液态成形中铸件补缩原理及冒口设计
铸件冒口设计的原则及方法
图 ４ 冒口放在两热节之间的工艺对比
放在最后凝固的部位和几何热节处，形成 的接触热节和冒口补缩液流通效应的影 响，会使冒口安放处铸件的凝固时间延长， 相应增加对冒口补缩时间的要求，同时也 对热节处的内在质量产生不利的影响。为 此，文献［４］提出了动态顺序凝固的概念。 动态顺序凝固是指冒口离开热节，放在近 热节处，利用冒口根处形成的接触热节和 冒口补缩液的流通效应，实现铸件各部分 朝向冒口的顺序凝固。其实质是使铸件的 几何热节与设置冒口形成的接触热节相分 离，并控制次热节处所形成的接触热节，使 其凝固模数比几何热节的大，比冒口的小， 将凝固顺序由薄壁→次热节→几何热节→ 几何热节处的接触热节→冒口，改变为薄 壁→几何热节→次热节处的接触热节→冒 口，既避免了接触热节处热量过分集中，又 利用接触热节的热效应，在冒口和几何热 节之间形成补缩通道，保证冒口对几何热 节的补缩。
采用模数法计算出的冒口体积，应该
用补缩液量法进行校核，即冒口体积 V 应 r
满足式（１）。
３．２ 热节圆比例法
热节圆比例法是一种经验性方法。采
用作图法或几何公式计算出热节圆直径 T， 然后根据铸件不同截面形状确定例系数α的数值多来源于工程实
科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
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科技创新导报 ２００８ ＮＯ．２７ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
工 程 技 术
图 ５ 冒口直径与铸件厚度热节圆直径的 关系
使膨胀压力得以控制，避免铸型扩大，一般
铸件凝固过程中，冒口液面不断下降， 体积减少，散热表面积增加，冒口模数动态
变小；铸件获得补缩液体后热量增加，凝固
铸铁件冒口设计手册
铸铁件冒口设计手册诸葛胜福士科铸造材料（中国）有限公司铸铁冒口设计手册一、概述冒口是一个个储存金属液的空腔。
其主要作用是在铸件成形过程中提供由于体积变化所需要补偿的金属液，以防止在铸件中出现的收缩类型缺陷（如图1和图2所示），而这些需要补偿的体积变化可能有：图1 各种缩孔图2 缩孔生产图a)和冒口的补缩图b)1—一次缩孔 2—二次缩孔 3—缩松 1—缩孔 2—型腔胀大 3—铸件(虚线以内) 4—显微缩松 5—缩陷（缩凹，外缩孔）（1）铸型的胀大（2）金属的液态收缩（3）金属的凝固收缩补偿这些体积变化所需要的金属液量随着铸型和金属种类的不同而异。
此外，冒口还有排气及浮渣和非金属夹杂物的作用。
铸件制成后，冒口部分（残留在铸件上的凸块）将从铸件上除去。
由此，在保证铸件质量要求的前提下，冒口应尽可能的小些，以节省金属液，提高铸件成品率。
由此冒口的补缩效率越高，冒口将越小，铸件成品率越高、越经济。
FOSECO公司的发热保温冒口具有高达35%的补缩效率；因而，具有极高的成品率和极其优越的经济性。
在金属炉料价格飞涨的情况下，其优越性显得尤其突出。
另外，高品质发热保温冒口，及其稳定可靠的产品质量是获得高品质铸件的重要手段和可靠的质量保证。
二、铸铁的特点铸钢和铸铁都是铁碳合金，它们在凝固收缩过程中有共同之处）如凝固前期均析出初生奥氏体树枝晶，都存在着液态、凝固态和固态下的收缩），但也有不同的特点。
其根本不同之处是铸铁在凝固后期有“奥氏体+石墨”的共晶转变，析出石墨而发生体积膨胀，从而可部分地或全部抵消凝固前期所发生的体积收缩，即，具备有“自补缩的能力”。
因此在铸型刚性足够大时，铸铁件可以不设冒口或采用较小的冒口进行补缩。
灰铸铁在共晶转变过程中析出石墨，并在与枝晶间的液体直接接触的尖端优先长大，其石墨长大时所产生的体积膨胀直接作用在晶间液体上，进行“自补缩”。
对于一般低牌号的灰铁铸件，因碳硅含量高，石墨化比较完全，其体积膨胀量足以补偿凝固时的体收缩，故不需要设置冒口，只放排气口。
7 冒口的种类及补缩原理
5 尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件。 6 冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好。 7 不同高度上的冒口，应型与控制工程专业
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（三）冒口有效补缩距离的确定
冒口的有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口数目 的依据，与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件、对铸件质量要求 的高低等多种因素有关，简称为冒口补缩距离。
材料成型与控制工程专业
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3 有色合金的冒口补缩距离
锡青铜和磷青铜类合金凝固范围一般宽，呈糊状凝固特性，冒口的有效补缩 距离短，易出现分散缩松；无锡青铜和黄铜，一般凝固范围窄，其冒口补缩 距离大。铜合金冒口的补缩距离数据见。据另外资料，黄铜冒口的补缩距离 为5-9T, （T铸件壁厚），铝青铜表和锰青铜的冒口补缩距离为5-8T。
一、模数法
1 基本原理
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在冒口补给铸件的过程中，冒口中的金属逐渐减少，顶面形成缩孔使散热表 面积增大，因而冒口模数不断减小；铸件模数由于得到炽热的金属液的补充， 模数相对地有所增大。根据试验，冒口模数相对减小值约为原始模数的。一 般取安全系数。安全系数过大，将使冒口尺寸增大，浪费金属，加重铸件热 裂和偏析倾向。
材料成型与控制工程专业
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3 设计步骤 1)把铸件划分为几个补缩区，计算各区的铸件模数Mc 2)计算冒口及颈的模数。 3)确定冒口形状和尺寸（应尽量采用标准系列的冒口尺寸）。 4)检查顺序凝固条件，如补缩距离是否足够，补缩通道是否畅通。 5)校核冒口补缩能力。
材料成型与控制工程专业
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材料成型与控制工程专业
为实现顺序凝固，要注意冒口位置的选择，冒口有效补缩距离是否足够， 并充分利用补贴和冷铁的作用。
16.1补缩原理重点
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库铸钢件生产技术课程补缩原理制作人：陈小红浙江机电职业技术学院补缩原理一、铸件的收缩1.铸件收缩分类合金在从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩小的现象称为收缩。
液态合金由许多原子团和空穴组成，其原子间距比固态要大得多。
随着温度的下降，原子间距离缩短，空穴数量减少。
当液态合金转变为固态合金时，空穴消失，原子间距离继续减小，这些因素都使合金产生收缩。
收缩是铸件的应力及缩孔、缩松、热裂、冷裂和变形等缺陷产生的基本原因。
为了获得优质铸件，必须对收缩加以控制。
金属从高温t0冷却到t1时，其体收缩率和线收缩率各为Ɛ V=V0−V1×100%=αV（t0−t1）×100%Ɛ l=l0−l1×100%=αl（t0−t1）×100%式中V0、V1——金属在温度t0和t1时的体积；l0、l1——金属在温度t0和t1时的长度；αV、αl——金属在t0~t1温度范围内的体积收缩系数和线性收缩系数。
合金从浇注温度冷却到常温，都经历液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。
（1）液态收缩阶段金属在液体状态时的收缩称为液态收缩。
此阶段金属完全处于液态，金属体积的减少表现为型腔内液面的降低。
（2）凝固收缩阶段金属在凝固过程中的收缩称为凝固收缩。
对于一定温度下结晶的纯金属和共晶成分的合金，凝固收缩只是合金的状态改变，于温度无关或基本无关；对于具有结晶温度间隔的合金，凝固收缩不仅与状态改变有关，且随结晶温度间隔的增大而增大。
液态收缩和凝固收缩的外部表现皆为体积减小，一般表现为液面降低，因此称为体积收缩。
合金的收缩量通常用体收缩率收缩率来表示。
两类收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。
（3）固态收缩阶段金属在固态冷却过程中的收缩称为固态收缩。
固态收缩引起铸件外部尺寸的变化，故又称为尺寸收缩或线收缩。
线收缩对铸件形状和尺寸精度影响最大，是产生铸造应力、变形、裂纹等缺陷的基本原因。
材料液态成型技术-第八章-冒口技术
A
冒口的尺寸主要是指根部直径和高度，计算的方法主要有：模数法、缩管法、补缩液量法、比例法、热节圆法
铸件壁上逐渐增加的
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厚度，称为冒口补贴，
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简称补贴（衬补、增
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肉）。
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补贴确定：补贴一般
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是在冒口有效补缩距离
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以上开始加补贴，使铸
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件壁向着冒口方向逐渐
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加厚，直到冒口的根部。
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铸件加厚量为a,称为补贴厚度。
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四 补贴的应用
”
下图表示了补贴厚度、铸件壁厚及铸件高度间的关系。
板件补贴的确定
一、冒口的作用
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初步确定冒口的数量；
3
计算冒口的尺寸；
1
选择冒口的形状及安放位置；
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校核工艺出品率。
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校核冒口的补缩能力；
3.冒口的设计内容
第八章 冒口设计
二 、冒口的种类及位置
按覆盖情况分类：明冒口和暗冒口。
按位置分类：顶冒口和边冒口；
冒口的类型：
二 、冒口的种类及位置
明冒口的优点： 造型方便，并便于观察铸型中金属液的上升情况，向冒口中补浇金属液，在冒口顶面散发热剂、保温剂等。 明冒口的缺点：因顶部敞开，散热较快，同样体积的冒口，明冒口较暗冒口的补缩效率低。
B
五．冒口的设计
五．冒口的设计
铸造补缩(冒口)系统设计
• heating effect riser 4M 热效冒口4M by conduction and metal transport • endeffect 5M • effect of cooling blocks 6M
to prevent heat cracking:为防止热裂: length of a cool block = 3 a 4 x it's thickness
冷铁的长度 = 3, 4X 其厚度
distance between cool blocks = max. it's length
冷铁间的距离 = 最大为其长度
• 球形冒口 20% 体积补缩
Assumptions: - metal solidifies exogeneously (in layers) - same mould material of riser and part
Thermal busses: 热套冒口 • isolation bus deliveres
(NB: M is usually given in cm!)
基本原理
Solidification time t as function of modulus:凝固时间是模数的函数 • t = A2V2/S2 sphere 球形 • t = B2V2/S2 plate 板型 with B = 1.15 A A and B depend on: • thermal properties of metal • thermal properties of sand • difference in pouring and solidification temperature Assumptions: 1. sand mould is infinity 2. contacttemperature between sand and metal is identical 3. during solidification the contact temperature is constant
铸造中铸件需要使用多大直径的冒口补缩怎么计算？
铸造中铸件需要使用多大直径的冒口补缩怎么计算？铸造生产当中，冒口的设计直接关系着铸件的成品率与质量。
因此，许多铸造厂都非常重视铸件冒口的设计。
所谓冒口，顾名思义就是铁水浇注时冒上来的口，有两个主要作用，一是浇注完成后热液补缩，二是注汤时，型腔内快速排出气体。
排气作用就不说了，就说补缩，铁水在液态向固态凝固时，铸铁的铁水有个特性，先共晶，再共析，共晶过程也是膨胀的过程，共析是收缩的过程，铁水的缩性又与化学成分，冷却速度，型核分布，熔炉速度，熔炼温度，镇静时间，浇注温度有关，难以一言蔽之，铁水熔炼不控制好，就算有最好的计算结论，都是白搭。
老实说，想简单的述说清楚冒口设计的问题，很难，这个问题不是我不回答，而是我每次想回答时，都发现自己要罗列一大堆数据公式，才能把这个问题讲清楚。
这个问题看似简单，基本上等同于简述铸造工艺学。
这太费时间和精力，读者也未几能有耐心看完那样叙述。
然而，如读者真想把冒口设计的基础理论弄明白，系统的学习《铸造工艺学》是必须做的事情。
咱们今天，就只能简要的讲述一下冒口设计的基本要素。
冒口设计要根据不同的材料，不同尺寸，不同形状，不同材质的特性进行设计。
首先，铸造工艺不一样，由此引申出的各类冒口的类型也是不一样的，因而冒口尺寸计算的方法也是不一样的。
简单以材料分类，铸钢件采用的冒口计算方法有模数法，三次方程法，补缩液量法，比例法。
铸铁件因凝固方式特殊（受冶金质量和冷却速度影响），大多靠经验辅以模数法和比例法。
今天，只简单说说铸钢，公式就先都不写了。
第一，模数法模数指的是铸件被补缩部位的体积与散热表面积的比值称为模数。
模数基本等同于铸件的凝固时间，也就是说不同形状大小的铸件，只要模数相同，我们就认为他们的凝固时间几乎相等。
当我们使用模数法时，基本遵循两条原则。
1.冒口的模数需大于铸件被补缩区域的模数。
2.冒口必须有足够的金属溶液补充铸件收缩部分的体积收缩。
第二，三次方程法三次方程法是模数法的延伸，主要用于计算机辅助设计中。
冒口补缩原理
冒口补缩原理冒口是只为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。
在铸型中，冒口的型腔是存贮液态金属的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用，而冒口的主要作用是补缩。
习惯上把冒口金属液凝固后所形成的实体也称为冒口。
冒口按其补缩原理，可分为通用冒口和铸铁件冒口。
1)通用冒口：通用冒口适用于所有合金铸件的补缩，如铸钢合金、白口铸铁、各种有色合金铸件，原则上也可用于有石墨析出的铸铁件，但铸铁件使用适合于自身凝固特点的实用冒口效果更好。
通用冒口可分为普通冒口和特种冒口。
(1)普通胃口。
按位置分为：顶冒口和侧冒口；按顶部是否为型砂所覆盖分为：明冒口和暗冒口。
(2)特种冒口。
按加压方式分为：大气压力冒口、压缩空气冒口和发气冒口；按加热方式分为：保温冒口、发热冒口、加氧冒口、电弧或煤气加热冒口；易割冒口也是一种特种冒口型式。
2)铸铁件冒口：铸铁件的冒口包括实用冒口和均衡凝固冒口。
实用冒口分为直接实用冒口（浇注系统当冒口）、控制压力冒口和无冒口铸造。
均衡凝固冒口类型对铸铁件更加实用。
通用冒口的补缩原理：1)通用冒口补缩的基本条件通用冒口遵守顺序凝固的基本条件。
(1)凝固时间：冒口凝固时间应大于或等于铸件（被补缩部分）的凝固时间。
(2)补缩液量：冒口应有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩。
(3)补缩通道：在凝固期间，冒口和铸件被补缩部位之间存在液体流动的补缩通道，扩张角朝向冒口。
实现顺序凝固补缩，还要考虑冒口位置的选择，冒口有效补缩距离是否足够，并合理利用补贴和冷铁的作用，以强化冒口补缩效果。
铸铁件冒口补缩的原理：在铸件厚壁处和热节部位（即铸件上热量集中，内接圆直径较大的部位）设置冒口，是防止缩孔、缩松的有效措施。
冒口的尺寸应保证冒口比它要补缩的部位凝固得晚，并有足够的金属液供给。
采用“顺序凝固原则”，在铸件上建立一个从远离冒口的部分到冒口之间逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口处向冒口方向顺序地凝固，即远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。
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(4)采用回转铸型法的浇注工艺。在某些情况下(如铸件形状复杂， 合金液易氧化等)必须采用底注式，但底注式又无法造成冒口补缩 所需的凝固顺序。
宽结晶温度范围的合金倾向于糊状凝固，结晶始点波 较快到达铸件断面中心，结晶骨架迅速布满整个断面， 使冒口的补缩通道受到阻碍，顺序凝固的原则就较难实 现。
顺序凝固原则容易使铸件不同部位存在较大的温差,使 铸件出现裂纹、残留应力和变形等缺陷倾向增大。
2）同时凝固(contemporaneous solidification)的原则
合理地确定浇注系统和浇注工艺，不仅影响铸型内的温度场 分布和冒口的补缩效果，而且对防止其他各种缺陷(如气孔、夹 砂、冷隔、氧化夹渣、应力裂纹等)均有很大影响。因此，究竟 采用怎样的浇注系统和浇注工艺，必须根据铸件的结构特点， 合金的凝固特性以及铸件的技术要求综合地考虑，并且在生产 实践中不断地总结和改进，才能不断提高产品质量。
对某一具体铸件而言，到底应该采取顺序凝固原则 还是同时凝固原则,还应当根据该铸件的合金特点，具 体铸件结构及其技术要求，以及可能出现的其它缺陷 (如残留应力、变形、裂纹)等综合考虑，找出矛盾的 主要方面，才能最后合理地加以确定。
5.2确定合理浇注系统及浇注工艺
要获得良好的补缩条件，得到健全的铸件，首先必须合 理地确定浇注系统，主要包括如何选择浇口在铸件上的引 入位置，确定浇口和冒口的相对位置，确定浇注系统的类 型等，这些对铸件凝固时的温度场分布有着显著的影响。 (1)浇口从铸件厚实处引入以加强铸件的顺序凝固。
(3)选择合理浇注系统类型：顶注式、底注式和中间注式。
如是铸型不同注入位置和铸件纵向温度分布的关系。 曲线1是顶注式，愈接近冒口合金液温度愈高，使铸件自下而上顺序凝固， 有利于冒口的补缩。 曲线2是底注式快浇，铸型底部温度高，愈靠近冒口温度愈低，形成反顺序 凝固，不利于冒口的补缩，因此在铸件底部容易产生缩孔或缩松。 曲线3是底注式慢浇，合金液流经铸型底部的时间更长，铸型底部吸收的热 量更多，上下的反向温差更大，因而更不利于冒口的补缩。
采取各种措施，使铸件各部分之间的温差尽量减小，以达到 各部分几乎同时凝固完毕。
铸件如按同时凝固原则 凝固，则各部分温差较小 ，不易产生热裂，冷却后 残留应力和变形也较小， 而且不必设置冒口，可以 简化工艺，节约金属。但 是这种凝固原则往往使铸 件中心出现分散的缩松， 影响铸件的致密性。
同时凝固的原则主要适用于靠石墨化膨胀实现自 身补缩的、碳硅含量较高的灰铸铁和球墨铸铁。对 结晶温度范围宽，倾向于糊状凝固，不易实现冒口 补缩，而对气密性要求又不高的锡青铜铸件、壁厚 均匀的薄壁铸件(其冷却速度快，冒口补缩效果差)， 也常常采用同时凝固原则。
的合金液就愈冷，而浇口附近砂型被长时间加热将使温度升高， 结果浇口附近的合金液冷却就慢，从而扩大了铸件各部分的温 差。顶注时慢浇有利于顺序凝固;而底注时慢浇将扩大指向冒口 的反向温差，造成不利于冒口补缩的顺序凝固。
浇注温度愈高，造成铸件个部分的温差越大，因此顶注时宜 采用高温慢浇，底注时宜采用低温快浇。
如图是铸钢齿轮毛坯，通常轮 毂要比轮辐和轮缘厚。为了提高 从轮毂上明冒口到轮毂和轮辐之 间的温度梯度，加强它的顺序凝 固以提高中心冒口的补缩效果， 往往采用从轮毂上明冒口直接注 入的方案。
(2)浇口应该尽可能靠近冒口或使金属液经过冒口而进入铸件， 以加强它的顺序凝因倾向。
如图是可锻铸铁汽车 后桥铸件，因白口铁的 体收缩比较大，要求能 很好地补缩，为此将浇 口引入的铁水先通过冒 口然后再进人铸件，这 样冒口周围的型砂就会 被剧烈加热，因而延缓 了冒口冷却速度。在远 离冒口的两端再适当配 置冷铁，就能显著提高 冒口的补缩能力。
液态成形工艺原理及控制
Chapter 5 Feeding of Casting 铸件的补缩
5 Feeding of Casting 铸件的补缩
5.1 凝固原则
根据合金凝固特点和铸件结构，制定合理的铸造工 艺，有效地控制凝固过程，以便建立良好的补缩条件， 尽可能使缩松转化为集中缩孔，并使它移向铸件最后 凝固的地方。这样就可以在铸件最后凝固的地方设置 必要的冒口，使缩孔最后移入冒口内，从而获得致密 的铸件。
为了解决这种矛盾，生产 上通常采用回转铸型法。即 浇注时采用底注式，以保证 合金液平稳地充满型腔，浇 满后再将铸型回转一定角度， 使回转后的铸型既保持它指 向冒口的顺序凝固，又使冒 口完全处于重力作用下补缩 的有利位置，从而大大提高 冒口的补缩效果。
(5)合理选择浇注温度和浇注速度。 浇注速度愈慢，则合金液流经铸型的时间愈长，远离浇口处
可以通过浇注系统、冒口和冷铁的安放位置，来控 制铸件的凝固过程，达到最佳的补缩效果。
有两种凝固原则：顺序凝固原则或同时凝固原则。
1）顺序凝固(progressive solidification)的原则：
采取各种措施，使铸件上从远离冒口或浇口的部分到冒口或 浇口之间建立一个逐渐递增的温度梯度。这样就可使远离冒口 的薄的部分先凝固，然后按顺序地向着冒口或浇口的方向凝固， 以实现铸件厚实部分补缩细薄部分，而冒口又最后补缩厚实部 分，从而将缩孔移入冒口中，最终获得致密而健全的铸件。
纯金属、共晶成分或窄 结晶温度范围的合金通常 表现为逐层凝固，所以工 艺上一般都采用顺序凝固 的原则，以提高铸件的致 密性。
顺序凝固和前面提到的逐层凝固是两个不同的概念。 逐层凝固是指铸件某一截面上的凝固顺序，即铸件表面 层先凝固，然后逐渐向铸件中心长厚，铸件截面中心最 后凝固，因此，逐层凝固的合金，其截面中心保持液态 的时间长，冒口的补缩通道很晚仍保持畅通，能较充分 地发挥其补缩效果，也有利于实现铸件的顺序凝固。