铸造工艺-冷铁设计

冷铁设计
冷铁分为内冷铁和外冷铁。

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。

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。

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。

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。

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。

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:
（2）铸件结构的分析:
（3）与冒口配合使用
（4）浇注系统及引入位置的影响:
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。

冷铁尺寸的确定
（1）外冷铁
①外冷铁的厚度
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
10100
001002)(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。

0002A 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。

（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。

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。