CN105290328B - 一种降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法。本发明方法是通过加大试棒浇注过程中钢水的补缩通道，改进试棒的浇注温度及散热方式，降低试棒表面凝固过快，增加浇注系统的补缩效果，实现试棒检测部位补缩通道畅通，将试棒中部的显微疏松缺陷完全引入到浇注系统中，并利用过滤系统降低合金液中夹杂物过多引起的显微疏松。
Description
技术领域
本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法。
背景技术
大部分铸造高温合金浇注铸件时需要检测力学性能是否符合规范要求，通常性能检测是采用将高温合金制成单铸试棒来反映合金的力学性能。由于高温合金的合金化程度较高，合金的固相线及液相线温度范围通常较宽，一般该温度范围达到几十度到上百度，固液相温度区间越大合金浇注后形成显微疏松的趋势越大。在通常的试棒浇注温度下，由于试棒的组合结构、预热条件、预热温度、浇注温度不同等会造成合金的力学性能测试结果存在较大差异，使得浇注的力学性能试棒测试结果不能真实反映合金的力学性能。产生该问题的主要原因是在浇注的试棒中存在显微疏松缺陷，导致在性能测试过程中，试棒首先在显微疏松存在的部位发生断裂，该种试棒的力学性能较低，需要重新进行检测。
现有的高温合金试棒结构一般是哑铃型，哑铃型试棒的规格一般要求为试棒拉伸段直径在7.1mm左右，哑铃型试棒的上拉头和下拉头与拉伸段之间形成一个过渡转接角，以拉伸段中心点为原点引一条与过渡转接角相切的切线，该切线与试棒中轴线的夹角被定义为补缩通道角，补缩通道角一般为16°，目前制备高温合金试棒是通过合金浇注进行的，将试棒型壳固定在上圆盘和下圆盘之间，通过浇口杯进行浇注。但是由于存在试棒的补缩通道过长，浇注系统的上圆盘厚度不够，试棒表面散热过快等问题，导致试棒在浇注过程中高温合金液补缩不足，不利于试棒的最细部位——拉伸段高温合金液的及时补缩，从而造成试棒的显微疏松，不能反映真实的力学性能状况。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法，目的是通过加大试棒浇注过程中高温合金液的补缩通道，改进试棒的浇注温度及散热方式，降低试棒表面凝固过快，增加浇注系统的补缩效果，实现试棒检测部位补缩通道畅通，将试棒中部的显微疏松缺陷完全引入到浇注系统中，并利用过滤系统降低合金液中夹杂物过多引起的显微疏松。
实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：
（1）制备哑铃型高温合金试棒蜡模，加大哑铃型高温合金试棒蜡模的拉伸段直径，减短拉伸段长度，使补缩通道角的角度在18°~25°，然后制备哑铃型高温合金试棒型壳；
（2）组合高温合金试棒浇注装置，将哑铃型高温合金试棒型壳安装在上圆盘和下圆盘之间，其中上圆盘的厚度为20mm~30mm，上圆盘的上方设置有浇口杯，在浇口杯底部放置一个泡沫陶瓷过滤网，在哑铃型高温合金试棒型壳外表面包裹三层耐火纤维毡，每层耐火纤维毡包裹后用细铁丝捆牢，使耐火纤维毡靠近型壳表面避免散开；
（3）将包裹后的型壳放入砂箱中部，型壳四周填充石英砂至浇口杯杯沿以下，进行预热，预热温度800℃~900℃，保温时间≥3h；
（4）对高温合金液进行熔炼，将高温合金液温度调整至高于合金液相线温度150℃~250℃，精炼2min后，停电降温，将预热好的高温合金试棒浇注装置放入真空炉内，高温合金液温度调整至液相线以上70~130℃，将高温合金液表面的浮渣粘结在坩埚壁上，将高温合金液通过浇口杯和过滤网浇注到型壳中，浇注时间2s~6s，浇注后去除型壳，经切割后得到显微疏松降低的高温合金试棒，对其进行后续力学性能检测。
其中，所述的过滤网孔隙度为20PPI~25PPI，高度为10mm~15mm。
所述的三层耐火纤维毡中最里层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹至试棒拉伸段的中部，第二层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到试棒上拉头的下缘，最外层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到上圆盘的下缘。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
由于高温合金试棒的凝固过程是从直径最小的拉伸段中部向两端逐渐凝固，试棒表面温度较低，试棒的凝固过程也是从表面层向中部逐渐凝固，这两个过程是同时进行的。本发明中增大补缩通道角有利于实现轴线部位高温合金液凝固时的补缩，对于合金固相线与液相线相差越大的合金该补缩通道角越应该取较大值；
本发明中为了提高试棒的补缩效果，还对合金试棒浇注装置中的上圆盘部位进行了加厚，由20mm增加到22~30mm，尤其是对凝固温度范围较宽的合金试棒，保证高温合金液在上圆盘有较大的蓄热量，实现对试棒中部的充分补缩；
在试棒的浇注过程中，熔化的合金表面一般会有部分浮渣，该部分浮渣主要是合金锭本身带有的夹杂物和熔炼用坩埚表面层脱落引起的，通常的浇注方案没有采取高温合金液过滤措施，该浮渣层会随着高温合金液流动浇注到试棒型壳中，造成夹杂疏松增多，本发明中在浇口杯下方安装一个过滤网，高温合金液通过过滤网进行浇注，能够有效降低试棒中的非金属夹杂，并降低由此引起的试棒补缩通道变窄、疏松数量增多的问题；
本发明还对试棒型壳外表面局部包裹耐火纤维毡，能够降低试棒浇注设备中高温合金液温度的下降，实现试棒浇注时局部高温合金液的顺序凝固，包裹耐火纤维毡部位的高温合金液的凝固顺序为：试棒浇注后上圆盘高温合金液长时间处于液态，试棒中部最细部位最先凝固，之后为试棒上拉头部位凝固，最后为试棒的上圆盘部位凝固，高温合金液在型壳中形成畅通的补缩通道，有效降低了试棒中部的显微疏松缺陷，本发明中还对试棒型壳进行填砂预热，能够将型壳外表面温度控制在规定值，在型壳高温周转过程中保证型壳表面温度不降低；
试棒的浇注温度高低也影响到显微疏松的多少，浇注温度过低试棒表面的高温合金液凝固过快导致补缩通道变窄会降低补缩效果，浇注温度过高，补缩的高温合金液凝固时间越长，需要补缩通道开启较长时间，而随着凝固时间的延长，试棒表面的温度越来越低也将导致补缩通道变窄，不利于高温合金液的补缩，因此本发明中高温合金液的浇注温度控制在液相线温度以上70℃~130℃，避免浇注温度过高或过低导致试棒的显微疏松过多。
本发明的技术方案能够保证每组试棒浇注的一致性，有效降低试棒中部的显微疏松缺陷，使浇注的试棒能够较为准确的反映合金的真实力学性能，有效提高检测效率，降低重复检测费用，降低铸件的生产周期，提高生产效率。
附图说明
图1是本发明的哑铃型高温合金试棒结构示意图；
其中：a：过渡转接角；b：补缩通道角；
图2是本发明的高温合金试棒浇注装置结构示意图；
其中：1：浇口杯；2：过滤网；3：上圆盘；4：上拉头；5：拉伸段；6：中注管；7：下拉头；8：下圆盘；
图3是本发明在哑铃型高温合金试棒型壳外表面包裹三层耐火纤维毡示意图；
其中：9：最里层耐火纤维毡；10：第二层耐火纤维毡；11：最外层耐火纤维毡；
图4是采用常规方法得到的高温合金试棒的金相组织图；
图5是本发明实施例1中得到的高温合金试棒的金相组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例以K424合金为例，降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法按照以下步骤进行：
（1）制备哑铃型高温合金试棒蜡模，加大哑铃型高温合金试棒蜡模的拉伸段直径，减短拉伸段长度，使补缩通道角的角度在18°，如图1所示，然后制备哑铃型高温合金试棒型壳；
（2）组合高温合金试棒浇注装置，如图2所示，将哑铃型高温合金试棒型壳安装在上圆盘和下圆盘之间，其中上圆盘的厚度为20mm，上圆盘的上方设置有浇口杯，在浇口杯底部放置一个泡沫陶瓷过滤网，过滤网孔隙度为24PPI，高度为15mm，在哑铃型高温合金试棒型壳外表面包裹三层耐火纤维毡，如图3所示，其中最里层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹至试棒拉伸段的中部，第二层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到试棒上拉头的下缘，最外层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到上圆盘的下缘，每层耐火纤维毡包裹后用细铁丝捆牢，使耐火纤维毡靠近型壳表面避免散开；
（3）将包裹后的型壳放入砂箱中部，型壳四周填充石英砂至浇口杯杯沿以下，进行预热，预热温度880℃，保温时间3.5h；
（4）对高温合金液进行熔炼，将高温合金液温度调整至高于合金液相线温度200℃精炼2min后，停电降温，将预热好的高温合金试棒浇注装置放入真空炉内，高温合金液温度调整至液相线以上80℃，将高温合金液表面的浮渣粘结在坩埚壁上，将高温合金液通过浇口杯和过滤网浇注到型壳中，浇注时间2s，浇注后去除型壳，经切割后得到显微疏松降低的高温合金试棒，其金相组织图如图5所示，与采用常规方法制备的高温合金试棒的金相组织图图4相比，显微疏松明显减少。
对其进行后续力学性能检测，对比结果如表1所示，能够反映高温合金的真实力学性能水平。
实施例2
本实施例以K424合金为例，降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法按照以下步骤进行：
（1）制备哑铃型高温合金试棒蜡模，加大哑铃型高温合金试棒蜡模的拉伸段直径，减短拉伸段长度，使补缩通道角的角度在20°，如图1所示，然后制备哑铃型高温合金试棒型壳；
（2）组合高温合金试棒浇注装置，如图2所示，将哑铃型高温合金试棒型壳安装在上圆盘和下圆盘之间，其中上圆盘的厚度为30mm，上圆盘的上方设置有浇口杯，在浇口杯底部放置一个泡沫陶瓷过滤网，过滤网孔隙度为22PPI，高度为10mmmm，在哑铃型高温合金试棒型壳外表面包裹三层耐火纤维毡，如图3所示，其中最里层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹至试棒拉伸段的中部，第二层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到试棒上拉头的下缘，最外层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到上圆盘的下缘，每层耐火纤维毡包裹后用细铁丝捆牢，使耐火纤维毡靠近型壳表面避免散开；
（3）将包裹后的型壳放入砂箱中部，型壳四周填充石英砂至浇口杯杯沿以下，进行预热，预热温度850℃，保温时间4h；
（4）对高温合金液进行熔炼，将高温合金液温度调整至高于合金液相线温度150℃精炼2min后，停电降温，将预热好的高温合金试棒浇注装置放入真空炉内，高温合金液温度调整至液相线以上80℃，将高温合金液表面的浮渣粘结在坩埚壁上，将高温合金液通过浇口杯和过滤网浇注到型壳中，浇注时间5s，浇注后去除型壳，经切割后得到显微疏松降低的高温合金试棒，显微疏松明显减少。
对其进行后续力学性能检测，对比结果如表1所示，能够反映高温合金的真实力学性能水平。
实施例3
本实施例以K424合金为例，降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法按照以下步骤进行：
（1）制备哑铃型高温合金试棒蜡模，加大哑铃型高温合金试棒蜡模的拉伸段直径，减短拉伸段长度，使补缩通道角的角度在25°，如图1所示，然后制备哑铃型高温合金试棒型壳；
（2）组合高温合金试棒浇注装置，如图2所示，将哑铃型高温合金试棒型壳安装在上圆盘和下圆盘之间，其中上圆盘的厚度为25mm，上圆盘的上方设置有浇口杯，在浇口杯底部放置一个泡沫陶瓷过滤网，过滤网孔隙度为20PPI，高度为12mm，在哑铃型高温合金试棒型壳外表面包裹三层耐火纤维毡，如图3所示，其中最里层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹至试棒拉伸段的中部，第二层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到试棒上拉头，最外层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到上圆盘，每层耐火纤维毡包裹后用细铁丝捆牢，使耐火纤维毡靠近型壳表面避免散开；
（3）将包裹后的型壳放入砂箱中部，型壳四周填充石英砂至浇口杯杯沿以下，进行预热，预热温度900℃，保温时间3h；
（4）对高温合金液进行熔炼，将高温合金液温度调整至高于合金液相线温度250℃精炼2min后，停电降温，将预热好的高温合金试棒浇注装置放入真空炉内，高温合金液温度调整至液相线以上70℃，将高温合金液表面的浮渣粘结在坩埚壁上，将高温合金液通过浇口杯和过滤网浇注到型壳中，浇注时间6s，浇注后去除型壳，经切割后得到显微疏松降低的高温合金试棒，显微疏松明显减少。
对其进行后续力学性能检测，对比结果如表1所示，能够反映高温合金的真实力学性能水平。
实施例4
本实施例以K424合金为例，降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法按照以下步骤进行：
（1）制备哑铃型高温合金试棒蜡模，加大哑铃型高温合金试棒蜡模的拉伸段直径，减短拉伸段长度，使补缩通道角的角度在22°，如图1所示，然后制备哑铃型高温合金试棒型壳；
（2）组合高温合金试棒浇注装置，如图2所示，将哑铃型高温合金试棒型壳安装在上圆盘和下圆盘之间，其中上圆盘的厚度为28mm，上圆盘的上方设置有浇口杯，在浇口杯底部放置一个泡沫陶瓷过滤网，过滤网孔隙度为25PPI，高度为11mm，在哑铃型高温合金试棒型壳外表面包裹三层耐火纤维毡，如图3所示，其中最里层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹至试棒拉伸段的中部，第二层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到试棒上拉头的下缘，最外层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到上圆盘的下缘，每层耐火纤维毡包裹后用细铁丝捆牢，使耐火纤维毡靠近型壳表面避免散开；
（3）将包裹后的型壳放入砂箱中部，型壳四周填充石英砂至浇口杯杯沿以下，进行预热，预热温度800℃，保温时间5h；
（4）对高温合金液进行熔炼，将高温合金液温度调整至高于合金液相线温度180℃精炼2min后，停电降温，将预热好的高温合金试棒浇注装置放入真空炉内，高温合金液温度调整至液相线以上70℃，将高温合金液表面的浮渣粘结在坩埚壁上，将高温合金液通过浇口杯和过滤网浇注到型壳中，浇注时间3s，浇注后去除型壳，经切割后得到显微疏松降低的高温合金试棒显微疏松明显减少。
对其进行后续力学性能检测，对比结果如表1所示，能够反映高温合金的真实力学性能水平。
表1 本实施例的K424高温合金试棒与现有技术的K424高温合金试棒力学性能对比
| 浇注方案 | 浇注温度℃ | Rm/σb/MPa | A(δ)% | Z(ψ)% | 975℃/196MPa,持久时间τ（h） | |
| 现有技术1 | 改进前 | 1380 | 1018 | 7 | 16 | 36:47断 |
| 现有技术2 | 改进前 | 1380 | 1088 | 6.5 | 12 | 38:26断 |
| 现有技术3 | 改进前 | 1390 | 945 | 7 | 12 | 41:52断 |
| 现有技术4 | 改进前 | 1390 | 865 | 9 | 12.5 | 46:28断 |
| 实施例1 | 改进后 | 1410 | 1105 | 12 | 15 | 73:53断 |
| 实施例2 | 改进后 | 1410 | 1032 | 10 | 12 | 73:92断 |
| 实施例3 | 改进后 | 1400 | 1042 | 12 | 19 | 65:08断 |
| 实施例4 | 改进后 | 1400 | 1065 | 15.5 | 19 | 68:35断 |
Claims (3)
1.一种降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）制备哑铃型高温合金试棒蜡模，加大哑铃型高温合金试棒蜡模的拉伸段直径，减短拉伸段长度，使补缩通道角的角度在18°~25°，然后制备哑铃型高温合金试棒型壳；
（2）组合高温合金试棒浇注装置，将哑铃型高温合金试棒型壳安装在上圆盘和下圆盘之间，其中上圆盘的厚度为20mm~30mm，上圆盘的上方设置有浇口杯，在浇口杯底部放置一个泡沫陶瓷过滤网，在哑铃型高温合金试棒型壳外表面包裹三层耐火纤维毡，每层耐火纤维毡包裹后用细铁丝捆牢，使耐火纤维毡靠近型壳表面避免散开；
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（4）对高温合金液进行熔炼，将高温合金液温度调整至高于合金液相线温度150℃~250℃,精炼2min后，停电降温，将预热好的高温合金试棒浇注装置放入真空炉内，高温合金液温度调整至液相线以上70~130℃，将高温合金液表面的浮渣粘结在坩埚壁上，将高温合金液通过浇口杯和过滤网浇注到型壳中，浇注时间2s~6s，浇注后去除型壳，经切割后得到显微疏松降低的高温合金试棒，对其进行后续力学性能检测。
2.根据权利要求1所述的一种降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法，其特征在于所述的过滤网孔隙度为20PPI~25PPI，高度为10mm~15mm。
3.根据权利要求1所述的一种降低铸造高温合金试棒中显微疏松的方法，其特征在于所述的三层耐火纤维毡中最里层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹至试棒拉伸段的中部，第二层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到试棒上拉头的下缘，最外层耐火纤维毡从浇口杯杯沿以下包裹到上圆盘的下缘。
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