冒口系統生產應用經驗

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

冒口系統生產應用經驗

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特殊修復措施（例如滲補）才能修復為可用的鑄件，多數此類鑄件必須報廢。

制造低缺陷率的鑄件需要在鑄造生產各階段均做出一定程度的技術努力。該技術工作包括區分大量原材料、能量和工藝，并反映在財務數據中。

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

計算鑄件出品率ηG的公式中包含的補縮系統質量mS和鑄件質量mT的商可用作鑄件加壓補縮所需技術補縮量的指標。出品率的定義為鑄件質量mT（不包括澆注系統和補縮系統的鑄件質量）和澆注質量mG（包括澆注系統和補縮系統的鑄件質量）的商。澆注質量mG包括鑄件質量mT、澆注系統質量mGi和補縮系統質量mS，關系式如下：

因此，鑄件出品率作為成本/收益率，代表鑄件生產中澆注和補縮技術的技術效率因子，它隨補縮系統質量和澆注系統質量的增加而減小。

所以，冒口系統質量必須在不影響冒口實際作用即補償金屬液凝固過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所示實例中，鑄件材質為球墨鑄鐵，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、冒口和內澆道的騎士雕像

圖2　普通冒口、發熱冒口和微型冒口的對比（亞世科化學補縮系統）

二、冒口系統應滿足的要求

所有金屬受熱膨脹遇冷收縮，其體積變化與溫度的關系如圖3所示。

體積變化取決于合金的性

質，常用鑄造材料收縮值（指導值）見附表。

制造鑄件時，必須對金屬液冷卻或凝固時發生的體積變化進行補償。灰鑄鐵和球墨鑄鐵在凝固過程（石墨析出過程中的膨脹階段）中還會出現體積膨脹。凝固過程中發生的體積變化分為液態收縮、凝固收縮和固態收縮。只有凝固收縮與澆注和補縮技術有關，因為這種體積變化必須使用補縮技術進行補償。固態收縮對模型構造很重要，因為模型必須創建的比這個百分比量大。

為保證補縮作用足夠，冒口系統必須符合以下基本要求：

第一，冒口凝固時間必須比需要補縮的鑄件凝固時間長。

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

第三，在鑄件的收縮過程中，即從液態轉變為固態的過程中，冒口必須儲存足夠補償鑄件體積收縮的金屬液。

第四，功能正常的冒口的補縮效率必須能擴張到最大。但是，基于技術安全的原因，最佳的冒口尺寸和設計必須限制冒口內的收縮孔深度不超過冒口高度的80%。圖4和圖5展示了利用優化的冒口形狀和發熱材料對吸入功率的作用來提高補縮效率。如今經常使用的微型冒口表現出燃燒時間非常長的特點，即補縮所需的材料可以減到最少，或者說吸入的體積達到最大值，結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組合相比，微型冒口具有明顯更長的燃燒時間（亞世科化學補縮系統）。帶蓋冒口補縮效率約30%，微型冒口補縮效率約70%。

（1）在鑄件收縮過程中，只有在冒口內的金屬液保持與空氣的持續接觸才能保證冒口的作用。如果隨著冒口壁的凝固，冒口處過早形成封閉的凝固硬皮，冒口內金屬液與空氣間的接觸受阻，大氣壓引起的位移作用就會消失。如果冒口是明冒口，則可以通過添加保溫物質或發熱物質以保持與空氣的接觸，然而暗冒口的冒口區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用于一系列的設計中，例如在自然形成的冒口上作為威廉氏點或威廉氏棒，或作為由硅砂或發熱物質制成的威廉氏砂芯，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系

鑄造材料收縮值

圖4　改進的幾何結構提高補縮效率（亞世科化學補縮系統）

圖5　可“加熱”冒口的發熱材料進一步提高吸入功率（亞世科化學補縮系統）

（2）凝固過程中必須確保有持續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此至關重要。不允許形成局部隔離的熔融區或凝固晚的熔融區，這些區域會導致金屬液不能正常供

應。定向凝固是冒口作用不出現問題的先決條件。

三、冒口系統應用指南

不同種類冒口的可用性不單取決于鑄件結構（形狀和尺寸），還受一系列技術條件的影響。由此，可以得出一些通用的應用要求和指南。設計和安排冒口系統時應將這些因素考慮在內。

（1）冒口應根據鑄件的形狀和尺寸進行最佳設計，以確保鑄件補縮的經濟可行性。

（2）冒口應易于成形。

（3）冒口不得阻礙鑄件收縮。

（4）冒口應易于去除。

（5）對于因結構不能或不得進行機械加工的鑄件，應盡可能避免直接在其表面放置冒口

（6）應優先選擇使用具有大氣壓效應的圓柱形暗冒口，因為這種冒口具有以下優點：無論鑄造條件如何，由于冒口金屬液體積固定，因此補縮作用穩定；良好的補縮效果得益于冒口內的縮孔腔，因為收縮孔一般形成于鑄件的上部區域；暗冒口容易成形，尤其是機器造型時；暗冒口內可能的壓力應用，從而減少微觀縮孔。

（7）制造大型鑄件時推薦使用明冒口，因為可以向冒口內重新填充金屬液，或者冒口表面由發熱物質覆蓋。

（8）當同時補縮多個鑄件時（組冒口），以及因鑄件表面高度結構化而無法使用頂部冒口時，應使用側冒口。暗側冒口應超出鑄件上緣至少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法使用氧化燃料切割的鑄鋼件中有著特別明顯的優勢。

四、進一步發展

1. 微型冒口

鑄造公司的生產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熱冒口有著明顯的優勢（見圖7）。

由圖7可看出，與普通冒口和發熱冒口相比，使用微型冒口時具有更高的生產率和出品率。

2. 彈簧銷

為防止強放熱物質與鑄件之間直接接觸產生負面影響，彈簧銷在行業中越來越受到青睞，同時，它還能使冒口的接觸面積減小。在彈簧銷技術中，冒口巧妙地利用模具向下運動對冒口和鑄件間的型砂層施加壓力，從而達到最佳模制和精確的模具輪廓，甚至冒口周圍的區域也能受此正面影響。

3. 易割片

覆膜砂易割片簡化了冒口的去除。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。現代成形系統的進一步發展還暴露出了另一個弱點：覆膜砂易割片不能承受持續增加的壓力，進而可能導致鑄造缺陷。覆膜砂易割片還可能導致模型磨損，也同樣會在鑄件表面上有所表現（見圖9）。

圖6　微型冒口的發熱曲線

圖7　與普通冒口和發熱冒口相比，使用微型冒口時具有更高的生產率和出品率

要出現相應的發熱形成橫向收縮，開發帶有內部彈簧的創新性彈簧銷是不可缺少的一步（見圖10）。得益于彈簧銷技術，易割片的發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動中對冒口下的型砂施加壓力。同時，易割片形成所需的橫向收縮，使去除簡單化。

五、加熱影響冒口凝固

與冒口保溫一樣，通過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該技術措施可作為首選。發熱混合物放出的熱量延長了冒口凝固的時間。這可使冒口尺寸減小，從而提高鑄件出品率。大量研究發熱混合物對所需冒口尺寸影響的試驗表明，這些發熱物質的放熱反應產生的凝固延遲作用可以顯著縮小冒口尺寸。

為加熱冒口，發熱粉末（鋁熱劑混合物）通常用于覆蓋明冒口，而由發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），降低反應速率的填充物（硅砂、耐火粘土、珍珠巖、混凝土）和粘結劑（水玻璃、樹脂）。特定的組分在反應中具有特殊的作用。例如，硝酸鹽使點燃混合物更容易并可加快燃燒。氟化物降低著火點，還能加強鋁熱反應。由于近年原材料短缺，鑄造廠在生產過程中經常會使用高質量輔助材料，以防止出現可能的波動。在此，現代冒口系統通過最優化性能已經成為確保生產過程中的可靠性和效率的一個重要因素。毫無疑問，現有技術的冒口不含致癌性纖維，僅排放最低限度的有機物，這都歸功于無機粘結劑的使用，這減少了鑄造廠內的氣體污染，降低了氣孔缺陷率，還可保護員工的健康。

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

在20世紀90年代中期，亞世科化學補縮系統公司是首個生產出完全無氟冒口的制造商。這為提高鑄造業循環砂的質量以及防止表面缺陷做出了重要貢獻。同時，它減少了因處理舊砂造成的污染，并幫助削減了處理費用。如此，冒口技術的最新發展對確保鑄造業的競爭優勢做出了持續性的貢獻。

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

20150205

鏈接：2015年3月31～4月3日，上海，中國國際鑄造博覽會，亞世科化學展位：1號館，1M11

作者簡介：Dipl.-Ing. Stefan Fischer，亞世科化學補縮系統有限公司歐洲產品經理；Dipl.-Ing. Udo Skerdi，亞世科化學補縮系統有限公司總經理；Dr. mont. Stephan Hasse, 鑄造技術及工程股份有限公司總經理。