CN102107260A - 一种等温锻造用大型k403高温合金模具的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造技术，涉及采用K403高温合金铸造一种大型等温锻造用模具的方法。本发明等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法根据模具要求，设计铸件图，确定机械加工余量、铸件综合收缩率、浇注系统及冒口位置、大小；制作砂型并烘干，根据合金化学成分配置原材料，然后熔炼浇注；铸件浇注后保持在真空状态下至少20分钟后出炉进行冷却；铸件出炉后继续冷却，凝固完毕后开箱；将清理完浇冒口的铸件阶段性降温后出炉。本发明通过对碳、锆等个别成分的严格控制，并通过工艺的改进以及对后续冷却、清理过程的严格控制，有效减少热应力，防止裂纹乃至断裂的发生，提高模具质量，延长模具使用寿命，因此具有较大实际应用价值。

Description

一种等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法

技术领域

本发明属于铸造技术，涉及采用K403高温合金铸造一种等温锻造用大型模具的方法。

背景技术

随着航空、航天技术的飞速发展，对材料性能的要求越来越高，结构件的尺寸越来越大，充分挖掘材料潜力，制造超大型结构件，特别是长、宽达到2000mm以上的超大结构件也是越来越必要。

在大型结构件的制造工艺中，等温锻造在提供高性能、超大型、少切削量锻件方面具有很大优势。等温锻造时必须将模具温度加热至接近开始锻造时的温度，钛合金等温锻造要求模具温度在930℃-950℃，制造满足高温高压条件的模具是等温锻造的首要条件。

K403高温合金采用多种金属元素综合强化，在高温下具有较好的综合力学性能，被广泛应用于耐高温的受力结构件。实际上由于K403各个成分的差异，采用一般铸造方法制造等温锻造用模具，对K403高温合金的相组成会产生较大影响，甚至产生不利的δ相，在冷却过程、随后的机械加工过程乃至使用过程中模具的裂纹、断裂倾向十分严重，从而导致模具报废，造成巨大经济损失。

发明内容

本发明的目的是：提出一种能有效消除模具裂纹、断裂，提高模具质量和使用寿命的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法。

本发明的技术方案是：一种等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其包括如下步骤：

步骤1根据模具要求，设计铸件图，确定机械加工余量、铸件综合收缩率、浇注系统及冒口位置、大小；

步骤2.制作砂型并烘干；

步骤3.根据合金化学成分配置原材料，要求配料必须确保“C”含量0.170％-0.173％，“Zr”含量0.0050％-0.0054％，其余元素符合标准；

步骤4.熔炼浇注，

4.1将烘干的砂型放入浇注室，砂型温度达到要求温度时，先将部分金属元素加入熔炼炉，剩余元素加入加料室；

4.2抽真空，

当真空度达到50Pa以内时，开启高真空泵抽高真空至3Pa以内送电熔化，当炉内元素全部化清时，缓慢加入剩余元素，并控制金属元素加入速度以避免温度升高过快；

4.3待元素全部化清，取样分析钢水化学成分合格，继续送电升温；

4.4保持一定的过热度情况下，当超过规定的浇注温度时，通过停电静置降低浇注温度；

步骤.5铸件浇注后保持在真空状态下至少20分钟后出炉进行冷却；

步骤.6铸件出炉后继续冷却，凝固完毕后开箱；

步骤.7将清理完浇冒口的铸件阶段性降温后出炉。

其中，步骤1的详细过程为：根据模具要求，设计铸件图，外型不加加工量，厚度方向单面增加3mm加工量，型腔加2mm加工量，铸件综合收缩率2.5％，然后根据铸件图编制铸造工艺，制定工艺方案：采用底注式，设置1个直浇道；设置1个内浇道，3个内浇口；设置5个腰形冒口，在型腔内均布；其中，浇冒系统重量占整个浇注重量40％。

步骤2的详细过程为：由于砂型较大，在专用回火窑内烘干，烘干温度及时间根据砂型大小而定，根据工艺方案，制作专用工装，为了保证工装刚度，采用10mm厚钢板制造砂箱，用锆英砂与水玻璃制造砂型并烘干，烘干温度500±30℃，烘干时间48小时。

步骤4.1的详细过程为：在6吨真空感应电炉内熔炼浇注，将烘干的砂型放入浇注室，砂型温度达到220℃时，将金属元素Cr、Ni、Co、W、Mo装入熔炼炉，注意装料紧实度，避免架桥，关闭浇注室、熔炼室，将剩余元素装入加料室，关闭加料室。

步骤4.2的详细过程为：开启机械泵抽真空，当真空度达到50Pa以内时，开启高真空泵抽高真空至3Pa以内送电熔化，随熔化过程液态金属增加，逐步加大熔化功率，当炉内元素全部化清时，缓慢加入剩余元素：Al、Ti、B、Zr等，由于Al、Ti在熔化过程中为放热反应，所以在加入时必须通过观察口观察炉内反应情况，调整加入速度，避免温度快速升高，Al、Ti吸收率下降，其中，全部熔炼过程保持真空度20Pa以内。

步骤4.4的详细过程为：保持一定的过热度情况下，对大型铸件为了避免晶粒过分长大，应尽量降低浇注温度，规定浇注温度1470℃；当炉内温度达到1470℃时，停电静置3～5分钟，前后晃动炉体撇渣、浇注，浇注过程要平稳，不能断流，水口处于半充满状态。

步骤5的详细过程为：由于真空炉散热较慢，对于重量2000千克以上，最小壁厚大于100MM的铸件，浇注后保持在真空状态下20分钟以上进行冷却，以免出炉太早合金没有凝固。

步骤6的详细过程为：将清理完浇冒口的铸件放入850℃热处理炉内保温，保温8小时；降温至500℃保温，保温8小时；降温至300℃保温，保温8小时；随炉冷却至50℃以下出炉。

步骤7的详细过程为：铸件出炉后凝固，凝固时间根据铸件大小确定，时间一般为浇注后30分钟～50分钟，然后开箱，开箱过程对暴露出的铸件本体立即用石棉布保护，降低冷却速度，减少热应力，用乙炔-氧气快速切除浇冒口，500℃以下不允许继续清理浇冒口，开箱过程严禁用尖锐物品撞击铸件，关好门窗，避免通风引起应力。

本发明的有益效果是：本发明等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法通过对个别成分进行严格控制，通过对后续冷却、清理过程进行控制，减少热应力，防止裂纹乃至断裂的发生，提高模具质量，延长模具使用寿命。

具体实施方式

以下结合等温锻造用某超大型钛合金框模具铸造过程阐述具体实施方式。

本实施方式中，本发明等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法所铸造的铸件参数如下：铸件轮廓尺寸：2200mm×2000mm×200mm，重量：3464千克，内腔按铸件图制造。

下面给出本发明等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法的详细实施步骤：

步骤.1根据模具要求，设计铸件图，确定机械加工余量、铸件综合收缩率；确定浇注系统及冒口位置、大小，

根据模具要求，设计铸件图，外型不加加工量，厚度方向单面增加3mm加工量，型腔加2mm加工量，铸件综合收缩率2.5％，然后根据铸件图编制铸造工艺，制定工艺方案：采用底注式，设置1个直浇道；设置1个内浇道，3个内浇口；设置5个腰形冒口，在型腔内均布；其中，浇冒系统重量占整个浇注重量40％；

步骤2.制作砂型并烘干，

由于砂型较大，在专用回火窑内烘干，烘干温度及时间根据砂型大小而定，根据工艺方案，制作专用工装，为了保证工装刚度，采用10mm厚钢板制造砂箱，用锆英砂与水玻璃制造砂型并烘干，烘干温度500±30℃，烘干时间48小时；

步骤3.根据合金化学成分配置原材料，

要求配料必须确保“C”含量0.170％-0.173％，“Zr”含量0.0050％-0.0054％，其余元素符合标准，不允许使用回炉料，原材料表面氧化皮、附着物必须清理干净，本实施方式中的，配料成分如下(单位：％)：

C	Cr	Ni	Co	W	Mo	Al	Ti	Fe	B	Zr
											0.17	11.0	余	5.3	5.3	4.0	6.0	2.6	≤2.0	0.022	0.005

步骤4.熔炼浇注

4.1 在6吨真空感应电炉内熔炼浇注，将烘干的砂型放入浇注室，砂型温度达到220℃时，将金属元素Cr、Ni、Co、W、Mo装入熔炼炉，注意装料紧实度，避免架桥，关闭浇注室、熔炼室，将剩余元素装入加料室，关闭加料室；

4.2抽真空，

开启机械泵抽真空，当真空度达到50Pa以内时，开启高真空泵抽高真空至3Pa以内送电熔化，随熔化过程液态金属增加，逐步加大熔化功率，当炉内元素全部化清时，缓慢加入剩余元素：Al、Ti、B、Zr等，由于Al、Ti在熔化过程中为放热反应，所以在加入时必须通过观察口观察炉内反应情况，调整加入速度，避免温度快速升高，Al、Ti吸收率下降，其中，全部熔炼过程保持真空度20Pa以内；

4.3取样分析钢水化学成分，

待元素全部化清，取样分析钢水化学成分合格，继续送电升温；

4.4保持一定的过热度情况下，通过停电静置降低浇注温度，

K403合金熔化温度1260℃～1338℃。保持一定的过热度情况下，对大型铸件为了避免晶粒过分长大，应尽量降低浇注温度，规定浇注温度1470℃；当炉内温度达到1470℃时，停电静置3～5分钟，前后晃动炉体撇渣、浇注，浇注过程要平稳，不能断流，水口处于半充满状态；

4.5铸件浇注后保持在真空状态下至少20分钟后出炉进行冷却，

由于真空炉散热较慢，对于重量2000千克以上，最小壁厚大于100MM的铸件，浇注后保持在真空状态下20分钟以上进行冷却，以免出炉太早合金没有凝固；

4.6铸件出炉后继续冷却，凝固完毕后开箱，

铸件出炉后凝固，凝固时间根据铸件大小确定，时间一般为浇注后30分钟～50分钟，然后开箱，开箱过程对暴露出的铸件本体立即用石棉布保护，降低冷却速度，减少热应力，用乙炔-氧气快速切除浇冒口，500℃以下不允许继续清理浇冒口，开箱过程严禁用尖锐物品撞击铸件，关好门窗，避免通风引起应力；

4.7将清理完浇冒口的铸件阶段性降温后出炉，

将清理完浇冒口的铸件放入850℃热处理炉内保温，保温8小时；降温至500℃保温，保温8小时；降温至300℃保温，保温8小时；随炉冷却至50℃以下出炉。

本发明等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法通过对碳、锆等个别成分的严格控制，并通过工艺的改进以及对后续冷却、清理过程的严格控制，有效减少热应力，防止裂纹乃至断裂的发生，提高模具质量，延长模具使用寿命，因此具有较大实际应用价值。

Claims (9)

1.一种等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据模具要求，设计铸件图，确定机械加工余量、铸件综合收缩率、浇注系统及冒口位置、大小；

步骤2：制作砂型并烘干；

步骤3：根据合金化学成分配置原材料，要求配料必须确保“C”含量0.170％-0.173％，“Zr”含量0.0050％-0.0054％，其余元素符合标准；

步骤4：熔炼浇注，

4.1将烘干的砂型放入浇注室，砂型温度达到要求温度时，先将部分金属元素加入熔炼炉，剩余元素加入加料室；

4.2抽真空，

当真空度达到50Pa以内时，开启高真空泵抽高真空至3Pa以内送电熔化，当炉内元素全部化清时，缓慢加入剩余元素，并控制金属元素加入速度以避免温度升高过快；

4.3待元素全部化清，取样分析钢水化学成分合格，继续送电升温；

4.4保持一定的过热度情况下，当超过规定的浇注温度时，通过停电静置降低浇注温度；

步骤5：铸件浇注后保持在真空状态下至少20分钟后出炉进行冷却；

步骤6：铸件出炉后继续冷却，凝固完毕后开箱；

步骤7：将清理完浇冒口的铸件阶段性降温后出炉。

2.根据权利要求1所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤1的详细过程为：根据模具要求，设计铸件图，外型不加加工量，厚度方向单面增加3mm加工量，型腔加2mm加工量，铸件综合收缩率2.5％，然后根据铸件图编制铸造工艺，制定工艺方案：采用底注式，设置1个直浇道；设置1个内浇道，3个内浇口；设置5个腰形冒口，在型腔内均布；其中，浇冒系统重量占整个浇注重量40％。

3.根据权利要求2所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤2的详细过程为：由于砂型较大，在专用回火窑内烘干，烘干温度及时间根据砂型大小而定，根据工艺方案，制作专用工装，为了保证工装刚度，采用10mm厚钢板制造砂箱，用锆英砂与水玻璃制造砂型并烘干，烘干温度500±30℃，烘干时间48小时。

4.根据权利要求4所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤4.1的详细过程为：在6吨真空感应电炉内熔炼浇注，将烘干的砂型放入浇注室，砂型温度达到220℃时，将金属元素Cr、Ni、Co、W、Mo装入熔炼炉，注意装料紧实度，避免架桥，关闭浇注室、熔炼室，将剩余元素装入加料室，关闭加料室。

5.根据权利要求5所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤4.2的详细过程为：开启机械泵抽真空，当真空度达到50Pa以内时，开启高真空泵抽高真空至3Pa以内送电熔化，随熔化过程液态金属增加，逐步加大熔化功率，当炉内元素全部化清时，缓慢加入剩余元素：Al、Ti、B、Zr等，由于Al、Ti在熔化过程中为放热反应，所以在加入时必须通过观察口观察炉内反应情况，调整加入速度，避免温度快速升高，Al、Ti吸收率下降，其中，全部熔炼过程保持真空度20Pa以内。

6.根据权利要求6所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤4.4的详细过程为：保持一定的过热度情况下，对大型铸件为了避免晶粒过分长大，应尽量降低浇注温度，规定浇注温度1470℃；当炉内温度达到1470℃时，停电静置3～5分钟，前后晃动炉体撇渣、浇注，浇注过程要平稳，不能断流，水口处于半充满状态。

7.根据权利要求7所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤5的详细过程为：由于真空炉散热较慢，对于重量2000千克以上，最小壁厚大于100MM的铸件，浇注后保持在真空状态下20分钟以上进行冷却，以免出炉太早合金没有凝固。

8.根据权利要求8所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤6的详细过程为：将清理完浇冒口的铸件放入850℃热处理炉内保温，保温8小时；降温至500℃保温，保温8小时；降温至300℃保温，保温8小时；随炉冷却至50℃以下出炉。

9.根据权利要求9所述的等温锻造用大型K403高温合金模具的铸造方法，其特征在于，步骤7的详细过程为：铸件出炉后凝固，凝固时间根据铸件大小确定，时间一般为浇注后30分钟～50分钟，然后开箱，开箱过程对暴露出的铸件本体立即用石棉布保护，降低冷却速度，减少热应力，用乙炔-氧气快速切除浇冒口，500℃以下不允许继续清理浇冒口，开箱过程严禁用尖锐物品撞击铸件，关好门窗，避免通风引起应力。