浅谈铸造激冷系统的设计和冷铁标准化
介绍了激冷系统的作用、分类及设计原则，对激冷系统的材料及性能进行了分析。并且对激冷系统的设计和管理的失误及冷铁失效的原因进行了分析，并提出了相应的解决措施，以及冷铁设计的标准化和具体的管理措施。
1 激冷系统的作用、分类及设置原则
1.1 激冷系统的作用
(1)与浇注系统和冒口配合控制铸件的凝固次序，加强铸件的顺序凝固条件，增加冒口的纵向补缩长度。
(2)加快铸件的凝固冷却速度，改善优化铸件金相组织，细化晶粒，提高铸件的力学性能。
(3)划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口的补缩范围，提高冒口的补缩效率。
(4)减轻和防止厚壁铸件偏析，避免化学粘砂。
(5)减小铸件缩孔缩松倾向，减小冒口尺寸，提高工艺出品率。
(6)减小铸件热节模数，消除局部热应力，避免铸件产生裂纹缺陷。
1.2 激冷系统的分类
激冷系统的分类，按其使用材质可归纳分为两大类：一是铁质冷铁和非铁质冷铁，铁质冷铁包括各种金属冷铁、石墨及碳化硅等;二是非铁质冷铁，包括各种激冷砂、激冷涂料及强制冷却介质等。
金属冷铁包括铸铁冷铁、铸钢冷铁、铝合金冷铁及铜合金冷铁等，其中铸铁冷铁在中小铸件上使用最为普遍广泛。石墨冷铁采用石墨粉材料压制、烧结、切割及加工而成，一般在中大型、大型铸件使用多。激冷涂料是采用化学焓变涂料(化学冷铁)如碲粉激冷涂料或氢氧化铝粉+莫来石粉激冷涂料涂刷在铸件热节处激冷，使用在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的内腔热节处。激冷砂包括石墨砂、碳化硅砂、铬铁矿砂及锆英石砂等，一般应用在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的内腔流道处及热节处。强制冷却系统是向铸件的内部区域通入冷却介质(压缩空气、循环冷却水、雾化水、冰块及液态氮等)，加速铸件的凝固与冷却，改善铸件的组织结构和力学性能，加快生产周期，适应于大型厚壁铸钢件、球墨铸铁件等。
激冷系统的分类，按其使用方式可分为两大类：外激冷系统和内激冷系统。
(1)外激冷系统
主要包括外冷铁及其他激冷砂，激冷涂料及强制冷却激冷方式。外冷铁的位置在铸件本体的表面外侧，可分为直接外冷铁(明冷铁)和间接外冷铁(暗冷铁、隔砂冷铁及挂砂冷铁)两类。
根据冷铁的使用还可以分为特殊形状冷铁、标准形冷铁和可变型冷铁(激冷砂)。
外冷铁按在铸型型腔的位置可分为底面冷铁、侧面冷铁、顶面冷铁及端面冷铁。金属铸模、石墨铸型及铁型覆砂、壳型背丸也是外冷铁应用的一种方式。“散热片”的冷却工艺对铸件有一定的好处和使用效果。还有一种更为特殊的工艺冷铁是热贴(发热片、保温块)，是使铸件的补缩通道通畅，起到“负冷铁”的作用，在一定程度上也属于冷铁技术的范畴。
(2)内激冷系统
内激冷系统主要是内冷铁，内冷铁的位置在铸件里，并成为铸件的一部分。主要应用于黑色、有色铸造厚大铸件。对铸件质量影响非常大。大多数质量标准都不允许有没熔的内冷铁。因此，为了减小这种影响，内冷铁的材质应尽量接近铸件材质。如果没熔或未达到质量标准，应采用机器将其移除。
激冷系统设计按其使用范围及铸件材质分为三大类：(1)铸铁件激冷系统设计(灰铁件的激冷、球墨铸铁件的激冷等);(2)铸钢件激冷系统设计;(3)非铁合金激冷系统(铸铜件的激冷、铸铝件的激冷等)设计。激冷系统设计按其使用范围及铸造方式分为几大类：潮模砂砂型铸造、树脂砂铸造、壳型铸造、熔模铸造、消失模铸造与V法铸造及反重力铸造等。
1.3 激冷系统的设计原则
(1)外冷铁的设置位置和激冷能力的选择，不应破坏顺序凝固条件，不应堵塞补缩通道。
(2)外冷铁设计不应过大、过长及留有尖角，冷铁之间应留有间隙，避免铸件产生裂纹。
(3)尽量把外冷铁设置在铸件底部和侧面、端面，顶部外冷铁影响型腔排气，易形成气隔。
(4)外冷铁表面应光洁平整，不得有气孔、凹坑等缺陷，并保持冷铁干燥，防止冷铁表面形成冷凝，造成铸件气孔缺陷。
(5)外冷铁材质的选择，其蓄热能力和导热性能要高于同时配套使用的造型材料，冷铁材质的熔点应不低于铸件的熔点，避免冷铁熔接。
(6)外冷铁尽量选择直接置于砂芯中，或在造型过程中直接放置，以免造成清理难度大及影响铸件尺寸精度。
(7)外冷铁的预热非常重要，预热主要是为了避免冷铁含有湿气。对于树脂砂造型制芯，要保持冷铁与室温一样的温度，在冬天有必要预热，防止低温阻碍硬化反应，造成冷铁处铸型紧实度差。
(8)避免冷铁锈蚀，冷铁表面刷涂耐火醇基涂料，或冷铁表面浸涂浓度为9°Bé～12°Bé水玻璃溶液保护膜，延长冷铁的可使用时间，防止铸件气孔缺陷。
(9)确认所用冷铁是为特定铸型、铸件设计定制的，造型和制芯起模时冷铁要放得住，可用磁铁吸附或钢钉固定。
(10)大型冷铁可以在造型时嵌入型砂中，冷铁可以直接放在模样上，或在模样和冷铁之间紧实一层型砂(隔砂冷铁)，一般覆砂层控制在8～12 mm。
(11)大型冷铁应注意冷铁的起吊和放置，可在冷铁上焊接吊钩点(吊环)，利用吊车专用电磁吸盘小心将冷铁放到模样上。
(12)冷铁的最大效用：其厚度的一半或壁厚的一半，两者之间选择最小值。为了节约冷铁，只要有可能，应该把冷铁设计得达到95%的热饱和度。
(13)外冷铁设计应根据铸件的结构及补缩热节、区域的模数，计算冷铁尺寸大小，并应用计算机模拟冷铁的激冷能力及效果，并对冒口的补缩增益效果进行实践验证。
(14)外冷铁的设计壁厚形状取决于使用冷铁部位铸件的形状和冷铁所起的作用。
一般球铁件冷铁的厚度δ冷与所需补缩部位厚度t的关系：δ冷=0.8～1.2 t;灰铁件为δ冷=0.4～0.6 t;铸钢件为δ冷=0.5～1.0 t。一般铸钢件的冷铁厚度为其补缩热节及区域几何模数的1～2倍，其冷铁长度为厚度的2～4倍。
(15)外冷铁经过多次使用，表层氧化严重，激冷能力下降，应规定限制冷铁的使用次数，防止冷铁粘接，气孔缺陷。一般灰铁冷铁可使用8～12次，石墨冷铁可使用20～30次。
2 激冷系统的激冷材质及激冷性能分析
2.1 激冷铁质材料及性能分析
用来做激冷材质的材料不少，每种铁质材料(石墨、碳化硅等作为铁质考虑)都可以拿来做冷铁，因为其熔点较高，蓄热能力好。但是，不同铁质材料做冷铁的效果不同，主要区别在导热能力不同。在不同铁质材料中，导热能力最强的即为冷铁冷却效果最好的。各种激冷铁质冷铁参数性能如表1所示。
表1 各种激冷铁质冷铁参数性能
从表1中可以看到，片状石墨的灰铁导热性能优越于蠕虫状石墨的蠕铁和石墨形状呈球形的球铁。可锻铸铁和白口铸铁(马氏体铸铁含有大量的碳化物)都不能做冷铁，因为导热性差，而且易开裂。用钢来做冷铁，熔点较高，不易熔接，主要做铸钢冷铁用。石墨冷铁的冷却效果比较好，与铁质冷铁的效果近似。其优点是铸件表面夹气问题少，冷铁的修理维护成本低，且易于加工，适合于中大型铸件及铸孔砂芯。因此，最常用的冷铁材质应为高碳低硅灰铁、高碳铸钢及石墨，可实现最高的冷铁冷却效应。单位体积的石墨冷铁和铁质冷铁的冷却性能几乎相同。
2.2 激冷非铁质材料参数及性能分析
各种激冷非铁质冷铁参数性能如表2所示。
表2 各种激冷非铁质冷铁参数性能
冷铁的“蓄热能力”强，意味着其转移热量的能力强、速度快。冷铁的蓄热能力越强，需要使用的冷铁体积就越小。“导热性能”在铁水冷却过程中使冷铁不断地吸收热量，直至其对应部位的铸件完全凝固。
采用碳化硅或铬矿砂可事先做成特殊形状的冷铁或砂芯，适合于中大型厚壁件及铸孔砂芯。砂质冷铁的效果不如铁材质冷铁，一般直接用于造型制芯时成型，更适合用于圆滑拐角的位置，或铺放于冷铁中间。其操作简单可靠，对铸件局部的质量有好处。
2.3 激冷能力分析
激冷材质的导热系数越小，保温效果越好，蓄热系数越大，隔热效果越好。铸件激冷物的激冷能力取决于其蓄热系数的大小，而蓄热系数又取决于其密度、比热容及热导率的大小。冷铁的激冷作用主要是在凝固的开始阶段发生的，当冷铁储蓄到一定的热量时，其激冷作用将明显减弱。通过对铸铁件使用外冷铁的复用问题和补缩增益问题进行了初步研究,证明外冷铁经多次使用,激冷能力下降;冷铁对冒口的增益作用,存在着一个临界值。
3 激冷系统的设计管理误区及废品原因分析
在铸造工艺设计中，一般只注重铸造工艺参数的设计、浇注系统的设计及冒口补缩系统的设计，对激冷系统设计不够重视，对激冷系统的认识存在一定的误区，认为只要放置冷铁就可以解决铸件的缩孔缩松缺陷。对冷铁的设计凭经验，对冷铁的激冷能力未加校核计算及计算机模拟分析，特别是浇注系统设计、冒口补缩系统设计及排气系统设计与激冷系统设计配合不到位，造成冷铁的激冷效果未达到预期的效果，甚至影响了铸件冒口的补缩，起了相反的作用。如果铸造激冷系统设计不合理，冷铁设计过大或过小，冷铁位置设置不合理，与浇冒口系统设计配合不到位，铸件会产生气孔、外冷铁熔接及内冷铁熔接不良等，且铸件缩孔缩松缺陷难以解决，甚至出现呛火、金属液喷溅等安全事故。
如果激冷系统设计标准化设计不到位、产品种类多、冷铁种类多、冷铁的统一标准化不规范、冷铁的生产管理松懈、对冷铁的质量管理过程控制不严格及造型制芯时操作使用偏差，造成铸件披缝大，增加打磨工作量，影响铸件尺寸精度，且大部分废品为气孔、熔接等缺陷。
这些因冷铁的设计误区、生产管理误区造成铸件废品往往比较严重，有时冷铁废品率达10%以上，造成很大的经济损失，也是铸造工作者急切要解决的问题之一。
(1)设计误区一
冷铁能解决缩松就可以去除缩松，冷铁可以补偿收缩，可以减少铁水收缩量，起到补缩的目的。依赖冷铁设置解决铸件缩松缺陷，造成铸件缩松从一个位置迁移到另一位置，缩松缺陷得不到彻底解决。
正解：冷铁能解决缩松但不能根除缩松。冷铁其实是将铸件该处的模数减小，进而减轻了缩松。冷铁不会补偿收缩，只会将缩松转移到其他位置。冷铁不会减少铁水收缩量，但通过移位，可以将收缩逼近或逼到冒口的作用范围内。
(2)设计误区二
冷铁设计凭经验，缺少对冷铁激冷能力的校核计算及计算机模拟分析。过多地依赖经验设计，造成冷铁的激冷效果未达到预期的效果，甚至影响了铸件冒口补缩，起了相反的作用。冷铁设计过大，对铸件激冷过度;冷铁设计过小，激冷效果作用小。
正解：通过计算机对冷铁的激冷能力进行校核计算，通过MAGMA模拟分析冷铁的激冷效果，对冷铁的正确设计设置起到很好的指导作用，加强了冷铁的激冷效果，保证了铸件质量。正确地引入每种冷铁的实际作用效果，对计算机模拟能达到的准确性非常关键。
(3)设计误区三
过多地依赖冷铁设置，冷铁设计数量繁多，片面地提高铸件工艺出品率。
由于工艺设计冷铁数量繁多，虽然铸件工艺出品率有所提高，但加大了造型、制芯及清理工作量，实际上是不经济的。
正解：合理地设计冷铁数量，减轻造型制芯及清理工作量，加强浇冒口系统与冷铁的配合，确定合理的工艺出品率。
(4)设计误区四
冷铁材质选用低于铸件熔点的材质。若铸钢件、耐热铸钢选用铸铁材质的冷铁，由于铸铁的熔点低于铸钢件(铸钢件的浇注温度一般在1 520 ℃以上)，往往由于冷铁表面涂刷涂料不到位，造成冷铁熔接，铸件报废。
正解：冷铁材质选用应不低于铸件熔点的铁材质材料或非材质材料。外冷铁材质的选择，其蓄热能力和导热性能要高于同时配套使用的造型材料，冷铁材质的熔点应不低于铸件的熔点，防止冷铁熔接。
(5)设计误区五
产品的种类多，专用冷铁多。
由于产品的种类多，冷铁的设计种类繁多，专用冷铁多，冷铁的设计未形成系列化、标准化，通用性不足，造成冷铁的生产管理和质量控制困难，影响铸件质量和生产效率。
正解：冷铁的设计应系列化、标准化，加强通用性，便于冷铁的生产管理和质量控制。
(6)设计误区六
忽视冷铁的准确定位。
造型制芯时，冷铁的准确定位非常关键，直接影响到冷铁的激冷效果、铸件尺寸精度及后续清理工作量。如果冷铁不固定，造型制芯时易跑偏、移位甚至掉落。
正解：冷铁设计时不仅要考虑冷铁的大小、位置，还要考虑冷铁准确定位的问题。
(7)设计误区七
冷铁的摆放及排列组合整齐划一。
设计外冷铁之间间隙过大或过小，或者不留间隙，冷铁的排列组合整齐划一，造成铸件激冷效果不均匀，产生裂纹缺陷。如果需要冷铁在铸件本体上作用的范围大一些，应该考虑冷铁厚度不要太厚，形成厚度梯度，使冷却影响区域递减。形成横向梯度范围，铸件的冷却模数递减。
正解：冷铁的摆放应留有适当间隔，冷铁的排列组合应错位放置，有必要形成冷却作用效果递减的态势。
(8)设计误区八
忽视冷铁设置处的铸型排气问题。
在铸件的热节及激冷区域放置冷铁，虽然加快了铸件冷却速度，但同时也影响了冷铁设置处的铸型排气问题，造成排气不畅，铸件易产生气孔、冷隔缺陷。
正解：加强冷铁设置处的铸型排气，加设排气孔。有必要在外冷铁表面开设排气孔，冷铁的非铁水接触面做成空的，有利于消除气孔。
(9)设计误区九
忽视冷铁的冷却效率问题。
冷铁设置在内浇口区域，冷铁所在位置的金属液流量大，冷铁的用量及尺寸又太小，导致冷铁的冷却效率降低，未起到应有的激冷效果，还会影响铸件补缩。
正解：冷铁偏离内浇口区域。
(10)设计误区十
片面追求冷铁的激冷效果，喜欢使用整块冷铁，冷铁越大越长激冷效果越好。
根据铸件的模数及动态热节合理确定冷铁的尺寸大小，冷铁越大虽然激冷效果好，但造成铸件激冷过度，铸件会产生缩凹缺陷。况且，冷铁尺寸设计大小及激冷效果还有一个临界值。无论冷铁厚度多少，其冷却作用范围只能到铸件壁厚的一半。
在保证与铸件接触总面积相等，冷铁总体积相等的条件下，分块冷铁的激冷面积扩大系数较整块的大，分块冷铁较整块冷铁具有更优越的向铸型散热条件，即分块冷铁较整块冷铁具有更好的冷却效果。
正解：确定合理的冷铁尺寸大小及适合的激冷效果。
(11)管理误区一
忽视冷铁预热的重要性。
预热是为了要避免冷铁含有湿气，防止铸件产生气孔缺陷。冷铁和铸件金属的温度差会影响到凝固过程中冷却金属的金相组织和石墨形态。特别是冬天，低温阻碍造型、制芯树脂砂的硬化反应，造成冷铁处铸型紧实度差。
正解：冷铁的预热非常重要，是冷铁生产管理的一个重要工序。
(12)管理误区二
冷铁管控不严，不限制冷铁的使用次数。
对冷铁的生产管理重视不够，未形成有效的质量管控，没有严格的冷铁管理程序及操作作业指导书，造成冷铁的制作使用不规范，因冷铁造成铸件废品严重，经济损失大。外冷铁经过多次使用，表层氧化严重，激冷能力下降，如果不规定限制冷铁的使用次数，铸件易产生冷铁粘接，气孔缺陷。
正解：严格管控冷铁质量，应规定限制冷铁的使用次数，一般灰铁冷铁可使用8～12次，石墨冷铁可使用20～30次。
4 合理的激冷系统设计及工艺预防措施
合理的激冷系统设计不仅要遵循冷铁设计的各项原则，避免冷铁的各种设计管理误区，优化激冷系统设计，合理布局，使激冷效果达到最佳化，还要注重与浇注系统设计、冒口补缩系统设计及排气系统设计等的有机配合。注重冷铁的激冷能力模拟分析、冷铁的失效质量问题及重复使用次数等问题，还有冷铁的排列组合、准确定位、预热及排气等问题。
有效利用冷铁，灵活运用冷铁，清楚地知道冷铁和冒口的作用，合理地设计冷铁和冒口，发挥冷铁对冒口补缩的最大增益作用，保证铸件质量，降低铸件成本，减少冷铁和冒口，提高工艺出品率，获得更大的经济效益。
外激冷系统的设计主要包括外冷铁、激冷砂、激冷涂料、强制冷却及散热片等激冷方式。
4.1 外冷铁在铸造生产上的应用
外冷铁应用在铸件的侧表面，可分为直接外冷铁(明冷铁)和间接外冷铁(暗冷铁或隔砂挂砂冷铁)两大类。外冷铁应用在多种铸件材质及多种铸造方式上，如铸铁件、铸钢件及非铁合金件，潮模砂砂型铸造、树脂砂铸造、壳型铸造、熔模铸造、消失模铸造与V法铸造及反重力铸造等。
(1) 潮模砂流水线造型球铁电梯转子(QT500)，轴孔芯由树脂砂芯改为球铁铁芯，有效地防止了铸件轴孔加工后缩孔缩松及夹渣、渗硫缺陷，取得了很好的技术经济效益，球铁电梯转子轴孔铁芯如图1所示。
图1 球铁电梯转子轴孔铁芯
(2)树脂砂造型转向机缸体(QT 500),采用发热冒口补缩改为冷铁激冷，解决了搭子内部的缩松缺陷，转向机缸体搭子冷铁如图2所示。
图2 转向机缸体搭子冷铁
由于使用本体发热冒口时，在冒口与铸件本体连接的部位，因热量集中，凝固较晚，导致铸件硬度偏低、石墨形态差等质量问题。以前使用本体发热冒口消除内部的缩松缺陷，后来改用冷铁同样达到了相同的效果，质量更加稳定，从而使用冷铁达到了减小冒口，提高工艺出品率的目的。
(3)壳型铸造耐热钢(1.4837)涡轮壳流道搭子采用端面冷铁激冷，加工搭子轴孔出现严重的缩松缺陷。后改进采用对开式、成型面式冷铁工艺，解决了搭子轴孔加工缩松问题，壳型铸造涡轮壳搭子成型面式冷铁如图3所示。但冷铁还不能彻底解决铸件的缩松问题，只能减小缩松缺陷，不能起到补缩作用。
图3 壳型铸造涡轮壳搭子成型面式冷铁
解决缩孔缩松缺陷的原理是使热节部位快速冷却。一般冷铁只能将缺陷移位，即将缺陷移到非关键部位，而不能将缺陷消除，除非有足够的补缩通道，实现顺序凝固，才能将缺陷移到最后凝固的冒口中。此对开式成型面式冷铁和铸件搭子的大部分接触，搭子大部分处于冷铁的包覆状态，使铸件激冷效果大幅提升，加快了搭子的冷却速度。搭子经解剖及PT检测，搭子疏松缺陷成细小的<Φ0.5 mm 中心轴线,经机械加工后，疏松缺陷得到彻底消除。
(4)采用“铸造冷铁”新工艺解决熔模精密铸造难题。由于精密铸造中薄壁复杂铸件(铸钢件)存在较大热节的，难以补缩成型，易产生缩孔、缩松缺陷。采用“铸造冷铁”新工艺解决了精铸中的热节补缩技术难题，防止铸件产生缩孔、缩松缺陷，降低了成本，提高了产品质量，是一种简单、经济、适用的铸造新工艺方法。
所以，需要选择一种适合的冷铁，使其既能在高温焙烧时不产生氧化皮，又能在浇铸后容易加工。为了有效防止冷铁在1 100 ℃左右的高温和长时间焙烧环境下被氧化，并将钢液与冷铁隔离开，防止冷铁与金属液直接接触，避免冷铁在起冷却防缩松作用的同时又产生其他的副作用，需要一种“铸造冷铁”专用耐热涂料，将冷铁保护起来，防止冷铁氧化。
该工艺技术的关键是在熔模精密铸造铸件热节处安放“铸造冷铁”，并保证冷铁在高温焙烧环境下不被氧化，在浇注时不与金属液接触。采用低碳钢“铸造冷铁”有很强的激冷特征，可使热节处金属液快速凝固。在激冷、重力的共同作用下，金属液的流动性增强，充型速度加快，保证了铸件热节处凝固结晶的形核率，使铸件内部组织细化，可以生产普通熔模精密铸造不能或难以生产的大型、薄壁及复杂的铸件。该工艺技术保留了传统熔模精密铸造的基本工艺及特点，在熔模铸造件的热节处设置冷铁使充入型壳的金属液在激冷状态下结晶凝固，简化了传统熔模铸造的浇注系统，提高了工艺出品率和铸件合格率。该工艺可应用于中大型薄壁复杂且存在热节的铸件的熔模精密铸造，成形效果很好，在高强度铸造铝合金、铜合金、合金钢及碳钢等相关零件的精密成形中都可得到广泛应用。
(5)应用于挂砂冷铁生产M 2210磨床桥板铸件(HT 250)。试验证明，应用挂砂冷铁可提高导轨的硬度，不会产生碳化铁而影响加工，同时减少了导轨疏松的倾向，既能起到外冷铁的激冷作用，又避免了外冷铁易造成白口、气孔、粘连及使用寿命短等缺点，挂砂冷铁及其制作如图4所示。
图4 挂砂冷铁及其制作
挂砂冷铁具有冷铁的作用，又消除了普通冷铁的负面影响。在壁厚较大的机床铸件的生产中应用挂砂冷铁，经济、实惠、可行。考虑到导轨面的组织及硬度要求，挂砂层厚度选8～10 mm。采用树脂砂固化、覆膜砂加热固化挂砂造型制作冷铁。
4.2 石墨冷铁在铸造生产上的应用
石墨冷铁具有密度小、导热性能高、蓄热能力强、耐火度高、铸件不易产生气孔、造型制芯操作方便及可多次使用等优势，且石墨冷铁的使用效果优于铸铁冷铁，因而得到了快速发展，铸造企业正在推广以石墨作为激冷材料的铸造新工艺。但石墨冷铁也有自身的使用缺点，如循环使用次数少、随形石墨冷铁制作难度大及使用成本较高等。
目前市场所用的石墨冷铁以挤压石墨为原料，通过铣床、车床等机床加工成所要求规格的石墨冷铁，这种加工方式的优点是石墨冷铁表面光滑平整，有益于铸件热量的均匀导出，缺点是原料价格高，加工效率低，使得石墨冷铁，特别是随形石墨冷铁的成本过高。因此，采用以价格较低的石墨粉为原料，通过3D打印技术打印成型石墨冷铁，是石墨冷铁发展的一个方向。
(1)石墨内冷铁在机体毛坯生产中的应用
604直列六缸机体毛坯的曲轴箱每档之间的主滑油孔处,热节较大且无法补缩,造成了铸件主滑油孔处很容易产生缩孔、缩松缺陷。原在主滑油孔处应用铸铁成形内孔冷铁，而内冷铁与金属液不能很好地融合，且容易生锈，铸件易出现气孔缺陷及加工困难问题。进行了工艺改进，采用石墨内孔冷铁，彻底消除了主滑油孔处缩孔缩松及气孔缺陷，且加工性能良好。因此，对于消除铸件内相对孤立热节较大，同时又无法用冒口等工艺措施进行补缩时,可优先选用石墨内冷铁。但为降低石墨冷铁自身的发气量,应选用焦油含量较低的石墨材料制作。
(2)石墨冷铁在大断面大型铸铁件上的应用
由于大断面大型铸件冷却缓慢，铸件易产生硬度不均，加工色差及石墨形态异常等缺陷，为此，通过石墨冷铁的应用，灵活地置于铸件需用激冷的各个面上，解决了大断面球铁件易产生缩孔、缩松及表面硬度低的问题，保证了铸件加工面硬度的均匀一致，消除了加工面加工后的色差，实现了无冒口铸造，大大提高了大断面铸铁件的工艺出品率。
石墨冷铁使用得当，寿命可达25次以上，其成本不比金属冷铁(使用10次)高，但必须回收好、管理好。当石墨块的厚度与铸件壁厚相当或是铸件模数的2倍左右时能起到最大的激冷效果。石墨块在实际选用时应综合考虑各种情况的影响，以选用合适的厚度。
4.3 激冷砂在铸造生产中的开发和应用
激冷砂包括铬铁矿砂、碳化硅砂、石墨砂及锆英石砂等，一般应用在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的热节及内腔处，包括砂型、砂芯。在热节部位使用激冷砂的造型、制芯材料，激冷作用比铸件冷铁缓和，操作使用成型方便，加快了热节部位的冷却速度，转移或者消除了铸件缩松缺陷，防止铸件粘砂及金相组织异常缺陷。
在实际生产中，铬铁矿砂、碳化硅砂用得较多，可将铬铁矿砂或者碳化硅混制成型砂或者芯砂(呋喃树脂砂、派普树脂砂等)，在热节部位使用。使用铬铁矿砂制芯，防止了转向机缸盖中心孔部位、曲轴连杆颈部位等铸件产生缩松缺陷。使用铬铁矿砂制芯,防止大断面铸件细长铸孔严重粘砂缺陷[2]。激冷覆膜砂(铬铁矿砂)对解决铸件的渗漏性缺陷及流道芯中热节处缩松缺陷有独特的优势，在铸造领域中，激冷砂对推动造型材料的发展将产生积极的影响。
4.4 激冷涂料在铸造生产中的开发和应用
激冷涂料采用化学焓变涂料(如：碲粉激冷涂料;氢氧化铝粉+莫来石粉激冷涂料;锆英石粉、铬铁矿砂粉激冷涂料)，涂刷在铸件热节处激冷。激冷涂料使用在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的内腔热节及搭子处。
采用碲基涂料代替冷铁，操作简单易行，有效防止压缩机缸体(HT 250)螺孔脐子缩松、渗漏缺陷，降低了废品率。采用激冷型特种铸型涂料(锆英砂+铬铁矿砂)能细化铸件基体组织,保证铸件性能要求,防止铸件裂纹缺陷，并易实现柔性生产，收到了良好的技术效果。
4.5 强制冷却在大型铸件生产中的应用
强制冷却系统是向铸件的内部区域通入冷却介质(压缩空气、循环冷却水、雾化水、冰块及液态氮等)加速铸件的凝固与冷却，改善铸件的组织结构和机械性能，加快生产周期的工艺措施，适应于大型厚壁铸钢件、球墨铸铁件等。厚大断面球铁花盘强制冷却工艺如图5所示，在大型厚大断面球铁花盘生产中，采用的强制冷却铸造工艺，即在主砂芯内增设通风管,在铸件凝固和冷却降温期间,用压缩空气带走砂芯内的热量,以使铸件内部能均匀冷却,避免粘砂和收缩缺陷的产生。
强制冷却技术是对大型厚壁铸件进行凝固控制和改善芯砂工作条件的重要手段。在使用时需特别注意冷却介质开通的时机，否则会引起其他严重的问题，因为这类冷却介质在管壁上容易凝露，形成铸件的气孔缺陷。也可暂时归为“冷铁”的一种。
图5 厚大断面球铁花盘强制冷却工艺
4.6 采用散热片或冷却筋冷却工艺
采用散热片或冷却筋冷却工艺有利于减轻铸件缩松缺陷，对铸件具有一定的使用效果。冷筋的作用原理与冷铁相似，但可以免除冷铁制造引起成本增加的缺点。在易产生缺陷的热节部位附近模具上设置直径5～8 mm 的细棒，或厚2～5 mm 的散热薄片，浇注后，细圆棒或者薄片快速凝固，快速散热，带动该热节部位凝固速度加快，相当于在该位置放置了一块冷铁，将缩松移位或者消除。
4.7 采用多种激冷方式
采用多种激冷方式、激冷材料相结合，可收到良好的效果。根据铸件的结构特点、材质要求、技术质量要求及铸造工艺方式等，进行运用，合理选用内外激冷系统方式，将金属冷铁、石墨冷铁、激冷砂及激冷涂料等有机地结合组合，发挥各种激冷方式、激冷材料的优势，防止铸件产生缩孔缩松、粘砂、裂纹及组织异常铸造缺陷。
4.8 冷铁的安放准确定位非常关键
造型制芯时，冷铁的准确定位非常重要，直接影响到冷铁的激冷效果、铸件尺寸精度及后续清理工作量。如果冷铁固定不稳，造型制芯时易跑偏、移位甚至掉落。
在机器制芯时，在热芯盒模具上安装钕铁硼磁铁固定冷铁，耐高温(240 ℃)使用效果好，结构简单,定位可靠,防止冷铁移动、滑落，适合于大批量生产。
在树脂砂流水线造型过程中，使用外冷铁存在捂置困难及容易移位问题，加上硬化起模，移位的冷铁修复难度大，给厚薄不均匀的铸件尤其是大型铸件的浇注带来许多困难。为此，在模样上加装适合的过盈配合强力磁铁，冷铁固定不移位，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率，提高了铸件表面质量和尺寸精度。
4.9 铸铁件冷铁冒口的研究和应用
冷铁冒口是根据铸件均衡凝固理论与有限补缩原则，结合无冒口铸造的理论设计的新型冒口，其特点体现在压边冒口颈处安放冷铁，利用冷铁吸热消除冒口和铸件形成的接触热节，并充分利用铁液的凝固膨胀获得质量较好的铸件。
冷铁冒口的补缩机理和工艺是无冒口铸造理论与均衡凝固理论的有机结合。采用压边冒口的形式，在压边缝隙处安放大小和形状合适的冷铁，用冷铁来平衡冒口根部集中的热量，消除人为热节，自适应地调节冒口对铸件以及铸件自身的补缩能力。同时，冷铁又可以加快压边冒口缝隙处的凝固速度，从而使压边宽度增加，这使液态补缩更加充分有效，在达到均衡时，在冷铁的作用下冒口缝隙迅速凝固封闭，利用其自身的膨胀压力获得质量合格的铸件。
冷铁冒口的应用条件：
(1)模数大于2.5 cm 的各类球墨铸铁、蠕墨铸铁、灰铸铁及合金铸件;
(2)普通黏土砂干型和其他自硬砂型。
冷铁冒口应用于厚大球墨铸铁件、蠕墨铸铁件和灰铸铁件，解决了铸件内部的缩孔和缩松问题，放宽了对冶金质量的要求(适应性强)，放宽了压边宽度值，降低了冒口对压边宽度的敏感性;提高了铸件的工艺出品率，取得了很好的技术经济效益。
4.10 采用冷铁分割包围配合冒口补缩工艺
使用适当的补缩冒口被认为是防止缩孔缺陷的有效方法，但对于形状复杂的铸件，仅使用冒口还不能完全消除缺陷，从经济角度出发如果工艺出品率降低，增加生产成本。由于球墨铸铁凝固特性的关系，对冒口补缩效果的期待值又不能过髙，如果采用半补缩冒口的形式，有时会更加引起缩孔的发生。在这种情况下，生产球墨铸铁件时，为了防止缩孔的发生，多使用冷铁来代替冒口，或者采用冷铁分割冒口，防止补缩冒口间相互作用相互影响。
蜂巢板材质为QT 500，在面积为1 220 mm×846 mm 的一块平板上分布着4525个通孔，通孔内不允许有任何缺陷。采用冷铁分割包围(避免冒口相互影响)配合冒口补缩的工艺，成功攻克了这一难题，铸件质量完全满足客户要求。
5 冷铁的失效原因分析及防止措施
灰铸铁材质的冷铁经过多次使用，表层氧化严重，石墨发生氧化和基体织构发生改变，激冷能力下降，而激冷能力的下降是导致冷铁失效的根本原因。因此，应规定限制冷铁的使用次数，防止冷铁粘接、气孔缺陷。一般小型铸件用冷铁复用次数限定在10次以内，大型铸件用冷铁限定在5～8次(冷铁表面氧化失效后可机械加工1～2 mm 后重新使用)，石墨冷铁可使用20～30次。
多品种铸钢件用外冷铁，经过钢液浇注后，铸件表面容易粘冷铁，轻则导致表面粗糙，重则冷铁与铸件熔为一体，增加铸件清理工作量，生产效率低下。冷铁激冷能力与铸钢件粘冷铁有密切的联系，工艺设计校核冷铁重量，选择适当规格的冷铁及耐高温涂料可以有效地防止铸钢件粘冷铁。循环使用的冷铁在使用过2～3次后，表面生成0.5～1 mm 厚的氧化层，降低了冷铁的激冷能力。因此，在重复使用之前，应将使用面加工去除1 mm 的氧化层，可在一定程度上恢复冷铁的激冷能力，防止铸件粘冷铁。
6 结论
(1)冷铁能解决缩松但不能根除缩松，冷铁其实是将铸件该处的模数减小，进而减轻了缩松。冷铁不会补偿收缩，只会将缩松转移到其他位置。冷铁不会减少铁水收缩量，但通过移位，可以将收缩逼近或逼到冒口的作用范围内。
(2)通过计算机对冷铁的激冷能力进行校核计算和通过MAGMA模拟分析冷铁的激冷效果，对冷铁的正确设计设置起了很好的指导作用，加强了冷铁的激冷效果，保证了铸件质量。正确地引入每种冷铁的实际作用效果，对计算机模拟能达到的准确性非常关键。
(3)合理的激冷系统设计应遵循冷铁设计的各种原则：避免冷铁的各种设计管理误区，优化激冷系统设计，合理布局，使激冷效果达到最佳化;注重与浇注系统设计、冒口补缩系统设计及排气系统设计等的有机配合;注重冷铁的激冷能力模拟分析，冷铁的失效质量问题、重复使用次数等问题;冷铁的排列组合、准确定位、预热及排气等问题。外激冷系统的设计主要包括外冷铁、激冷砂、激冷涂料、强制冷却及散热片等激冷方式。
(4)采用多种激冷方式、激冷材料相结合，可收到良好的效果。根据铸件的结构特点、材质要求、技术质量要求及铸造工艺方式等，合理选用内外激冷系统方式。将金属冷铁、石墨冷铁、激冷砂及激冷涂料等有机地结合组合，发挥各种激冷方式、激冷材料的优势，防止铸件产生缩孔缩松、粘砂、裂纹及组织异常等铸造缺陷。
(5)冷铁的激冷效果还有一个临界值，无论冷铁厚度多少，冷铁的最大效用只能到铸件壁厚的一半，冷铁对冒口的增益作用也存在着一个临界值。合理的设计冷铁数量，减轻造型制芯及清理工作量，加强浇冒口系统与冷铁的配合，确定合理的工艺出品率。
(6)外冷铁材质的蓄热能力和导热性能要高于同时配套使用的造型材料，冷铁材质的熔点应不低于铸件的熔点，避免冷铁熔接。
(7)造型、制芯时，冷铁的准确定位非常重要，直接影响到冷铁的激冷效果、铸件尺寸精度及后续清理工作量等。一般在芯盒或模样上加装合适的过盈配合强力磁铁，保证冷铁固定不移位，减轻了劳动强度，提高了工作效率，提高了铸件表面质量和尺寸精度。
(8)石墨冷铁具有密度小、导热性能高、蓄热能力强、耐火度高、铸件不易产生气孔、造型、制芯操作方便及可多次使用等优势，且石墨冷铁的使用效果优于铸铁冷铁，因而得到了快速的发展，越来越多的铸造企业正在推广以石墨作为激冷材料的铸造新工艺。
(9)在复杂铸件难以补缩及放置冷铁的内腔热节处，使用激冷砂的造型、制芯材料及激冷涂料，激冷作用较铸件冷铁缓和，操作使用成型方便，加快了热节部位的冷却速度，转移或者消除了铸件缩松、渗漏等缺陷，防止铸件粘黏、裂纹及金相组织异常等缺陷，并易实现柔性生产，收到了良好的技术效果。
(10)冷铁经过多次使用，表层氧化严重，石墨发生氧化，激冷能力下降，而激冷能力的下降是导致冷铁失效的根本原因。因此，应规定限制冷铁的使用次数，防止冷铁粘接、气孔等缺陷。建议一般小型铸件用冷铁复用次数限定在10次以内，大型铸件用的冷铁限定在5～8次，石墨冷铁可使用20～30次。
(11)标准冷铁的制定：对所使用的冷铁进行分类，并统计分析设置冷铁部位的各类铸件情况;对大部分冷铁进行标准化处理，对少部分形状比较特殊的固定产品，仍然使用专用冷铁，两方面结合起来，可使冷铁工艺达到比较满意的效果。
(12)标准冷铁的管理：冷铁生产应按与铸件一样的标准执行;冷铁质量与铸件质量一样重要;冷铁应进行编号管理，不能混用;冷铁的管理体现一个铸造企业的管理水平。在使用冷铁前，应执行一系列的检查和管理措施，包括检查表面质量、尺寸和放置的位置等。
文章编辑：柳建国
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