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生膨脹力，又因為糊狀凝固特性導致球墨鑄鐵件在凝固初期難以形成堅硬外殼，此時凝固產生的膨脹壓力便會作用于鑄型，當鑄型強度不夠好時，會產生脹型，使球墨鑄鐵件收縮增大，當鑄型強度比較好時，膨脹壓力作用于球墨鑄件本身實現自補縮，收縮量減小，因此球墨鑄鐵件的冒口設計不同于鑄鋼件，需要綜合考慮鑄型強度、球墨鑄鐵件結構等多種復雜因素;并且目前球墨鑄鐵件結構越來越復雜，球墨鑄鐵件熱節分析比較困難，冒口的位置難以確定，因此設計復雜球墨鑄鐵件的冒口比較困難。

目前應用于球墨鑄鐵件的冒口設計方法主要有收縮模數法、實用冒口法和通用冒口法。基于幾何的冒口優化方法。雖然能對冒口大小設計進行優化，但沒有考慮合金材質，對球墨鑄鐵件不一定適用。

收縮模數法設計冒口的原理是均衡凝固技術，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律，將收縮和膨脹動態疊加和為零時，對應的時間為收縮時間，該時間對應的模數稱為球墨鑄鐵件收縮模數，在此時間之后，收縮和膨脹動態疊加和大于零，因此，冒口設計充分利用自補縮效果，僅提供收縮時間之前的液態收縮量。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收縮、體積膨脹、二次收縮三個部分。在鑄型強度比較好時，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生的膨脹壓力，從而實現自補縮效果，而在鑄型強度比較差時，需要冒口釋放一定的膨脹壓力，冒口頸凝固稍晚。模數法計算冒口時只考慮球墨鑄鐵件模數，這種方法可以應用于鑄鋼件、鑄鐵件等，但這種方法沒有考慮球墨鑄鐵件的自補縮作用，對于鑄型強度條件好的球墨鑄鐵件，采用這種方法設計的冒口偏大，會造成材料浪費，導致工藝出品率低。為此，本文提出了一種考慮鑄型強度的球墨鑄鐵件冒口計算方法，并應用于實際球墨鑄鐵件的冒口設計。

二、厚大斷面機械球墨鑄鐵件存在的問題

由于厚大斷面機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，從而導致大型球墨鑄鐵件的組織和基體發生變化，特別是在機械球墨鑄鐵件的心部嚴重。主要表現為石墨球粗大，石墨球數量少，石墨漂浮，石墨球產生畸變，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元素的再分配還會出現嚴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，導致機械球墨鑄鐵件的力學性能變差。