铸钢件补缩理论和补缩材料的发展及应用
徐荣法 吉祖明
（苏州兴业材料科技股份有限公司 江苏 苏州 215151）
摘要：本文介绍了铸件凝固和补缩系统的发展历程，论述了铸钢件补缩系统的设计技术路径和方法，阐述了补缩材料的发展及应用
主题词：补缩理论、铸钢件、补缩系统、补缩材料、应用案例
1、补缩理论的发展历程
现代凝固理论和技术给铸造这门古老的行业赋予了新的内容和生命，许多新材料的开发和应用不得不借助于液态金属铸造成形工艺。先进的铸造工艺是获得优质铸件的前提和控制途径，众多的铸造工作者和工程技术人员为此而辛勤地探索着、耕耘着，并不断有所发现、有所创新。铸件凝固和补缩系统的研究工作起步于上世纪20年代，当时的铸造工作者认识到浇冒口设置是保证铸件内在质量的关键措施，并着手进行浇冒口工艺合理化的探索。上世纪60年代，铸造工作者在平方根定律的基础上，把铸件形体模数作为主要影响因素，通过大量实践，积累了丰富数据，形成了适用于各种复杂铸件的冒口模数计算方法，确定了冒口-铸件模数的基本关系式，向冒口参数定量化迈出了重要的一步。 但是，铸造过程是一个复杂的系统工程，涉及到的影响因素很多，铸造工艺设计的实质就是根据铸件质量的要求，分析主要影响因素，寻找控制途径，制定工艺措施的过程。这就需要铸造工作者具备丰富的理论知识和实践经验，需要进行图样绘制、查表选择、数学计算、工艺试制，生产周期长。
进入本世纪以来，计算机辅助铸造工艺设计的开发和应用，成为铸造工艺设计优化和铸件形成过程质量控制的又一种有效手段。国内外铸造行业的研究机构和生产厂家竞相研制并推出各种铸件凝固模拟软件，各具特点，各有千秋。适用于铸钢、铸铁、有色合金等各种铸造合金。适用于砂型铸造、精密铸造、压力铸造等工艺。使凝固技术定量化、智能化、程序化。内容包括工艺方案选择，浇注系统尺寸计算，冒口类型，位置与尺寸的确定。应用充填模拟和凝固模拟方法求解流场与热场的动态参数变化规律，使得缺陷预测和工艺优化更具科学性，合理性。
2.铸钢件补缩系统的设计
所谓补缩系统设计就是通过合理设计冒口和补贴，以补偿铸件在凝固过程中产生的液态和凝固态的体收缩，以获得健全的铸件的工程技术。
由于铸钢合金的熔点高，浇注温度也高，体收缩大，所以铸钢件补缩工艺设计一般按照“顺序凝固”原则，在补缩通道上设置储有足够多的钢液和初始模数比补缩通道模数大的冒口，使铸件在凝固过程中，能不断从冒口获得钢液补缩，以消除铸件的缩孔和缩松，使缩孔移入冒口中
2、1 铸钢件收缩系统的设计方法
1）模数法 由于冒口的体积随浇注后时间的推移而缩小，冒口的初始模数是衡量它是否会不早于补缩通道凝固的参数，冒口体积是衡量它是否贮有足量的补缩金属液以补缩其补缩区域内铸件的体收缩。因此冒口既要有合适的初始模数，还要贮存有足量的补缩金属液，使它能满足所要求的模数和所能补缩的最大铸件体积（重量）。模数计算是根据铸件的几何尺寸得出的，也称几何模数。几何模数在一定程度上能够近似到反映铸件的冷却凝固过程，但实际上影响铸件凝固的因素很多，如铸型种类、冷铁位置、浇冒口设置等，需要一定程度的实际铸造生产经验。因此，它只能计算铸件上单个冒口的尺寸，没有涉及冒口的数量，在实际应用中，除了确定冒口的合理数量外，还需用补缩液量法进行验算。
2）补缩液量法 补缩液量法说明对于一定材质的铸件，采用一定类型的冒口和一定的浇注方法时，铸件体积与冒口体积之间的关系，未考虑冒口形状和铸件结构的因素，因此不能说明此时冒口一定会晚于铸件凝固。 补缩液量法很少单独应用，一般与其他方法配合使用，作为其他计算冒口方法的验算和补充。如用模数法计算冒口的尺寸，再用补缩液量法进行冒口总体积的验算。
3）比例法 比例法是依据设置冒口部位铸件的厚度或热节圆直径，以一定的放大比例计算冒口尺寸的方法。比例法是属于经验性比较强的一种冒口计算方法，在确定冒口尺寸以后，一般需用冒口补缩距离（或冒口延续度）和工艺出品率进行冒口尺寸和数量的验算。
4）工艺出品率验算法 铸件毛重与浇入铸型中的钢水总重量之比值以百分数表示称为铸件的工艺出品率，也称收得率或实收率。工艺出品率取决于铸件的材质、重量、结构、浇注位置、冒口类型、冷铁数量、和浇注方法，其大小由实际生产中所积累的经验数据所决定。对冒口采用点浇、补浇等工艺措施，采用保温冒口和发热保温冒口，都可以提高工艺出品率。 用工艺出品率验算冒口，计算简单，使用方便，但它的使用效果很大程度上取决于技术人员的实际工作经验和水平。这种方法作为对其它方法计算冒口结果的验算效果很好，不提倡单独使用。
2、2 铸钢件冒口参数设计
冒口设计内容包括冒口形状的选择、尺寸的计算、数量和位置的确定。
1) 冒口形状 冒口上面向大气开放的明冒口和整个冒口包围在铸型内部的暗冒口各有其特点。但不论何种冒口，如果凝固太快，冒口内部钢液便会与大气隔绝而产生二次缩孔。为了避免出现这种情况，冒口的温度梯度必须自下而上逐渐增高。
2）冒口位置 冒口位置除了受铸件结构、造型工艺限制而采用侧冒口的情况外，大都采用放在热节上的顶冒口，以求提高温度梯度，强化顺序凝固。 均衡凝固理论提出的铸钢件冒口离开热节动态顺序凝固的工艺原则，使冒口中补缩金属液利用率提高，补缩效率提高。
3）冒口数量 一般是按照冒口有效补缩距离、冒口延续度及工艺产品率要求确定与校核。
4）冒口尺寸 在顺序凝固的原则下，目前常用的计算方法有以下几种：① 模数法：按照模数理论，铸件的凝固时间取决于其体积和散热表面积的比值，这个比值称为凝固模数，即 M=V／S 式中 M — 模数，cm V — 体积，cm3 S — 散热表面积，cm2 无论铸件形体如何，只要模数相同，凝固时间就大体相同。凝固模数正确的计算应是，铸件的体积除以减去非散热面的铸件有效冷却表面积所得的值，为了简化，有时也把冒口与铸件连接的非散热面作为散热面计算明冒口可以采取以下措施：①加大冒口增大热容量。②用上注法直接向冒口浇入高温的钢液。③浇注至铸件上表面一定高度后向冒口中浇入高温的钢液。④使用冒口保温材料和发热剂。 暗冒口因为浇注后冒口的表面立即凝固，冒口内部钢液与大气隔绝，此时失去了大气压力，而大气压力远远大于金属液的自重，因此暗冒口应采用大气压力暗冒口。
3、补缩材料的发展和应用
3、1 冒口种类
1）普通冒口 按制作的冒口材料和采用的工艺措施可分普通冒口和特种冒口，普通冒口也称为自然冒口。 普通冒口与铸型采用同一种造型材料，金属液充满冒口后，其热量就通过侧面和顶面散发，冒口由表层向中心开始凝固。冒口中的金属液除用于补缩冒口自身外，只有占10%的用于补缩铸件。为使冒口在整个凝固期间有充足的金属液补偿铸件的体收缩，获得致密的铸件，冒口就需设计得较大、较高。
2）特种冒口 对于体收缩较大的铸钢、球墨铸铁、可锻铸铁等铸造合金，其冒口重量一般约为铸件重量的30～100%，为保证铸件质量常采用特殊形式的冒口和工艺措施，以提高冒口的补缩效率，降耗节能。 特种冒口有加压冒口（如：大气压力冒口、压缩空气冒口、气弹冒口）；加热冒口（如：发热冒口、加氧冒口、电弧加热冒口、）；保温冒口（如：纤维保温冒口、漂珠保温冒口、陶粒保温冒口）；发热保温冒口；易割冒口等。 目前最常用的特种冒口有保温冒口、发热冒口、发热保温冒口、易割冒口和高发热冒口。
3、2特种冒口种类
１）保温冒口 由绝热材料、耐火骨料和粘结剂组成，常用的有纤维复合型、烟道灰（漂珠）珍珠岩复合型、陶粒复合型等。保温冒口套在整个凝固期间侧面和顶面热损失小，冒口有充足的金属液补偿铸件的体收缩。因此冒口尺寸设计可以比普通冒口小，冒口重量能减少1/3～1/2，工艺出品率能提高10～20％，具有较好的技术效果和经济效益。
2）发热冒口 发热套冒口和发热剂冒口统称发热冒口。理想的发热材料化学反应生成物的温度高达2000℃以上。用量适当，能长时间将金属液保持在1650 以上。 发热冒口补缩效率比普通冒口补缩效率高很多，冒口尺寸设计也可以比普通冒口小，铸件的工艺出品率较高。
3）发热保温冒口 发热保温冒口是用绝热材料、发热材料制作的冒口套，它集合了保温冒口和发热冒口的优点。因此冒口尺寸可以比保温冒口和发热冒口设计得更小。补缩效率是普通冒口的3倍，具有明显的技术效果和经济效益。是目前铸造行业最先进的工艺技术之一。
图1 XY保温冒口、发热保温冒口
4）易割冒口 其特点是冒口根部有一个隔片，这样的冒口就叫易割冒口。隔片的一个孔称为“补缩颈”，补缩颈的截面积必须合理。否则即使冒口的尺寸是合理的，也会使铸件产生缩孔。 目前铸造厂常采用发热保温冒口加易割片的工艺措施来减少冒口根部切割、打磨、机加工工作量，提高铸件质量，提高铸件工艺出品率，提高 经济效益。
3、3 发热保温冒口的应用 冒口模数与铸件模数之比在 0.70～ 0.80时，能有效预防铸件收缩类缺陷；冒口补缩效率可达30～40%，约为保温冒口的3倍，工艺出品率大为提高；质量要求高的合金钢和不锈钢铸件运用发热保温冒口时，应考虑0.01％，可适当增加冒口高度；
1）在耐磨铸件上的应用 某厂用水玻璃砂生产耐磨铸钢件锤头，用纤维保温冒口保缩，铸件时有缩孔、缩松，如图2：
现工艺在三种锤头上分别用XY-Ф150、Ф180、Ф200的发热保温缩颈冒口，工艺出品率较保温冒口平均提高12%。打箱后去除冒口，冒口根部断面细洁清晰，无缩孔缩松，如图3。Pt检查合格 。
图2用保温冒口时有缩孔 图3用XY发热保温冒口无缩松
2）在高锰钢铸件上的应用 东北某厂生产圆锥破碎机的轧臼壁、破碎壁铸件重量3.5～5吨。原采用普通冒口，后改用保温冒口，虽然工艺出品率提高了16%，但铸件质量不稳定，冒口根部常出现如图4、5的缩孔。
图4、用保温冒口时有缩孔 图5用保温冒口时有缩孔
改用XY发热保温冒口，工艺出品率比保温冒口提高了13%，补缩良好，冒口根部致密。图6、7是采用发热保温冒口的铸件和去除冒口后的冒口根部。现在出口铸件质量稳定，生产和交货周期得到保证，外商订单递增，综合经济效益明显
图6用XY发热保温冒口无缩松 图7用XY发热保温冒口无缩松
3）在高铬铸铁上的应用 北方某泵业公司生产高铬铸铁磨环，原用普通冒口和发热保温冒口，易使铸件缺肉或余根大。我们为其设计了专用的两种易割片，见图8。铸件落砂后，打冒口简单方便，残留冒口余根不大于2mm，断面细洁清晰，见图9。
图8 XY易割片 图9 冒口断面
4）在碳钢铸件上的应用
图10 模样 图11 碳钢铸件
5）、在大型铸件上的应用 当冒口直径大于600mm或宽度大于400mm时，可采用保温板组成所需尺寸的保温或发热保温冒口，浇注时配以保温覆盖剂或发热保温覆盖剂，冒口内金属液可长时间保持液态，冒口顶面不结壳，金属液呈平行下降，提高了冒口的补缩效率。右图是超临界电站阀门铸件的冒口。
3、4、补贴
对于致密度要求高的铸钢件，在冒口补缩距离不足时，为了增加补缩距离，工艺上通常采用补贴，以使铸件的截面的模数朝冒口方向递增，形成足够的温度差，以形成顺序凝固。这种补贴也称为金属补贴。
图8 XY保温板的应用
金属补贴在铸件落砂后要用气割或机械加工方法去除，增加了铸件的生产成本。随着保温、发热材料的开发，保温补贴和发热保温补贴逐步取代了金属补贴。这样不仅提高铸件的工艺出品率和成品率，而且省去了切割金属补贴工序，降低能耗，避免因切割补贴可能产生的裂纹，以及凹凸不平的切痕对后序加工的影响。提高了生产效率，降低了生产成本。目前国内有部分工厂在高要求铸钢阀门上应用保温补贴和发热保温补贴取代金属补贴，取得了很好的技术效果和经济效益。
3、5、覆盖剂
计算和试验表明，明冒口顶部的热散失是以辐射传热为主，它占到冒口全部热散失的40～50%，为了减少这种热损失，需在明冒口顶部撒覆盖剂，防止冒口顶部过早地凝固结壳，达到冒口最后凝固的目的。明冒口不加覆盖剂，补缩效率很差，即使采用了保温冒口或发热保温冒口，也不能获得预期的效果。
在延缓冒口的凝固的过程中，覆盖剂的作用占30～50%；保温套的作用占70～50%；覆盖剂与保温冒口或发热保温冒口联合使用，就更能显示出其保温效果，使冒口凝固时间成倍增加。覆盖剂强化冒口的作用不次于保温冒口本身，必须引起足够的重视。
覆盖剂的种类主要有：草木灰、碳化稻壳、焦炭粉、烟道灰、铝热剂、石墨渣及复合型发热保温覆盖剂。草木灰覆盖剂价廉、容重轻，有一定的保温效果。由于它熔点低，高温收缩大，有层层被熔化收缩露红的现象，辐射热损失仍较大，补缩效率较低。焦炭粉发热性好，保温性差，覆盖性不好，特别是增碳作用显著，不宜采用。铝热剂发热量大，但作用时间短，覆盖性不好，保温性差，主要用于对增碳有严格限制的中小铸件。
4、小结
4、1按平方根定律，形成的冒口模数计算方法，使冒口参数基本实现了定量化，而凝固模似软件可使凝固补缩技术定量化、智能化、程序化。
4、2补缩系统设计就是通过合理设计冒口和补贴，以补偿铸件在凝固过程中产生的液态和凝固态的体收缩，以获得健全的铸件的工程技术。该技术常用模数法、补缩液量法 、比例法等路径来设计冒口形状、尺寸、位置和数量。
4、3冒口有普通冒口和特种冒口。常用特种冒口有保温冒口、发热冒口、发热保温冒口、易割冒口和高发热冒口。其中发热保温冒口和高发热冒口是目前最新补缩产品。
4、4 XY发热保温冒口和高发热冒口在铸钢、合金钢、球铁等生产领域已得到广泛应用。
4、5 在冒口补缩距离不足时，工艺上通常采用补贴，使铸件截面模数朝冒口方向递增，形成足够温度差，以形成顺序凝固。 4、6 在延缓冒口中的金属液凝固，覆盖剂的作用占比30～50%；保温套占比70～50%覆盖剂强化冒口的作用不次于保温冒口本身，必须引起足够的重视。
