CN108296457A - 提高合金铸件成材率的组合熔炼设备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高合金铸件成材率的组合熔炼设备及其应用，属于真空感应熔炼和熔模铸造技术领域。其由一次熔炼用坩埚和一次熔炼用锭模配合在真空感应炉中制备得到母合金铸锭，对其进行外表面打磨和切除冒口部分；随后通过二次熔炼用坩埚和二次熔炼用精铸模壳在真空感应炉中进行熔模铸造，得到精铸件。本发明一次熔炼浇注浇口采用分流盘一次可以浇铸多个母合金锭，能够根据熔化料的多少更换不同尺寸的锭模及锭模数量，而锭模的尺寸和二次熔炼坩埚及材料的配料量相结合。一方面减少了材料的浪费，提高了材料的成品率，另一方面，将与精铸件相连的两端部位分别设计了轴向增大区，使得在浇注凝固后期精铸件得到充分的补缩，减少缩孔缩松等铸造缺陷的出现。

Description

提高合金铸件成材率的组合熔炼设备及其应用
技术领域
本发明涉及一种提高高硅镍铜合金铸件成材率的锭模和精铸模壳及其应用，属于真空感应熔炼和熔模铸造技术领域。
背景技术
真空感应熔炼和熔模铸造技术密切相关，对于纯净度要求较高的铸件需要两次或更多次熔炼，以提高其洁净度。对于多次熔炼，要涉及到二次或多次熔炼前的配料，若前一次制备的母合金铸锭尺寸不利于下一次熔炼方便使用，则需要对母合金锭进行切割处理，而每次的切割将会造成材料的严重浪费，特别是工业生产方面，切割使用的是砂轮片，更是会造成材料的大量浪费。
现在很多铸件都可以通过精密铸造手段制备，制备出来的铸态产品直接使用或通过热处理后直接使用。而精铸件制备过程中常会遇到铸态组织缺陷，成品率低的问题。特别是凝固过程中，收缩率较大的合金，凝固过程中容易出因现补缩不足而引起的凝固组织缩松的现象，而解决该问题的方法主要考虑的方面则是加大熔模铸造过程中材料的使用量，尽量使材料在凝固过程中得到充分的补缩，这样就进一步增加了材料的浪费。
对于该方面的问题本发明提供一种节省材料、成本、人力、资源的配套的铸锭模和熔模铸造用模壳的设计方案及设计思路。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种提高高硅镍铜合金铸件成材率的锭模和精铸模壳及其应用，能够解决需要多次真空熔炼的配料及高收缩率、较大尺寸镍铜合金铸件模壳的设计。
本发明的技术方案，提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，包括一次熔炼用坩埚、一次熔炼用锭模、二次熔炼用坩埚和二次熔炼用精铸模壳；所述一次熔炼用坩埚和二次熔炼用坩埚结构相同；
所述一次熔炼用锭模包括工装、分流盘、保温棉、保温冒口、锭模体和石墨底板；所述分流盘下端设有保温冒口，分流盘与保温冒口之间设有保温棉，保温冒口设置于锭模体上方，锭模体外部设有工装；所述锭模体底部设有石墨底板；
所述一次熔炼用锭模的材质为球墨铸铁，根据加入二次熔炼用坩埚中的母合金锭根数可以更换内径不同的锭模体。锭模体内径为40-65mm，外径为80-95mm。锭模体的顶端插入T型保温帽口，以减小母合金锭的缩孔。T型保温帽口上方为一层15-20mm厚带孔的保温棉以保温，并增强铸锭凝固后期的补缩，保温棉的内孔直径为25-35mm。最顶部与保温棉相连接的部位为具有分流作用的分流盘。
所述锭模体的内径和长度能够根据加入二次熔炼用坩埚内的母合金锭根数进行调整。
所述一次熔炼用坩埚和一次熔炼用锭模适用于50kg真空感应炉；所述锭模体可与50kg真空感应炉配套使用，可承受50kg左右的熔炼料的浇铸。
所述二次熔炼用精铸模壳一体成型，精铸模壳内部设有模腔；所述模腔的上端和下端均带有扩口。
二次熔炼用坩埚和二次熔炼用精铸模壳适用于25kg真空感应炉。所述模腔具有轴向增大区，其扩口的长度为20-50mm，与轴向夹角为6-10°。二次熔炼后所得精铸件直径为20-35mm，长度为15-25mm。
提高合金铸件成材率的组合熔炼设备的应用：其由一次熔炼用坩埚和一次熔炼用锭模配合在真空感应炉中制备得到母合金铸锭，对其进行外表面打磨和切除冒口部分；随后通过二次熔炼用坩埚和二次熔炼用精铸模壳在真空感应炉中进行熔模铸造，得到精铸件；
所述一次熔炼浇注锭模的采用锭模体，浇口采用分流盘，一次性浇铸多个母合金锭；根据熔化料的多少更换不同尺寸和数量的锭模体，其尺寸与二次熔炼用坩埚及材料的配料量相结合。
由以上50kg真空感应炉制备出的母合金铸锭，通过外表面打磨和切除冒口部分可直接结合25kg真空感应炉熔模铸造所需料量直接配料。依据等体积原理，用水测出蜡模浇满后体积约为V1，进而估算出二次熔炼需要配料量m1；m1＝ρ·V1；其中，ρ为材料的密度；进一步反推出所需要的母合金锭配合的尺寸及根数n。
具体计算示意图如图3-a～图3-j所示。
一次熔炼所得母合金锭半径r、一次熔炼所得母合金锭根数n和二次熔炼用坩埚半径R之间存在以下关系，具体公式如下：
如图3-a所示，n＝1，R＝r+r/sin[360/(2*1)]°；
如图3-b所示，n＝2，R＝r+r/sin[360/(2*2)]°；
如图3-c所示，n＝3，R＝r+r/sin[360/(2*3)]°；
如图3-d所示，n＝4，R＝r+r/sin[360/(2*4)]°；
如图3-e所示，n＝5，R＝r+r/sin[360/(2*5)]°；
如图3-f所示，n＝6/7，R＝r+r/sin[360/(2*6)]°；
如图3-g所示，n＝7/8，R＝r+r/sin[360/(2*7)]°；
如图3-h所示，n＝8/9，R＝r+r/sin[360/(2*8)]°；
如图3-i所示，n＝9/10，R＝r+r/sin[360/(2*9)]°；
如图3-j所示，n＝10-13，R＝r+r/sin[360/(2*9)]°。
经归纳，公式为R＝r+r/sin(180/n)°；n≤6；当n＝6时，二次熔炼用坩埚(3)内可放置6-7根铸锭；n＝7时，二次熔炼用坩埚内可放置7-8根铸锭；n＝8时，二次熔炼用坩埚内可放置8-9根铸锭；n＝9时，二次熔炼用坩埚内可放置9-10根铸锭；n＝10时，二次熔炼用坩埚内可放置10-13根铸锭；然后根据根数n和半径r算出母合金锭的长度。
本发明的有益效果：本发明一次熔炼浇注锭模采用的是铸铁锭模，浇口采用分流盘一次可以浇铸多个母合金锭。能够根据熔化料的多少更换不同尺寸的锭模及锭模数量。而锭模的尺寸要和二次熔炼坩埚及材料的配料量相结合。中间配料阶段减少了切割铸锭材料的步骤，一方面节约了人力、资源的损耗，另一方面减少了材料的浪费，提高了材料的成品率。
另一方面，本发明二次熔炼制备镍铜合金精铸件时，将与精铸件相连的两端部位分别设计了长度为20-50mm，与轴向夹角为6-10°的轴向增大区，使得在浇注凝固后期精铸件得到充分的补缩，减少缩孔缩松等铸造缺陷的出现。
附图说明
图1-a是本发明一次熔炼/二次熔炼坩埚结构示意图。
图1-b是本发明一次熔炼用锭模结构示意图。
图1-c是本发明一次熔炼用锭模A-A截面示意图。
图1-d是本发明二次熔炼用精铸模壳结构示意图。
图1-e是本发明二次熔炼用精铸模壳B-B截面示意图。
图2是本发明制备所得精铸件棒材结构示意图。
图3是一次熔炼用母合金锭与二次熔炼用坩埚计算示意图。
附图标记说明：1、一次熔炼用坩埚；2、一次熔炼用锭模；2-1、工装；2-2、分流盘；2-3、保温棉；2-4、保温冒口；2-5、锭模体；2-6、石墨底板；3、二次熔炼用坩埚；4、二次熔炼用精铸模壳；4-1、模腔；4-2、扩口。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，包括一次熔炼用坩埚1、一次熔炼用锭模2、二次熔炼用坩埚3和二次熔炼用精铸模壳4；所述一次熔炼用坩埚1和二次熔炼用坩埚3结构相同；
所述一次熔炼用锭模2包括工装2-1、分流盘2-2、保温棉2-3、保温冒口2-4、锭模体2-5和石墨底板2-6；所述分流盘2-2下端设有保温冒口2-4，分流盘2-2与保温冒口2-4之间设有保温棉2-3，保温冒口2-4设置于锭模体2-5上方，锭模体2-5外部设有工装2-1；所述锭模体2-5底部设有石墨底板2-6；所述锭模体2-5可以采用球墨铸铁锭模体。
所述二次熔炼用精铸模壳4一体成型，精铸模壳4内部设有模腔4-1；所述模腔4-1的上端和下端均带有扩口4-2。
所述石墨底板5的厚度为18-25mm，直径与锭模体5的内径一致。
所述保温棉3厚度为15-20mm，保温棉3上带孔，内孔直径为25-35mm。
所述锭模体5的内径和长度能够根据加入二次熔炼用坩埚3内的母合金锭根数进行调整。
所述一次熔炼用坩埚1和一次熔炼用锭模2适用于50kg真空感应炉；二次熔炼用坩埚3和二次熔炼用精铸模壳4适用于25kg真空感应炉。
所述模腔4-1具有轴向增大区，其扩口4-2的长度为20-50mm，与轴向夹角为6-10°。
实施例2
将配好的50kg镍铜合金原材料放入50kg真空感应炉中熔炼浇铸成母合金铸锭，25kg真空感应熔炼炉制备铸件需要的铸锭原料为25kg。根据精密浇注用模壳用料量及25kg真空炉熔炼坩埚尺寸，反推母合金锭的尺寸(包括直径和长度)。
25kg真空感应炉熔炼精密浇注需用料18-20kg，坩埚形状如图1所示，其中坩埚直径为140mm，高度为320mm，坩埚底部的圆弧半径为70mm。
取坩埚半径为R，母合金铸锭半径为r，则当25kg坩埚中放入3根母合金锭时，将n＝3代入所述公式，得出允许的最大母合金半径为：
R＝70mm，r＝32.487mm
以熔炼时加入3根母合金锭为例说明。
当r＝30时，将三根相同直径的母合金锭放入25kg坩埚中完全可以，则需每根母合金锭的重量为6.0-7.0kg，对应镍铜合金母合金铸锭的长度约为445-460mm。再根据此长度确定浇注母合金用锭模高度。母合金组合锭模见附图2。组合锭模由下至上依次为锭模框架、内径为40-65mm的锭模体、保温冒口、保温棉、分流盘组成。
实施例3
将配好的50kg镍铜合金原材料放入50kg真空感应炉中熔炼浇铸成铸锭，25kg真空感应熔炼炉制备铸件需要的铸锭原料为25kg。根据精密浇注用模壳用料量及25kg真空炉熔炼坩埚尺寸，反推母合金锭的尺寸(包括直径和长度)。
25kg真空感应炉熔炼精密浇注需用料22-23kg，坩埚形状如图1-a所示，其中坩埚直径为140mm，高度为320mm，坩埚底部的圆弧半径为70mm，取坩埚半径为R，母合金铸锭半径为r，则当25kg坩埚中放入4根母合金锭时，将n＝4代入所述公式，得出允许的最大母合金半径为：
R＝70mm，r＝28.994mm
以熔炼时加入4根母合金锭为例说明。
当r＝28时，将四根相同直径的母合金锭放入25kg坩埚中完全可以，则需每根母合金锭的重量为5.5-6.0kg，对应镍铜合金母合金铸锭的长度约为510-520mm。再根据此长度确定浇注母合金用锭模高度。母合金组合锭模见附图2。组合锭模由下至上依次为锭模框架、内径为40-65mm的锭模体、T型保温冒口、保温棉、分流盘组成。
在制备尺寸较大的镍铜合金精铸件棒材时，其棒材的中心部位容易缩孔，因此设计了一个制备直径为20-35mm棒材的精密铸造用模壳，具体如图1-d和图1-e所示，用该模壳制备出的的镍铜合金棒材精铸件形状如图2所示，化学成分合格，组织性能良好，总体的成品率高，同时最大程度的避免了材料，资源及人力的浪费。
实施例4
将配好的50kg镍铜合金原材料放入50kg真空感应炉中熔炼浇铸成铸锭，25kg真空感应熔炼炉制备铸件需要的铸锭原料为25kg。根据精密浇注用模壳用料量及25kg真空炉熔炼坩埚尺寸，反推母合金锭的尺寸(包括直径和长度)。
25kg真空感应炉熔炼精密浇注需用料22-23kg，坩埚形状如图1-a所示，其中坩埚直径为140mm，高度为320mm，坩埚底部的圆弧半径为70mm，取坩埚半径为R，母合金铸锭半径为r，则当25kg坩埚中放入5根母合金锭时，将n＝5代入所述公式，得出允许的最大母合金半径为：
r＝[sin36°/(1+sin36°)]R≈0.3702R
R＝70mm，r＝25.914mm
当r＝25时，将五根相同直径的母合金锭放入25kg坩埚中完全可以，则需每根母合金锭的重量为4.4-4.6kg，对应镍铜合金母合金铸锭的长度约为640-650mm。再根据此长度确定浇注母合金用锭模高度。母合金组合锭模见附图2。组合锭模由下至上依次为锭模框架、内径为40-65mm的锭模体、T型保温冒口、保温棉、分流盘组成。
在制备直径为35mm，长度为200-300mm的镍铜合金精铸件棒材时，为减小精铸件中心部位出现缩孔、缩松等缺陷出现的倾向，设计了一个制备直径为35mm棒材的精密铸造用模壳，具体如图1-d和图1-e所示，用该模壳制备出的35mm的镍铜合金棒材精铸件形状如图2所示，化学成分合格，组织性能良好，总体的成品率高，同时最大程度的避免了材料，资源及人力的浪费。
实施例5
通过熔模精密铸造制备精铸件。首先将配好的配料放入二次熔炼坩埚，同时将铸件端部设有轴向增大区的精密铸造用模壳放入砂箱在电阻炉中加热至800-1000℃，并保温2小时。将加热并保温好的模壳放入25kg真空感应炉中，同时开启熔炼炉，将合金料快速熔化，精炼，浇注，开炉取出精铸件。得到的精铸件心部组织良好，晶粒尺寸均匀，精铸件成品率高。

Claims (10)

1.提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，其特征是：包括一次熔炼用坩埚（1）、一次熔炼用锭模（2）、二次熔炼用坩埚（3）和二次熔炼用精铸模壳（4）；所述一次熔炼用坩埚（1）和二次熔炼用坩埚（3）结构相同；
所述一次熔炼用锭模（2）包括工装（2-1）、分流盘（2-2）、保温棉（2-3）、保温冒口（2-4）、锭模体（2-5）和石墨底板（2-6）；所述分流盘（2-2）下端设有保温冒口（2-4），分流盘（2-2）与保温冒口（2-4）之间设有保温棉（2-3），保温冒口（2-4）设置于锭模体（2-5）上方，锭模体（2-5）外部设有工装（2-1）；所述锭模体（2-5）底部设有石墨底板（2-6）；
所述二次熔炼用精铸模壳（4）一体成型，精铸模壳（4）内部设有模腔（4-1）；所述模腔（4-1）的上端和下端均带有扩口（4-2）。
2.如权利要求1所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，其特征是：所述石墨底板（5）的厚度为18-25mm，直径与锭模体（5）的内径一致。
3.如权利要求1所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，其特征是：所述保温棉（3）厚度为15-20mm，保温棉（3）上带孔，内孔直径为25-35mm。
4.如权利要求1所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，其特征是：所述锭模体（5）的内径和长度能够根据加入二次熔炼用坩埚（3）内的母合金锭根数进行调整。
5.如权利要求1所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，其特征是：所述一次熔炼用坩埚（1）和一次熔炼用锭模（2）适用于50kg真空感应炉；二次熔炼用坩埚（3）和二次熔炼用精铸模壳（4）适用于25kg真空感应炉。
6.如权利要求1所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备，其特征是：所述模腔（4-1）具有轴向增大区，其扩口（4-2）的长度为20-50mm，与轴向夹角为6-10°。
7.权利要求1-6之一所述提高高硅镍铜合金铸件成材率的锭模和精铸模壳的应用，其特征是：由一次熔炼用坩埚（1）和一次熔炼用锭模（2）配合在真空感应炉中制备得到母合金铸锭，对其进行外表面打磨和切除冒口部分；随后通过二次熔炼用坩埚（3）和二次熔炼用精铸模壳（4）在真空感应炉中进行熔模铸造，得到精铸件；
所述一次熔炼浇注锭模的采用锭模体（5），浇口采用分流盘（2），一次性浇铸多个母合金锭；根据熔化料的多少更换不同尺寸和数量的锭模体（5），其尺寸与二次熔炼用坩埚（3）及材料的配料量相结合。
8.如权利要求7所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备的应用，其特征是：由一次熔炼用50kg真空感应炉；二次熔炼用精铸模壳用25kg真空感应炉。
9.如权利要求7所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备的应用，其特征是：一次熔炼所得母合金锭半径r、一次熔炼所得母合金锭根数n和二次熔炼用坩埚（3）半径R之间存在以下关系：R=r+r/sin(180/n)°；n≤6；当n=6时，二次熔炼用坩埚（3）内可放置6-7根铸锭；n=7时，二次熔炼用坩埚（3）内可放置7-8根铸锭；n=8时，二次熔炼用坩埚（3）内可放置8-9根铸锭；n=9时，二次熔炼用坩埚（3）内可放置9-10根铸锭；n=10时，二次熔炼用坩埚（3）内可放置10-13根铸锭；然后根据根数n和半径r算出母合金锭的长度。
10.如权利要求7所述提高合金铸件成材率的组合熔炼设备的应用，其特征是：二次熔炼后所得精铸件直径为20-35mm，长度为15-25mm。
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