一、球墨鑄鐵件在凝固過程

球墨鑄鐵件在凝固過程中的共晶石墨析出會產(chǎn)生膨脹力，又因?yàn)楹隣钅烫匦詫?dǎo)致球墨鑄鐵件在凝固初期難以形成堅(jiān)硬外殼，此時凝固產(chǎn)生的膨脹壓力便會作用于鑄型，當(dāng)鑄型強(qiáng)度不夠好時，會產(chǎn)生脹型，使球墨鑄鐵件收縮增大，當(dāng)鑄型強(qiáng)度比較好時，膨脹壓力作用于球墨鑄件本身實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，收縮量減小，因此球墨鑄鐵件的冒口設(shè)計(jì)不同于鑄鋼件，需要綜合考慮鑄型強(qiáng)度、球墨鑄鐵件結(jié)構(gòu)等多種復(fù)雜因素;并且目前球墨鑄鐵件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，球墨鑄鐵件熱節(jié)分析比較困難，冒口的位置難以確定，因此設(shè)計(jì)復(fù)雜球墨鑄鐵件的冒口比較困難。

目前應(yīng)用于球墨鑄鐵件的冒口設(shè)計(jì)方法主要有收縮模數(shù)法、實(shí)用冒口法和通用冒口法?；趲缀蔚拿翱趦?yōu)化方法。雖然能對冒口大小設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，但沒有考慮合金材質(zhì)，對球墨鑄鐵件不一定適用。

收縮模數(shù)法設(shè)計(jì)冒口的原理是均衡凝固技術(shù)，將球墨鑄鐵件作為一個整體，由于每個部分的凝固速度都不一樣，發(fā)生收縮和體積膨脹的時間也不相同，通過將所有單元在同一個時刻的收縮和體積膨脹疊加，可以得到整個球墨鑄鐵件體積隨時間的變化規(guī)律，將收縮和膨脹動態(tài)疊加和為零時，對應(yīng)的時間為收縮時間，該時間對應(yīng)的模數(shù)稱為球墨鑄鐵件收縮模數(shù)，在此時間之后，收縮和膨脹動態(tài)疊加和大于零，因此，冒口設(shè)計(jì)充分利用自補(bǔ)縮效果，僅提供收縮時間之前的液態(tài)收縮量。球墨鑄鐵件整個凝固過程中體積隨溫度變化可以分為液態(tài)收縮、體積膨脹、二次收縮三個部分。在鑄型強(qiáng)度比較好時，冒口頸如果在體積膨脹階段凝固，球墨鑄鐵件便可以利用自身的體積膨脹來抵消后期的二次收縮，充分利用石墨析出產(chǎn)生的膨脹壓力，從而實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮效果，而在鑄型強(qiáng)度比較差時，需要冒口釋放一定的膨脹壓力，冒口頸凝固稍晚。模數(shù)法計(jì)算冒口時只考慮球墨鑄鐵件模數(shù)，這種方法可以應(yīng)用于鑄鋼件、鑄鐵件等，但這種方法沒有考慮球墨鑄鐵件的自補(bǔ)縮作用，對于鑄型強(qiáng)度條件好的球墨鑄鐵件，采用這種方法設(shè)計(jì)的冒口偏大，會造成材料浪費(fèi)，導(dǎo)致工藝出品率低。為此，本文提出了一種考慮鑄型強(qiáng)度的球墨鑄鐵件冒口計(jì)算方法，并應(yīng)用于實(shí)際球墨鑄鐵件的冒口設(shè)計(jì)。

二、厚大斷面機(jī)械球墨鑄鐵件存在的問題

由于厚大斷面機(jī)械球墨鑄鐵件的尺寸大、壁厚，鑄造時熱容量大，凝固緩慢，極易造成元素偏析、球化衰退與孕育衰退，從而導(dǎo)致大型球墨鑄鐵件的組織和基體發(fā)生變化，特別是在機(jī)械球墨鑄鐵件的心部嚴(yán)重。主要表現(xiàn)為石墨球粗大，石墨球數(shù)量少，石墨漂浮，石墨球產(chǎn)生畸變，形成各種非球狀石墨，如碎塊狀、開花狀和蠕蟲狀等。同時由于凝固時溶質(zhì)元素的再分配還會出現(xiàn)嚴(yán)重的元素偏析及晶間化合物、反白口、縮孔、縮松等一系列問題，導(dǎo)致機(jī)械球墨鑄鐵件的力學(xué)性能變差。