铸钢缩孔气孔系统分析改善

图1
横断面的宽厚比 4.0 : 1.0 3.0 : 1.0 2.0 : 1.0 1.5 : 1.0 1.0 : 1.0
补偿系数
1.0
1.25
1.5
1.7
2.0
铸件材质和浇注方式的补偿系数K2
材质和浇注方式 碳钢及低合金钢
上注
底注
补偿系数
1.0
1.25
高合金钢
上注
底注
1.25
1.56
厚实铸件的轴线缩松是很难消除的，对于一般铸件，轴线缩松只要不被切 削加工所显露，则不影响它的使用性能。
在铸件的末端区和冒口之间放外冷铁，冒口有效补缩距离如下：
从以上可以看出： ①冒口对板型件的有效补缩距离大于杆型件的有效补缩距离。 ②杆型件的末端区长度远大于冒口区长度。 ③使用外冷铁，可以有效的提高冒口的有效补缩距离。 另外，冒口的有效补缩距离还受以下因素的影响： ①厚实铸件的凝固区域变宽，冒口的有效补缩距离相对较小。 ②结晶温度范围较宽的铸钢，冒口的有效补缩距离较小；结晶温度范围较
钢水从液态冷却到常温的过程中，体积发生收缩。 在液态和凝固状态下，钢水的体积收缩可导致铸件产生缩孔、缩松。 冒口的作用就是补缩铸件，消除缩孔、缩松缺陷。另外，冒口还具有出 气和集渣的作用。以下就冒口设计的原则和位置设置说明
1.冒口设计的原则
1-1.冒口的凝固时间要大于或等于铸件（或铸件被补缩部分）的凝固时间。 1-2.冒口所提供的补缩液量应大于铸件（或铸件被补缩部分）的液态收缩、
保温套的堆密度一般控制在0.6～0.8g/cm3。保温套的厚度一般取保温冒 口模数的1～1.5倍，保温效果好的取下限。保温剂的用量约为冒口重量的 1.0～1.7%，冒口的上部不见红时，保温效果比较理想。在此条件下，保 温冒口的模数约为普通冒口模数的1.3～1.4倍，补缩效率为25～45。
9.冒口的形状与尺寸
2
3
补贴斜率（%） 10～11 9～10 8～9
4 6～8
5 5～7
对大型汽轮机缸体、泵体类薄壁型打压、探伤铸件的补缩，根据日本室 兰的经验，UT按ASTM标准，RT按ASME标准对不同补缩斜度的铸件进行 无损检测的结果，补缩斜度可按： 补缩斜度8%（1:12.5）可达1级 补缩斜度6%（1:16.6）可达2级 补缩斜度3%（1:33.3）可达3级
沉和缩孔缺陷。
改善的对策方向
(1)尽量降低注温度和浇注速度,浇注后期的补浇要充分到位。 (2)合理设计浇冒系统,壁厚小且均匀的铸件要采用同时凝固,壁厚大且不均
匀的铸件采用由薄向厚的顺序凝固,使铸件得到充分补缩。 (3)在铸件厚断面部位,合理放置内,外冷铁。 (4)尽量减少铸件的热节部位。
铸钢件冒口的设计原则
对于压力容器铸件和用于承受疲劳冲击应力的铸件，一般均随其工矿压 力、温度、应力状况和铸件壁厚的不同，分别允许存在射线探伤等级1～3 级的轴线缩松。一般铸钢件的轴线缩松允许4～5级。 据厚度为100～150mm介于杆-板之间的铸钢试验件的试验结果，射线探伤 质量等级与补贴斜率存在如下关系：
射线探伤质量等级 1
6-1.水平补贴 水平补贴可以按下图进行计算，
Mn= Axb/2(a+b-c)
6-2.垂直补贴 对于壁厚≤100mm碳素钢板状铸件，浇注系统为上注时，铸件的补贴厚
度如下图2 ：
根据铸钢件的形状、浇注位置和钢种的不同，补贴厚度=K1K2a，K1 为杆状 件补贴的补偿系数，K2 为铸件材质和浇注方式的补偿系数。 杆状件补贴的补偿系数K1
凝固收缩和型腔扩大量之和。 1-3.冒口和铸件需要补缩部分在整个补缩的过程中应存在通道。 1-4.冒口体内要有足够的补缩压力，使补缩金属液能够定向流动到补缩对
象区域，以克服流动阻力，保证铸件在凝固的过程中一直处于正压 状态，既补缩过程终止时，冒口中还有一定的残余金属液高度。
2.冒口设计的步骤:
2.1.对于大、中型铸钢件，分型面确定之后，首先要根据铸件的结构 划
按照冒口的保温性能可分为普通冒口和保温冒口；按照冒口的形状可分 为圆冒口和矩形冒口；按照冒口是否被砂型所覆盖可分为明冒口和暗冒 口。目前，在我厂铸钢件的生产过程中，直径小于（或等于）1600mm圆 冒口，一般采用保温冒口，直径大于1600mm圆冒口，一般采用普通冒口 。为了提高冒口的补缩距离（或延续度），可采用矩形冒口。在铸件的 上部一般采用明冒口，在铸件的下部一般采用暗冒口。
①一般小件（φ600mm）不铣齿的轮型件，冒口的延续度取25～35%。 ②中等高度和大小齿轮和齿圈（铣齿深度不超度4/10轮缘厚度），冒口的
延续度取36～40%。
③轮缘较高的双辐板、三辐板齿轮，冒口的延续度取38～42%。 ④高压缸类的受压与有探伤要求件，冒口延续度可取100%。
6.冒口补贴
对于致密度要求高的铸件，当冒口的补缩距离达不到时，应在冒口处设 置补贴造成向冒口方向的顺序凝固，以增加冒口的补缩距离。
1
0.9 0.9～0.85 0.85～0.80
3-2. 热节圆法 根据铸件壁厚部位热节圆的大小来确定冒口尺寸的一种方法。热节圆法主 要适用于轮形铸件，一般冒口与热节不连通，需要用滚热节圆的方法确定 冒口增肉，然后确定冒口尺寸。 可用绘图软件画出铸件热节的形状，然后画出热节的内切圆即为热节圆。
4.钢的体收缩率
7.冒口的补缩效率
不同类型的冒口的补缩效率η为：
冒口类型 明冒口、边冒口 暗顶冒口 球形暗冒口 保温冒口
η（%）
14
15
20
25～45
另外，冒口覆盖剂也能提高冒口的补缩效率。好的覆盖剂可以提高冒口 的补缩效率5%。
8.保温冒口
保温套主要分成：珍珠岩复合型保温套、纤维复合型保温套、空心微 珠复合型保温套和陶粒保温套。后两种可以做较大铸钢件的保温套。
的补缩通道畅通，综合设置内外冷铁及冒口增肉。 2.7.校核冒口的补缩能力，要求 ε（V冒+V件）≤V冒η。
3.设计冒口尺寸的方法
3-1.模数法 在铸件的材料、铸型的性质和浇注条件确定之后，铸件的凝固时间决
定于铸件的模数。 模数 M = V/ A（cm）
V---体积（cm3） A---散热面积（cm2）。 模数计算方法是：用绘图软件画出铸件（或铸件被补缩部分）的立体图， 计算出铸件的体积和散热面积，然后用公式 M=V/A 计算模数。 冒口的凝固时间大于铸件的凝固时间， 冒口的模数一般是铸件模数的1.1～1.2倍，M冒=1.1～1.2M铸 对于厚实铸件，如：圆柱体、块状铸件，用模数法确定的冒口往往偏大， 故必须采取一些方法加快铸件的凝固，同时延长冒口的凝固时间。通常 采用以下方法： ① 加放内、外冷铁；(对要求比较高的铸件、探伤件，尽量不放内冷铁)。 ②补浇冒口； ③采用保温冒口。
碳钢的体收缩率εC的大小与碳钢的含碳量和浇注温度有关。如下图：
合金元素
W
Ni
Mn
Cr
Si
Al
修正系数Ki -0.53 -0.0354 0.0585 0.12 1.03 1.7
合金钢的体收缩率 ε = εC+∑KiXi ，Xi为合金元素的含量
注: 以上修正系数只适用于低于1600℃时的体收缩。
5.冒口的有效补缩距离
分补缩范围，并计算铸件的模数（或铸件被补缩部分的模数）M铸 。
2.2.根据铸件（或铸件被补缩部分）的模数M铸，确定冒口模数M冒。
2.3.计算铸件的体收缩 ε 。
2.4.确定冒口的具体形状和尺寸。 2.5.根据冒口的补缩距离，校核冒口的数量。 2.6.根据铸件结构，为了提高补缩距离，减少冒口的数量，或者使冒 口
造型泥芯 砂芯排气
排气孔及数量
砂芯涂料
涂层厚度及表面
冷铁烘烤
冷铁外观及烘烤
四次因 生锈.镀锌.油脂 硅铝搅拌及静置不足
断续浇注/浇不满管
浇口比设计不合理 尺寸小排气孔太少 冒口高度低位能不足 砂箱砂型壁距离太近 各模穴之间距离太近
砂型吸潮或烘烤不足 烘烤后干燥层不足 排气孔少或堵塞 涂层过厚或破损吸潮 冷铁生锈或烘烤不足
次因
铸 钢 为 何 缩 孔 不 良 高
铸钢件缩孔的一般常识:
液态收缩的大小与浇注温度有关,钢液每降低100℃,体积约缩小0.78%~1.2%, 因此浇注温度越高,液态收缩越大。 1.凝固温度间隔窄的合金具有逐层凝固的特性,在顺序凝固条件下易形成集
中缩孔 2.浇注温度过高易产生缩孔 3.浇注系统.冒口.冷铁.补贴等设置不当,使铸件在凝困时得不到有效补缩 4.铸件结构不合理,壁厚变化突然,孤立的热节得不到补缩 5.冒口数量.尺寸.形状.设置部位以及冒口与铸件连接不合理,补缩效果差 6.内浇道尺寸或位置不当,使铸件不能顺序凝固或在铸件中形成局部热节 7.砂箱.芯骨刚度差,型.芯紧实度和强度低而不均,使铸件同时产生胀型.缩
铸钢缩孔气孔 不良分析改善
一次因 熔解浇注
二次因 熔解原物料 熔冶及出汤 砂模浇注
三次因 废钢品质 钢水除气 浇注吸气
浇注系统
浇口比设计
工艺设计 砂芯设计
为
何
钢水静压力
芯头尺寸/排气 浇口杯/冒口高
气
砂箱选用
砂箱尺寸偏小
孔
砂箱治具
不
一模多穴距布置
各模穴间距离
良 高
合箱贮存
合箱过久未浇注
砂型涂层
砂型含水或酒精
2.气孔缺陷的形成原因: ①工艺及设计方面的原因:
芯头设计过小，排气不畅，气体进入型腔形成气孔。因为来自砂芯的气体没 有通过芯头排除，而是富集于芯子周围的铸件中。另外，铸件本身形状扁薄 ，浇注位置低，直浇口不够高，金属液静压头小，气体不易外排而外界气体 易进入金属液，就会形成气孔。
② 砂箱及附具方面的原因:
铸钢件气孔的成因及防治
1.铸钢气孔的形态及类型: 铸件中的气孔根据其气体来源分为：侵入性气孔.析出性气孔.反应性气孔。 这些气孔有圆球状、扁圆形和不规则形状。 针状气孔和缩松可认为是析出性气孔的一种变态形式。
不同类型的气孔分布位置不同。一般来说，因钢水含气量大而产生的析出性 气孔分布于铸件的厚大部位、热节处和冒口下等处，且分布密集，由于其分 布的特点，这种缺陷往往难于消除和修复。
箱带及箱壁距型壁过近，即吃砂量小，或一箱多件，相互太近，都会造成砂 型太薄，妨碍气体流动，排气困难。如果上箱太浅，金属液压头不够，也容 易发生气孔。因为金属液对型壁与芯子的压力与金属液的内部静压力成正比 ，即与直浇口或冒口的高度成正比。如金属液的静压力小于型壁界面处气体 对它的浸透压，气体就会进入型腔，形成侵入性气孔。
③砂型、泥芯和造型方面的原因:
砂型烘干层不够厚、含水量高或合箱后不能立即浇注，型腔返潮是铸件产生 侵入性气孔的最主要
原因。浇注时高温金属液进入型腔，使砂型内水份蒸发，产生大量水蒸汽。 如这种水蒸气的压力大于金属液对型壁的压力，水蒸气就会进入型腔形成气 孔。许多铸件的下箱大面积气孔其来源主要是未烘干的地坑砂型中水蒸汽。
窄的铸钢，冒口的有效补缩距离较大。例如，含碳量为0.15%的碳素钢 比含碳量为0.30%的碳素钢的结晶温度范围较窄，冒口的有效补缩距离 较后者大30%。 ③使用发热冒口，可以增加冒口的有效补缩距离。
5-2.轮型件冒口的有效补缩距离 轮型件讲究冒口的延续度。冒口的延续度为冒口根部长度（沿轮型周 向）之和与轮形周长的比率，称为冒口的延续度。延续度的大小取决 于轮缘的厚度与其内在质量的要求程度。如铣齿齿轮、缸体其延续度 适当增加，不重要的且厚壁轮型件可适当减少。
因型砂干燥不良、含水量高而产生的侵入性气孔分布于铸件表面下一定深度 的地方。这类气孔是由水蒸汽(H20 ) 和金属液内的炭(C) ,合金元素以下金属 液自身含有的气体，这种气体有的以原子状态存在(O) ，有的以分子状态存 在(C02,CO, H,0 , 02) 发生化学反应后形成的。这种气体在钢液中能够稳定存 在，由于没有及时上升排除，进而形成气孔。带有皮下气孔的铸件可用消除 后焊补的办法修复，但由于这种缺陷分布面积大，往往给清理修复工作带来 很大麻烦，增加了铸件的成本。
采用以上措施后，M冒=KM铸，K按下表进行选择。
铸件壁厚 铸件模数
内冷铁及冒口补浇情况
≤100
不下内冷铁 局部下内冷铁
100～200
下内冷铁，冒口不补浇
下较多内冷铁，冒口不补浇
＞200
＞14.5 ＞23 ＞28.5
下满内冷铁，冒口补浇一次 下满内冷铁，冒口补浇二次 下满内冷铁，冒口补浇3～4次
K 1.25～1.2 1.2～1.1 1.1～1.0
冒口区与末端区之和称为冒口补缩距离，超出该距离，在铸件中间区产 生轴线缩松。
5-1.板件和杆件的补缩距离 通常把断面的宽厚比为5:1以上的称为板型件；断面的宽厚比为5:1以 下的称为杆型件。下图为碳钢（C=0.20～0.30%），板型件的厚度 ≤175mm、杆型件的厚度 ≤200mm 的冒口有效补缩距离。