均衡凝固新工艺与生产实践（连载一）（作者：洪礼华）

老翻砂匠

均衡凝固新工艺与生产实践

著于2012年

【编者按】：此文系江苏铸造业老前辈洪礼华先生对其几十年铸造生涯的工作经验之精华的总结（全文共计4万多字）。本协会本着服务行业、贡献社会的原则，从本期开始连载此文。希望对在职铸造工作者有一定指导和帮助。敬请关注。

前  言

我们在长期的铸造生产实践中，根据传统的顺序凝固和同时凝固的工艺设计原则，发现冒口尺寸偏大，工艺出品率不高，铸件质量不稳定。
根据我国的铸铁手册854页表4-80常用冒口形式与尺寸的参考数值，是以铸件热节园或断面尺寸为基础，按比例放大，求得冒口直径和高度的比例尺寸系列，一般设计

冒口直径 D=（1.2～2.5 ）T

冒口高度 H=（1.2～2.5 ）D

式中：T—─—铸件壁厚
参照以上公式，设计出的冒口尺寸偏大，工艺出品率低，冒口去除困难，实践证明，从顺序凝固概念出发，要求冒口晚于铸件凝固，必须要采用大尺寸的冒口，其结果往往是适得其反，越补越缩，在冒口根部产生缩松和石墨粗大的缺陷。
我们通过对灰铸铁件和球铁件在冷却凝固过程中的体积变化，既有液态收缩，凝固收缩，又有石墨析出产生膨胀，因此，铸件成形过程所表现出来的体积变化，应该是膨胀收缩相抵的净结果。
均衡凝固技术就是研究铸铁件胀缩相抵的自补作用与浇冒口外部补缩的规律，从而提出了铸件凝固收缩与补缩特点的工艺设计原则。
第一节 铸铁件均衡凝固工艺（一）
一、铸铁件收缩与补缩特点铸铁件在冷却和凝固过程中，所经历的体积变化（收缩行为），不同于目前工业上使用
的大多数金属与合金，其主要差别如下：
1、收缩量的不确定性
我们常用的三角试块，由于其各部位的冷却速度不同，所形成的白口，麻口和灰口组织不同，相对应的收缩值也不同，在浇铸不同直径的园球是试样时，发现其收缩趋势是：园球直径小，体积收缩大，当园球的直径增大到某一定值后，体积收缩减小，这说明铸铁件壁厚增大到一定值后，体收缩有减小的趋势。
因此，铸铁件的收缩值不是材料的常数，而是随化学成分，铸件结构和铸造工艺条件的变化而变化，由于铸件有一定的大小，形状和结构，会直接影响到实际冷却速度和温度分布，对同一时刻不同部位收缩和膨胀的叠加情况─—石墨化膨胀的利用程度影响也很大，这样从收缩与膨胀的数量和收缩与膨胀的时间进程上产生的差别，就构成同一种合金在浇注不同的铸件时，对应有不同的收缩值。所以不能简单的根据合金种类或牌号给出一个确定的收缩值，更不能用一些资料提供的铸铁合金的收缩值设计铸铁件的冒口尺寸，在砂型铸造的条件下，越是薄小件，收缩值越大，越要强调补缩，对厚大件，收缩有减小的趋势，冒口可适当减小或不放冒口，实现小冒口或无冒口铸造。
2、收缩和膨胀的动态叠加
就铸件上被测某点冷却和凝固情况而言，当然是收缩在前，膨胀在后，二者是不能相抵的，而对整个铸件在凝固的某一时刻，有些部分正在收缩，有些部分已进入石墨化膨胀，而铁水是相通的，这时胀缩就可以叠加相抵，铸件表现出来的收缩值是胀缩相抵的净结果，其原理如图1-1所示。

                               
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图1-1：铸铁件收缩与膨胀的叠加

图1-1中的曲边三角形ABC为铸件的液态收缩与凝固收缩之和，曲边三角形ADC为铸件的石墨化膨胀，曲边三角形AB′P为铸件胀缩相抵的净结果，称为铸件的表观收缩，也是铸件表现出来的并能被测量到的收缩值，P为均衡点，对应的时间是铸件收缩量等于膨胀量的时间，此时表现收缩为零，即为冒口补缩终止时间，对AP与AC的比值称为铸件收缩时间分数，由于存在石墨化膨胀，铸铁收缩时间只占凝固时间的一部分。
铸件单位时间的收缩量（收缩速度）大，即收缩来得集中，相对石墨化膨胀后移，表观收缩加大，均衡点P后移，则必须加强冒口的外部补缩，这相当于小型铸铁件的情况，对厚大铸铁件，收缩速度小，相对于石墨化膨胀提前，有利于胀缩的早期叠加，使均衡点P前移，，冒口尺寸减小，提高铸型刚度，可提高石墨化膨胀化的利用程度，有利于均衡点P前移。
3、铸铁件有限补缩原则
从图1-1可看出，对AP段，必须用外部的浇口或冒口来补充铸件本身自补不足的差额，到均衡点P时，表现收缩为零，冒口的补缩作用也就终止了，均衡点P之后，铸件进入内部补缩阶段，只要不再发生单位时间收缩大于膨胀的情况，铸件就不会产生收缩缺陷。
铸铁件表现收缩时间只占总凝固时间一部分，为此，铸铁件的冒口不必要晚于铸件凝固，它的补缩量和补缩时间是有限的，故称为有限补缩，因此，铸铁件的冒口在模数上或尺寸上不必要比铸件的大。
4、胀缩叠加图的工程应用
（1）铸钢、白口铸铁和铝铜合金铸件，无凝固膨胀叠加，如图1-2a所示，其主要特点是：①收缩时间等于凝固时间，P点与C点重合，②冒口设计可采用顺序凝固原则。
（2）可锻铸铁件，如图1-2b所示，其主要特点是：①铸态呈白口凝固，无石墨化膨胀，高温退火时，石墨析出产生膨胀，属收缩和膨胀完全分离型。②由于时间的分离（不同步），使石墨化膨胀不能100%地用于铸造成形时的补缩，冒口设计可采用顺序凝固原则。
（3）球墨铸铁小件，如图1-2c所示，其特点是：①属于“集中收缩，骤然膨胀”，胀缩部分呈分离型叠加模式，石墨化膨胀不能被利用于凝固初、中期的补缩，还要强调较大的冒口外部补缩。②球铁的早期收缩阶段靠外部冒口补缩，中后期靠凝固阶段的石墨化膨胀自补缩。
（4）灰铸铁件及中大型球铁件属胀缩重合型，如图1-2d所示，其特点是：①灰铸铁件过冷度小，凝固模式趋于逐层凝固，石墨化膨胀相对提前，中大件球铁冷却速度相对较小，收缩分散，石墨化膨胀也相对提前，有利于胀缩的早期叠加，可以采用浇口或专设的冒口进行外部补缩。②由于补缩的时间只占铸件凝固时间的一部分，冒口不必晚于铸件凝固，这就是有限冒口工艺。
（5）提高铸型的刚性可以提高石墨化膨胀自补缩的利用程度，对软的铸型，因一部分膨胀消耗在型腔的扩大上，相对减小了石墨化膨胀的体积，如图1-2e所示，铸件表现收缩时间延长（从AP延长到AP′），需外部补缩量加大（从曲边三角形AB1P加大到AB2P）。
（6）均衡凝固胀缩完全叠加的物理模型，设想有一种铸铁合金成分，其总收缩量和总石墨化膨胀相等，见图1-2f，其特点是：①铸件任何时刻都不会产生体积亏损与盈余，石墨化膨胀可100%得到利用。②均衡凝固胀缩完全可以叠加时，铸件可以不用冒口，这种胀缩按比例进行的模式就是均衡凝固的物理模型。

                               
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图1-2：胀缩叠加图的工程应用

5、铸件收缩速度的可变性
以往对铸件收缩特性的研究，主要注意它的数量多少，而对它单位时间内收缩量的分配——收缩速度的研究较少。
对于薄壁大件，尽管收缩量较大，但由于薄壁降温快，收缩来得集中（速度快，时间短），在浇注后期的铁液对先浇入的铁液有补缩作用（液态补缩），可使内浇口短时间保持畅通，从而实现浇口对铸件的全补缩。虽然厚大铸件的收缩量大，但整体铸件冷却缓慢，收缩相对分散，单位时间的收缩容易被同时间铸件的其它部位的石墨析出产生的膨胀所抵消，使铸件整体表现出来的收缩值减小，甚至为零，所以，厚大件可以用小冒口或无冒口铸造工艺。

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作者到底是谁?

老翻砂匠

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    原南京曙光机械厂高级工程师，从事铸造四十多年，与魏兵教授合作发表过不少文章。

worker

回复 3# 老翻砂匠


    你没理解.论述如出一辙.到底是魏兵老师和作者,谁是首先论及的这些理论,谁先谁后.还是合著.

csaa3800

谢谢分享，最近正在学习均衡凝固