CN102001442B - 一种铸造成型的桨叶导向架及铸造成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造成型的桨叶导向架的铸造成型方法，化学成分(质量分数)控制范围如下：C：0.17～0.23%，Si:0.20～0.35%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.030%,P:≤0.030%,Cr:0.35～0.65%,Mo:0.20～0.25%，Ni:0.55～0.70%，V：0.04～0.08%，Ti:0.002～0.01%。优点：一是由锻造成型改铸造成型简化了生产工序，节省了原材料，降低了生产成本；二是通过外部加强冷却，内部对材料组分进行优化和添加微合金元素，达到了加强细化晶粒，提高材料的致密度，从而达到提高材料综合机械性能的目的。

Description

一种铸造成型的桨叶导向架及铸造成型方法

技术领域

本发明涉及一种铸造成型的桨叶导向架及铸造成型方法，属铸造产品及铸造方法制造领域。

背景技术

现有的TSCPP-20NCD2材料系列桨叶导向架产品，该产品是可调螺旋桨叶的重要部件，起导向和传动作用。在性能方面要求较高的强度和塑性，而且还要求具备良好的低温韧性。具体化学成分和机械性能要求如下：化学成分(质量分数)：C：0.17～0.23%，Si:≤0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.035%, P:≤0.035%,Cr:0.35～0.70%,Mo: 0.15～0.25%；Ni:0.40～0.70%;机械性能：R_p0.2≥480N/㎜²，R_m:700～850 N/㎜²,A₅%≥16%,AKv≥35J(-20℃)。其制作方法：按照产品材料化学成分构成和机械性能要求，该产品通常需要利用铸锭经过锻造成型生产工艺，才能达到要求。锻造的具体生产过程为：废钢原材料＿铸锭＿锻造成型＿零件毛坯＿机加工＿热处理＿最终产品。其不足之处：按锻造成型的工艺方法生产的产品毛坯材料的利用率非常低，且毛坯的加工余量大，加工周期长，生产成本较高。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种铸造成型的桨叶导向架及铸造成型方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。本申请在完全满足产品原有性能的前提下，将桨叶导向架由锻件改为铸件，其生产过程改为废钢原材料＿铸造成型＿零件毛坯＿机加工＿热处理＿最终产品。1、技术难点分析：由锻造成型改为铸造成型，在同样的化学成分和热处理条件下，铸件的力学性能要比锻件的低，特别是塑性和韧性更为明显。由于锻件的原始坯料为铸锭，经锻造变形及再结晶后消除了粗大的铸造组织，形成了细小的再结晶组织。同时由于锻造变形过程中，消除了铸锭中的缩孔、气孔等缺陷而提高了金属的致密度。并且铸锭中的偏析在锻造加热过程中，由于组元的扩散亦有减少。因此相比之下锻造成型过程更容易获得较高的综合机械性能。并且该产品壁厚相对较厚，在铸造凝固过程中，冷却速度较低，极易形成组织枝晶臂间距过大，组织连续性差，造成组织晶粒粗大。2、铸造工艺方案和措施：由锻造成型改为铸造成型，根本的问题就是解决铸造成型带来的综合机械性能下降的问题，而材料的综合机械性能主要取决于金属的组织晶粒度。因此要提高铸钢件的综合机械性能，就必须使铸件的凝固更有利于细化晶粒和提高铸件的致密度。根据浆叶导向架的结构特点及性能要求，结合材料的特点，主要从改变热节分布加快铸件凝固、材料组分的优化两个方面来设计该铸件的生产工艺方案。⑴从该铸件的结构特点来分析铸造工艺性，根据铸件的温度场分布特点，其中正方体和直径轴相贯芯部位置热节相对集中点，也是温度场中的最高温区域，该区域由于热中心在中心芯部（见图3），冒口根部在矩形平面上，补缩通道不畅通，易形成疏松类铸造缺陷。因此在工艺设计上一方面通过增设补贴，使热中心偏离铸件本体（见图4）。⑵另一方面由于晶粒的大小与过冷度有着密切的关系，过冷度越大，得到的晶粒越细。为了获的较快的冷却速度，在局部热节部位和离冒口较远厚壁处增设专用外冷铁激冷。进一步增加散热，提高激冷效果，与钢水直接接触型腔表面采用激冷能力为普通硅砂4倍的铬铁矿砂，使几何热节降低约15%。同时在末端区增设出气管道，既有利于型腔内气体的排出，同时气体排出带走的部分热量也给型腔的散热提供了帮助。⑶由于该件壁厚相对较厚，为了防止因为外部激冷造成内部温度梯度较大而形成柱状晶，采用强化生核的措施，考虑通过添加V、Ti微合金元素对材料的组分进行优化，提高低温脆性转变温度，提高材料的塑性和韧性。同时综合考虑材料的强度性能，对组分的其它元素根据其在钢中的不同作用进行了优化。

技术方案1：铸造成型的桨叶导向架，化学成分(质量分数)控制范围如下：C：0.17～0.23%，Si:≤0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.030%, P:≤0.030%,Cr:0.35～0.65%,Mo: 0.20～0.25%，Ni:0.55～0.70%,V：0.04～0.08%，Ti: 0.002～0.01%。

技术方案2：桨叶导向架的铸造成型方法，⑴在工艺设计上一方面通过增设补贴，使热节中心偏离铸件本体；⑵在局部热节部位和离冒口较远厚壁处增设专用外冷铁激冷，为了进一步加强散热，增加激冷效果，与钢水直接接触型腔表面采用激冷能力为普通硅砂4倍的铬铁矿砂，使几何热节降低约15%，同时在型腔末端区增设出气管道，既有利于型腔内气体的排除，同时气体排出带走的部分热量也给型腔的散热提供了帮助；⑶通过添加V、Ti微合金元素对材料的组分进行优化，提高低温脆性转变温度，提高材料的塑性和韧性；a．V是钢的优良脱氧剂，钢中加V可细化组织晶粒，含量控制在0.05～0.08%；b．Ti是钢中强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力，降低时效敏感性和冷脆性，含量控制在0.005～0.01%；⑷铸件浇注成型保温结束，在铸件清砂整理完毕，铸件毛坯连同冒口一起进行去应力正火处理，正火要求为：910±10℃保温8小时出炉空冷；⑸铸件热处理结束，冷却到400～500℃时进行热割冒口，热割冒口后，铸件立刻进热处理炉利用余热进行去除切割应力回火；⑹待铸件冷却到常温进行粗加工，按图纸精加工尺寸的要求单边预留3～5mm调质余量，这样既能保证铸件在调质淬火时保证淬透，又能保证精加工余量。

本发明与背景技术相比，一是由锻造成型改为铸造成型，简化了生产工序，按照设计的铸造工艺方案生产的桨叶导向架铸件，产品毛坯重量仅为锻件毛坯重量的一半，且各种辅助材料的成本也仅为锻件的材料成本的40%。同时铸件毛坯由于加工余量小，大大缩短了加工周期，节省了原材料，降低了生产成本，由于该产品每年的需求量大，品种数量多，因此具有极其可观的经济效益和发展前景；。二是通过外部加强冷却，内部对材料组分进行优化和添加微合金元素，达到加强细化晶粒，提高材料致密的，从而达到提高铸件综合机械性能的目的。三是铸造成型的桨叶导向架产品，经检测，其主要技术指标如：化学成分、机械性能、金相组织等，均符合TSCPP-20NCD2材料有关标准要求。

附图说明

图1-1是桨叶导向架零件剖视示意图。

图1-2是桨叶导向架零件侧视示意图。

图2-1是桨叶导向架锻造成型毛坯主视示意图。

图2-2是图2-1侧视示意图。

图3是铸件热节中心示意图。

图4是铸件铸造工艺热中节心示意图。

图5是铸件调质热处理的曲线示意图。

具体实施方式

实施例1：一种铸造成型的桨叶导向架，化学成分(质量分数)：C：0.17～0.23%，Si:≤0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.030%, P:≤0.030%,Cr:0.35～0.65%,Mo: 0.20～0.25%，Ni:0.55～0.70%,V：0.04～0.08%，Ti: 0.002～0.01%。

实施例2：一种桨叶导向架的铸造成型方法，⑴在工艺设计上通过增设补贴，使热节中心偏离铸件本体；⑵在局部热节部位和离冒口较远厚壁处增设专用外冷铁激冷，为了进一步增加散热，提高激冷效果，与钢水直接接触型腔表面采用激冷能力为普通硅砂4倍的铬铁矿砂，使几何热节降低约15%，同时在型腔末端区增设出气管道，既有利于型腔内气体的排除，同时气体排出带走的部分热量也给型腔的散热提供了帮助；⑶通过添加V、Ti微合金元素对材料的组分进行优化，提高低温脆性转变温度，提高材料的塑性和韧性；a．V是钢的优良脱氧剂，钢中加V可细化组织晶粒，含量控制在0.05～0.08%；b．Ti是钢中强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力，降低时效敏感性和冷脆性，含量控制在0.005～0.01%；⑷铸件浇注成型保温结束，在铸件清砂整理完毕，铸件毛坯连同冒口一起进行去应力正火处理，正火要求为：910±10℃保温8小时出炉空冷；铸件热处理结束，冷却到400～500℃时进行热割冒口，热割冒口后，铸件立刻进热处理炉利用余热进行去除切割应力回火；⑹待铸件冷却到常温进行粗加工，按图纸精加工尺寸的要求单边预留3～5mm调质余量，这样既能保证铸件在调质淬火时保证淬透，又能保证精加工余量。

为了防止因为外部激冷造成内部温度梯度较大而形成柱状晶，采用强化生核的措施，考虑通过添加V、Ti微合金元素对材料的组分进行优化，提高低温脆性转变温度，提高材料的塑性和韧性。同时综合考虑材料的强度性能，对组分的其它元素根据其在钢中的不同作用进行了优化。

V是钢的优良脱氧剂,钢中加V可细化组织晶粒，提高强度和韧性。由于V元素在含量0.05%～0.10%时，细化晶粒的效果比较明显，而超过0.20%，形成V₄C₃碳化物，会提高钢的热强性，因此将含量控制在0.05～0.08%。

Ti是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性，Ti元素含量控制在0.005～0.02%区间，对于奥氏体晶粒的细化较为显著。因此将含量控制在0.005～0.01%。

Si在钢中作为还原剂和脱氧剂，能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度,但是Si会降低钢的低温脆性转变温度，降低材料的塑性和韧性，因此在含量的控制上严格控制上限，控制范围为：0.20～0.35%。

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含Mn0.30－0.50%,在钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般含量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。

P、S是钢中有害元素，P增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；S也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，所以通常情况下要求优质钢要求S、P含量小于0.040%。考虑到低温冲击性能要求，将S、P含量控制在0.030%以下。

Cr能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性，因此控制在0.35～0.65%。

Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性，还可以抑制钢的回火脆性，因此控制在0.20～0.25%。

Ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，因此尽量控制上限，控制范围为0.55～0.70%。

铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面。考虑到增加了冷却速度带来的铸件收缩应力增大，因此在铸件清砂整理完毕，铸件毛坯连同冒口一起进行去应力正火处理，正火要求为：910±10℃保温8小时出炉空冷。目的一方面消除铸造应力，另一方面对铸坯组织进行预细化处理，为下一步最终调质热处理奠定基础。

铸件热处理保温结束，铸件冷却到400～500℃进行热割冒口，热割冒口后，立刻进炉子利用预热进行去除切割应力回火。

待铸件冷却到常温进行粗加工，按图纸精加工尺寸单边预留3～5mm调质余量，这样既能保证铸件在调质淬火时保证淬透，又能保证精加工余量。

粗加工结束，进行最终调质热处理，具体要求如图5。

表一、表二为根据优化后的标准要求生产的五组实际化学成分和机械性能

表一  化学成分(质量分数)

表二  机械性能

对优化后的金相分析，按该化学成分调质处理后的金相组织为：回火索氏体铸件精加工成品经超声波探伤检测达到GB7233-87《铸钢件超声探伤及质量评级方法》Ⅱ级标准和磁粉探伤GB9444-2007《铸钢件磁粉探伤及质量评级方法》Ⅲ级标准。

本项目的关键在于解决锻造成型改为铸造成型带来的产品综合机械性能降低问题，而解决这一矛盾问题采用的技术方案是：通过增加散热和激冷，并通过添加微量元素从内外两个方面来细化晶粒，提高材料的致密度，从而提高材料的强度和韧性等综合机械性能。

铸造成型的桨叶导向架产品，经检测，其主要技术指标如：化学成分、机械性能、金相组织等，均符合TSCPP-20NCD2材料有关标准要求。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种桨叶导向架的铸造成型方法，其特征是：化学成分(质量分数)：C：0.17～0.23%，Si:≤0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.030%, P:≤0.030%,Cr:0.35～0.65%,Mo: 0.20～0.25%，Ni:0.55～0.70%,V：0.05～0.08%，Ti: 0.005～0.01%，其余为Fe元素；

⑴在工艺设计上通过增设补贴，使热节中心偏离铸件本体；

⑵在局部热节部位和离冒口较远厚壁处增设专用外冷铁激冷，为了进一步增加散热，提高激冷效果，与钢水直接接触型腔表面采用激冷能力为普通硅砂4倍的铬铁矿砂，使几何热节降低约15%，同时在型腔末端区增设出气管道，既有利于型腔内气体的排除，同时气体排出带走的部分热量也给型腔的散热提供了帮助；

⑶通过添加V、Ti微合金元素对材料的组分进行优化，提高低温脆性转变温度，提高材料的塑性和韧性；

a．V是钢的优良脱氧剂，钢中加V可细化组织晶粒，含量控制在0.05～0.08%；

b．Ti是钢中强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力，降低时效敏感性和冷脆性，含量控制在0.005～0.01%；

⑷铸件浇注成型保温结束，清砂整理完毕，铸件毛坯连同冒口一起进行去应力正火处理，正火要求为：910±10℃保温8小时出炉空冷；

⑸铸件热处理结束，冷却到400～500℃时进行热割冒口，热割冒口后，铸件立刻进热处理炉利用余热进行去除切割应力回火；

⑹待铸件冷却到常温进行粗加工，按精加工图纸尺寸的要求单边预留3～5mm调质余量，这样既能保证铸件在调质淬火时保证淬透，又能保证精加工余量。

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