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一、球墨铸铁件在凝固过程

球墨铸铁件在凝固过程中的共晶石墨析出会产生膨胀力，又因为糊状凝固特性导致球墨铸铁件在凝固初期难以形成坚硬外壳，此时凝固产生的膨胀压力便会作用于铸型，当铸型强度不够好时，会产生胀型，使球墨铸铁件收缩增大，当铸型强度比较好时，膨胀压力作用于球墨铸件本身实现自补缩，收缩量减小，因此球墨铸铁件的冒口设计不同于铸钢件，需要综合考虑铸型强度、球墨铸铁件结构等多种复杂因素;并且目前球墨铸铁件结构越来越复杂，球墨铸铁件热节分析比较困难，冒口的位置难以确定，因此设计复杂球墨铸铁件的冒口比较困难。

目前应用于球墨铸铁件的冒口设计方法主要有收缩模数法、实用冒口法和通用冒口法。基于几何的冒口优化方法。虽然能对冒口大小设计进行优化，但没有考虑合金材质，对球墨铸铁件不一定适用。

收缩模数法设计冒口的原理是均衡凝固技术，将球墨铸铁件作为一个整体，由于每个部分的凝固速度都不一样，发生收缩和体积膨胀的时间也不相同，通过将所有单元在同一个时刻的收缩和体积膨胀叠加，可以得到整个球墨铸铁件体积随时间的变化规律，将收缩和膨胀动态叠加和为零时，对应的时间为收缩时间，该时间对应的模数称为球墨铸铁件收缩模数，在此时间之后，收缩和膨胀动态叠加和大于零，因此，冒口设计充分利用自补缩效果，仅提供收缩时间之前的液态收缩量。球墨铸铁件整个凝固过程中体积随温度变化可以分为液态收缩、体积膨胀、二次收缩三个部分。在铸型强度比较好时，冒口颈如果在体积膨胀阶段凝固，球墨铸铁件便可以利用自身的体积膨胀来抵消后期的二次收缩，充分利用石墨析出产生的膨胀压力，从而实现自补缩效果，而在铸型强度比较差时，需要冒口释放一定的膨胀压力，冒口颈凝固稍晚。模数法计算冒口时只考虑球墨铸铁件模数，这种方法可以应用于铸钢件、铸铁件等，但这种方法没有考虑球墨铸铁件的自补缩作用，对于铸型强度条件好的球墨铸铁件，采用这种方法设计的冒口偏大，会造成材料浪费，导致工艺出品率低。为此，本文提出了一种考虑铸型强度的球墨铸铁件冒口计算方法，并应用于实际球墨铸铁件的冒口设计。

二、厚大断面机械球墨铸铁件存在的问题

由于厚大断面机械球墨铸铁件的尺寸大、壁厚，铸造时热容量大，凝固缓慢，极易造成元素偏析、球化衰退与孕育衰退，从而导致大型球墨铸铁件的组织和基体发生变化，特别是在机械球墨铸铁件的心部严重。主要表现为石墨球粗大，石墨球数量少，石墨漂浮，石墨球产生畸变，形成各种非球状石墨，如碎块状、开花状和蠕虫状等。同时由于凝固时溶质元素的再分配还会出现严重的元素偏析及晶间化合物、反白口、缩孔、缩松等一系列问题，导致机械球墨铸铁件的力学性能变差。

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