CN107159863B - 一种高硅镍铜合金回转体类铸件及其铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硅镍铜合金回转体类铸件及其铸造方法。该铸造方法包括如下步骤：(1)制备高硅镍铜合金回转体类铸件的金属模具；(2)预热金属模具，之后在金属模具的内腔喷涂料；(3)合模，加固待浇注；(4)将高硅镍铜合、碳和硅于真空感应炉内熔炼成钢水，之后将所述钢水置于中间包，同时调整离心机旋转速度和旋转时间，将所述钢水经氩气保护浇注系统进行离心浇注，浇注温度1450～1470℃，起模，取出铸件自然冷却即可。本发明的铸造方法解决了M25S合金离心铸造钢水氧化的问题，成品率更高，本发明的铸件组织晶粒更加致密，消除了成分偏析和夹杂，产品具有高硬度、高强度、高耐磨和优良的抗粘合、抗高温性能和耐腐蚀性能。

Description

一种高硅镍铜合金回转体类铸件及其铸造方法

技术领域

本发明涉及一种高硅镍铜合金回转体类铸件及其铸造方法。

背景技术

M25S是Ni-Cu-Si-Fe-Mn系列弥散强化型镍铜合金，也称高硅蒙乃尔。其中硅含量高达4％以上，硅的加入提高了合金的强度、硬度及再结晶温度，改善了合金的铸造性能。

常规的高硅镍铜合金铸件一般采用的是精密铸造(即为硅溶胶熔模铸造)或离心铸造的工艺。精密铸造即先制作模具，用这个模具打出和图纸尺寸、外形相符的蜡模，然后进行浇注冒口的组装，完成后进入制壳环节，制壳完成后进行脱蜡，里面的蜡水脱尽后形成一个和图纸要求一样的空腔外面包裹着模壳，放置一段时间后进行熔炼浇注，化钢水和培烧模壳同时进行，熔炼结束以后将成分合格的钢水直接倒入模壳中，然后自然冷却，最后进行对铸件进行清砂、打磨等后处理。

以前上海中洲特种合金材料股份有限公司主要以硅溶胶熔模铸造方法生产M25S高硬度镍铜合金回转体类铸件，因M25S合金主要由金属元素镍、铜、硅等元素组成，如在大气下炼钢、浇注，这些金属将同空气中的氧发生反应，产生大量的氧化物，导致铸件基体中出现夹杂，严重组织不连续，另外，采用常规精密铸造生产有壁厚差的带台阶的M25S合金铸件时，在拐角位置经常出现裂纹，特别是当直径尺寸超过12寸时，精密铸造简直无法生产，且无法补焊，其产品出现夹渣、气孔等缺陷时均只能报废处理。

目前研究发现，可以利用离心力将钢水中的杂质和气孔甩至外表面，从而达到净化本体的效果，特别是对M25S合金回转体类铸件采用离心浇铸时，取得了非常显著的改善效果。然而在大气下进行离心铸造产品非常容易形成内部气孔、夹渣、疏松等问题，成品率极低，综合性能无法达到国际先进水平。所以M25S合金离心铸造关键要解决钢水氧化问题。另外，由于M25S合金硅含量很高，这样在离心浇注时零件稍微复杂一点就会因为铸件凝固收缩不均匀形成贯穿性裂纹。

因此，寻求合适的高硅镍铜合金回转体类铸件的铸造方法制得性能更加的铸件具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中硅溶胶熔模铸造和离心铸造方法在生产过程中钢水被氧化导致铸件基体中出现夹杂和组织严重不连续、其生产的产品非常容易形成内部气孔、夹渣和疏松、成品率极低、铸件组织晶粒粗大、极易形成裂纹以及产品综合性能无法达到国际先进水平等缺陷，提供了一种高硅镍铜合金回转体类铸件及其铸造方法。本发明的铸造方法可用于生产有壁厚差的带台阶的高硅镍铜合金铸件，也可用于生产直径尺寸较大(超过12寸)的高硅镍铜合金铸件，该方法解决了钢水氧化的问题和铸件极易开裂的问题，其生产的产品成品率更高，本发明的高硅镍铜合金回转体类铸件组织晶粒更加致密，消除了成分偏析和夹杂，离心铸件基体的气体含量、杂质含量均达到了超真空精密铸造水平，同时产品具有高硬度、高强度、高耐磨和优良的抗粘合、抗高温性能和耐腐蚀性能。

本发明提供了一种高硅镍铜合金回转体类铸件的铸造方法，其采用离心铸造方法进行，其包括如下步骤：

(1)制备高硅镍铜合金回转体类铸件的金属模具；

(2)预热金属模具，之后在金属模具的内腔喷涂料；

(3)合模，加固待浇注；

(4)将高硅镍铜合金、碳和硅于真空感应炉内熔炼成钢水，之后将所述钢水置于中间包，同时调整离心机旋转速度和旋转时间，将所述钢水经氩气保护浇注系统进行离心浇注，浇注温度1450～1470℃，起模，取出铸件自然冷却即可。

本发明中，所述高硅镍铜合金回转体类铸件的合金原料中，硅的含量一般为3～6％，本领域公知硅含量为3～6％的硅镍铜合金的牌号为M25S，所述M25S合金的化学成分如下表：

步骤(1)中，所述模具具有多样性，以适应多样的回转体类铸件的生产；所述高硅镍铜合金回转体类铸件在模具挂角处添加大R角，其目的是为了均匀过渡壁厚差，以避免在生产结构复杂的回转体类铸件特别是带外台阶式的回转体类铸件时，由于外台阶冷却过快极易形成贯穿性裂纹；所述高硅镍铜合金回转体类铸件的外径大于6寸时，将外台阶和小台阶斜面直接拉直，其目的是为了形成由外而内的渐变增厚的结构，以减少壁厚突变带来的冷却过快的现象，便于铸件以均匀的速度由外向内凝固。

步骤(2)中，所述预热的操作和条件为本领域常规的预热的操作和条件，本领域公知需要根据工件的材质以及尺寸的大小来确定所述模具的预热温度；所述金属模具的尺寸≤7.8寸时，所述预热的温度较佳地为240℃～260℃；所述金属模具的尺寸大于7.8寸时，所述预热的温度较佳地为210℃～230℃。

步骤(2)中，所述在金属模具的内腔喷涂料的目的本领域公知是为了保护模具和便于脱模。

步骤(3)中，所述合模本领域公知为金属模由上下模组成，涂料刷完后要合在一起使用。

步骤(3)中，所述加固的方式为本领域常规的加固的方式，较佳地采用螺栓进行加固。

步骤(4)中，所述钢水较佳地包含下述质量百分比的组分：95.58～96.02％的所述高硅镍铜合金、0.18～0.22％的所述碳和3.8～4.2％的所述硅，所述钢水符合ASTM A494标准中对M25S材质的要求。所述质量百分比为所述组分占所述钢水总质量的百分比。

步骤(4)中，所述中间包本领域公知需要预先放入炉内、并预先加入四元保护渣料，所述四元保护渣料本领域公知为石灰、萤石、刚玉和镁砂的混合物，所述石灰、所述萤石、所述刚玉和所述镁砂的用量比较佳地为1：1：1：1。

步骤(4)中，所述离心机旋转速度和旋转时间的调整本领域公知需要根据工件的材质以及尺寸大小来调整，其目的是为了形成合适的离心力以获得组织结构非常致密的铸件。本领域公知M25S材质中硅含量较高，这要求离心机的转速较一般材质的产品降低15％。具体旋转速度和旋转时间如下表：

步骤(4)中，所述氩气保护浇注系统是将所述钢水倒入中间包时，破真空后，用行车将所述中间包吊出，所述行车吊钩上安装专用氩气喷嘴A，所述中间包移动过程中，所述钢水始终处于所述四元保护渣料和氩气保护下，不受空气氧化，浇注前，启动安装在离心铸造机浇注槽口上的氩气喷嘴B，使浇注液流处于氩气保护下，然后通过漏斗将重量已经称好的钢水倒入预热好的离心模具中，利用离心力的作用使其成型，旋转至指定时间后关闭所述离心铸造机，使其在惯性的作用下由旋转状态变至静止状态。

步骤(4)中，所述浇注的温度较常规降低30℃，其目的是为了在金属模冷却过程中保证铸件的内部质量，降低疏松产生的可能性。

本发明还提供了一种按照所述铸造方法制得的高硅镍铜合金回转体类铸件，其中硅以化合物Ni₃Si第二相形式从基体中析出，在晶界和晶粒内呈弥散分布。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的铸造方法可用于生产有壁厚差的带台阶的高硅镍铜合金铸件，也可用于生产直径尺寸较大(超过12寸)的高硅镍铜合金铸件，特别是M25S合金，该方法解决了钢水氧化的问题，其生产的产品成品率更高，本发明的高硅镍铜合金回转体类铸件组织晶粒更加致密，消除了成分偏析和夹杂，离心铸件基体的气体含量、杂质含量均达到了超真空精密铸造水平，同时产品具有高硬度、高强度、高耐磨和优良的抗粘合、抗高温性能和耐腐蚀性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中的金属模具的剖面示意图。

图2为本发明实施例2中的金属模具的剖面示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

(1)制备外径6寸、高度5.7寸的M25S材质阀瓣套筒的模具，制作金属模具时在台阶拐角处设置R20的圆角(如图1)，以降低铸造应力，保证硬度要求。

(2)预热金属模具，至金属模具的温度为245℃，在金属模具的内腔喷涂料；

(3)合模，用螺栓进行加固，待浇注；

(4)将能够保证硬度要求的M25S和配料C：0.18～0.22％、Si：3.8～4.2％装入所述真空感应炉内，隔离空气，使材料在真空状态下熔化，当钢水在真空炉内精炼结束后，将钢水倒入预先放入炉内并预先加入等比例的四元保护渣料(石灰、萤石、刚玉、镁砂的混合物)的中间包里，同时开启所述离心机使其高速旋转，转速选择55Hz，旋转时间设定240s，破真空后，用行车将中间包吊出，行车吊钩上安装专用氩气喷嘴，中间包移动过程中，钢水始终处于四元渣料和氩气保护下，不受空气氧化，浇注前，启动安装在离心铸造机浇注槽口上的氩气喷嘴，使浇注液流处于氩气保护下。采用氩气保护中间包，出钢温度选择1470℃。然后通过漏斗将重量已经称好的钢水倒入预热好的离心模具中，利用离心力的作用使其成型，旋转至指定时间后关闭离心机装置，使其自然惯性至静止状态，之后起模取出铸件，放置在石棉上自然冷却至室温。

实施例2

(1)制备外径11.1寸、高度10.2寸的M25S材质导向套的模具，将外台阶和小台阶斜面直接拉直(如图2)，其目的是为了形成由外而内的渐变增厚的结构，以减少壁厚突变带来的冷却过快的现象，便于铸件以均匀的速度由外向内凝固。

(2)预热金属模具，至金属模具的温度为225℃，在金属模具的内腔喷涂料；

(3)合模，用螺栓进行加固，待浇注；

(4)将能够保证硬度要求的M25S和配料C：0.18～0.22％、Si：3.8～4.2％装入所述真空感应炉内，隔离空气，使材料在真空状态下熔化，当钢水在真空炉内精炼结束后，将钢水倒入预先放入炉内并预先加入等比例的四元保护渣料(石灰、萤石、刚玉、镁砂的混合物)的中间包里，同时开启所述离心机使其高速旋转，转速选择42Hz，旋转时间设定720s，破真空后，用行车将中间包吊出，行车吊钩上安装专用氩气喷嘴，中间包移动过程中，钢水始终处于四元渣料和氩气保护下，不受空气氧化，浇注前，启动安装在离心铸造机浇注槽口上的氩气喷嘴，使浇注液流处于氩气保护下。采用氩气保护中间包，出钢温度选择1460℃。然后通过漏斗将重量已经称好的钢水倒入预热好的离心模具中，利用离心力的作用使其成型，旋转至指定时间后关闭离心机装置，使其自然惯性至静止状态，之后起模取出铸件，放置在石棉上自然冷却至室温。

对比例1

常规的精密铸造工艺：先制作M25S材质的阀瓣套筒的模具，用这个模具打出和图纸尺寸、外形相符的蜡模，然后进行浇注冒口的组装，完成后进入制壳环节，制壳完成后进行脱蜡，里面的蜡水脱尽后形成一个和图纸要求一样的空腔外面包裹着模壳，放置一段时间后进行真空炉熔炼浇注，浇注温度为1500℃将化钢水和培烧模壳同时进行，熔炼结束以后将成分合格的钢水直接倒入模壳中，然后自然冷却，最后进行对铸件进行清砂、打磨等后处理。

效果实施例1

实施例1和2以及对比例1中产品的硬度、耐磨性能、PT探伤等性能测试方法及标准参照标准ASTM A370。

实施例1和2以及对比例1中的产品的性能测试结果如下表1。

表1实施例1和2以及对比例1中的产品的性能测试结果

离心铸造是将熔化的钢水浇入旋转的金属模具中，钢水受金属模的冷却作用，快速凝固，铸件晶粒细小；同时因高速旋转产生的离心力作用，铸件在超重状态下凝固，组织致密，疏松倾向大大降低。因离心力的作用，钢水内轻质渣子、气体等被甩到铸件内孔，铸件基体得以净化；离心铸件不需要浇冒口，铸件出品率高，大大节约了熔化成本；总之，相同材质的套管件，离心工艺生产的零件综合性能明显优于普通重力铸造。

离心铸造是通过60倍以上的离心重力系数生产合金套管件，铸件收得率比普通重量铸造提高30％，大大降低制造成本，同时可获得RT探伤I级的铸件，而且铸件晶粒度更加细小，可提高铸件综合性能，延长使用寿命。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高硅镍铜合金回转体类铸件的铸造方法，其特征在于，其采用离心铸造方法进行，其包括如下步骤：

(1)制备高硅镍铜合金回转体类铸件的金属模具；

(2)预热金属模具，之后在金属模具的内腔喷涂料；

(3)合模，加固待浇注；

(4)将高硅镍铜合金、碳和硅于真空感应炉内熔炼成钢水，之后将所述钢水置于中间包，同时调整离心机旋转速度和旋转时间，将所述钢水经氩气保护浇注系统进行离心浇注，浇注温度1450～1470℃，起模，取出铸件自然冷却即可；

其中，所述高硅镍铜合金的牌号为M25S；

步骤(4)中，所述钢水包含下述质量百分比的组分：95.58～96.02％的所述高硅镍铜合金、0.18～0.22％的所述碳和3.8～4.2％的所述硅；所述质量百分比为所述组分占所述钢水的总质量的质量百分比。

2.如权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高硅镍铜合金回转体类铸件在模具挂角处添加大R角；所述高硅镍铜合金回转体类铸件的外径大于6寸时，将外台阶和小台阶斜面拉直。

3.如权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属模具的尺寸≤7.8寸时，所述预热的温度为240℃～260℃；所述金属模具的尺寸大于7.8寸时，所述预热的温度为210℃～230℃。

4.如权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加固为螺栓加固。

5.如权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述中间包预先放入炉内、并预先加入四元保护渣料，所述四元保护渣料为用量比为1：1：1：1的石灰、萤石、刚玉和镁砂的混合物。

6.如权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述离心机旋转速度和旋转时间的参数如下表：

寸数 3以下 3～4 4～5 5～6 6～8 8～10 10～12 12～14 旋转速度(Hz) 70 65 60 55 42 38 35 33 旋转时间(s) 120 180 200 240 720 1200 1800 2200

。

7.如权利要求5所述的铸造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述氩气保护浇注系统是将所述钢水倒入所述中间包时，破真空后，用行车将所述中间包吊出，所述行车吊钩上安装专用氩气喷嘴A，所述中间包移动过程中，所述钢水始终处于所述四元保护渣料和氩气保护下，浇注前，启动安装在离心铸造机浇注槽口上的氩气喷嘴B，使浇注液流处于氩气保护下，然后通过漏斗将钢水倒入预热后的所述金属模具中，成型后关闭所述离心铸造机。

8.一种如权利要求1～7任一项所述铸造方法制得的高硅镍铜合金回转体类铸件。