铸铁件均衡凝固工艺（连载二）作者：洪礼华）

老翻砂匠

第二节 铸铁件均衡凝固工艺（连载二）

二、接触热节：
1、接触热节的产生
人们较多的注意到是冒口的补缩作用，而往往忽视对铸件热干扰的副作用，长期以来，一般都是将冒口直接安放在铸件的热节处（此处即为接触热节），例如将冒口安放在板的中央，杆件的中部和轮缘与轮辐的交接处，这样必然要加大连接处的几何热节，以平板铸件为例（如图2-1），设平板壁厚为T，热节园直径亦为T，在平板中心安放一个直径为D的冒口，冒口和平板接触处的热节园直径为dy，则dy值随冒口直径D值变化趋势如表2-1所示：


表2-1   冒口直径与冒口和平板接触处热节园

在传统的冒口设计中，取冒口直径为铸件壁厚（或几何热节）的1.5倍，意在让冒口晚于铸件凝固，实际上，接触热节成为最后凝固的区域，冒口增大，更加大了冒口和铸件形成更大的T形热节，这就是铸铁件冒口根部常产生缩孔、缩松的原因之一。
2、中性热节
在铸件上安放冒口必然增加几何热节，但是考虑到金属的散热要大于型砂，考虑到冒口中的金属散热会减小接触热节，在增加热节和减小热节之间，存在这样一个冒口尺寸，在几何上增加热节的部分正好被物理上加速散热而减小热节的部分所抵消，这个尺寸称为中性尺寸，此时冒口和铸件接触处的热节称为中性热节，如图2-2所示。

                               
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图2-1：接触热节

                               
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图2-2：中性热节和中性棒

3、接触热节的防止和消除

（1）冒口不要放在铸件的几何热节上
（2）用边冒口代替顶冒口，如用压边冒口，飞边冒口，耳冒口等，避免采用园柱形，方形和腰园形顶冒口等。
（3）在冒口下面，侧面的铸件处安放冷铁，以消除或减小接触热节。
（4）将冒口颈做成中性棒体。
（5）从中性尺寸进一步缩小冒口颈，加大冒口体。

三、均衡凝固工艺原则
   1、均衡凝固
均衡凝固就是利用铁水在冷却凝固过程中的收缩和膨胀的动态叠加，采取工艺措施，使单位时间的收缩与补缩，收缩与膨胀按比例进行的一种凝固原则。

   2、均衡凝固工艺原则
（1）铸铁件的收缩值是不确定的，不能根据合金的种类或牌号给出一个确定的收缩值来决定冒口的尺寸，铸铁件的收缩值不仅和合金成分，浇注温度有关，还和铸件大小、结构、壁厚、铸型种类及浇注工艺方案等参数有关。

（2）越是薄小件越要强调补缩，薄小件可用浇口补缩，厚小件可用冒口补缩，厚大件可用小冒口，有限冒口或无冒口工艺。

（3）任何铸铁件都应以自补缩为主，因此，冒口不必要晚于铸件凝固，冒口在尺寸上或模数上可以小于铸件的壁厚或模数。

（4）铸件的冒口不应该，也不能放在铸件的热节上，冒口要靠近热节，以利于补缩，但冒口又要离开热节，以减小冒口对铸件的热干扰。

（5）浇冒口的开设位置要避开接触热节。

（6）铸铁件冒口自成系列，冒口颈要求做成短、薄、宽的理想形式，这是溢流冒口和无冒口铸造的保险冒口。

（7）铸件的厚壁热节放在浇注位置的下部，如果造成大平面处于上箱，可采用溢流冒口，保证大平面的表面质量。

（8）采用冷铁可平衡壁厚差，消除热节，冷铁除防止铸件厚壁及热节处缩松外，由于使铸件的一部分石墨化膨胀提前，有利于胀缩的早期叠加，使均衡点提前，减小冒口的尺寸，为此，冷铁不仅对安放冷铁的部位有作用，而且对铸件的整体亦有增强自补缩的作用，冷铁材质以普通灰铸铁为优，应该规定冷铁的使用次数，冷铁经过重复使用后，由于表面层氧化脱碳，形成微观孔洞和裂纹，是激冷能力下降，易与铸件熔接粘结，使铸件安放冷铁处产生气孔。

近期在冷铁材质上，有采用石墨做成各种成形冷铁，有取代灰铁做冷铁的趋势。

（9）优先采用顶注工艺，使先浇入的铁水尽快静止下来，提前石墨化膨胀，以提高自补缩的利用程度，对园形铸件，在不冲击中间芯子的前提下，优先采用径向和轴向引入，而避免采用切向引入，切向引入的铁水在铸型内不停地旋转，一是不平稳，二是铁水不能尽快静下来，会降低自补缩的利用程度。

   3、均衡凝固与顺序凝固的异同
均衡凝固和顺序凝固都强调铸件的补缩，均衡凝固的补缩技术，要强调铸件的自补缩，冒口只是补充自补不足的差额，冒口不必要晚于铸件凝固，冒口不应该放在铸件的热节上，冒口的补缩是有限的，顺序凝固的冒口强调冒口要晚于铸件凝固，冒口放在铸件最高的厚实部位或热节处。

4、均衡凝固与同时凝固的异同
均衡凝固和同时凝固都强调浇口或冒口要从铸件薄壁处引入，使铸件温差减小，以避免局部过热，同时凝固强调的是减小应力、裂纹与变形，而不考虑补缩，由于均衡凝固原则使冒口避开了铸件热节，使铸件在得到补缩的同时，也减小了应力、变形和裂纹。

四、均衡凝固工艺的应用实例

铸件名称：第一拖拉机厂越野汽车上的665气缸套。材质：HT200

化学成分：3.0~3.25%C，1.9~2.2%Si，0.8~1.0%Mn，<0.13%S，<0.2%P

铸件质量  15KG

型砂类别：煤粉湿型砂

造型方法：采用148气动震压式造型机造型

砂型硬度：75~85

熔化条件：12t/h冲天炉

浇注方法：250kg茶壶嘴包浇注

出炉温度：1380~1420℃

浇注温度：1280~1340℃

1、原铸造工艺
原工艺采用顺序凝固的设计原则，在横浇道上设置补缩暗冒口，冒口颈设在铸件最大热节处，如图2-4所示，这样是想将缩松与缩孔移到冒口内。
该铸件虽属老产品，但质量一直不稳定，工艺适应性窄，只要铸件化学成分稍有波动，废品率就急剧上升，仅1984年的平均废品率就达34.9%，其中冒口根部缩孔占废品总数的85.51%。  

2、改进方案的确定
为了解决缩孔问题，先后采用了四种工艺方案进行试验，前三种方案都依顺序凝固原则设计，冒口仍安放在铸件几何热节处，三种方案中依次增加了冒口及冒口颈截面尺寸（如表2-2所示），质量虽有好转，但废品率仍然较高。

               表2-2   顺序凝固工艺冒口尺寸（mm）


解剖废品发现缩孔深度在3~5mm，个别深度在10mm左右，其缩孔形状大都呈不规则的细条状，且晶粒粗大，分析原因有三。

    （1）由于铸件本身的结构造成的热节，在同样凝固条件下，将晚于其它部分凝固，且该部位散热条件较差，这在工艺上是不利的，由于该部位最后凝固，在凝固过程中，发生的液态收缩和凝固收缩得不到铁水的充分补缩而出现了缩孔。

（2）由于冒口颈正对热节，铁水在充满整个型腔过程中的过热时间长，这样就形成了新的接触热节，新出现的接触热节大于原来的几何热节，加之散热条件差，凝固时间增加，收缩时间也增加，使得现行的冒口不能进行有效的补缩，进而在热节处形成缩孔。

（3）其它如化学成分，浇注温度等的波动，对铸件质量也有一定的影响。

第四种方案按均衡凝固原则设计，冒口的安放位置应在避开热节又靠近热节的地方，使其既不加大热节，又能起到补缩作用，为此，我们设计了如图2-5所示的工艺方案，并在同样工艺条件下，就冒口的不同位置，做了对比试验，如表2-3所示。

                表2-3   均衡凝固工艺和顺序凝固工艺对比


图A铸件：冒口离开热节3min均衡凝固工艺，B铸件：靠近A铸件半边为均衡凝固工艺，冒口离开热节，靠近C铸件半边为顺序凝固，冒口放在热节上，C铸件：冒口放在热节上，顺序凝固工艺方案，图中D冒口离开热节9mm，E冒口放在热节上。

我们用均衡凝固理论改进工艺以后，生产了1414件气缸套，综合废品率为2.90%，其中缩孔单项废品率为0.78%，与老工艺对比，废品率下降了28.94%，取得了显著的经济效益。

用均衡凝固理论指导铸件工艺设计，解决了顺序凝固原则工艺设计中所出现的问题，实践证明，在灰铸铁生产中，采用均衡凝固和有限补缩的理论，是解决缩孔及缩松问题的一个重要途径，它必将推动铸造工艺的科学技术向前发展。

江湖舟

这篇文章的确值得我们去学习、探讨！
铸铁件均衡凝固工艺我也曾在粘土砂的球铁小件上试验过。热节处缩孔缩松是消除了，但是铸件内部的的缺陷较以前改变了位置，呈分散性的缩松，加工出来试压有漏油现象。但是总的废品率比以前有所下降！

老翻砂匠

回复 2# 江湖舟


    均衡凝固理论确实很有用，现在应用的越来越多~

csaa3800

谢谢分享，最近正在学习均衡凝固

PYCHJM

均衡凝固理论是在有条件下应用的。一是合适的碳当量；二是一定的型腔刚性。不是无条件的。

无止境

以及铸件结构

zhjsdlc74

均衡凝固在小件上慎用，在中、大件上注意应用条件还是很有效果的

cc68

均衡凝固，原理不错——难点：如何平衡（件的结构/大小、工艺、熔炼）？

铸冶艺人

回复 3# 老翻砂匠
均衡凝固理论，在南方，有几个老专家不断批评，发表文章不少。甚至我们普通工艺人员写论文，使用“均衡凝固”字眼，而论文通过几率较低。此情况问过西安学者，他们回答，均衡凝固理论也在不断完善。不管如何，前面朋友谈了，铸件结构，浇冒口工艺设置，熔炼质量等等，很难平衡。但是实际工作中，感觉一些观点确实实用，不如接触热节，鸭嘴冒口，等等。铸造的事情，总是在不断进步和完善。

castengineer

均衡凝固理论的核心是铸铁凝固过程中的两缩两涨的控制和运用.如何控制和运用这两缩两涨的金属学原理,均衡凝固这件4个字是含概不了的.无论谁谈均衡凝固理论,举之案例大都为说明其对两缩两涨的如何控制和运用.有相左之处很正常.所谓正常,不外乎对这两缩两涨的控制和运用的重点偏重不一样.结果不一样.但遵循的金属学原理是相同的.
但,这并不影响均衡凝固理论对铸造科学发展的特殊贡献.因为科学是在发展的,均衡凝固理论也会随着铸造理论的不断发展而完善.对于发展中的科学没有必要去求其理论的完整和普遍的适用性.因为铸造是一门科学性极强的实用科学.
当我们有时在黑暗中摸索的时候.如看见一盏灯,最好不要要求其的光的强度和照亮的视野.

castengineer

无冒口铸造是均衡凝固理论应用的最佳状态.如何用好应是我们对无冒口铸造是均衡凝固理论的精髓是否理解.但无论如何理解,要如何控制好,大概有9个要素与其相关.这9个要素在实际生产中,工厂的条件,铸件的不同.工艺的控制能力不同....一般很难做到.但这都不影响均衡凝固理论应用.只不过应说均衡凝固理论在不同的条件下,可应用的适用性不同罢了.

老翻砂匠

回复 10# castengineer

回复的相当精彩，佩服！

xuwu531

谁有 这本新书PDF版啊
铸件均衡凝固技术及应用实例

国家科技成果重点推广计划项目，机械工业出版社高水平著作出版基金资助项目《铸件均衡凝固技术及其应用》，魏兵，袁森 ，张卫华著，1998年10月由机械工业出版社出版。这次印刷均衡凝固技术科技成果汇编集，收集了《铸件均衡凝固技术及其应用》专著的主要内容，又增加了1998年以后的科研新成果及均衡凝固技术生产中的创新技术，有理论，有方法，有技术，有实例。理论结合实际，内容深入浅出，实用性强，自成体系，易于应用。内容包括：铸铁件均衡凝固与有限补缩，铸铁件冒口定量设计及应用，压边冒口系统充填与补缩设计，浇注系统大孔出流理论与设计，铸件均衡凝固工艺设计，铸钢、白口铸铁、铝、铜合金铸件动态顺序凝固工艺，浇注系统当冒口补缩设计方法，铸件充填与补缩工艺定量设计实例等，定名《铸件均衡凝固技术及应用实例》。2013年9月由西安理工大学铸造技术杂志社编印出版，全书八章共321页。

老翻砂匠

回复 13# xuwu531


    这本书确实不错，我只有铅印的讲义，那是在三十年前的听魏兵老师的培训上课发的~

实干家

最实用的方法还是冷铁加冒口。我在有些单位看到的水平线生产时仍然采用大冒口补缩。工艺出品率很低，一下子提高了铸件售价。

孤独寒松

回复 10# castengineer


    严重同意前辈的观点。
也好像《孙子兵法》一样，那么多的人去学习，真正能够做到的有几个。
理论只是一个指导思想，尤其在我们铸造行业，学好理论知识做储备，需要的是在生产现场将一些理论知识灵活运用，根据不同的产品采用不同的工艺方法。
铸造，最忌讳的是一味照搬，然而，产品出了问题，还说是某种理论是错误的，这岂不是呜呼哀哉！！！

孤独寒松

回复 13# xuwu531


    朋友，你别难过，这本书，论坛上有的。
我在之前下载过。地址如下：
http://www.rjghome.com/viewthread.php?tid=9036&highlight=铸件均衡凝固技术及其应用

老翻砂匠

回复 16# 孤独寒松


    言语不多道理深！

孤独寒松

回复 18# 老翻砂匠


   谢谢前辈的认同。
  
毛泽东说过：枪杆子是革命的真理。

这句话也道出了，理论与实践的存在矛盾和理论的灵活运用。

老翻砂匠

回复 19# 孤独寒松

呵呵，讨论起政治了，那我也来补充一句，邓公的最伟大贡献就在于将马克思主义的理论与中国的特色结合在一起，提出了“具有中国特色的社会主义”理论~