jié)果是出品率顯著提高（見圖6）。

從圖6可以看出，與帶圓柱形冒口蓋的傳統(tǒng)組合相比，微型冒口具有明顯更長(zhǎng)的燃燒時(shí)間（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）。帶蓋冒口補(bǔ)縮效率約30%，微型冒口補(bǔ)縮效率約70%。

（1）在鑄件收縮過(guò)程中，只有在冒口內(nèi)的金屬液保持與空氣的持續(xù)接觸才能保證冒口的作用。如果隨著冒口壁的凝固，冒口處過(guò)早形成封閉的凝固硬皮，冒口內(nèi)金屬液與空氣間的接觸受阻，大氣壓引起的位移作用就會(huì)消失。如果冒口是明冒口，則可以通過(guò)添加保溫物質(zhì)或發(fā)熱物質(zhì)以保持與空氣的接觸，然而暗冒口的冒口區(qū)則必須使用多孔砂芯插入物或伸入冒口型腔的砂緣（威廉氏楔）。威廉氏砂芯目前已應(yīng)用于一系列的設(shè)計(jì)中，例如在自然形成的冒口上作為威廉氏點(diǎn)或威廉氏棒，或作為由硅砂或發(fā)熱物質(zhì)制成的威廉氏砂芯，在冒口模型上成形或插入冒口型腔。

圖3　體積變化與溫度的關(guān)系

鑄造材料收縮值

圖4　改進(jìn)的幾何結(jié)構(gòu)提高補(bǔ)縮效率（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）

圖5　可“加熱”冒口的發(fā)熱材料進(jìn)一步提高吸入功率（亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)）

（2）凝固過(guò)程中必須確保有持續(xù)的金屬液從冒口流入鑄件。位于鑄件和冒口連接處的冒口頸的交叉部分及其性能對(duì)此至關(guān)重要。不允許形成局部隔離的熔融區(qū)或凝固晚的熔融區(qū)，這些區(qū)域會(huì)導(dǎo)致金屬液不能正常供

應(yīng)。定向凝固是冒口作用不出現(xiàn)問(wèn)題的先決條件。

三、冒口系統(tǒng)應(yīng)用指南

不同種類冒口的可用性不單取決于鑄件結(jié)構(gòu)（形狀和尺寸），還受一系列技術(shù)條件的影響。由此，可以得出一些通用的應(yīng)用要求和指南。設(shè)計(jì)和安排冒口系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將這些因素考慮在內(nèi)。

（1）冒口應(yīng)根據(jù)鑄件的形狀和尺寸進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，以確保鑄件補(bǔ)縮的經(jīng)濟(jì)可行性。

（2）冒口應(yīng)易于成形。

（3）冒口不得阻礙鑄件收縮。

（4）冒口應(yīng)易于去除。

（5）對(duì)于因結(jié)構(gòu)不能或不得進(jìn)行機(jī)械加工的鑄件，應(yīng)盡可能避免直接在其表面放置冒口

（6）應(yīng)優(yōu)先選擇使用具有大氣壓效應(yīng)的圓柱形暗冒口，因?yàn)檫@種冒口具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)論鑄造條件如何，由于冒口金屬液體積固定，因此補(bǔ)縮作用穩(wěn)定；良好的補(bǔ)縮效果得益于冒口內(nèi)的縮孔腔，因?yàn)槭湛s孔一般形成于鑄件的上部區(qū)域；暗冒口容易成形，尤其是機(jī)器造型時(shí)；暗冒口內(nèi)可能的壓力應(yīng)用，從而減少微觀縮孔。

（7）制造大型鑄件時(shí)推薦使用明冒口，因?yàn)榭梢韵蛎翱趦?nèi)重新填充金屬液，或者冒口表面由發(fā)熱物質(zhì)覆蓋。

（8）當(dāng)同時(shí)補(bǔ)縮多個(gè)鑄件時(shí)（組冒口），以及因鑄件表面高度結(jié)構(gòu)化而無(wú)法使用頂部冒口時(shí)，應(yīng)使用側(cè)冒口。暗側(cè)冒口應(yīng)超出鑄件上緣至少25mm。

（9）使用帶易割片的冒口可減少去除冒口所需的工作量。帶易割片的易割冒口在無(wú)法使用氧化燃料切割的鑄鋼件中有著特別明顯的優(yōu)勢(shì)。

四、進(jìn)一步發(fā)展

1. 微型冒口

鑄造公司的生產(chǎn)效率很大程度上取決于完工鑄件所需的清潔工作。在這方面，微型冒口相較于普通和發(fā)熱冒口有著明顯的優(yōu)勢(shì)（見圖7）。

由圖7可看出，與普通冒口和發(fā)熱冒口相比，使用微型冒口時(shí)具有更高的生產(chǎn)率和出品率。

2. 彈簧銷

為防止強(qiáng)放熱物質(zhì)與鑄件之間直接接觸產(chǎn)生負(fù)面影響，彈簧銷在行業(yè)中越來(lái)越受到青睞，同時(shí)，它還能使冒口的接觸面積減小。在彈簧銷技術(shù)中，冒口巧妙地利用模具向下運(yùn)動(dòng)對(duì)冒口和鑄件間的型砂層施加壓力，從而達(dá)到最佳模制和精確的模具輪廓，甚至冒口周圍的區(qū)域也能受此正面影響。

3. 易割片

覆膜砂易割片簡(jiǎn)化了冒口的去除。冒口在接近鑄件的地方斷裂，從而減少了清理工作。但是，這種方法需要較大的接觸面積。現(xiàn)代成形系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展還暴露出了另一個(gè)弱點(diǎn)：覆膜砂易割片不能承受持續(xù)增加的壓力，進(jìn)而可能導(dǎo)致鑄造缺陷。覆膜砂易割片還可能導(dǎo)致模型磨損，也同樣會(huì)在鑄件表面上有所表現(xiàn)（見圖9）。

圖6　微型冒口的發(fā)熱曲線

圖7　與普通冒口和發(fā)熱冒口相比，使用微型冒口時(shí)具有更高的生產(chǎn)率和出品率

要出現(xiàn)相應(yīng)的發(fā)熱形成橫向收縮，開發(fā)帶有內(nèi)部彈簧的創(chuàng)新性彈簧銷是不可缺少的一步（見圖10）。得益于彈簧銷技術(shù)，易割片的發(fā)熱材料再也不需直接與鑄件接觸，取而代之的是在向下的運(yùn)動(dòng)中對(duì)冒口下的型砂施加壓力。同時(shí)，易割片形成所需的橫向收縮，使去除簡(jiǎn)單化。

五、加熱影響冒口凝固

與冒口保溫一樣，通過(guò)加熱冒口也能顯著減小有效冒口的尺寸。在鑄造銅基或鐵基合金時(shí)該技術(shù)措施可作為首選。發(fā)熱混合物放出的熱量延長(zhǎng)了冒口凝固的時(shí)間。這可使冒口尺寸減小，從而提高鑄件出品率。大量研究發(fā)熱混合物對(duì)所需冒口尺寸影響的試驗(yàn)表明，這些發(fā)熱物質(zhì)的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的凝固延遲作用可以顯著縮小冒口尺寸。

為加熱冒口，發(fā)熱粉末（鋁熱劑混合物）通常用于覆蓋明冒口，而由發(fā)熱混合物組成的冒口套及坯料則用于覆蓋冒口以及選定的鑄件。

發(fā)熱混合物包含可燃物（Al、Mg），含氧化合物（Fe2O3、NaNO3、KNO3、Mn2O3、SiO2），降低反應(yīng)速率的填充物（硅砂、耐火粘土、珍珠巖、混凝土）和粘結(jié)劑（水玻璃、樹脂）。特定的組分在反應(yīng)中具有特殊的作用。例如，硝酸鹽使點(diǎn)燃混合物更容易并可加快燃燒。氟化物降低著火點(diǎn)，還能加強(qiáng)鋁熱反應(yīng)。由于近年原材料短缺，鑄造廠在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)使用高質(zhì)量輔助材料，以防止出現(xiàn)可能的波動(dòng)。在此，現(xiàn)代冒口系統(tǒng)通過(guò)最優(yōu)化性能已經(jīng)成為確保生產(chǎn)過(guò)程中的可靠性和效率的一個(gè)重要因素。毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)有技術(shù)的冒口不含致癌性纖維，僅排放最低限度的有機(jī)物，這都?xì)w功于無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的使用，這減少了鑄造廠內(nèi)的氣體污染，降低了氣孔缺陷率，還可保護(hù)員工的健康。

將冒口材料燃燒后的殘余燒結(jié)，可使冒口殘留物易于分離，并能防止型砂循環(huán)被污染。

在20世紀(jì)90年代中期，亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)公司是首個(gè)生產(chǎn)出完全無(wú)氟冒口的制造商。這為提高鑄造業(yè)循環(huán)砂的質(zhì)量以及防止表面缺陷做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，它減少了因處理舊砂造成的污染，并幫助削減了處理費(fèi)用。如此，冒口技術(shù)的最新發(fā)展對(duì)確保鑄造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)做出了持續(xù)性的貢獻(xiàn)。

圖8　彈簧銷原理

圖9　具有易割片的成形冒口

圖10　具有特定斷裂邊緣的斷裂區(qū)

20150205

鏈接：2015年3月31～4月3日，上海，中國(guó)國(guó)際鑄造博覽會(huì)，亞世科化學(xué)展位：1號(hào)館，1M11

作者簡(jiǎn)介：Dipl.-Ing. Stefan Fischer，亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)有限公司歐洲產(chǎn)品經(jīng)理；Dipl.-Ing. Udo Skerdi，亞世科化學(xué)補(bǔ)縮系統(tǒng)有限公司總經(jīng)理；Dr. mont. Stephan Hasse, 鑄造技術(shù)及工程股份有限公司總經(jīng)理。