冷铁设计

冷铁的设计一、冷铁的定义为增加铸件局部冷却速度，在砂型、砂芯表面或型腔内安放的金属激冷物。

二、冷铁的分类冷铁分为内冷铁和外冷铁。

1.内冷铁：将金属激冷物插入铸件型腔中需要激冷的部位，使合金激冷并同铸件熔为一体，这种金属激冷物称为内冷铁，内冷铁主要用于黑色金属厚大铸样。

使用内冷铁的注意事项是：（1）使用前，内冷铁要喷丸或喷砂处理，去除表面锈蚀和油污，常镀锌或镀锡防氧化。

（2）砂型内放置内冷铁后应在3h—4h内浇注，防止内冷铁上聚集水分而产生气孔。

对放有较多内冷铁的铸型，浇注前最好用喷灯加热，去除内冷铁表面的水分。

（3）承受高温、高压和质量要求很高的铸件，不宜放内冷铁。

（4）放内冷铁的铸型上方应有出气孔，如上方是暗冒口，冒口上也应有较大的出气孔。

（5）采用栅状内冷铁时，单根冷铁的直径不大于30mm。

（6）内冷铁在铸件加工后不得暴露，以免影响铸件的力学性能。

2.外冷铁：外冷铁又分为直接外冷铁和间接外冷铁两类。

（1）直接外冷铁是只与铸件的部分内外表面接触而不熔接在一起的金属激冷物，实际上它成为铸型或型芯的部分型腔表面。

（2）间接外冷铁同被激冷铸件之间有10～15mm厚的砂层相隔，故又称隔砂冷铁、暗冷铁。

间接外冷铁激冷作用弱，应用较少。

使用外冷铁的注意事项为：（1）外冷铁紧贴铸件表面的部位应光洁，除去锈污等各种脏物，有时要刷涂料。

(2）对于易产生裂纹的铸造合金浇注的铸件，使用外冷铁时应带有一定的斜度（如45°），以免型砂和冷铁分界处因冷却速度差别过大而形成裂纹。

应做成图1中（b），（c）的形式。

对铸铁和一般铸铜件，（a）、（b）、（c）均适用。

、图1外冷铁形式三、冷铁的作用1.与浇注系统和冒口配合控制铸件的凝固次序。

2.加速铸件的凝固速度，细化晶粒组织，提高铸件的力学性能。

3.减小冒口尺寸，提高工艺出品率。

4.在铸件难以设置冒口的部位，放置冷铁可防止缩孔，缩松。

5.在局部部位使用冷铁可控制铸件的顺序凝固，增加冒口的补缩距离。

6.消局部热应力，防止裂纹。

四、冷铁材料的选择可以制作冷铁的材料很多，凡是比砂型材料的热导率、蓄热系数大的金属和非金属材料均可选用。

生产中常用的冷铁材料有铸铁、铝合金、石墨和铜合金等，各种冷铁材料的热物理系数见下表1。

表1各种冷铁材料的热物理性能五、冷铁的设计冷铁的设计是铸造工艺设计的一个重要组成部分，它对获得合格、优质铸件起着很大的作用。

设计冷铁的主要内容是确定冷铁放置的位置，冷铁的形状和尺寸。

1.冷铁安放位置的确定冷铁能否充分发挥作用，关键在于安放的位置是否合理。

确定冷铁在铸型中的位置，主要取决于要求冷铁所起的作用以及铸件的结构、形状，同时还需要考虑冒口和浇注系统的位置。

（1）要求冷铁所起作用的分析:对需要自下而上顺序凝固的铸件，一般将冷铁放在铸型的下部。

对于铸件上的某些局部热节，为使其早凝固或整个铸件同时凝固，冷铁自然应放于热节部位，或热节附近。

结晶温度间隔宽的合金，常在转角处产生热裂和缩松，若在转角处设里冷铁，对防止热裂有明显的作用。

（2）铸件结构的分析:在不宜安放冒口的厚大部位一般均应放冷铁，靠近内浇道处，或被金属液所包围的型芯部位，散热条件很差，也应该放冷铁。

壁厚较大的镁合金平板类铸件，水平浇注时，由于水平面积较大，易于燃烧，在铸件底部放冷铁，可以减少铸件的燃烧缺陷。

但对于薄壁平板件，则尽量少用或不用冷铁，即使非用不可时，也不应在大面积上使用冷铁，避免铸件产生浇不到缺陷。

（3）与冒口配合使用由于冷铁没有补缩作用，铸件和热节的补缩仍由冒口供给，所以冷铁位置的确定应和冒口的位置同时考虑。

冷铁位置应与冒口有一定的距离，使铸件凝固时沿着从安放冷铁部位向冒口方向顺序凝固，有人称冷铁与冒口之间的距离为冷铁的作用距离.冷铁作用距离与冷铁材料的热物理性能、铸件的合金种类及壁厚尺寸有关。

合金结晶温度间隔越宽，铸件壁厚越小，铸件技术要求越高，冷铁与冒口之间距离应相应缩小。

（4）浇注系统及引入位置的影响:选择冷铁安放位置时，还要考虑浇注系统及引入位置对铸件温度分布和冷铁作用的影响。

采用底注式浇注系统时，一般均在铸件底部放置冷铁。

采用缝隙式浇注系统时，除在铸件底部放冷铁外，还应在远离缝隙处(两个立缝之间)放置冷铁，增大立筒的横向补缩作用。

2.冷铁形状的确定冷铁的形状取决于使用冷铁部位铸件的形状和冷铁所应起的作用.常用冷铁分为成型冷铁和平面冷铁两类，其形状如图2所示。

在铸件理论型面及转角处一般使角成型冷铁，冷铁的形状应与放置冷铁的铸件形状相符合。

在铸件底部、端部和平面部分，常放置平面冷铁。

实际生产中常使用长方形、圆形、方形的冷铁。

其厚度一般为10，12, 15, 20, 30mm。

也常制出一批长、宽尺寸不同、直径不同的标准冷铁供生产中选用。

这样有利于管理、有利于缩短试制和全产周期。

图2 冷铁的形状3.冷铁尺寸的确定（1）外冷铁①外冷铁的厚度根据经验，外冷铁的厚度见下表2表2 外冷铁的厚度序号适用条件外冷铁的厚度序号适用条件外冷铁的厚度1 灰铁铸件δ=（0.25～0.5）T 4 铸钢件δ=（0.3～0.8）T2 球墨铸铁件δ=（0.3～0.8）T 5 铜合金件δ=（0.6～1.0）T3 可锻铸铁件δ=1.0T 6 轻合金件δ=（0.8～1.0）T注：T—铸件热节圆直径。

对轻合金件，当T大于2.5倍铸件壁厚时，需配合冒口使用。

②外冷铁的工作表面积:冷铁有一定的激冷面积，对铸件的大平面，尤其是铸钢件大平面不宜放置壁厚不变的大块冷铁.在大型铸钢件的厚壁平面上常散布若干小块冷铁来组成冷铁组，这样常要计算一个冷铁能激冷多大面积，即要计算冷铁的工作表面积。

设在铸件底面和内侧面的外冷铁，在重力和铸件收缩力作用下同铸件表面紧密接触，称为无气隙外冷铁;设在铸件顶部和外侧的冷铁属于气隙外冷铁。

相关文献指出，对于铸钢件，无气隙外冷铁的激冷效果，相当于在原有砂型的散热表面上，净增了两倍的冷铁工作表面积(A s=A o+2A c1):有气隙外冷铁的效果，相当于在原有的砂型散热面积上净增了一倍的冷铁工作表面积(A s =A o +A c2)。

应用了外冷铁使铸件凝固时间缩短，相当于使铸件模数由M o 减小为M 1，由此可导出外冷铁工作表面积As 。

对无气隙外冷铁有1010000012)(22M M M M V M V M V A A A s c -=-=-= （1） 对有气隙外冷铁有1010*******)(M M M M V M V M V A A A s c -=-=-= （2） 上两式中 V 0 —铸件被激冷处的体积;A c ，A s ，A 0 —冷铁工作表面积、砂型等效面积、铸件的表面积; M 0，M 1—铸件原模数，使用冷铁后铸件的等效模数。

1200012c c s A A A V A V M ++==（3） 其中A c1，A c2为无气隙、有气隙冷铁工作面积。

铸造设计人员可依工艺需要确定M1的大小，然后利用式（1）,（2）计算出外冷铁的工作表面积.当实现同时凝固时，M 1等于热节四周薄壁部分的模数;实现顺序凝固时，M 1=(0.83～0.91)M p ，M p 是热节旁补缩壁的模数。

经验证明，只有满足M p ≥0.67M o 的条件下，才能用外冷铁消除热节的影响。

③ 外冷铁的重量为防止外冷铁被铸件熔接，应计算或校核外冷铁的重量。

原理：假定设置冷铁部位的铸件体积为0V ，并且假定与这一部位邻接的铸件的体积为r V ，而且 0V >r V 。

为了获得致密的铸件，至少在设置了冷铁以后，它的凝固时何应与r V 的凝固时间相等才能实现。

因体积差关重量差)引起的热量差()()0r V V L U ρ-+应由所设置的冷铁来吸收，才能使得它们豹凝固时间相同或相近。

所需冷铁的重盘，按热平衡的条件为()()()0=r L U G V V Kg t cρ+-冷冷由于 000rr M M V V V M --=因此 ()0r=L U M M G V t cM ρ+-冷冷假定钢液浇注到砂型后的温度(即与冷铁接触时的温度)为1550℃和凝固结束 时冷铁的温度为600℃，则 0r=7.4M M G V M -冷式中 0V ——设置冷铁部位的铸件体积()3dm ; r V ——与设置冷铁部位相邻的铸件体积()3dm ； L ——凝固潜热(kJ/Kg);U ——过热度所含的热给（kJ/kg); t 冷——凝周结束时冷铁的温度(℃); c ——比热容(kJ/Kg ℃);G 冷——为所需冷铁的重量k(g)。

（2）内冷铁内冷铁的激冷作用比外冷铁强，通常是在外冷铁激冷作用不足时才使用内冷铁，主要用于壁厚而技术要求不太高的铸件上，特别是铸钢件。

设计注意：各种冷铁的尺寸一般不宜过大，长度尺寸不大于200mm 。

冷铁尺寸过大，反复使用后会出现变形，既降低冷铁的激冷作用，又影响铸件尺寸精度。

较长或面积较大的冷铁，应分块使用，冷铁与冷铁之间应留有间隙。

冷铁之间的间隙一般为3～5mm ，间隙过小，造型时间隙中的型砂不易紧实，合箱时易掉砂，并易钻入金属液，形成披缝，阻碍铸件的收缩造成热裂缺陷。

间隙过大，在间隙处形成热节，出现缩松和缩裂缺陷。

冷铁的厚度大小应逐步向边缘处减薄，使激冷作用缓和过渡，避免铸件在冷铁边缘产生裂纹，对于镁合金铸件，尤为重要。

内冷铁的激冷作用比外冷铁大得多，所以用量要适当。

如内冷铁重量过大，则不能 很好地熔合，影响铸件的机械性能，严重时引起铸件裂纹。

重量过小则不能有效消除缩 孔、缩松。

内冷铁重量的经验估算公式为：)8.2012G G G -=（冷式中： 冷G —内冷铁重量（kg ）；2G —铸件厚处重量（kg ）；1G —铸件薄处重量（kg ）；0.28—换算系数。

冷铁工作表面一般应开设通气槽。

回用冷铁应进行吹砂处理，以去除表面的旧砂、油污和氧化物。

冷铁工作表面应涂敷石英砂，防止冷铁和铸件熔焊在一起。