CN103451550A - 储能飞轮铸件用合金钢及储能飞轮铸件铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种储能飞轮铸件用合金钢及储能飞轮铸件铸造方法，合金钢成分的重量百分比如下：碳为0.55％-0.60％，硅为0.23％-0.33％，锰为0.42％-0.52％，铬为1.55％-1.65％，镍为3.95％-4.05％，钼为0.31％-0.41％，磷＜0.015％，硫＜0.015％，余量为铁及不可避免的杂质。储能飞轮铸件铸造方法，包括以下步骤：制作木模、采用碱酚醛树脂砂制芯、飞轮轮缘与轮幅相接触部位采用暗冒口进行补缩、合箱浇注、铸件在砂箱中保温后进行打箱清砂、气割冒口，完成储能飞轮铸件的铸造。本合金钢强度高，能够满足满足轮毂性能要求，铸造方法工艺简单、生产便捷、效率高。

Description

储能飞轮铸件用合金钢及储能飞轮铸件铸造方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种储能飞轮铸件用超高强度合金钢及储能飞轮铸件铸造方法。 

背景技术

现代能源生产的大规模和连续的刚性特征，与能源应用的复杂和间断的柔性特征之间的矛盾，对能源储存技术提出了极大的需求。先进飞轮储能技术等是正在开发的新技术，具有储能密度高、功率大、可以快速充放电、使用寿命长、对环境无污染等特点，在电力调峰、风力发电、不间断供电、车辆混合动力、车辆刹车动能再生、航天电源和姿态控制/储能一体化等方面具有广阔的应用前景。 

由于飞轮储能设计总体要求，对轮毂合金材料力学性能提出了很高的要求，特别是材料强度的要求，最高达到2000MPa以上。目前能够满足轮毂性能要求的已有的高强合金钢均为军用背景的专用材料，存在材料成本高、采购难、机械加工成本高、大储能飞轮轮毂成型技术瓶颈等问题。本专利针对轮毂制备的问题，自主研发超高强度合金钢，实现材料制备与轮毂铸造加工成型，解决材料成本高、大储能轮毂加工问题，为不同储能效率的飞轮的批量生产提供轮毂材料及成型技术。 

一般储能飞轮有两种成型方法：一是分别铸造飞轮轮子和轴，然后将二者装配组成一个整体；二是将飞轮轮子与轴整体铸造成型。其中，采用分别铸造飞轮轮子和轴再进行装配的方法，一方面是装配起来比较困难，另一方面，对装配的精度要求高，飞轮在高速旋转时，如果装配时配合得不够好，就容易出现松脱现象。而采用轮子与轴整体铸造成型的方法，可以避免飞轮轮子与轴分体铸造成型再装配时易出现的轮子松脱和装配困难等问题，还具有工艺简单、生产便捷、效率高的优点。 

发明内容

本发明的目的在于针对国内已有的钢种难以满足大储能飞轮的使用要求，公开一种储能飞轮用超高强度合金钢的成分及其冶炼方法，同时针对储能飞轮的飞轮轮子与轴分体铸造成型再装配时，易出现的轮子松脱和装配困难的问题提出一种储能飞轮铸件的铸造的整体成型方法。 

本发明所采用的技术如下： 

一种储能飞轮铸件用超高强度合金钢，成分的重量百分比如下：碳(C)为0.55％-0.60％，硅(Si)为0.23％-0.33％，锰(Mn)为0.42％-0.52％，铬(Cr)为1.55％-1.65％，镍(Ni)为3.95％-4.05％，钼(Mo)为0.31％-0.41％，磷(P)＜0.015％，硫(S)＜0.015％，余量为铁(Fe)及不可避免的杂质。 

本发明还具有如下特征： 

1、依照以上所述的一种储能飞轮铸件用超高强度合金钢的制造方法，步骤如下： 

通过中频感应炉熔炼合金钢：装料前先在坩埚底部装入占炉料重量2％-5％的底渣，所述的底渣为占底渣重量70％-80％的石灰和萤石20％-30％， 

然后装入炉料，所述的炉料由以下物质组成，电解镍、纯钼条、金属铬、电解锰、工业纯铁和生铁； 

炉料底部为电解镍，中部为纯钼条、金属铬和工业纯铁，上部为生铁，要求坩埚中部与下部炉料的堆积密度越大越好； 

装料完毕后，送电熔化；为减少氧化，炉料开始熔化后，在上面撒上占炉料重量1％-3％的覆盖渣，覆盖渣由占覆盖渣总量70％-80％的石灰和20％-30％的萤石组成；炉料全部熔化完毕后，加入电解锰和硅铁进行预脱氧，并搅动钢液检查炉底是否熔清； 

然后，取样用直读光谱仪进行炉前分析，分析C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、P和S的含量；如不足应以补加料的形式进行成分调整； 

计算方法如下： 

式中， 

-铁合金的补加量(kg)； 

g-炉内钢液量(kg)； 

a₀-补加元素的要求含量(％)； 

a₁-补加元素在钢液中的含量(％)； 

c-铁合金中补加元素的含量(％)； 

f-补加元素的回收率(％)； 

最后在钢液的化学成分全部进入规定范围时，便能够出钢；出钢前向钢液中加入终脱氧剂Al，加入量为钢液重量的0.05％～0.10％，出钢温度在1600℃～1650℃； 

2、一种储能飞轮铸件整体成型的铸造方法，具体包括以下步骤： 

(1)按照储能飞轮轮毂结构设计图纸要求制作木模：将飞轮轮子和下半轴制作成整体木模，上半轴做成另一木模，将木模分别固定于型板上，采用有机脂水玻璃自硬砂造型； 

(2)采用碱酚醛树脂砂制芯，飞轮轮子内部各轮幅之间的空隙采用碱酚醛树脂砂制芯； 

(3)飞轮轮缘与轮幅相接触部位采用暗冒口进行补缩； 

(4)合箱浇注，使用所述的合金钢，采用底返式浇注，浇注温度为1600℃～1650℃，全流浇注，浇注时间约为60秒到90秒； 

(5)铸件在砂箱中保温36h～40h后进行打箱清砂、气割冒口，完成储能飞轮铸件的铸造。 

储能飞轮铸件用合金钢中各化学成分设计依据如下：碳在铁中有两种结合方式：固溶体和碳化物。高的含碳量可以形成足够数量的碳化物，使马氏体有较高的硬度和切断抗力。但若含碳量＞1.0％，钢中便有明显的网状碳化物形成，网状碳化物的存在会导致强度、塑性、韧性均明显下降。在常用碳含量范围内，回火马氏体强度的增加约为300MPa/0.1％C，但是对于更高碳含量不仅使钢的塑性、韧性和工艺性变坏，而且钢中含碳量的增加所产生的硬化效果很小。所以将含C量确定在0.55％-0.60％范围内。Si在碳钢中的含量一般小于0.5％，是钢中的有益元素，溶入铁素体中，使铁素体强化，可提高钢的强度、硬度和耐磨性，而且塑性下降不明显。但是当硅的含量超过0.8％～1.0％时，钢的塑性和韧性显著下降，所以将含Si量限定在0.23％-0.33％范围内。Mn是钢中的有益元素，少量的Mn固溶于铁素体中，起固溶强化作用。在碳钢中的含量一般为0.25％～0.8％，而且在炼钢中Mn也可作为脱氧剂。Mn的碳化物能溶入渗碳体，可以间接提高 珠光体强度。Mn还能改善低合金钢的淬透性，从而提高其强度。Mn与钢中的硫作用后生成MnS，可以避免热脆性，改善钢的热加工性能。但Mn扩大奥氏体相区，促进晶粒粗化。本专利将含Mn量限定在0.42％-0.52％范围内。Cr具有许多有价值的性能，如使钢具有高的强度、高的硬度及高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大等。Cr可以提高钢的淬透性，降低淬火时的临界冷却速度，因而有助于马氏体的形成，且淬火变形较小。此外，Cr能大大提高结构钢的强度和塑性，当Cr的含量在0.5％～1.65％之间时，钢具有高强度、高耐磨性、良好的耐疲劳性和淬透性。但当含量超过2％时会显著影响钢的热强性，所以将含Cr量限定在1.55％-1.65％范围内。Ni既强烈提高钢的强度，又始终使钢的韧性保持极高的水平，可使韧脆转变温度降低。当Ni含量＜0.3％时，其韧脆转变温度即达-100℃以下，当Ni量增高时，约4％～5％，其韧脆温度竟可降至-180℃，Ni还可阻止晶粒在高温时长大。故本专利将含Ni量确定在3.95％-4.05％范围内。Mo是缩小γ-Fe相区，扩大α-Fe相区的合金元素，又是强碳化物形成元素。Mo的加入主要是增加回火稳定性和二次硬化效果，同时增加钢的强度，而韧性并不降低。另外，Cr、Mo共同作用将使钢的淬透性得到显著提高，而不是简单的叠加。但过高的Mo含量将促进δ铁素体的形成，对钢带来不利的影响。所以将含Mo量确定在0.31％-0.41％范围内。P、S都是钢中的有害元素，其含量越少越好，考虑到原材料选择和熔炼的可行性，将其含量限定在磷(P)＜0.015％，硫(S)＜0.015％。 

本发明的超高强度合金钢的抗拉强度达到2000MPa以上，可以满足轮毂性能要求，而且原材料易于采购，熔炼方法简单易行。本发明的铸造方法与现有采用分别铸造飞轮轮子和轴再进行装配的技术相比，可以避免飞轮轮子与轴分体铸造成型再装配时易出现的轮子松脱和装配困难等问题，还具有工艺简单、生产便捷、效率高的优点。 

附图说明

图1储能飞轮轮毂侧面结构图； 

图2图1中B-B剖面图； 

图3飞轮轮子和下半轴木模结构图； 

图4为图3中B-B剖面图； 

图5储能飞轮铸造方法的整体木模结构剖面图； 

图6为上半轴木模剖面图； 

其中1、上半轴木模，2、冒口，3、砂芯，4、飞轮轮子和下半轴的整体木模。 

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的实施工艺和效果作进一步阐述。 

实施例1： 

①根据铸造工艺设计图纸要求制作木模，将飞轮轮子和下半轴制作成整体木模，上半轴做成另一木模。将木模分别固定于型板上，采用有机脂水玻璃自硬砂造型。 

②采用碱酚醛树脂砂制芯。飞轮轮子内部各轮幅之间的空隙采用碱酚醛树脂砂制芯。 

③飞轮轮缘与轮幅相接触部位采用暗冒口进行补缩。 

④按照重量百分比碳(C)为0.55％，硅(Si)为0.23％，锰(Mn)为0.42％，铬(Cr)为1.55％，镍(Ni)为3.95％，钼(Mo)为0.31％，P＜0.015％，S＜0.015％，余量为铁(Fe)进行配料。 

⑤在中频感应炉中熔炼。装料前先在坩埚底部装入占炉料重量2％的底渣，所用的底渣为占底渣重量70％的石灰和萤石30％，然后装入炉料，所用的炉料由以下物质组成，电解镍、纯钼条、金属铬、电解锰、工业纯铁和生铁；炉料底部为电解镍，中部为纯钼条、金属铬和工业纯铁，上部为生铁，坩埚中部与下部炉料密集堆积；装料完毕后，送电熔化；为减少氧化，炉料开始熔化后，在上面撒上占炉料重量1％的覆盖渣，覆盖渣由占覆盖渣总量70％的石灰和30％的萤石组成；炉料全部熔化完毕后，加入电解锰和硅铁进行预脱氧，并搅动钢液直到炉底熔清；然后取样用直读光谱仪进行炉前分析，分析C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、P和S的含量，并根据权利说明书中补加料的方法调整钢液的成分，在钢液的化学成分全部进入规定范围时出钢；出钢前向钢液中加入终脱氧剂Al，加入量为钢液重量的0.05％，出钢温度在1600℃； 

⑥合箱浇注。采用底返式浇注，浇注温度为1600℃，全流浇注，浇注时间约为60秒。 

⑦铸件在砂箱中保温36h后进行打箱清砂、气割冒口。完成储能飞轮用合金钢铸件的铸造。 

所得铸件如图1-2所示。从图中可以看出，所得铸件表面质量很好，没有出现缩孔、缩松和裂纹类缺陷。 

实施例2： 

①根据铸造工艺设计图纸要求制作木模，将飞轮轮子和下半轴制作成整体木模，上半轴做成另一木模。将木模分别固定于型板上，采用有机脂水玻璃自硬砂造型。 

②采用碱酚醛树脂砂制芯。飞轮轮子内部各轮幅之间的空隙采用碱酚醛树脂砂制芯。 

③飞轮轮缘与轮幅相接触部位采用暗冒口进行补缩。 

④按照重量百分比碳(C)为0.60％，硅(Si)为0.33％，锰(Mn)为0.52％，铬(Cr)为1.65％，镍(Ni)为4.05％，钼(Mo)为0.41％，P＜0.015％，S＜0.015％，余量为铁(Fe)进行配料。 

⑤在中频感应炉中熔炼。装料前先在坩埚底部装入占炉料重量2％的底渣，所用的底渣为占底渣重量80％的石灰和萤石20％，然后装入炉料，所用的炉料由以下物质组成，电解镍、纯钼条、金属铬、电解锰、工业纯铁和生铁；炉料底部为电解镍，中部为纯钼条、金属铬和工业纯铁，上部为生铁，坩埚中部与下部炉料密集堆积；装料完毕后，送电熔化；为减少氧化，炉料开始熔化后，在上面撒上占炉料重量1％的覆盖渣，覆盖渣由占覆盖渣总量80％的石灰和20％的萤石组成；炉料全部熔化完毕后，加入电解锰和硅铁进行预脱氧，并搅动钢液直到炉底熔清；然后取样用直读光谱仪进行炉前分析，分析C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、P和S的含量，并根据权利说明书中补加料的方法调整钢液的成分，在钢液的化学成分全 部进入规定范围时出钢；出钢前向钢液中加入终脱氧剂Al，加入量为钢液重量的0.1％，出钢温度在1650℃； 

⑥合箱浇注。采用底返式浇注，浇注温度为1650℃，全流浇注，浇注时间约为90秒。 

⑦铸件在砂箱中保温40h后进行打箱清砂、气割冒口。完成储能飞轮用合金钢铸件的铸造。 

所得铸件如图1-2所示。从图中可以看出，所得铸件表面质量很好，没有出现缩孔、缩松和裂纹类缺陷。对所制备超高强度合金钢取样处理后测试力学性能，抗拉强度达2000MPa，硬度达HRC 57。 

与现有采用分别铸造飞轮轮子和轴再进行装配的技术相比，本发明可以避免飞轮轮子与轴分体铸造成型再装配时易出现的轮子松脱和装配困难等问题，还具有工艺简单、生产便捷、效率高的优点。另外所设计成分制备出来的超高强度合金钢的抗拉强度达到2000MPa以上，可以满足轮毂性能要求，而且原材料易于采购，熔炼方法简单易行。 

Claims (2)

1.一种储能飞轮铸件用合金钢，其特征在于：成分的重量百分比如下：碳(C)为0.55％～0.60％，硅(Si)为0.23％～0.33％，锰(Mn)为0.42％～0.52％，铬(Cr)为1.55％～1.65％，镍(Ni)为3.95％～4.05％，钼(Mo)为0.31％～0.41％，磷(P)＜0.015％，硫(S)＜0.015％，余量为铁(Fe)及不可避免的杂质。

2.一种使用如权利要求1所述的一种储能飞轮铸件用合金钢的储能飞轮铸件铸造方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)按照储能飞轮轮毂结构设计图纸要求制作木模：将飞轮轮子和下半轴制作成整体木模，上半轴做成另一木模，将木模分别固定于型板上，采用有机脂水玻璃自硬砂造型；

(2)采用碱酚醛树脂砂制芯，飞轮轮子内部各轮幅之间的空隙采用碱酚醛树脂砂制芯；

(3)飞轮轮缘与轮幅相接触部位采用暗冒口进行补缩；

(4)合箱浇注，使用所述的合金钢，采用底返式浇注，浇注温度为1600℃～1650℃，全流浇注，浇注时间约为60秒到90秒；

(5)铸件在砂箱中保温36h～40h后进行打箱清砂、气割冒口，完成储能飞轮铸件的铸造。

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