铸铁件浇注系统设计规范

1.浇注系统的设计原则

1）浇口盆容有充足的铁液，并且要避免气体和残渣进入。

2）直浇道不能太高，避免铁液对底部的冲击也越大，这会引起底部铁液飞溅和涡流。

3）为了降低铁液在直浇道内与空气接触时间，要保证直浇道快速地充满。

4）横浇道必须要有较大的截面，以减低铁液的流速并消除紊流，同时还要起到挡渣的作用。要做到以上要求，横浇道在内浇道充满之前必须很快地充满。

5）内浇道的设计要保证铁液以较小的速度进入到铸件里面。

6）出气孔的截面积要大于等于最小阻流截面的面积，否则就会影响浇注速度。

2.浇注系统的类型

1）封闭式浇注系统。直浇道出口截面积大于横浇道截面积，横浇道出口截面积总和大于内浇道截面积总和的浇注系统。

2）半封闭式浇注系统。直浇道出口截面积小于横浇道截面积总和，但大于内浇道截面积总和的浇注系统。

3）开放式浇注系统。直浇道出口截面积小于横浇道截面积总和，横浇道出口截面积总和小于内浇道截面积总和的浇注系统。

4）上述浇注系统的综合使用也是可能的。但是在这种情况下必须要遵守各自的规则，同时通用的规则也不能忽视。其各自的特点及注意事项见表-9所列。

表-9浇注系统的类型及各自特点

（续）

3.内浇道设计

1）内浇道开设位置有利于铸件凝固补缩，同时有利于减少铸件收缩应力和防止裂纹。

2）内浇道的开设应有利于充型平稳、排气和除渣。

3）不能把内浇道开在横浇道底部。

4）应避免内浇道直冲芯撑、砂芯、型壁或型腔中的其他薄弱部位。

5）热冒口必须能得到最后的铁液（热的）。

6）内浇道不得开设在铸件质量要求较高的部位和有耐压要求的部位上，以防止内浇道附近组织粗大。

7）从各个内浇口注入型腔的铁液流向应尽可能一致，避免相互冲撞。

8）内浇口流速应该尽可能低，使得充型更平稳，对于球墨铸铁件的内浇口流速要求＜1m/s，其计算可由式（8-4）得出：

式中，V内为内浇口流速（m/s）；W为铸件浇注重量（kg）；ρ为液态金属密度（kg/dm3），一般灰铁取7.0（kg/dm3），球铁取6.9（kg/dm3）；t为浇注时间（s）；S内为内浇口截面（cm2）。

9）内浇道与横浇道的连接方式要避免产生热节，具体见表-10所列。

表-10内浇道与铸件的连接要求

注：如果内浇道是瓷管，则厚度t=D/2。

4.横浇道设计

1）横浇道设计要降低铁液流速以使残渣能从铁液中上浮而停留在横浇道顶部。

2）横浇道要在铁液进入内浇道之前快速充满。

3）填砂方向应有利于浇注系统的充分紧实。

4）当横浇道设置在芯子上时，若芯子高度>500mm，横浇道外侧与芯子的吃砂量应≥80mm。

5）应防出现止披缝浇注，中大型铸件横浇道与型腔最小吃砂量应≥80mm。

6）直浇道底部的缓冲窝和横浇道端头的集渣坑如果设计正确的话可以很好地集渣，具体尺寸见图-1。

7）常见横浇道与内交道的搭接方式及要求见表-11。

图-1横浇道端头设计尺寸

表-11 常见横浇道与内浇道的搭接方式及要求

5.直浇道设计

1）为了避免铁液在横浇道内飞溅，收集铁液前端的部分冷铁液，应该在直浇道下面设置缓冲窝，见表8-22序号7图。

2）在铁液下落10mm就可以获得临界速度0.5m/s。这就意味着所有的铁液到达直浇道底部时将获得过高的速度，横浇道就必须要使铁液在进入的内浇道和型腔之前减低铁液的流速。

3）降低直浇道的高度是非常重要的，可以采用分级直浇道或阶梯直浇道。

4）直浇道的最大高度与直径有关，尺寸选择可参考表-12。

表-12直浇道最大高度与直径的关系

6.浇口盆设计

1）用以承接液态金属导入直浇道顶部。它具有挡渣、避免气体卷入、使金属液平稳连续和准确地进入直浇道的作用。

2）浇口盆应用注意事项见表-13。

表-13浇口盆设计注意事项

（续）

7.出气设计

1）出气是浇注系统的一部分，它可以依次保证干净的铁液通过受控途径进入到型腔，从而可以得到符合质量要求的铸件。

2）为保证型腔内部的气体梳理溢出，型腔出气孔的面积至少要等于阻流截面面积，比较保险的设计就是出气面积大于等于直浇道面积。

8.浇注系统设计项目（见图8-2）

图8-2 浇注系统设计项目图

9.浇注系统参数设计

（1）浇注时间计算

1)浇注时间理论计算的产用公式是：

式中，t浇为浇注时间（s）；δ为铸件的主要壁厚（一般指最薄壁厚）（mm）；G件为铸件净重总量（不包括浇冒口重）（kg）；f为系数，一般取值范围0.6～0.8。

浇注时间与浇注系统的类型、结构，铸件的浇注质量，铸件的最小壁厚及过热温度等有关，理论计算计算的结果一般与实际偏差较大，通常不推荐采用式（8-5）计算。

2) 树脂砂铸件浇注时间可以通过查图-3和图-4的方式确定。

图-3浇注量与浇注时间关系图（有冒口铸造）

图-4 浇注质量与浇注时间的关系图（无冒口铸造）

（2）静压头高度计算 在浇注过程中金属液的静压头值是变化的，表-14所列是计算金属液浇注过程中的平均静压头方式。

表-14 静压头高度计算

（3）速度因数确定

1)根据进流位置和浇注系统结构的不同，速度因数也不同，具体选择方式参见图-5。

2）根据截面比确定速度因子。截面越封闭，速度因子越低。在图-6中，指出了最常用的直浇道与内浇道截面比例和直浇道、横浇道、内浇道比例。

3）依据铸件高度与总高度来确定不同浇注位置的速度系数（见图-7）。

图-5不同进流位置的速度因数

图-6 截面比与速度因子关系图

图-7铸件高度/浇注高度与速度因子关系

4）阻流截面积计算。

式中，W为浇注重量（kg）；ρ为金属液密度（kg/m3），球墨铸铁通常取6.9；fv为速度系数；Hp为平均静压头高度（cm）。

5）内浇道尺寸的确定

如果采用扁内浇口，为避免出现冷隔，内浇道高度依据浇注温度确定，长度应根据浇注重量确定,见图-8和图-9。

图-8 浇注温度与最小内浇道高度的关系

图-9 浇注质量与内浇道尺寸关系

 陶瓷过滤器浇注系统设计

1.铸造中使用过滤器的优点

1）减少铸件中的非金属夹杂物，减少铸件夹渣缺陷。

2）提高铸件的表面质量，减少加工余量，提高铸件的工艺出品率。

3）提高铸件的抗拉强度、延伸率、硬度、疲劳强度。

4）改进铸件可加工性，延长刀具的使用寿命，降低加工成本。

2.过滤网放置位置

过滤网只允许放在开放式浇注系统内，其截面比是：A直/A横/A内为1/1.2～2/>2。过滤器在浇注系统中位置根据铸件的大小及结构特征，有不同的选择，具体见表-15。

表-15 过滤器在浇注系统中的位置

（续）

注：1.在设计过滤网座时，周边要给出1mm的间隙避免过滤网受热膨胀破碎。

2.过滤网下面接瓷管的情况，磁管上面的高度（含过滤网上下空间）至少要大于瓷直径的3倍。

3.浇注质量大于10000kg的不推荐使用过滤网。

3.过滤器设计原则及注意事项

1）在开放式浇注系统中安放，避免金属液直接冲击过滤器，愈靠近内浇口，过滤净化效果愈好。过滤器的设置位置应尽量接近铸件型腔，以保证铁液进入型腔前的洁净度。

2）过滤器的设置应尽量避免金属液竖直方向的冲刷和紊流冲刷，一般不建议直接放置在直浇道上，放在横浇道上的过滤网不能紧挨直浇道，也不能放在横浇道端头。金属液速度在低于1.5m/s的情况下，可以考虑使用。

3）球墨铸铁滤片的有效过滤面积至少为系统阻流截面积的4～6倍。灰

铸铁选用15ppi的泡沫过滤网，球墨铸铁件选用10ppi的泡沫状过滤网。

冒口设计规范

本规范适用灰铸铁和球墨铸铁材质的冒口设计。

1.冒口分类（见表-16）

冒口，按照作用可分为补缩冒口和出气冒口。补缩冒口按照其所在的位置又可分为顶冒口和侧冒口等，出气冒口一般为扁冒口。球墨铸铁件的冒口一般采用补缩冒口，很少采用出气冒口。

表-16冒口分类及其作用和用途

（续）

（续）

2.冒口设计原则

（1）冷却速度匹配原则 冒口的冷却速度要与被补缩铸件部位的冷却速度相匹配，铸铁的冒口不一定要在铸件全部凝固后才凝固，合理的设计应确保冒口颈在铸件断面共晶石墨膨胀之前凝封。

（2）冒口容量原则 冒口要有足够的金属液存储量以向铸件进行补缩，它包括铸件的液态收缩和铸型壁位移的补偿量。

（3）铸型刚度原则 铸型刚度是影响铸件致密程度的主要因素，利用铸铁的石墨膨胀特性，选择刚性好的铸型条件可有效减少实际收缩值，使铸件不易产生收缩缺陷。

（4）冒口位置设置原则

  1）冒口应尽量靠近热节但不能直接放在热节上。

  2）冒口不能设置在铸件重要的加工面、钻孔部位及受力较大的部位。

  3)冒口不应设在铸件受力部位，防止组织粗大降低铸件力学性能。

（5）凝固模拟验证原则 设计计算好的冒口应在凝固模拟软件上进行模拟，与冒口相连接的铸件部位未出现缩松，作为冒口选择是否符合需要的依据。

3.冒口补缩设计

（1）冒口的位置 冒口应设置在补缩通道上，至于铸件上的哪些补缩通道应该设置冒口，则要视铸件的结构情况和工艺的合理性而定。

（2）冒口数量的确定 由于冒口的补缩范围有限，因此，在同一个补缩通道上可能需要设置几个冒口，同一补缩通道上的冒口数量，则由铸件补缩区域确定。同时要注意冒口与冒口互相之间的影响。

（3）冒口的有效补缩距离 冒口的有效补缩距离等于致密的冒口区（L）和致密的末端区（L1）之和，冒口的有效补缩距离与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件有关。

  1) 冒口水平补缩距离。

  单面补缩见图-10。

  其中：冒口区L=4.5T，末端作用区L1=2.5T。

  双面补缩见图-11。

图-10单面补缩

图-11 双面补缩

  其中：冒口区L=3T，末端作用区L1=2.5T。

  冷铁增加末端作用区见图-12。

图-12 冷铁增加末端作用区

  其中：冒口区L=3T，末端作用区L1=2.5T。

  2）冒口的垂直补缩距离。冒口的垂直补缩距离可以根据碳当量确定，具体值可参考表-17。

注：d为铸件被补缩处的壁厚。

（4）冒口大小的设计 在冒口与铸件被补缩部位之间有畅通的补缩通道的前提下，还必须保证冒口有足够的金属液以补缩铸件的收缩，但并不是说冒口的尺寸越大越好。所以冒口的尺寸计算既要保证质量又要降低成本。冒口的尺寸计算方法很多，常用比例法和模数法。

  1）比例法（见图-13）。

  2）模数法设计（模数计算见附录）。

  这种方法的基本原理就是冒口应比铸件受补缩的部分晚凝固，以冒口中的金属液补缩铸件使铸件致密。就是说铸件受补缩部分的凝固时间tc、冒口颈的凝固时间tn和冒口的凝固时间tr应是依序增大的，即tc<tn<tr。根据“平方根定律”t=

可得：

式中，Mc，Mn，Mr分别为铸件（或其受补缩部分）、冒口颈和冒口的模数；Kc，Kn，Kr分别为铸件、冒口颈和冒口的凝固模数，在相同的环境条件下可以认为Kc=Kn=Kr，从而得出Mc<Mn<Mr。

图-13壁厚与冒口尺寸关系图

在通常情况下，取Mc∶Mn∶Mr=1∶1.1∶1.2，如果铁液通过冒口浇入型腔，则Mc∶Mn∶Mr=1∶（1～1.03）∶1.2。

3）利用石墨自补缩的铸铁件冒口（冒口颈）模数计算。

       铸铁的凝固过程中发生的石墨膨胀，意味着灰铸铁和球墨铸铁在存在有液态金属的全过程中并不是始终处于收缩的。收缩时间（ST）仅占全部凝固时间的一部分。这部分时间表示成凝固时间百分数，可由图-14c确定。图-14的使用方法如下：

       在图-14a中用已知的含碳量，沿平行于碳线的方向移动到与相应的w（Si+P）含量相交的点A；画一条铅垂线使之与图-14b中的铸件模数相交于B点；由B点向左引一条水平线，与图-14 c中表示铸铁在型中估计温度线相较于D点；读出收缩时间（ST）占凝固时间的百分数。有效冒口颈模数和冒口由下式（8-8）和（8-9）确定：

（5）冒口补缩液量校核 通过上述方法计算的冒口尺寸符合冒口模数的要求，但它并不总是能满足对铸件截面总的补缩金属的需要，对此要自始至终进行验算。验算步骤如下：

1）计算满足模数要求的冒口所能提供的补缩金属的百分数（η），即补缩率。一般情况下，其值为：

砂冒口：14%～16%

保温冒口：20%～25%

图-14铸铁凝固收缩时间参考图

保温-发热冒口:23%～27%

发热冒口：30%～35%

特殊冒口：> 50 %

2）铸铁合金的收缩率。收缩率可由图-14d确定，由B点画一条水平线与型内金属温度线相交（该温度须由浇注温度来估算，通常低于浇注温度50℃）。在水平轴上读出表示成百分率的膨胀率或收缩率（ξ）。由此应用式（8-10），可以计算出补缩该截面铸件所需的冒口质量。

式中，Wr为冒口质量；Wc为所需补缩的铸件质量；η为冒口补缩效率；ξ为金属液的体收缩率。如果实际选用冒口大于所需值，则补缩液量足够，否则，需要进一步放大冒口。

冷铁设计及应用规范

1.冷铁的分类

1）按与铸件实体关系，冷铁有外冷铁和内冷铁之分。

2）外冷铁又分为直冷冷铁和隔砂冷铁。

3）按材质冷铁可以分为铸铁冷铁、石墨冷铁及其他激冷材料。

4）按冷铁的用途分为通用冷铁和专用冷铁。

2.冷铁设置的一般原则

（1）当铸件中热节比较分散又难以安放冒口时可设置冷铁，以防止铸件产生缩孔、缩松等铸造缺陷。

（2）当铸件厚壁局部需要加速凝固使之与铸件其他部分同时凝固，或在铸件的厚壁与薄壁的拐角处有应力集中处现象时应设置冷铁，以防止裂纹和变形。

（3）当铸件的某部位要改善金相组织，可在该处设置冷铁。

（4）冷铁的位置应与冒口有一定的

距离，使铸件凝固时沿着从放冷铁部位向冒口方向顺序凝固。

（5）选择冷铁安放的位置时，还要考虑浇注系统及引入位置对铸件温度分布和冷铁作用的影响。

3.铸铁直冷外冷铁设计

（1）模数法球墨铸铁件铸铁直冷外冷铁设计（模数计算见附件1）

  1）凝固顺序的选择。①顺序凝固，当使用冷铁强烈地激冷模数较大的铸件断面以便能从模数较小铸件断面获得良好的补缩时，则需以一定的冷铁将其初始模数M0缩小到与其相临断面的模数相匹配才能实现顺序凝固；②同时凝固，同时凝固的原则是采取工艺措施，尽量减小铸件各部分之间的温差，也就是计量使铸件各部分的模数相等或相近，使铸件各部分同时凝固。

  2）冷铁厚度的计算。根据设置冷铁的重量和设置冷铁的表面积可以计算出冷铁的厚度b>0.5a（b为冷铁的厚度，a为被激冷部位铸件的壁厚）。但在实践中一般取冷铁厚度为铸件壁厚的（0.5～1.0）倍。

（2）比例法球墨铸铁件外冷铁的设计 根据实际冷铁的使用，多利用线性回归的方法得出大断面球墨铸铁件上冷铁厚度选择原则，见表-17。

表-17 厚断面球墨铸铁用外冷铁安放位置和冷铁厚度

（续）

注：b、b1、b2为冷铁的厚度；a、a1为铸件被激冷处的壁厚。

（3）冷铁改变铸件断面模数的一些通用数据（见表-18）

表-18冷铁改变铸件模数的一些通用数据

（续）

（续）

（4）冷铁的长度和宽度 在计算和选择了冷铁的厚度后，冷铁的长度和宽度应该根据铸件放置冷铁的位置并以便于操作为依据在通用冷铁列表里选择。

（5）冷铁铺设的间隙 理论上冷铁之间的间隙约等于冷铁宽度的[插图]，在生产实际中，根据经验冷铁的铺设间隙不能大于20mm。

4.内冷铁设计

一般内冷铁的材质都与铸件材质相同，有利于同铸件熔合。一般在冒口的补缩能力和外冷铁的冷却效果不够时才会采用。最好安放在机械加工能去掉的地方（如钻孔处），或用于一些壁厚较大又不太重要的铸件（如汽锤的铁砧子、打桩锤、吊锤等）。内冷铁的质量一般根据铸件的质量来决定，可按如下公式计算：W=K·G。式中，W为内冷铁的质量；G为铸件的质量；K为系数，与铸件的大小有关，其参考数值列于表-20。

表-19质量系数K

注：如果用于铸筋内冷铁时，可根据筋板的厚度选取，内冷体直径一般取筋板厚度的一半。

5.隔砂冷铁设计

使用直冷外冷铁使铸件表面产生白口层或过冷石墨层（尤其灰铸铁件），有时又由于激冷过大而引起铸件产生裂纹。为了避免这种缺陷产生，使用隔砂冷铁以减缓冷却速度，防止裂纹产生。隔砂冷铁的形式和尺寸设计见表-20。

表-20 隔砂冷铁设计

注：冷铁的长度L和宽度A设计同铸铁直冷外冷铁的设计，冷铁的铺设间距为15～20mm。

6.其他激冷材料

（1）石墨块 石墨块激冷作用强、重量轻、不生锈且管理方便。但石墨块成形困难且价格较高，同时易损坏造成回收率不高。石墨块一般用于直冷冷铁。

（2）钢丸砂 在铸件的厚大且结构复杂不易设置冷铁的部位（如铸件的吊耳处），可采用钢丸砂进行激冷，以防止铸件该部位产生缩松或黏砂缺陷。实际中常用抛丸的钢丸和铬矿砂按1∶1的配比混合后在铸件局部适用，效果良好。

（3）一些常用冷铁材料的数据见表-21。

表-21 常用冷铁材料在20℃时数据（依据J坎贝尔的材料数据）

（续）

摘自现代铸铁技术