CN110846560A - 一体铸造成型的舵承木笼铸钢件及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体铸造成型的舵承木笼铸钢件的方法，一是一体铸造成型木笼架铸钢件代替铸钢件和木笼焊接结构件焊接，简化了生产工序，不但节省了原材料和公式，降低了生产成本，同时提高了产品的综合性能；二是通过对主体元素的有效控制和对残余元素的利用，并通过添加V、Ti微合金元素进行微合金化，不但提高了钢水的流动性，同时达到了细化晶粒的目的；三是采用“横浇立冷”的工艺方法，横浇保证了铸件的充型过程的平稳，立冷则通过利用自身钢液重力势能，增强了铸件的补缩能力；四是通过内设非金属补贴和外敷外冷铁的工艺措施，加强了铸件的补缩效果和加速了铸件的凝固速度，更有利于减少柱状晶区和粗大等轴晶区范围，从而达到获得细晶粒的目的。由于非金属补贴本身不需要金属补偿，减少了铸件的收缩应力。

Description

一体铸造成型的舵承木笼铸钢件及制作方法

技术领域

本发明涉及一种既节约资源和生产成本，简化生产工序，又能从根本上提高产品的使用寿命和综合性能的一体铸造成型的舵承木笼铸钢件及制作方法。

背景技术

一体铸造成型的舵承木笼铸钢件是属于大型船舶舵装置的重要组成部分，它由下舵承本体、舵钮和木笼结构三部分组成，下舵承本体和舵钮孔中心及舵杆中心在同一中心位置，起到固定舵装置与船体上，保证舵装置的平稳工作。

常规船舶设计中下舵承本体和舵钮部分一般采用铸钢件，木笼结构为焊接结构（见图一）。在与船体进行装配时，需要将下舵承本体和舵钮分别按其在舵结构中的位置进行预先定位，然后进行焊接固定。由于焊接过程会造成变形，为了保证下舵承本体和舵钮的孔中心位置与舵杆中心位置吻合，需要下舵承本体和舵钮铸件在装配定位前内孔预留一定的机加工量，在焊接完成后，通过机械加工来保证下舵承本体和舵钮孔中心和舵杆中心的同心度。

为了保证木笼结构的强度，首先需要现将木笼骨架固定并焊接好，再在骨架上覆盖钢板焊接。由于木笼结构外表面为流体曲面，因此在焊接前首先需要对钢板进行卷曲处理，木笼结构焊接完成，再分别与下舵承本体铸钢件和舵钮铸钢件进行对接。整个焊接过程在船台上进行，受焊接位置的影响，生产成本高，生产工序复杂，生产周期长。

由于焊接过程会产生变形，因此在下舵承本体和舵钮铸钢件与木笼焊接结构件整体焊接成型后，需要对下舵承轴孔与舵钮轴孔同心度进行矫正机加工，在校正加工后会往往会造成孔壁局部壁厚过薄，无法满足设计强度的要求而造成整个产品的报废。

另一方面焊接过程中焊接接头经历了快速连续的加热和冷却过程,尤其在焊接热影响区(HAZ)的温度分布很不均匀,它包括了从金属熔点一直到稍高于常温的全部温度,而且各点的热循环参数也不相同，因此造成了该区域材料的机械性能也不平衡。焊接时，在HAZ的不同位置上进行的连续冷却转变组织和转变过程是互不相同的。由于熔合线附近的粗晶区晶粒很粗大，硬化程度最严重，因此HAZ的粗晶区部位是整个焊接接头的薄弱地带，也是最易产生裂纹和局部脆性破坏的发源地。

在整体焊接前,下舵承铸钢件和舵钮铸钢件都需要进行机械预加工处理, 以便适合焊接,同时考虑到焊接过程中会产生变形，因此下舵承铸钢件和舵钮铸钢件需要预留校正加工余量,以便在焊接完成后进行同轴度校正加工。因此整个加工过程较为复杂，具体加工工序如下：

。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种既节约资源和生产成本，简化生产工序，又能从根本上提高产品的使用寿命和综合性能的一体铸造成型的舵承木笼铸钢件的方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。本发明对木笼结构件采用一体铸造成型，但是采用一体铸造成型，存在的技术难点是：

由铸钢件+焊接结构件+铸钢件三部分联接后焊接而成的舵承木笼架焊接结构件改为一体铸造成型的舵承木笼架铸钢件，从其结构特点来看，舵承木笼架铸钢件的木笼结构部分壁厚相对较薄，舵承座和舵钮铸钢件两部分较厚。因此从铸钢件的工艺性来分析，舵承木笼架区域往往要先于舵承座和舵钮铸钢件部分凝固，根据华铸CAE凝固模拟（见图2）可以看出：舵承座和舵钮铸钢件的温度要高于木笼结构部分。在没有补缩的条件下，舵承座和舵钮区域会产生缩孔缺陷，在木笼架区域存在疏松缺陷（见图3），要获得连续的致密的铸件，必须使铸钢件在收缩凝固过程中满足“顺序凝固”的要求。

传统的铸造工艺受木笼结构的限制，为了实现铸件浇注时的平稳充型，在造型方式上需要木笼结构横向造型，为了保证铸件的致密，同时考虑的铸造下端部分不产生疏松和缩孔缺陷，往往需要在舵承座和舵钮部分分别设置工艺补缩冒口，受水平补缩的限制，中间的木笼架部分需要单独增设冒口，由于中间木笼架部分表面为曲面（见图4），因此每个冒口根部都需要增设金属补贴，以保证冒口补缩通道的顺畅，从而达到补缩的目的。

虽然传统的工艺方法也能达到补缩铸件的目的，但是由于木笼曲面部分水平补缩较差，因此需要增设更多的补缩冒口进行补缩，因此增加了该区域的收缩应力，同时受水平补缩能力限制，木笼架曲面铸件的致密度相对较薄弱，往往因应力集中在曲面产生收缩裂纹。同时木笼架内部中空部区域在造型时需要采用横向泥芯，泥芯由于自身重力的作用，会造成木笼架两侧曲面的厚度不均匀，影响铸件的质量，甚至造成报废。

另一方面，传统铸造工艺方案为了铸件冒口补缩，需要增设相当数量的工艺补贴，从一定程度上变相增加了铸件的壁厚，延缓了铸件整体的凝固速度。而铸钢件的致密性和金属的凝固速度密切相关，铸件的晶粒度取决于过冷度。铸件壁厚越厚，温度梯度减小，过冷度也减小，由于冷却速度的不同，从宏观组织看，从表面到内部组织的晶粒按表面细晶粒区-柱状晶区-粗大等轴晶区细到粗分布（见图6）。柱状晶虽然具有一定的强度和塑性,但柱状晶较粗大,晶界上富集易熔而力学性能较差的杂质或缺陷,使晶粒间的联系收到很大削弱,且柱状晶组织在力学性能上有明显的方向性,纵向好,横向差;粗大等轴晶因为晶粒粗大,力学性能较差。铸件壁厚增大，过热度增加，粗大等轴晶区和柱状晶区就会扩大，表面细晶粒区减小，因此传统的铸造工艺方案对于提高铸件的致密度相当不利。

本发明铸造工艺方案的优化和改进措施：

从改变传统工艺不利于水平补缩和增设冒口补贴带来的收缩应力集中造成铸件表面裂纹的问题出发，根本的问题就是解决铸造成型过程中，一方面要满足铸件的 “顺序凝固”要求，有利于细化晶粒，提高铸件的致密性；另一方面要使得铸件在凝固收缩过程中，尽可能减少凝固收缩应力。

根据该铸件的结构特点及性能要求，结合材料的特点，主要从以下三个方面对工艺方案进行优化和改进：

1.优化材料组分，改善钢水的流动性和更有利于细化晶粒，分别对组分构成的C、Si、Mn、P、S主体元素含量范围进行控制，并对残余元素Cr、Mo元素的残余含量进行有效利用，同时添加微量元素V、Ti来细化晶粒。

传统的组分含量要求(质量百分数)如下：

C≤0.23%，Si≤0.60%,Mn≤1.60,S、P≤0.035,残余元素：Cr≤0.30%, Mo≤0.15

a.C元素含量的提高有利于改善钢水的流动性，有利于提高铸件的强度性能，但是C的增加会降低材料的塑性和韧性，结合铸件焊接性要求，将C含量控制在：0.16～0.22%。

b.Si具有改善钢水流动性的作用，Si含量在0.25～0.45%时，由于良好的脱氧作用，因此明显改善钢水的流动性，但是Si含量超过0.40%时，易形成柱状晶，增加热裂倾向。因此将Si含量控制在：0.25～0.40%。

c.Mn可以缩小结晶范围，提高钢水的流动性，提高强度，Mn具有良好的脱氧作用，因此含量不宜过低，在低碳合金钢中含量不超过1.50%时，不会降低材料的塑性，但有增加体收缩和线収缩，增加冷、裂的倾向，因此将Mn含量控制在：0.90～1.50%。

d.S、P元素在钢中作为有害元素存在，因按低含量控制，含量控制要求：S、P≤0.030%。

e.Cr、Mo在钢中作为残余元素存在，Cr具有细化晶粒，提高强度，在低含量范围不会降低材料塑性，结合残余含量要求，控制在：0.15～0.25%;Mo具有细化晶粒，同时提高材料强度和塑性的作用，结合残余含量要求，控制在0.15～0.25%。

f.V、Ti合金元素的微合金化，V、Ti元素具有细化晶粒的作用，V元素能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性，V元素还能提高钢的高温蠕变性能，V元素在含量0.05%～0.10%时，细化晶粒的效果比较明显，而超过0.20%，形成V₄C₃碳化物，会提高钢的热强性。因此V含量控制在：0.04-0.08%。

Ti是钢中强脱氧剂，能降低钢的时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。能形成稳定的TiC,在高温1300℃时依然很稳定，可以很好的抑制奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时Ti元素也是铁素体形成元素，当含量较高时，极易生成铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，因此也需要控制加入。合适的控制加入量为：0.003-0.01%。

优化和的组分构成和传统的组分构成比较如下，质量百分数：（%）

传统组分构成：C≤0.23、Si≤0.60、Mn≤1.60、Cr≤0.30、Mo≤0.15、S≤0.035、P≤0.035。

优化组分构成：C0.16～0.22、Si≤0.25～0.40、Mn0.90～1.50、Cr0.15～0.25、Mo0.10～0.15、V0.04～0.08、 Ti0.003～0.01、S≤0.035、P≤0.035。

2.改变铸件凝固补缩方式和改进工艺补贴设置，提高铸件的补缩效果和减少铸件的凝固收缩应力。

a.将冒口的设置方向由与横向造型、浇冒口方向一致垂直补缩改为与横向造型浇冒口相互垂直补缩方向一致的工艺方案。

b.为了满足铸件的“顺序凝固”要求，加强铸件的补缩条件，采用“横浇立冷”的工艺方案，在舵承座和舵钮轴向分别设置冒口，并使木笼架部分采用竖直方向补缩，在铸件浇注完成后，将木笼架型腔翻转90°后纵向放置，使冒口的补缩处于竖直方向。由于整个铸件方向为纵向，增加了铸件的重力势能，加强了冒口的补缩能力和效果。

c.为了使木笼架部分铸件在凝固收缩时得到补缩，在顶部设置一个工艺补缩冒口用来加强补缩，由于纵向高度尺寸加大，在没有任何工艺措施情况下木笼架部分只有末端区（2倍壁厚高度范围）和冒口高度补缩区（顶端向下2.5倍壁厚高度范围）铸件为致密，其余部分因没有补缩会产生缩松，因此在木笼架内壁位置增设一块倒置梯形非金属发热补贴，补贴的起始位置从末端区顶部开始，使木笼架上部分的温度高于下部分，有利铸件的补缩；在木笼架外壁增设一块正置外冷铁激冷，在外壁上使木笼架下部分冷却优先于上部分冷却，通过内增设非金属发热补贴和外敷外冷铁激冷，外冷铁的起始位置从末端区顶部开始，增加了木笼架上部和下部的温度差，实现了铸件的整体“顺序凝固”（见图10）。同时由于非金属补贴设在内壁，提高了木笼架内部中空部分凝固收缩时的砂芯退让性，同时消除了横向造型中空泥芯由于重力带来的铸件壁厚不均的问题，减少了铸件的收缩应力，避免了表面因收缩应力集中带来的裂纹缺陷。

通过加强激冷和增设非金属补贴来增强冒口补缩通道的工艺方法，最终使整个铸造工艺方案实现了“顺序凝固”，工艺方案经华铸CAE模拟，在铸件本体区域没有缩孔和缩松缺陷显示（见图11）。

3.产品的试制及试制结果

按该工艺方案进行铸件试制生产，铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面。在铸件清砂整理完毕，铸件进炉进行正火热处理，正火结束出炉冷却到300-350℃进行浇冒口切割处理，浇冒口切割完毕，进炉进行回火热处理，正火+回火热处理具体要求如下：

正火温度：910±30℃，保温时间按最大壁厚3分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷。目的一方面消除铸造应力，另一方面对铸坯组织进行细化处理。

回火温度：650±30℃，保温时间按最大壁厚5分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷。目的消除在于消除应力。

热处理结束，从铸件本体上取样进行化学成分分析和力学性能试验，表二、表三分别为该铸件经本体取样的实测化学成分和力学性能。

待铸件冷却到常温进行粗加工，外轮廓按样板划线标记后进行修整，舵承座和舵钮区域的轴孔按单边留不少于10mm余量进行机加工。这样既能保证一体木笼架铸钢件舵钮孔中心和舵承座孔中心的同心度，又能保证精加工余量，从而在结构上保证了产品的装配尺寸要求。

一体铸造成型的舵承木笼架铸钢件，不仅在化学成分上使铸件达到了统一，同时保证了各区域的力学性能上的一致，消除了焊接结构件带来的热影响区对材料力学性能降低的问题。

铸件机加工完毕及整理成品，对铸件进行无损检测，无损检测结果均满足技术要求规定的超声波探伤和磁粉检测标准规定的验收要求。

对铸件取样进行金相分析，铸件的金相组织为：铁素体+珠光体

4.本发明的关键技术

本发明的关键在于解决一体铸造成型木笼铸钢件在生产过程中木笼架区域铸件表面裂纹和及中空区域泥芯重力问题造成的铸件壁厚不均。解决这一矛盾问题采用的技术方案是：从铸件提高铸件的”顺序凝固”效果，加强钢水的流动性和提高铸件的凝固速度入手，通过内设非金属补贴和外敷外冷铁的工艺措施，加强了铸件的“顺序凝固”，从而达到既保证了铸件的补缩，同时减少凝固收缩应力的目的。

本发明与背景技术相比，一是一体铸造成型木笼架铸钢件代替铸钢件和木笼焊接 结构件焊接，简化了生产工序，将工序简化为即：铸件安装

精加工。不但节省了原 材料和公式，降低了生产成本，同时提高了产品的综合性能；二是通过对主体元素的有效控 制和对残余元素的利用，并通过添加V、Ti微合金元素进行微合金化，不但提高了钢水的流 动性，同时达到了细化晶粒的目的；三是采用“横浇立冷”的工艺方法，横浇保证了铸件的充 型过程的平稳，立冷则通过利用自身钢液重力势能，增强了铸件的补缩能力；四是通过内设 非金属补贴和外敷外冷铁的工艺措施，加强了铸件的补缩效果和加速了铸件的凝固速度， 更有利于减少柱状晶区和粗大等轴晶区范围，从而达到获得细晶粒的目的。由于非金属补 贴本身不需要金属补偿， 减少了铸件的收缩应力。

附图说明

图1是一体铸造成型的舵承木笼架铸钢件示意图。

图2是铸件凝固过程温度分布状态示意图。

图3是铸件凝固结束缺陷分布示意图。

图4是一体铸造成型的舵承木笼架铸钢件向视图。

图5是传统铸造工艺方案示意图。

图6是传统铸造工艺方案华铸CAE模拟结果示意图。

图7是铸件断面的宏观组织示意图，其中1-表面细晶粒区 2-柱状晶区 3.粗大等轴晶区。

图8是横向造型、浇冒口方向一致示意图。

图9是横向造型、浇冒口互相垂直示意图。

图10是发热补贴、外冷铁分布示意图。

图11是铸件顺序凝固过程温度分布状态示意图。

图12是铸件的金相组织示意图。

具体实施方式

实施例1：一种一体铸造成型的舵承木笼铸钢件，质量百分数：C0.16～0.22、Si≤0.25～0.40、Mn0.90～1.50、Cr0.15～0.25、Mo0.10～0.15、V0.04～0.08、 Ti0.003～0.01、S≤0.035、P≤0.035，余下为铁。

实施例2：在实施例1的基础上，C0.20、Si≤0.39、Mn1.31、Cr0.17、Mo0.14、V0.05、Ti0.0060、S≤0.007、P≤0.020。

实施例3：在实施例1的基础上，C0.21、Si≤0.38、Mn1.30、Cr0.17、Mo0.12、V0.06、Ti0.007、S≤0.007、P≤0.018。

实施例4：参照附图1-12。一种一体铸造成型的舵承木笼铸钢件的方法， 1）将冒口的设置方向由与横向造型、浇冒口方向一致垂直补缩改为与横向造型浇冒口相互垂直补缩方向一致；

2）采用“横浇立冷”的工艺方案，在舵承座和舵钮轴向分别设置冒口，并使木笼架部分采用竖直方向补缩，在铸件浇注完成后，将木笼架型腔翻转90°后纵向放置，使冒口的补缩处于竖直方向；

3）在木笼架内壁位置增设一块倒置梯形非金属发热补贴，补贴的起始位置从末端区顶部开始，使木笼架上部分的温度高于下部分，有利铸件的补缩；在木笼架外壁增设一块正置外冷铁激冷，在外壁上使木笼架下部分冷却优先于上部分冷却，通过内增设非金属发热补贴和外敷外冷铁激冷，外冷铁的起始位置从末端区顶部开始，增加了木笼架上部和下部的温度差，实现了铸件的整体“顺序凝固”；

4）铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面，在铸件清砂整理完毕，铸件进炉进行正火热处理，正火结束出炉冷却到300-350℃进行浇冒口切割处理，浇冒口切割完毕，进炉进行回火热处理，正火+回火热处理具体要求如下：

正火温度：910±10℃，保温时间按最大壁厚3分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷；

回火温度：650±10℃，保温时间按最大壁厚5分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷。目的消除在于消除应力。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种一体铸造成型的舵承木笼铸钢件，其组分特征是质量百分数：C0.16～0.22、Si≤0.25～0.40、Mn0.90～1.50、Cr0.15～0.25、Mo0.10～0.15、V0.04～0.08、 Ti0.003～0.01、S≤0.035、P≤0.035，其余为铁。

2.根据权利要求1所述的一体铸造成型的舵承木笼铸钢件，其组分特征1是：C0.20、Si≤0.39、Mn1.31、Cr0.17、Mo0.14、V0.05、 Ti0.0060、S≤0.007、P≤0.020。

3.根据权利要求1所述的一体铸造成型的舵承木笼铸钢件，其组分特征2是：C0.21、Si≤0.38、Mn1.30、Cr0.17、Mo0.12、V0.06、 Ti0.007、S≤0.007、P≤0.018。

4.一种一体铸造成型的舵承木笼铸钢件的方法，其特征是：

1）将冒口的设置方向由与横向造型、浇冒口方向一致垂直补缩改为与横向造型浇冒口相互垂直补缩方向一致；

2）采用“横浇立冷”的工艺方案，在舵承座和舵钮轴向分别设置冒口，并使木笼架部分采用竖直方向补缩，在铸件浇注完成后，将木笼架型腔翻转90°后纵向放置，使冒口的补缩处于竖直方向；

3）在木笼架内壁位置增设一块倒置梯形非金属发热补贴，补贴的起始位置从末端区顶部开始，使木笼架上部分的温度高于下部分，有利铸件的补缩；在木笼架外壁增设一块正置外冷铁激冷，在外壁上使木笼架下部分冷却优先于上部分冷却，通过内增设非金属发热补贴和外敷外冷铁激冷，外冷铁的起始位置从末端区顶部开始，增加了木笼架上部和下部的温度差，实现了铸件的整体“顺序凝固”；

4）铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面，在铸件清砂整理完毕，铸件进炉进行正火热处理，正火结束出炉冷却到300-350℃进行浇冒口切割处理，浇冒口切割完毕，进炉进行回火热处理，正火+回火热处理具体要求如下：

正火温度：910±30℃，保温时间按最大壁厚3分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷；

回火温度：650±30℃，保温时间按最大壁厚5分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷；目的消除在于消除应力。

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