CN105710331A - 超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种使用温度在-100℃到-196℃范围内、含镍量按重量百分比14%到35%区间内的超低温奥氏体球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，其铸造工艺方法为：离心铸造模具及浇注系统设计、离心铸造覆膜砂造型、中频感应熔炼并合金及碳硅成分调整，球化及孕育处理过程、离心浇注及开模、热处理和表面处理。通过本发明所涉及的离心铸造工艺方法生产得到的球墨铸铁铸件在超低温下冲击韧性可达到15至20J/cm²，常温布氏硬度可以达到160至220HB，与相比传统砂型铸造工艺方法可以提高20%至40%，特别适合于制造对铸件表面有着超低温冲击韧性以及硬度的零件制造。本发明还以一种低温压缩机缸套为具体实施案例进行阐述。

Description

超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法

技术领域

本发明涉及球墨铸铁生产领域，具体涉及一种超低温下使用的球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法。

背景技术

近些年来，随着我国机械制造工业的发展，机械制造水平得到了长足的发展，然而对于一些特定环境下使用的机械关键零部件的制造远远落后于国外发达国家的水平，成为了制约我国机械制造工业发展的瓶颈。目前，国内用于超低温条件下使用的机械制造诸如阀门、泵、压缩机、罐体等超低温材料大多采用铸钢铸件和不锈钢锻件。由于铸钢在铸造性能上的制约，其不适合生产多腔多孔等形状复杂的铸件；而用锻钢件机械加工进行生产这类产品，其材料的利用率和生产效率都会大幅的降低，导致生产周期被拉长、生产成本无法控制。奥氏体球墨铸铁是一种可以在超低温度下使用的铸造性能良好的材料，其在超低温度下（-196℃）的最高冲击值可以达到28J/cm²。然而，由于材料本身的特性以及铸造致密性的影响，传统砂型铸造下的球墨铸铁铸件的布氏硬度值一般只能达到120HB至130HB，无法满足超低温下一些特性铸件的需要。本发明是一种超低温下使用的球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，通过本发明的离心铸造工艺方法生产的球墨铸铁铸件有着较高的超低温下冲击韧性可达到20至25J/cm²（在-196℃时），其布氏硬度可以到达160至220HB，低温冲击性能指标符合国家相关标准、规范的规定，解决了我国超低温条件下使用的机械重要零部件低温材料选择上的瓶颈，为今后这类机械产品关键零部件铸件生产提供了一直新的离心铸造工艺方法。采用本发明的离心铸造工艺方法生产的球墨铸铁铸件的表面硬度相比传统砂型铸造工艺方法可以提高20%至40%，铸件外表面质量也有着非常显著的提高，特别适合于制造对于外表面有着超低温冲击韧性以及硬度的零件制造。

发明内容

技术方案：

本发明是一种使用温度在-100℃到-196℃范围内、含镍量按重量百分比14%到35%区间内的奥氏体超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，其铸造工艺方法为：离心铸造模具及浇注系统设计、离心铸造覆膜砂造型、中频感应熔炼并合金及碳硅成分调整，球化及孕育处理过程、离心浇注及开模、热处理和表面处理。

1.离心铸造模具及浇注系统设计和离心铸造覆膜砂造型阶段：

1）离心铸造模具设计时，其铸造缩尺按照1.0%到1.5%计算；

2）浇注系统设计时，采用堤坝式的浇口杯，浇口杯高度不小于150mm，体积不小于0.006m³；斜入离心模具的浇道倾角为10°至30°，浇道内体积不超过浇口杯内体积的1/2；

3）离心铸造覆膜砂造型时，采用水玻璃砂散入旋转离心铸造模具的方式，覆膜砂厚度为不超过20mm；造型后，采用CO₂法硬化，表面涂刷涂料并烘干；浇注前，离心铸造模具需整体预热。

2.熔炼、球化及孕育处理、离心浇注及开模阶段的特征在于：熔炼方式采用中频感应电炉熔炼；球化处理方式为包底冲入法，所采用的球化剂为镍镁球化剂；孕育处理方式为一次浇包内孕育和二次随流孕育，一次孕育与二次孕育的孕育剂分别为：一次孕育剂为硅铁，二次孕育剂为锶锆硅铁孕育剂；浇注采用离心浇注的方式，开模时间为浇注后30分钟以上。

3.铸件后处理阶段特征在于：

1）铸件热处理和表面处理前必须将表面粘砂和涂料去除掉；

2）铸件表面处理前需先将铸件进行抛丸处理和粗加工；

3）铸件可以根据实际需要进行合金化扩散、渗氮、渗碳、表面激光处理、表面喷涂涂层等各类物理、化学方法的表面处理。

4.需要特别指出的是，离心浇注需要满足如下要求：

1）浇注温度控制在1400℃以上，浇注时间控制在20s至150s；

2）浇注时，离心铸造模具的旋转速度控制在120r/min至420r/min，要求为连贯的浇注过程，不允许出现断流的状态；

3）浇注后，离心铸造模具持续旋转不小于20分钟。

附图说明

图1为球墨铸铁缸套三维图；

图2为离心铸造模具的设计图纸。

其中1是旋转套，2是外模腔，3是覆膜砂，4是端盖。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种超低温下使用的球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法进行进一步说明。

以下是一个具体你实施案例，本发明的内容并不局限于此。

本发明以球墨铸铁缸套为具体实施案例，该铸件的基体材料为高Ni球墨铸铁，其最终组织为奥氏体，加入适量的Cr可以提高基体的硬度，适量的Cu有利于基体固溶强化。其铸造工艺方法为以下步骤：离心铸造模具及浇注系统设计、离心铸造覆膜砂造型、中频感应熔炼并合金及碳硅成分调整，球化及孕育处理过程、离心浇注及开模、清理和粗加工、热处理和表面处理、清理和精磨。

1.离心铸造模具及浇注系统设计

模具设计时，根据计算铸造缩尺按1.3%计算，采用堤坝式的浇口杯，浇口杯高度设计为100mm，体积为0.0045m³；斜入离心模具的浇道倾角为20°，浇道内体积不超过浇口杯内体积的4/15。

2.离心铸造覆膜砂造型

采用水玻璃砂散入旋转离心铸造模具的方式进行覆膜砂造型，覆膜砂平均厚度为12mm；造型后，采用CO₂法硬化，表面涂刷锆基铸铁涂料并烘干；浇注前，离心铸造模具需整体预热45分钟。

3.中频感应熔炼并合金及碳硅成分调整

熔炼时，采用中频感应电炉熔炼，生产过程中要将合金加入炉内充分过热，过热温度1580℃。合金成分调整前，碳硅含量分别需保证在3.8%和2.3%；合金成分调整后，碳当量需保证在3.9%。

4.球化及孕育处理过程

球化处理进行一次温度测量，球化温度为1490℃，球化方法为冲入法，孕育方式为一次型内孕育和二次随流孕育，一次孕育与二次孕育的孕育剂不同，一次孕育剂为硅铁，二次孕育剂为锶硅铁，球化方法为冲入法，所采用的球化剂为镍镁球化剂，铁水中转过程中采用覆盖剂覆盖，并在浇注之前完成除渣处理。

5.离心浇注和开模

浇注前，进行一次温度测量，浇注温度为1420℃；浇注时间为35s，浇注时液流平稳且连贯；离心模具在浇注时的旋转速度为240r/min。铸件浇注后，离心铸造模具保持继续旋转25分钟，开模时间为浇注后40分钟。

6.热处理和表面处理

铸件开模后进行抛丸处理，抛丸时间为15分钟。

铸件生产后，对铸件本体及随炉浇注的Y型试块进行力学测试，其测试结果如下：

常温拉伸性能：屈服强度235MPa，抗拉强度443MPa，伸长率21%；

低温冲击性能：-196℃，三次冲击功平均值为：17.5J；

布氏硬度：铸件端面，178HB。

Claims (5)

1.本发明是一种使用温度在-100℃到-196℃范围内、含镍量按重量百分比14%到35%区间内的奥氏体超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，其铸造工艺方法为：离心铸造模具及浇注系统设计、离心铸造覆膜砂造型、中频感应熔炼并合金及碳硅成分调整，球化及孕育处理过程、离心浇注及开模、热处理和表面处理。

2.根据权利要求1所述的超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，其在离心铸造模具及浇注系统设计和离心铸造覆膜砂造型阶段的特征在于：

离心铸造模具设计时，其铸造缩尺按照1.0%到1.5%计算；

浇注系统设计时，采用堤坝式的浇口杯，浇口杯高度不小于150mm，体积不小于0.006m³；斜入离心模具的浇道倾角为10°至30°，浇道内体积不超过浇口杯内体积的1/2；

离心铸造覆膜砂造型时，采用水玻璃砂散入旋转离心铸造模具的方式，覆膜砂厚度为不超过20mm；造型后，采用CO₂法硬化，表面涂刷涂料并烘干；浇注前，离心铸造模具需整体预热。

3.根据权利要求1所述的超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，其在熔炼、球化及孕育处理、离心浇注及开模阶段的特征在于：熔炼方式采用中频感应电炉熔炼；球化处理方式为包底冲入法，所采用的球化剂为镍镁球化剂；孕育处理方式为一次浇包内孕育和二次随流孕育，一次孕育与二次孕育的孕育剂分别为：一次孕育剂为硅铁，二次孕育剂为锶锆硅铁孕育剂；浇注采用离心浇注的方式，开模时间为浇注后30分钟以上。

4.根据权利要求1所述的超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，其在铸件后处理阶段特征在于：

铸件热处理和表面处理前必须将表面粘砂和涂料去除掉；

铸件表面处理前需先将铸件进行抛丸处理和粗加工；

铸件可以根据实际需要进行合金化扩散、渗氮、渗碳、表面激光处理、表面喷涂涂层等各类物理、化学方法的表面处理。

5.根据权利要求3所述的超低温球墨铸铁铸件的离心铸造工艺方法，其在离心浇注时的特征在于：

1）浇注温度控制在1400℃以上，浇注时间控制在60s以内；

2）浇注时，离心铸造模具的旋转速度控制在120r/min至420r/min，要求为连贯的浇注过程，不允许出现断流的状态；

3）浇注后，离心铸造模具持续旋转不小于20分钟。