CN103934427A - 一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法 - Google Patents

Abstract

一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，属于铸造技术领域，按以下步骤进行：（1）将铸造用合金原料熔炼制成合金熔体；（2）制作铸造模具，设置外表面和下表面的铸造余量为单面3~6mm，上表面铸造余量为单面5~10mm；（3）涂覆涂料；（4）在铸造模具固定在离心铸造机上，启动离心铸造机，在铸造模具旋转的条件下，向铸造模具内浇铸合金熔体；（5）冷却至常温。本发明的方法利用金属型离心铸造方法铸造高铅青铜合金非对称环状铸件，解决了高铅青铜合金偏析问题，产品机械性能和铸件精度良好，达到了近终成形。

Description

一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法。

背景技术

铅青铜是含铅的铜合金，在20世纪初已被机械制造业广泛应用，主要用在航空发动机、重油机和其它高速、高压下工作的轴承制造上；工作性能远远超过巴氏合金及其它铜合金。

铅青铜中的铅不完全溶解于合金，而独立的微小颗粒均匀的分布在铜基体中，所以有卓越的保持润滑油和降低磨擦系数作用；铅青铜的摩擦系数 0.004~0.008（有润滑），比其它铜合金低1~4倍；铅青铜轴承可在面压60~100MPa下工作，同时耐冲击负荷高，可在每秒8~10米的高速度下工作，由于导热率为锡青铜的4倍，巴氏合金的6倍，所以耐热、耐疲劳强度高；在高冲击负荷下工作不易开裂和不易粘结，特别在润滑油油路堵塞时没及时发现致使轴承过热，在温度达到300℃以上时，铅熔化从轴承中逸出也短时间起润滑作用，保护轴承和轴不受损害。

高铅青铜一般是指含铅量达到10%以上的铅铜合金，它具有很高的疲劳强度、导热性和耐磨性、以及在有冲击载荷作用的工作条件下也不会产生裂纹等优良品质；国内外在高负荷高转速的大型设备中普遍采用高铅青铜套，如：各种型号圆锥破碎机、旋回破碎机、矿山用电铲（挖掘机）、水力发电设备、火力发电设备、各种大型水泵等，其耐高压、高速度、耐冲击、耐疲劳、摩擦系数极小、不易开裂、不粘结、保护相关轴、使用寿命长。

通常高铅青铜套采用铸造方法生产，但是，由于铜与铅的熔点相差悬殊以及合金本身的凝固特性其铸造有很多技术难点；从Cu-Pb合金相图可知，高铅青铜合金，在液态下虽然能形成单一的均匀液相，但在液相线以下就有铜的а初晶析出, 并在950℃附近发生偏晶反应；在固态下, 则由于铅不溶于铜，铅是以独立的相分布在铜的基体中，因而很易产生区域偏析，同时由于铅的密度为11.34，比铜的密度8.93大得多，所以又很容易发生比重偏析，这给高铅青铜的铸造带来了很大的困难。

发明内容

针对现有高铅青铜铸件在制备技术上存在的上述问题，本发明提供一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，采用不预热的金属型铸造，并采用可控制转速的离心铸造方法，形成金属型离心铸造方法铸造高铅青铜合金技术，通过利用非对称金属型与耐火材料局部修型的方法，实现铸造非对称环状铸件，达到大尺寸非对称环状高铅青铜合金近终成形铸件铸造的目标。

本发明的非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法按以下步骤进行：

1、将铸造用合金原料熔炼制成合金熔体；合金熔体的成分符合牌号为ZCuPb20Sn5、ZCuPb15Sn8、ZCuPb10Sn10、ZCuPb30或C93800合金的成分；

2、按照被铸造件制作铸造模具，并设置被铸造件的外表面和下表面的铸造余量为单面3~6mm，被铸造件的上表面铸造余量为单面5~10mm； 

3、在铸造模具的内表面涂覆涂料；

4、在铸造模具固定在离心铸造机上，启动离心铸造机，在铸造模具旋转的条件下，向铸造模具内浇铸合金熔体；浇铸温度按公式（1）计算：

T₁ = T₀ + A；    （1）

（1）式中，T₁为浇铸温度，单位℃；T₀为铸造用合金原料完全熔化时的温度，单位℃；A为温度常数，选用值为80~160℃；

铸造模具的旋转速度按公式（2）计算：

N=29.9（G / r）^0.5；（2）

（2）式中，N为铸造模具的转速，单位为r/min；G为重力系数，选用值为100~2000；r为被铸造件的内径，单位为m；

5、浇铸完成后，保持旋转至熔体凝固，冷却至常温，获得非对称环状高铅青铜铸件。

上述的铸造模具由模具盖和外模具构成，模具盖和外模具的材质为铸铁。

上述的外模具内设有或不设有内模具，外模具内设有或不设有异形部分；内模具的材质为铸铁，异形部分的材质为耐火材料；异形部分通过耐火泥粘接在外模具上，或镶嵌在内模具上。

上述的耐火材料为高硅质耐火材料或铝质耐火材料；耐火泥为高硅质耐火泥或铝质耐火泥，当异形部分的材质为高硅质耐火材料时，耐火泥为高硅质耐火泥，当异形部分的材质为铝质耐火材料时，耐火泥为铝质耐火泥。

上述的涂料由45~55份莫来石，2~4份片状石墨，0.2~0.8份煤焦油和30~40份硅溶胶混合均匀制成。

上述的步骤4中浇铸合金熔体时，浇铸速度为20~100kg/s。

为提高性能，可将非对称环状高铅青铜铸件以50±5℃/h的速度升温至255~265℃，保温1~3h，随炉冷却至室温。

本发明采用的离心铸造技术属于特种铸造，其特点就在于金属液浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下成形、凝固而获得铸件；离心铸造的特点是金属液在离心力作用下充型和凝固，金属补缩效果好，铸件外层组织致密，非金属夹杂物少，机械性能好；不用造型、制芯，节省了相关材料及设备投入；铸造空心铸件不需浇冒口，金属利用率可大大提高；因此对某些特定形状的铸件来说，离心铸造是一种节省材料、节省能耗、高效益的工艺。

金属型铸造是将液态金属浇入用金属材料制成的铸型而获得铸件的方法，又称为永久型铸造或硬模铸造；金属型一般用耐热铸铁或耐热钢做成，可反复使用。

金属型铸造与砂型铸造比较：在技术上与经济上有许多优点：

（1）金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高；通常抗拉强度、屈服强度、抗蚀性能和硬度均有显著提高；

（2）铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定；

（3）铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15~30％；

（4）不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80~100％；

（5）铸造过程可以实现速冷，减少合金偏析。

此外，金属型铸造的生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；工序简单，易实现机械化和自动化。

本发明的方法利用金属型离心铸造方法铸造高铅青铜合金非对称环状铸件，有效地解决了高铅青铜合金偏析问题，同时高铅青铜合金机械性能和铸件精度良好，达到了近终成形。

附图说明

图1为本发明实施例1中的非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造装置结构示意图；图中，1、离心铸造机，2、外模具，3、异形部分，4、内模具，5、模具盖，6、防护罩，7、浇注箱，8、浇注水口，9、非对称环状高铅青铜铸件；

图2为本发明实施例1中制备的非对称环状高铅青铜铸件结构示意图；

图3为本发明实施例1中制备的非对称环状高铅青铜铸件俯视图；

图4为本发明实施例1中制备的非对称环状高铅青铜铸件中部剖面结构示意图；

图5为本发明实施例3中制备的非对称环状高铅青铜铸件俯视图。

具体实施方式

本发明实施例中选用的外模具和内模具的材质为普通铸铁或含硅铸铁；含硅铸铁如RQTSI5.5铸铁。

本发明实施例中铸造模具是通过螺栓固定在离心铸造机上。

本发明实施例中采用的高硅质耐火材料、铝质耐火材料、高硅质耐火泥和铝质耐火泥为市购产品。

本发明实施例中非对称环状高铅青铜铸件内径为0.2~5m。

本发明实施例中采用的莫来石、片状石墨、煤焦油和硅溶胶为市购产品。

本发明实施例中测试强度、伸长率和硬度是按GB/T 2040-2008标准进行测试。

实施例1

离心铸造装置结构如图1所示；离心铸造机1上设有外模具2，外模具2内设有内模具4，并且外模具2上设有异形部分3，异形部分3穿过内模具4与外模具2粘接；外模具2上方与模具盖5连接，外模具2、内模具4和模具盖5的上方设有防护罩6，浇注箱7下方的浇注水口8穿过防护罩6和模具盖5插入到内模具4内部；

模具盖和外模具的材质为铸铁；内模具的材质为铸铁；异形部分的材质为耐火材料；异形部分通过耐火泥粘接在外模具上；

耐火材料为高硅质耐火材料；耐火泥为高硅质耐火泥；

将铸造用合金原料熔炼制成合金熔体；合金熔体的成分符合牌号为ZCuPb20Sn5合金的成分；

按照被铸造件（非对称环状高铅青铜铸件）制作铸造模具，并设置被铸造件的外表面和下表面的铸造余量为单面3mm，被铸造件的上表面铸造余量为单面5mm； 

在铸造模具的内表面涂覆涂料；涂料由45份莫来石， 4份片状石墨，0.2份煤焦油和38份硅溶胶混合均匀制成；

在铸造模具固定在离心铸造机上，启动离心铸造机，在铸造模具旋转的条件下，向铸造模具内浇铸合金熔体；

铸造用合金原料完全熔化时的温度T₀为1050℃，A选用值为150℃，浇铸温度T₁ 为1200℃；

重力系数G选用值为2000；铸造件的内径r为5m；铸造模具的旋转速度为N=29.9（G / r）^0.5=598r/min； 

浇铸速度为100kg/s；

浇铸完成后，保持旋转至熔体凝固，冷却至常温，获得非对称环状高铅青铜铸件，结构如图2、3和4所示，横截面的外沿为椭圆，内沿为圆形；且外壁上设有三个槽；

分别制备五个上述非对称环状高铅青铜铸件，抗拉强度分别为226MPa、241MPa、223 MPa、234 MPa和219MPa，屈服强度分别为124 MPa、140 MPa、147 MPa、133 MPa和122MPa，伸长率分别为12%、11%、14%、10%和11%，硬度HBS分别为704、670、690、654和693。

实施例2

离心铸造装置结构同实施例1，不同点在于：

（1）不设有内模具；

（2）异形部分的材质为铝质耐火材料；耐火泥为铝质耐火泥；

离心铸造方法同实施例1，不同点在于：

（1）合金熔体成分符合牌号为ZCuPb15Sn8合金的成分；

（2）设置被铸造件的外表面和下表面的铸造余量为单面4mm，被铸造件的上表面铸造余量为单面6mm； 

（3）涂料由55份莫来石，2份片状石墨，0.4份煤焦油和33份硅溶胶混合均匀制成；

（4）铸造用合金原料完全熔化时的温度T₀为1060℃，A选用值为160℃，浇铸温度T₁ 为1220℃；

重力系数G选用值为400；铸造件的内径r为0.2m；铸造模具的旋转速度为N=29.9（G / r）^0.5=1337r/min； 

浇铸速度为20kg/s；

（5）非对称环状高铅青铜铸件结构如图5所示，横截面的外沿一半为半椭圆，另一半为半圆，内沿为圆形；且外壁上设有5个槽；

分别制备五个上述非对称环状高铅青铜铸件，抗拉强度分别为237MPa、258 MPa、262 MPa、280 MPa和264MPa，屈服强度分别为177MPa、164 MPa、157 MPa、149 MPa和172MPa，伸长率分别为14%、15%、17%、16%和12%，硬度HBS分别为724、763、802、715和830。

实施例3

离心铸造装置结构同实施例1，不同点在于：

（1）不设有异形部分；

离心铸造方法同实施例1，不同点在于：

（1）合金熔体成分符合牌号为ZCuPb10Sn10合金的成分；

（2）设置被铸造件的外表面和下表面的铸造余量为单面5mm，被铸造件的上表面铸造余量为单面8mm； 

（3）在铸造模具的内表面涂覆涂料；涂料由50份莫来石，4份片状石墨，0.6份煤焦油和35份硅溶胶混合均匀制成；

（4）铸造用合金原料完全熔化时的温度T₀为1080℃，A选用值为100℃，浇铸温度T₁ 为1180℃；

重力系数G选用值为1000；铸造件的内径r为1m；铸造模具的旋转速度为N=29.9（G / r）^0.5=946r/min； 

浇铸速度为50kg/s；

（5）非对称环状高铅青铜铸件横截面同实施例1且外壁不设有槽；

分别制备五个上述非对称环状高铅青铜铸件，抗拉强度分别为255 MPa、258 MPa、262 MPa、275 MPa和264MPa，屈服强度分别为181 MPa、164 MPa、157 MPa、153 MPa和172MPa，伸长率分别为8%、11%、8%、9%和9%，硬度HBS分别为874、793、822、836和882。

实施例4

离心铸造装置结构同实施例1，不同点在于：

不设有内模具和异形部分；

离心铸造方法同实施例1，不同点在于：

（1）合金熔体成分符合牌号为ZCuPb30合金的成分；

（2）设置被铸造件的外表面和下表面的铸造余量为单面6mm，被铸造件的上表面铸造余量为单面9mm； 

（3）在铸造模具的内表面涂覆涂料；涂料由48份莫来石，3份片状石墨，0.8份煤焦油和40份硅溶胶混合均匀制成；

（4）铸造用合金原料完全熔化时的温度T₀为1030℃，A选用值为120℃，浇铸温度T₁ 为1150℃；

重力系数G选用值为1200；铸造件的内径r为2m；铸造模具的旋转速度为N=29.9（G / r）^0.5=732r/min； 

浇铸速度为80kg/s；

（5）将非对称环状高铅青铜铸件横截面同实施例2且外壁不设有槽；

分别制备五个上述非对称环状高铅青铜铸件，抗拉强度分别为243 MPa、250 MPa、266 MPa、249 MPa和261MPa，屈服强度分别为161 MPa、164 MPa、169 MPa、175 MPa和174MPa，伸长率分别为8%、10%、12%、9%和10%，硬度HBS分别为724、736、801、758和762。

实施例5

离心铸造装置结构同实施例1；不同点在于：

异形部分镶嵌在内模具上；

离心铸造方法同实施例1，不同点在于：

（1）合金熔体成分符合牌号为C93800合金的成分；

（2）设置被铸造件的外表面和下表面的铸造余量为单面5mm，被铸造件的上表面铸造余量为单面10mm； 

（3）在铸造模具的内表面涂覆涂料；涂料由53份莫来石，2份片状石墨，0.5份煤焦油和30份硅溶胶混合均匀制成；

（4）铸造用合金原料完全熔化时的温度T₀为1060℃，A选用值为130℃，浇铸温度T₁ 为1190℃；

重力系数G选用值为1500；铸造件的内径r为3m；铸造模具的旋转速度为N=29.9（G / r）^0.5=669r/min； 

浇铸速度为60kg/s；

（5）将非对称环状高铅青铜铸件以50±5℃/h的速度升温至255~265℃，保温1~3h，其结构同实施例1；

分别制备五个上述非对称环状高铅青铜铸件，分别以50±5℃/h的速度升温至255~265℃之间，保温1~3h之间，抗拉强度分别为265 MPa、280 MPa、272 MPa、275 MPa和269MPa，屈服强度分别为170 MPa、144 MPa、157 MPa、153 MPa和166MPa，伸长率分别为21%、21%、23%、22%和22%，硬度HBS分别为774、793、725、708和822。

Claims (6)

1.一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）将铸造用合金原料熔炼制成合金熔体；合金熔体的成分符合牌号为ZCuPb20Sn5、ZCuPb15Sn8、ZCuPb10Sn10、ZCuPb30或C93800合金的成分；

（2）按照被铸造件制作铸造模具，并设置被铸造件的外表面和下表面的铸造余量为单面3~6mm，被铸造件的上表面铸造余量为单面5~10mm； 

（3）在铸造模具的内表面涂覆涂料；

（4）在铸造模具固定在离心铸造机上，启动离心铸造机，在铸造模具旋转的条件下，向铸造模具内浇铸合金熔体；浇铸温度T₁ = T₀ + A ；其中，T₁为浇铸温度，单位℃；T₀为铸造用合金原料完全熔化时的温度，单位℃；A为温度常数，选用值为80~160℃；

铸造模具的旋转速度N=29.9（G / r）^0.5； 其中，N为铸造模具的转速，单位为r/min；G为重力系数，选用值为100~2000；r为被铸造件的内径，单位为m；

（5）浇铸完成后，保持旋转至熔体凝固，冷却至常温，获得非对称环状高铅青铜铸件。

2.根据权利要求1所述的一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，其特征在于所述的涂料由45~55份莫来石，2~4份片状石墨，0.2~0.8份煤焦油和30~40份硅溶胶混合均匀制成。

3.根据权利要求1所述的一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，其特征在于步骤（4）中浇铸合金熔体时，浇铸速度为20~100kg/s。

4.根据权利要求1所述的一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，其特征在于所述的铸造模具由模具盖和外模具构成，模具盖和外模具的材质为铸铁。

5.根据权利要求4所述的一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，其特征在于所述的外模具内设有或不设有内模具，外模具内设有或不设有异形部分；内模具的材质为铸铁，异形部分的材质为耐火材料；异形部分通过耐火泥粘接在外模具上，或镶嵌在内模具上。

6.根据权利要求5所述的一种非对称环状高铅青铜铸件的离心铸造方法，其特征在于所述的耐火材料为高硅质耐火材料或铝质耐火材料；所述的耐火泥为高硅质耐火泥或铝质耐火泥，当异形部分的材质为高硅质耐火材料时，耐火泥为高硅质耐火泥，当异形部分的材质为铝质耐火材料时，耐火泥为铝质耐火泥。