CN103317114A

CN103317114A - 用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法

Info

Publication number: CN103317114A
Application number: CN2013102697608A
Authority: CN
Inventors: 谢华生; 赵军; 刘时兵; 刘宏宇; 史昆; 刘鸿宇
Original assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Foundry Research Institute Co Ltd Of China National Machinery Research Institute Group; Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103317114B

Abstract

用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，是加工出金属铸型，并在金属铸型的型腔内表面涂耐高温涂料，采用真空自耗凝壳熔炼方法向金属铸型内浇注锆合金液，耐高温涂料按照重量百分比，是由55-70wt%耐火粉料、30-45wt%粘结剂、0.1-1wt%表面活性剂和0.1-1wt%消泡剂制成。耐火粉料由Y₂O₃和ZrO₂粉中至少一种组成。本发明金属铸型工艺简单，加工方便，材料来源广泛，具备10~50次的使用寿命，对于小批量的锆及锆合金铸件，生产周期短，生产效率较高。

Description

用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法

技术领域

本发明涉及一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造工艺方法。

背景技术

锆及锆合金具有非常优异的耐蚀性能，抗水和蒸汽腐蚀性能好，耐大部分强酸碱腐蚀，热中子吸收截面低，对核燃料具有良好的相容性，并且其比强度较高，加工性能良好，因此在化工设备和核反应堆设施等领域应用非常广泛。锆及锆合金在熔融状态下具有很强的活泼性，几乎能与所有的耐火材料发生不同程度的化学反应，并且还能与O₂、N₂、H₂及CO₂等气体发生化学反应，降低锆铸件的表面和内部质量。因此，锆及锆合金铸造技术对铸型材料及铸造设备要求较高，必须选择合适的铸型材料和铸造工艺方法，保证铸件的质量。

目前，锆及锆合金铸造技术主要采用机加工石墨型和陶瓷型熔模精密铸造工艺。机加工石墨型工艺是采用高纯度的人造石墨电极块，通过机械加工以及手工制成铸型，其特点为铸型加工相对方便简单，单件产品生产周期较短，石墨铸型一部分外皮可回收使用，寿命一般为3~5次。石墨型热导率较高，具有激冷作用，退让性较差，浇铸出的锆铸件内部晶粒细小，组织均匀，性能较好，但铸件表面易出现冷隔、流痕、微裂纹等缺陷。另外，石墨本身存在一定的孔隙率，铸型表面加工相对粗糙，进而导致铸件表面粗糙，同时，在表面还会形成一层厚度约为几十微米的C沾污层。以上这些表面质量问题导致了机加工石墨型浇铸的锆铸件表面整体质量较差，因此需要预留较多的加工余量，造成了材料的浪费。陶瓷型熔模精密铸造工艺是采用惰性耐高温陶瓷材料作为铸型材料并采用熔模精密铸造技术制备而成，其特点为铸件表面质量较高，尤其适用于复杂薄壁锆铸件，但制作工艺较为复杂繁琐，成型周期较长，另外，由于型壳涂层厚度有限，型壳强度受限，因此在较大型锆合金铸件铸型制备过程中，型壳很容易出现变形甚至断裂，成型较为困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种采用金属型铸造工艺的锆及锆合金精密铸件的生产方法。该种方法采用铸铁、铸钢以及铸铜作为铸型材料并采用机械加工方法制作出金属铸型，由于金属型仍具有较高的导热率，尤其对于铸铜材料，有着甚至高于石墨型的导热率，对锆合金液的激冷作用过强，另外对于结构复杂或存在薄壁结构的铸型，锆合金液充型也存在一定的困难，因此有选择的在金属铸型型腔表面上，涂覆一层惰性耐高温涂料。采用该方法生产出的铸件尺寸精准，表面粗糙度≤6.3微米，表面污染层≤0.05毫米，表面无冷隔、流痕、微裂纹等缺陷。

采用的技术方案是：

一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，包括下述工艺步骤：

（1）加工制备金属铸型：

采用铸铁、铸钢或铸铜金属材料作为锆合金铸型材料，根据铸造工艺图纸，采用机械加工方式将金属块加工成金属铸型。

金属铸型在涂刷涂料或者熔炼浇铸前，需要清理金属铸型型腔表面。首先采用喷砂法清除表面锈迹等残留物，即用压缩空气将石英砂吹至型腔表面，然后再用酒精或丙酮清洗表面，以去除油污等污物。最后将金属铸型预热至100~150℃，冷却至室温待用。

（2）制备耐高温涂料：

金属耐高温型涂料按照重量百分比，由55~70 wt%耐火粉料，30~45 wt%粘结剂，0~1 wt%表面活性剂和0~1 wt%消泡剂均匀混合而成。

耐火粉料由经稳定化处理的Y₂O₃粉和ZrO₂粉中至少一种组成，两种耐火粉料的组分变化范围如下：Y₂O₃ 70~100 wt%、ZrO₂ 0~30 wt%，粉料粒度小于0.053（270目）。粘结剂采用浓度为35~45 wt%的醋酸锆溶液，表面活性剂采用JFC，消泡剂采用正丁醇。

制备涂料时，将55~70 wt%耐火粉料逐渐加入到30~45 wt%醋酸锆粘结剂中，并采用涂料搅拌机均速搅拌1~4小时，之后加入0~1 wt%消泡剂和0~1 wt%表面活性剂，搅拌均匀后即制成涂料。制备过程中，环境温度控制在16~28℃，环境湿度控制在40~70%，涂料温度控制在16~23℃，涂料粘度控制在5~25 sec。

（3）制备陶瓷涂层

采用人工涂刷或喷枪喷涂方法将涂料涂覆在金属铸型的型腔表面，厚度在0.1~0.3 毫米。工作环境温度控制在16~28℃，相对湿度控制在30~70%；

金属铸型在涂覆后，涂层首先自然干燥8~12 h，然后在真空炉中加热至600~900℃烧结2~4 h，炉冷至300℃以下出炉，待浇注使用。

（4）采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将锆合金自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，自耗电极与坩埚内壁的间隙为40~120 毫米，启动真空泵，抽至真空度≤10^-2Pa后，进行熔炼，电压控制在38~40V，电流控制在14000~20000A；冷却水压0.3~0.5MPa，坩埚进口水温16~21℃，坩埚出口水温35~40℃。锆合金全部熔化后，采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸锆合金液，离心转速为0~350转/分，冷却，即得。

本发明的优点：本发明采用铸铁、铸钢以及铸铜材料加工成铸型，并有选择性的在型腔表面涂覆陶瓷涂层，浇铸锆及锆合金铸件，与机加石墨工艺和熔模精密铸造工艺相比，具有一定的优势。金属型经过加工后表面光滑平整，密实度高，与机加石墨型相比，浇铸的铸件表面粗糙度得到极大改善，铸铁、铸钢的导热率小于石墨，并有选择性的采用表面涂层技术，金属型的激冷作用得到了降低，减少了铸件表面冷隔、流痕等缺陷，另外，热稳定性良好的涂层降低了界面反应，铸件污染层厚度减小，铸件表面质量得到了大幅度提高。金属铸型工艺简单，加工方便，材料来源广泛，具备10~50次的使用寿命，对于小批量的锆及锆合金铸件，生产周期短，生产效率较高。

具体实施方式

实施例一

一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，以生产材料牌号为702C的锆合金旋塞阀为例，工艺步骤如下：

（1）采用铸钢材料作为铸型材料，根据铸造工艺图纸，采用机械加工方式将铸钢块加工成铸型。铸型加工完成之后，采用喷砂法清除表面锈迹等残留物，再用酒精或丙酮清洗表面，以去除油污等污物。最后将金属铸型预热至120℃，冷却至室温。

（2）采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将牌号为R60702的自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，自耗电极与坩埚内壁的间隙为40~120 毫米，启动真空泵，抽至真空度≤10^-2Pa后，进行熔炼，电压38V，电流16000A；冷却水压0.4MPa，坩埚进口水温19℃，坩埚出口水温38℃。然后采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸锆合金液，离心转速为250转/分，冷却，即得。

实施例二

一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，以生产材料牌号为702C的锆合金止回阀为例，工艺步骤如下：

（1）采用铸铜材料作为铸型材料，根据铸造工艺图纸，采用机械加工方式将铸铜块加工成铸型。铸型加工完成之后，采用喷砂法清除表面锈迹等残留物，再用酒精或丙酮清洗表面，以去除油污等污物。最后将金属铸型预热至120℃，冷却至室温。

（2）金属型涂料由氧化钇50 wt%，氧化锆9 wt%，醋酸锆溶液40% wt%（浓度为40 wt%），表面活性剂JFC 0.5 wt%和消泡剂正丁醇0.5 wt%制备而成。粉料粒度小于270目，搅拌4小时。环境温度控制在16~28℃，湿度控制在40~70%，涂料温度控制在16~23℃。

（3）采用人工涂刷方法将涂料涂覆在金属铸型的型腔表面，厚度约为0.1 毫米。工作环境温度控制在16~28℃，相对湿度控制在30~70%。金属铸型在涂覆后，涂层首先自然干燥8 h，然后在真空炉中加热至800℃烧结4 h。炉冷至300℃以下出炉，待浇注使用。

（4）采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将牌号为R60702的自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，自耗电极与坩埚内壁的间隙为40~120 毫米，启动真空泵，抽至真空度≤10^-2Pa后，进行熔炼，电压38V，电流16000A；冷却水压0.4MPa，坩埚进口水温19℃，坩埚出口水温38℃。然后采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸锆合金液，离心转速为200转/分，冷却，即得。

实施例三

一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，以生产材料牌号为705C的锆合金泵体为例，工艺步骤如下：

（1）采用铸铁材料作为铸型材料，根据铸造工艺图纸，采用机械加工方式将铸铁块加工成铸型。铸型加工完成之后，采用喷砂法清除表面锈迹等残留物，再用酒精或丙酮清洗表面，以去除油污等污物。最后将金属铸型预热至120℃，冷却至室温。

（2）金属型涂料由氧化钇68wt%，醋酸锆溶液30 wt %（浓度为40 wt%），表面活性剂JFC 1 wt%和消泡剂正丁醇1wt%制备而成。粉料粒度小于270目，搅拌4小时。环境温度控制在16~28℃，湿度控制在40~70%，涂料温度控制在16~23℃。

（3）采用人工涂刷方法将涂料涂覆在金属铸型的型腔表面，厚度约为0.2 毫米。工作环境温度控制在16~28℃，相对湿度控制在30~70%。金属铸型在涂覆后，涂层首先自然干燥12 h，然后在真空炉中加热至800℃烧结4 h。炉冷至300℃以下出炉，待浇注使用。

（4）采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将牌号为R60705的自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，自耗电极与坩埚内壁的间隙为30~100 毫米，启动真空泵，抽至真空度≤10^-2Pa，进行熔炼，电压40V，电流18000A；冷却水压0.5MPa，坩埚进口水温19℃，坩埚出口水温38℃。然后采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸锆合金液，离心转速为350转/分，冷却，即得。

Claims

1.一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，其特征在于：包括下述工艺步骤：

（1）加工制备金属铸型：

采用铸铁、铸钢或铸铜金属材料作为锆合金铸型材料，根据铸造工艺图纸，采用机械加工方式将金属块加工成金属铸型；

金属铸型在涂刷涂料或者熔炼浇铸前，需要清理金属铸型型腔表面，首先采用喷砂法清除表面锈迹或残留物，即用压缩空气将石英砂吹至型腔表面，然后再用酒精或丙酮清洗表面，以去除污物，最后将金属铸型预热至100~150℃，冷却至室温待用；

（2）制备耐高温涂料：

金属耐高温型涂料按照重量百分比，由55~70 wt%耐火粉料，30~45 wt%粘结剂，0~1 wt%，表面活性剂和0~1 wt%消泡剂均匀混合而成；

耐火粉料由经稳定化处理的Y₂O₃粉和ZrO₂粉中至少一种组成，两种耐火粉料的组分变化范围如下：Y₂O₃ 70~100 wt%、ZrO₂ 0~30 wt%，粉料粒度小于0.053（270目）；粘结剂采用浓度为35~45 wt%的醋酸锆溶液，表面活性剂采用JFC，消泡剂采用正丁醇；

制备涂料时，将55~70 wt%耐火粉料逐渐加入到30~45 wt%醋酸锆粘结剂中，并采用涂料搅拌机均速搅拌1~4小时，之后加入0~1 wt%消泡剂和0~1 wt%表面活性剂，搅拌均匀后即制成涂料；制备过程中，环境温度控制在16~28℃，湿度控制在40~70%，涂料温度控制在16~23℃，涂料粘度控制在5~25 sec；

（3）制备陶瓷涂层

采用人工涂刷或喷枪喷涂方法将涂料涂覆在金属铸型的型腔表面，厚度在0.1~0.3毫米，工作环境温度控制在16~28℃，相对湿度控制在30~70%；

金属铸型在涂覆后，涂层首先自然干燥8~12 h，然后在真空炉中加热至1000~1500℃烧结2~4 h，炉冷至300℃以下出炉，待浇注使用；

（4）采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将锆合金自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，自耗电极与坩埚内壁的间隙为40~120 毫米，启动真空泵，抽至真空度≤10^-2Pa后，进行熔炼，电压控制在38~40V，电流控制在14000~20000A；冷却水压0.3~0.5MPa，坩埚进口水温16~21℃，坩埚出口水温35~40℃；锆合金全部熔化后，采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸锆合金液，离心转速为0~350转/分，冷却，即得。

2.根据权利要求1所述的一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，其特征在于：所述的耐高温涂料由氧化钇50 wt%、氧化锆9 wt%、浓度为40 wt%的醋酸锆溶液40 wt %、表面活性剂JFC 0.5 wt%和消泡剂正丁醇0.5 wt%制备而成。

3.根据权利要求1所述的一种用于锆及锆合金的金属型精密铸造方法，其特征在于：所述的耐高温涂料由氧化钇68wt%、浓度为40 wt%的醋酸锆溶液30 wt %、表面活性剂JFC 1 wt%和消泡剂正丁醇1wt%制备而成。