实用冒口设计法
实用冒口（applied risering）设计法是让冒口和冒口颈先于铸件凝固，利用全部或部分的共晶膨胀量在铸件内部建立压力，实现自补缩，更有利于克服缩松缺陷。实用冒口的工艺出品率高，铸件品质好，成本低。它比通用冒口更实用。
实用冒口的种类及适用范围（以球铁为代表）如图16-23所列。
图16-23 实用冒口的种类及适用范围
（一）压力冒口（包括浇注系统当冒口）
1.基本原理
安放冒口是为了补给铸件的液态（一次）收缩，当液态收缩终止或体积膨胀开始时，让冒口颈及时冻结。在刚性好的高强度铸型内，铸铁的共晶膨胀形成内压，迫使液体流向缩孔、缩松形成之处，这样就可预防铸件于凝固期内部出现真空度，从而避免了缩孔、缩松缺陷。这种冒口称为压力冒口，又称为直接实用冒口。
图16-24示出：铸件模数大，则膨胀压力高。在同样模数下；球铁比灰铸铁的膨胀压力高。一个试验指出：强度很高的湿型，其抗压强度约为0.06MPa，模数为1cm的球铁件的膨胀内压就超过了其承压能力。对灰铸铁件，相应的模数为1.5cm。对于一般湿型铸造而言，只有很薄的铸件，球铁件模数小于0.48cm，灰铁件模数小于0.75cm，才适宜采用压力冒口。为了避免铸件膨胀压力超过铸型的承压能力而导致铸件胀大变形，产生缩松，对M＞0.48cm的球铁件要求采用干型、自硬型等高强度铸型。
2.冒口和冒口颈
（1）冒口体积。在平衡状态下，近似地认为铸铁的共晶温度是1150℃。对于共晶成分的铸铁液，从浇注温度t p冷却到共晶温度的体收缩率ε液，可用式（16-15）表示：
对于碳当量CE=3.6的低碳铸铁，共晶前设先析出约30%（体积分数）的奥氏体，液态铁向奥氏体转变体收缩率为3%，这样就增加了30%×3%=0.9%的体收缩率。从浇注温度（t P）冷却到共晶温度的体收缩率依下式计算：
用式（16-15）、式（16-16）得出的铸铁液态收缩率ε液和浇注温度t p、碳当量CE的关系如图16-25所示。图16-25所提供的数据是平衡状态的，而生产中不会出现平衡状态，铁液中的石墨质点，实际上在液态就存在并长大，发生体积膨胀。其次，在充型期间，铸件表层会形成薄的固体层，也会导致共晶膨胀。另一方面，随着冷却速度加快，会有大量初生奥氏体析出，从而加大了液态收缩。
图16-24 铸铁膨胀压力和模数的近似关系
冒口体积比铸件所需补缩的铁水量要大些。要特别注意：冒口的有效体积是高于铸件最高点水平面的那部分冒口体积，只有这部分铁液才能对铸件进行补缩。
为了更好地发挥压力冒口的补缩作用，推荐采用大气压力冒口的形式，在冒口顶部放置大气压力砂芯或造型时做出锥顶砂。
图16-25 铸铁的ε液—t p曲线
1—C E=4.3；2—C E=3.6
（2）冒口颈的计算原则是：铸件液态收缩结束或共晶膨胀开始时刻，使冒口颈及时冻结。为计算简便，设铸件形体简单，只有一个模数M S。由浇注温度冷却到共晶温度（1150℃），铸件金属释放的热量Q为：
式中 M n——冒口颈模数；
M S——铸件的“关键”模数（Significant Modulus），是计算冒口时起决定作用的模数；
ρ——铁液密度，约为7g/cm3；
c——铁液比热容[0.835J/（g·℃）]；
L——铸铁的熔化热（或结晶潜热），L=209J/g；
t p——浇注温度，精确地说，应是浇注后型内铁液的平均温度。
图16-26 直接实用冒口颈模数和M S的关系
为了切合实际和便于应用，把式（16-21）修正成图16-26。修正的原因是考虑到浇注时的温度损失和因铸件外壳的薄层凝结的热损失。用图16-26查出的冒口颈模数比用式（16-21）计算的值略大。
对于形状简单的铸件，关键模数容易确定。而对于复杂铸件，判断哪一部分作为关键部分就比较困难了。这时应绘制模数—体积份额图（见图16-27），有助于判定关键部分。
图16-27（b）所示铸件应安放3个冒口（或冒口颈），且把冒口（颈）设在1、3（或4）、6部分上。
由于压力冒口只补给铸件的液态收缩，有效补缩距离是无限的，因此用一个冒口可以带两个或更多模数不等的冒口颈。冒口颈的位置可选在最关键部分或更厚的任何部分上。冒口设在最高部位能节约金属。
图16-27 铸件的模数—体积份额图
3.用浇注系统当冒口
对于薄壁的铸铁件，冒口颈很小，可用浇注系统兼起直接实用冒口的作用，内浇道依冒口颈计算，超过铸件最高点水平面的浇口杯和直浇道部分实质上就是冒口。由于湿型的承压能力所限，确定球铁件的模数不大于0.48cm时，灰铸铁件模数小于0.75mm时，适宜采用浇注系统当冒口。
理论上，所有铸件都能用浇注系统当冒口，但当铸件较厚时把冒口和浇口分开，工艺出品率将提高。
仍用图16-26确定冒口颈（内浇道）的模数。但要注意浇温的控制，太冷的铁液浇注后常会导致液态收缩缺陷——集中缩孔或表面缩凹。图16-26上的浇注温度应代表浇注后型内的金属温度。当浇注厚大件时，浇注温度和浇完后型内金属温度并无太大差别；而浇注薄小件时，浇注温度和浇完时型内铁液温度有显著不同。因此，应以最低的浇注温度选择内浇道的模数。经验证明：薄小的石墨铸铁件中很少发现缩松，当用湿型时也如此。这与凝固时铸件截面上温度梯度大、更倾向于层状凝固方式有关。浇注系统当冒口的例子见图16-28，球铁件的壁厚9.5mm，关键模数0.475cm，内浇道模数0.4cm，浇温1320℃。
4.压力冒口的优缺点
主要优点是：铸件工艺出品率高；冒口位置便于选择，冒口颈可很长；冒口便于去除，花费少。
主要缺点是：要求铸型强度高，模数超过0.48cm的球铁件，要求使用高强度铸型，如干型、自硬砂型和Ⅴ法砂型等；要求严格控制浇注温度范围，一般为±25℃，保证冒口颈冻结时间准确；对于形状复杂的多模数铸件，关键模数不易确定，为了验证冒口颈是否正确，需要进行试验。
图16-28 浇注系统当冒口（网线部分）
1—浇口杯；2—直浇道；3—铸件；4—内浇道（冒口颈）；5—横浇道(https://www.daowen.com)
如果生产条件较好，铸件形状简单，或铸件批量大，能克服上述缺点，则应用压力冒口能获得较大的经济效益。
（二）控制压力冒口
1.基本原理
控制压力冒口适于在湿型中铸造M C=0.48～2.5cm的球墨铸铁件。示意图见图16 29。安放冒口补给铸件的液态收缩，在共晶膨胀初期冒口颈畅通，可使铸件内部铁液回填冒口以释放“压力”。控制回填程度使铸件内建立适中的内压用来克服二次收缩缺陷——缩松。从而达到既无缩孔、缩松，又能避免铸件胀大变形。这种冒口又叫“释压冒口”。
控制压力冒口的机理如图16-30所示。图中B、C、D三条比体积温度曲线分别代表三种铸件的体积变化。现以D曲线为例说明如下：C S段表示铸件二次收缩的大小。为克服二次收缩缺陷，须控制铁液的回填程度，使铸件内保留的共晶膨胀大于C S。若向冒口的回填终止过早，即低于Z区下限，则铸件内保留的膨胀压力过大，超出了湿型的承载能力，会导致铸件胀大变形，而且内部可能有缩松存在；若回填终止过晚，高于Z区的上限，铸件保留的膨胀不足（＜C S），则不能消除二次收缩缺陷。因此，控制压力冒口就是要把铸件的保留膨胀量控制在（C S+Z/2）±Z/2的合适范围内，以（C S+Z/2）为冒口回填的终止目标。
图16-29 控制压力冒口示意图
（a）浇注初；（b）液态收缩；（c）膨胀回填
有三种控制方法：①冒口颈适时冻结；②用暗冒口的容积实现控制，暗冒口被回填满，即告终止；③采用冒口颈尺寸和暗冒口容积的双重控制。
以上三种方法都有成功的实例，但比较起来，以第三种方法更经济可靠，推荐使用双重控制法。
图16-30 控制压力冒口机理
明冒口只能用冒口颈尺寸来控制，浇注温度、冶金质量等因素的波动都可以使控制失败，因而不可靠；单用暗冒口容积控制时，须注意浇注温度不超过图16-30中的T 0。浇温高于T 0时，由于液态收缩增大，暗冒口不能被回填满，无法建立内压力，也会导致控制失败。
双重控制法也应重视浇温和冶金质量，由于生产因素波动，当冒口先冻结时，会出现暗冒口未被回填满的情况。冶金质量好的铁液（见图16-30中的B曲线），二次收缩C S小，扩大了Z区，并且不会使铸件胀大变形，容易实现压力控制。
2.设计方法
（1）冒口和冒口颈。冒口模数M r可依图16-31确定。试验表明，控制压力冒口的模数主要与铸件厚大部分的模数（M S）和冶金质量有关。当冶金质量好时，取下限；反之，则应取上限；平常情况下，应依两条曲线的中间点决定冒口模数。
图16-31 控制压力冒口的模数和铸件关键模数的关系
1—冶金质量差；2—冶金质量好
图16-32 需要补缩金属量和铸件模数的关系
冒口应靠近铸件厚大部位安置，以暗冒口为宜。依所确定的模数决定冒口尺寸，依冒口有效体积——高于铸件制高点水平面的冒口体积，大于铸件所需补缩体积（见图16 32）加以校核。
采用短冒口颈。冒口颈的模数依式（16-22）确定：
冒口颈的形状可选用圆形、正方形或矩形。
（2）冒口的补缩距离。与传统冒口的补缩概念不同，控制压力冒口的补缩距离，不是表明由冒口把铁液输送到铸件的凝固部位，而是表明由凝固部位向冒口回填铁液，能输送多大距离。该距离与铁液冶金质量和铸件模数密切相关，如图16-33所示。冶金质量好，模数大，输送距离也大。输送距离达不到的部位，铸件内膨胀压力过高，将导致型壁塑性变形，使铸件胀大变形，内部却可能存在缩松。
灰铸铁比球铁倾向于层状凝固，铁液输送距离较球铁大（参见图16-9）。
图16-33 铁液输送距离和冶金质量及模数的关系
图16-34 某模数—体积份额图
（3）冒口的位置和数目。冒口应安放在模数大的部位。复杂铸件可依铁液输送距离和模数—体积份额图决定冒口位置及数目。某铸件的模数—体积份额图如图16-34所示，则需要2个冒口还是1个？若分体2（M 2）和分体1（M 1），满足关系式（16-23），则可判定分体1可通过分体2把多余的铁液输送给安放在分体3上的冒口内，这时只需安放一个冒口即可；若不满足式（16-23），则应在1、3分体上分别安放冒口。
（4）其他经验：①尽量采用内浇道通过边冒口的引入方式；②采用大气压力暗冒口为宜；③采用扁薄内浇道，长度至少为厚度的4倍，要求浇注后迅速凝固，促使冒口中快速形成大缩孔，以便容纳回填铁液；④要求快浇；⑤宜高温浇注，要求浇温在（1371～1427）±25℃；⑥希望采用冶金质量好的铁液；⑦适用于湿砂中铸造模数M=0.48～2.5cm的球铁件，M=0.75～2.0cm的灰铁件，要求铸型硬度应大于85，是应用最为广泛的冒口。
（三）无冒口补缩法的应用条件
无冒口铸造是一种高经济效益的方法，只要球铁冶金质量高，铸件模数大，采用低温浇注和坚固的铸型就能保证浇注型内的铁液，从一开始就膨胀，从而避免了收缩缺陷——缩孔的可能性，因而无需冒口。尽管以后的共晶膨胀率较小，但因为模数大，即铸件壁厚大，仍可以得到很高的膨胀内压（高达5MPa），在坚固的铸型内，足以克服二次收缩缺陷。从现代观点看，球墨铸铁件的无冒口铸造是一种可靠的方法，应大力提倡。在生产中要认真满足下列应用条件：
（1）要求铁液的冶金质量好。
（2）球铁件的平均模数应在2.5cm以上。当铁液冶金质量非常好时，模数比2.5cm小的铸件也能成功地应用无冒口工艺。
（3）使用强度高、刚性大的铸型，可用干型、自硬砂型、水泥砂型等铸型。上下箱之间要用机械法（螺栓、卡钩等）牢靠地锁紧。
（4）要低温浇注，浇温控制在1300～1350℃。
（5）要求快浇，防止铸型顶部被过分地烘烤和减少膨胀的损失。
（6）采用小的扁薄内浇道，分散引入金属。每个内浇道的断面积不超过15mm×60mm，希望尽早凝固完，以促使铸件内部尽快建立压力。
（7）设明出气孔，Φ20mm，相距1m，均匀布置。
生产中容易出现工艺条件的某种偏差，为了更安全、可靠，可以采用一个小的顶暗冒口，质量可不超过浇注质量的2%，通常称为安全冒口。其作用仅是为弥补工艺条件的偏差，以防万一，当铁液呈现轻微的液态收缩时可以补给，避免铸件上表面凹陷。在膨胀期，它会被回填满。这仍属于无冒口补缩范畴。
【例】无冒口工艺实例。如图16-35所示。铸件材质QT450—5，毛重（指质量）9300kg，平均壁厚90mm。原工艺：干型，8个大压边冒口，单重300kg，总重2400kg，吊耳处放置内冷铁，工艺出品率74.4%。新工艺：无冒口铸造，不用冒口和冷铁，工艺出品率97.3%。
图16-35 球墨铸铁3.5m3钢渣包简图和新（a）、旧（b）工艺对比