CN111910118B - 一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法,属于铸造技术领域,本发明通过采用底注开放式浇注系统,内浇道披缝缓流式均匀分布,冒口和冷铁相结合,有效提高石墨化膨胀的利用程度和冒口的补缩效果,控制化学成分,具有脱硫、球化、抗球化衰退能力强、细化基体组织的重稀土球化剂及促进石墨化和抗衰退能力及增加石墨球数的孕育剂,实现了大功率柴油机球墨铸铁飞轮的铸造批量生产。
Description
技术领域
本发明属于铸铁铸造技术领域,具体涉及一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法。
背景技术
某型柴油机飞轮是柴油机的重要部件,该飞轮要求:外型尺寸为:φ1670×250mm,材料为QT400-15,铸件主要厚度275mm,毛坯重3500Kg,铸件液重约为4375Kg,零件最大抗拉强度:σb>400[N/mm2],σ0.2>250[N/mm2],伸长率δ>15%,布氏强度:130~180HBs,金相组织:铁素体≥90%。钻孔前进行超声波检验,不允许有任何缺陷,钻孔后进行磁粉探伤检验。该铸件属于厚大球墨铸铁件,在成型时,冷却速度缓慢,因而需要冷却的时间较长,容易在厚壁中心或热节处出现石墨畸变、球数减少、夹渣、缩松、组织粗大、化学成分偏析、晶间炭化物、石墨漂浮等铸造缺陷,要求进行低温快浇。因此提出此改进。
发明内容
本发明解决的技术问题:提供一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法,本发明通过采用底注开放式浇注系统,内浇道披缝缓流式均匀分布,冒口和冷铁相结合,有效提高石墨化膨胀的利用程度和冒口的补缩效果,控制化学成分,具有脱硫、球化、抗球化衰退能力强、细化基体组织的重稀土球化剂及促进石墨化和抗衰退能力及增加石墨球数的孕育剂,实现了大功率柴油机球墨铸铁飞轮的铸造批量生产。
本发明采用的技术方案:一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法,包括以下步骤:
(1)配料:选用55%的Q10的生铁和10%的废钢,其余为球铁回炉料,按照低碳低硅原则确定炉前各化学成分的质量百分比:C:3.5~3.6%,Si:1.4~1.5%,Mn:0.15~0.25%,S:≤0.015% ,P:<0.04%;
(2)浇注系统设计:浇注系统包括直浇道、横浇道、冒口、内浇道、冷铁、出气片;其中,
①采用低流速、大流量、低温快速的开放式浇注系统进行铁液充型;
②采用底注方式,将铸件内圆凸台部位置于上型,从外圆轮齿处分型,内浇道采用薄、宽而分散的多个披缝缓流形式且在铸件内圆下部周围均布;
③冷铁的设置,在铸件厚大部位采用双面冷铁,即在铸件厚大部位上下平面部位均采用尺寸大的冷铁,在铸件内圆孔底部采用尺寸小的冷铁;
④冒口:在浇注位置顶部采用蓄热系数小且具有保温功能的珍珠岩粉材料制成的保温冒口;
(3)造型:将树脂砂舂入砂箱后进行造型,砂型24小时抗拉强度≥1.0MPa;
(4)熔炼:
①采用中频感应电炉熔炼,在炉底先加入少量生铁起炉形成熔池后,逐步将步骤(1)中配好的原材料有序加入电炉中进行熔炼,升温到1420℃-1450℃取样,首次补加合金按下限计算,成分合格后方可出炉,铁水出炉温度:1380~1400℃;
②球化处理:采用龙钇重稀土球化剂进行球化处理;
③孕育处理:
炉前冲入孕育:选用句容亚峰YFY-150硅钡孕育剂,加入量0.5%;
瞬时孕育:采用定量浇口杯及含铋强烈增加石墨球数的孕育剂YFY-380,加入量0.1%;
(5)浇注:铁水浇注温度为1340±10℃;
(6)打箱时间:浇注后36小时或铸件温度590℃以下打箱空冷。
上述步骤(2)中,直浇道采用耐火陶瓷管形成,放置在与型板纵向中心线夹角呈45°处,上下模型的直浇道与直浇道连接部分采用直浇道凸台搭子定位连接;横浇道采用大断面,直浇道与横浇道转接部分采用直浇道定位圆台连接,直浇道定位圆台高度与横浇道相同,横浇道断面呈高梯形,从飞轮圆心沿径向分布,在横浇道的末端设置过滤网;内浇道断面呈薄矩形,内浇道从飞轮内圆底部引入铸型。
上述步骤(4)中,球化处理装包时,在浇包的球化坑内加入1.3%的龙钇重稀土球化剂,上部覆盖0.4%的句容亚峰YFYY-2孕育剂,再覆盖0.3%的球铁铁屑,逐层适当紧实后覆盖球化钢板,最后压生铁 2~4 块,出炉时铁液冲向未放置球化剂一侧,冲入2/3~1/2铁液,等球化反应沸腾1min左右,待球化反应将要结束时再冲入其余铁液,并随流在出铁槽添加瞬时孕育剂。
本发明与现有技术相比的优点:
1、本方案采用底注、低流速、大流量、低温快浇、开放式浇注系统进行铁液充型,采用披缝缓流式内浇道均匀分布,使得整个铸件的热节均匀分布,在铸件膨胀凝固开始时,内浇口能迅速凝固封闭,减少与铸件的接触热节,液面上升平稳,逸气浮渣能力强,避免高温铁水使铸型和冷铁过早达到热饱和而降低或失去激冷的作用,充分利用铁液石墨化膨胀进行补缩,避免夹渣、缩松缺陷。
2、带过滤网的大断面的横浇道,提高浇注系统的挡渣能力,达到横浇道充满有余,起到浇注系统浮气、挡渣的作用;
3、在浇注位置顶部采用蓄热系数小且具有保温功能的珍珠岩粉的保温冒口,能够延长冒口的凝固时间,提高冒口的补缩效率;
4、在厚大部位采用双面冷铁,即厚大部位上下平面均采用尺寸大的冷铁,加快铸件热节部位的冷却速度,增大铸件表面和中心的温度梯度,形成人为末端区强化部位方向性(顺序)凝固的条件,有效提高石墨化膨胀的利用程度和冒口的补缩效果;
5、采用具有脱硫、球化、抗球化衰退能力强、细化基体组织的龙钇基重稀土球化剂,消除厚大球墨铸铁件冷却缓慢、共晶凝固时间较、在厚壁中心或热节处出现石墨畸变、球数减少、组织粗大、石墨漂浮等铸造缺陷;
6、炉前冲入有很强的促进石墨化和抗衰退能力硅钡孕育剂,瞬时孕育采用定量浇口杯及含铋强烈增加石墨球数的孕育剂,显著增加基体的石墨球数,改善铸铁的显微组织和性能。
附图说明
图1为本发明中浇注系统的结构示意图;
图2为本发明图1中的A-A向结构剖视图。
其中:1--直浇道、2--横浇道、3--过滤网、4--冒口、5--冷铁、501--冷铁1#、502--冷铁2#、503--冷铁3#、504--冷铁4#、6--出气片、7--型板纵轴线。
具体实施方式
下面描述本发明的实施例。
一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法,包括以下步骤:
(1)配料:选用55%的Q10的生铁和10%的废钢,其余为球铁回炉料,按照低碳低硅原则确定炉前各化学成分的质量百分比:C:3.5~3.6%,Si:1.4~1.5%,Mn:0.15~0.25%,S:≤0.015% ,P:<0.04%;
其中,碳高容易产生石墨漂浮,但过低又容易产生缩松、缩孔等缺陷,综合考虑,碳量在3.5~3.6%之间为最宜。
Si高容易引起异形石墨,提高低温脆性,因此要控制终Si量,在保证铁素体量的条件下尽量降低硅量,控制在1.4~1.5%。
Mn是促进碳化物生成,且易产生偏析,控制在0.1~0.4%范围,铁素体球墨铸铁取中下限。
S具有较强烈的阻碍石墨化,要求硫含量低,会形成FeS-Fe共晶体分布在晶界上,既阻碍碳扩散,又降低球墨铸铁的塑性,但S含量过低会造成结晶核心不足,使基体组织的石墨球变大,石墨球数变少。炉前铁水中S控制在0.008~0.015%之间效果较好。
P易产生偏析导致铸件脆性增加,降低韧性,严格限制反白口化元素和反球化元素的含量。
(2)浇注系统设计
浇注系统包括直浇道1、横浇道2、冒口4、内浇道、冷铁5、出气片6。
①采用低流速、大流量、低温快速的开放式浇注系统进行铁液充型。液面上升平稳,逸气浮渣能力强,避免高温的铁水使铸型和冷铁过早达到热饱和而降低或失去激冷的作用,充分利用铁液石墨化膨胀进行补缩,避免夹渣、缩松缺陷。
②采用底注方式,将铸件内圆凸台部位置于上型,有利于顶部冒口的补缩,从外圆轮齿处分型,内浇道采用薄、宽而分散的多个披缝缓流形式,且在铸件内圆下部周围均布,使得整个铸件的热节均匀分布,在铸件膨胀凝固开始时,内浇口能迅速凝固封闭,以充分利用铁水本身的石墨化膨胀来进行补缩。
下面以某型柴油机飞轮为例进行浇注系统的计算,该飞轮要求,外型尺寸为:φ1670×250mm,材料为QT400-15,铸件主要厚度275mm,毛坯重3500Kg,铸件液重约为4375K。
该飞轮属于厚壁球墨铸铁件,设定采用开放式浇注系统,F直:F横:F内=1:(1.2~2.0):(1.2~2.0)。
● 浇注系统计算
1)液重:G=铸件重量×(100+浇冒系统重量)%
工艺出品率按75%计算,液重G=3500×(100+25)%= 3500×125%= 4375kg,液重4375㎏
2)计算浇注时间:根据G-t回归方程应用表,应用公式,
G—型内铁液总重量,包含浇冒系统重量(Kg)
t—浇注时间(s)
S—系数,0.55~0.9,取0.55
3)静压头:HP= HO-0.5HC
HO—铸型底平面到浇口顶面距离
HC—铸型高度
HO=667+450=1117mm,
HP= HO-0.5HC=1117-0.5×305=965mm,
4)内浇道截面积的计算:
G—型内铁液总重量,包含浇冒系统重量(Kg)
μ—流量损耗系数,取μ=0.55,
t—浇注时间(s)
将上述已知数代入根据阻流截面总面积公式,得出
5)直、横浇道截面积的计算:F直:F横:F内=1:1.5:1.2,
F横=1.5/1.2×72=90(cm2),取圆环形横浇道的截面形状为35/40×40的梯形(6道);实际截面尺寸为:90(cm2)
F直=1.0/1.2×72=60(cm2),实际采用φ90mm的直浇道,实际截面尺寸为:63.5(cm2)。
则实际浇口比,F1 直: F1 横: F1 内=63.5:90:72=1:1.42:1.13
式中,
V—型内液面上升速度(mm/s)
C—铸件的高度(mm),
t—浇注时间(s)
其中,符合液面上升速度8~10mm/s的要求。
即:浇注时间t = 36s时,极限上升速度是合理的。
● 浇注系统布局
直浇道:
1)直浇道1的直径φ90,截面积6358,直浇道1采用耐火陶瓷管形成,放置在与型板纵轴线7夹角呈45°,距铸件中心1025处交接。
2)直浇道圆台
直浇道1与横浇道2转接部分采用φ120/φ130的圆台连接、高度与横浇/2相同,圆台上部做出直径φ85,高度20的直浇道定位搭子,上下模型的直浇道1与直浇道1连接部分采用φ120/φ130,高度20的直浇道凸台搭子,防止舂砂时直浇道位置偏移。
横浇道:
横浇道2采用大断面,直浇道1与横浇道2转接部分采用直浇道定位圆台连接,高度与横浇道相同,横浇道2断面呈高梯形,从飞轮圆心沿径向分布。在横浇道2的末端设置过滤网3,提高浇注系统的挡渣能力,达到横浇充满有余,起到浇注系统浮气、挡渣的作用。
1)横浇道形状:
断面呈高梯形:35/40×40,从飞轮圆心沿径向分布,共6道,横浇道总截面积9000。
2)过滤网
在横浇道距中心295各设置一个面积100×100,厚度20的过滤网3,过滤网3以内横浇道预留宽度70/80,高度90,长度80的区域,使聚集在横浇道的夹杂物不再随液流到横浇道的工作段中去,提高横浇道的聚渣能力。过滤网3以外20至60长度横浇道宽度由80逐渐扩大到120,进一步疏缓铁液的流速。
内浇道
1)内浇道
断面呈薄矩形:120×10, 6个内浇道沿飞轮内圆均布。
2)引入位置
根据内浇道引入的位置、方向、大小和个数符合铸件的凝固原则和补缩方法确定:采用薄、宽的披缝形式内浇道,从飞轮内圆底部引入铸型,减少与铸件的接触热节,达到快速、平稳、大流量、低流速充型的目的。
③冷铁的设置
在铸件厚大部位采用双面冷铁,即在铸件厚大部位上下平面部位均采用尺寸大的冷铁,在铸件内圆孔底部采用尺寸小的冷铁。冷铁5的结构能够加快铸件热节部位的冷却速度,增大铸件表面和中心的温度梯度,形成人为末端区强化部位方向性(顺序)凝固的条件,有效提高石墨化膨胀的利用程度和冒口的补缩效果。
具体的,针对本实施例中的飞轮,其属轮盘状结构,整体壁厚大,在铸件内侧过渡部位、上下平面部位采用尺寸较大的冷铁2# 502、冷铁3# 503、冷铁4# 504,通过冷铁的重量、厚度以及与铸件的接触面积的增加,提高冷铁的激冷能力,加快铸件热节部位的冷却速度,增大铸件表面和中心的温度梯度,使铸件的厚大区域石墨化膨胀提前,有效提高石墨化膨胀的利用程度。在铸件内圆孔底部采用冷铁1# 501加快区域冷却速度,强化部位方向性(顺序)凝固条件,提高保温冒口对凸台部位的有效补缩。
根据飞轮不同部位的具体形状,进行冷铁的布置:
④冒口
在浇注位置顶部采用蓄热系数小且有保温功能的珍珠岩粉材料制成的保温冒口4,延长冒口的凝固时间,提高冒口的补缩效率。
该具有较强补缩功用的保温冒口,结合在内圆侧面及下部底面采用较大的冷铁,使铸件的厚大区域石墨化膨胀提前,强化部位方向性(顺序)凝固的条件,提高保温冒口的有效补缩,当石墨化膨胀时冒口径及时凝固关闭,实现厚大热节部位的内部致密。
本实施例中飞轮需补缩部位厚度123,宽度208,其模数根据卡塞理论进行计算:公式如下:
1)冒口4的计算:
保温冒口的具体尺寸:内径φ180,冒口径φ70,高度300,珍珠岩粉材料。
2)冒口的布置
将内径φ180、冒口径φ70的4个保温冒口4,在偏离型板纵向轴线7的45°与飞轮浇注位置顶面部位距飞轮中心235交接处均匀安放,并分别用4个φ65,高度20的冒口定位搭子进行定位,防止舂砂时保温冒口偏移原有位置。
⑤出气片的布置
在飞轮中心直径1200的圆周平面上均匀布置面积15×50,高度400,斜度0.5°的6个出气片6,提高型腔逸气排渣的能力。
(3)造型:将树脂砂舂入砂箱后进行造型,砂型24小时抗拉强度≥1.0MPa。
(4)熔炼:严格选用生铁和废钢、采用长效孕育剂和球化剂,控制化学成分,石墨球的大小及形状,残余的自由渗碳体及夹杂物相,铁素体的晶粒度等,力求获得良好的铁素体的基体组织。
①采用中频感应电炉熔炼,在炉底先加入少量生铁起炉形成熔池后,逐步将步骤(1)中配好的原材料有序加入电炉中进行熔炼,升温到1420℃-1450℃取样,首次补加合金按下限计算,成分合格后方可出炉,铁水出炉温度:1380~1400℃;
②球化处理:采用龙钇重稀土球化剂进行球化处理。
龙钇基重稀土具有脱硫、球化、抗球化衰退能力强、细化基体组织、能有效克服厚大断面球铁易出现的球化衰退、断面敏感性强,有很强的抗干扰性、抗石墨畸变性、抗衰退型能力。消除厚大球墨铸铁件冷却缓慢、共晶凝固时间较长,造成厚壁中心或热节处出现石墨畸变、球数减少、组织粗大、化学成分偏析、晶间炭化物、石墨漂浮等铸造缺陷。
球化处理装包时,在浇包的球化坑内加入1.3%的龙钇重稀土球化剂,上部覆盖0.4%的句容亚峰YFYY-2孕育剂,可起到预处理作用;再覆盖0.3%的球铁铁屑,逐层适当紧实后覆盖球化钢板,最后压生铁 2~4 块,出炉时铁液冲向未放置球化剂一侧,冲入2/3~1/2铁液,等球化反应沸腾1min左右,待球化反应将要结束时再冲入其余铁液,并随流在出铁槽添加孕育剂。说明:0.3%(约13Kg)球铁铁屑作为回炉料的组成部分和球化钢板(约15Kg)作为废钢的组成部分都已包含在配料的废钢和回炉料部分中了。
③孕育处理:
炉前冲入孕育:选用句容亚峰YFY-150硅钡孕育剂,加入量0.5%;
瞬时孕育:采用定量浇口杯及含铋强烈增加石墨球数的孕育剂YFY-380,加入量0.1%;
炉前冲入有很强的促进石墨化和抗衰退能力的句容亚峰YFY-150硅钡孕育剂,有很强的促进石墨化和抗衰退能力,能有效控制石墨形态及石墨的长短,可改善铸件中的石墨组织和分布状况,避免出现渗碳体的产生。
瞬时孕育采用定量浇口杯进行浇注,并含铋而能够强烈增加石墨球数,可显著增加基体的石墨球数。浇注前将全部句容亚峰YFY-380孕育剂撒入浇包杯底部,待测温符合工艺浇注温度后拔塞浇注,能有效减少过冷石墨和自由渗碳体的产生。
(5)浇注:铁水浇注温度为1340±10℃;
(6)打箱时间:浇注后约36小时或铸件温度590℃以下打箱空冷,加快铸件的冷却速度,避免型内冷铁被加热到450℃,使铸件缓冷而产生回火脆性。
上述实施例,只是本发明的较佳实施例,并非用来限制本发明实施范围,故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化,均应包括在本发明权利要求范围之内。
Claims (2)
1.一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)配料:选用55%的Q10的生铁和10%的废钢,其余为球铁回炉料;按照低碳低硅原则确定炉前各化学成分的质量百分比:C:3.5~3.6%,Si:1.4~1.5%,Mn:0.15~0.25%,S:≤0.015% ,P:<0.04%;
(2)浇注系统设计:浇注系统包括直浇道、横浇道、冒口、内浇道、冷铁、出气片;其中,直浇道采用耐火陶瓷管形成,放置在与型板纵向中心线夹角呈45°处,上下模型的直浇道与直浇道连接部分采用直浇道凸台搭子定位连接;横浇道采用大断面,直浇道与横浇道转接部分采用直浇道定位圆台连接,直浇道定位圆台高度与横浇道相同,横浇道断面呈高梯形,从飞轮圆心沿径向分布,在横浇道的末端设置过滤网;内浇道断面呈薄矩形,内浇道从飞轮内圆底部引入铸型;
①采用低流速、大流量、低温快速的开放式浇注系统进行铁液充型;
②采用底注方式,将铸件内圆凸台部位置于上型,从外圆轮齿处分型,内浇道采用薄、宽而分散的多个披缝缓流形式且在铸件内圆下部周围均布;
③冷铁的设置,在铸件厚大部位采用双面冷铁,即在铸件厚大部位上下平面部位均采用尺寸大的冷铁,在铸件内圆孔底部采用尺寸小的冷铁;
④冒口:在浇注位置顶部采用蓄热系数小且具有保温功能的珍珠岩粉材料制成的保温冒口;
(3)造型:将树脂砂舂入砂箱后进行造型,砂型24小时抗拉强度≥1.0MPa;
(4)熔炼:
①采用中频感应电炉熔炼,在炉底先加入少量生铁起炉形成熔池后,逐步将步骤(1)中配好的原材料有序加入电炉中进行熔炼,升温到1420℃-1450℃取样,首次补加合金按下限计算,成分合格后方可出炉,铁水出炉温度:1380~1400℃;
②球化处理:采用龙钇重稀土球化剂进行球化处理;
③孕育处理:
炉前冲入孕育:选用句容亚峰YFY-150硅钡孕育剂,加入量0.5%;
瞬时孕育:采用定量浇口杯及含铋强烈增加石墨球数的孕育剂YFY-380,加入量0.1%;
(5)浇注:铁水浇注温度为1340±10℃;
(6)打箱时间:浇注后36小时或铸件温度590℃以下打箱空冷。
2.根据权利要求1所述的一种大功率柴油机用球墨铸铁飞轮的成型方法,其特征在于:上述步骤(4)中,球化处理装包时,在浇包的球化坑内加入1.3%的龙钇重稀土球化剂,上部覆盖0.4%的句容亚峰YFYY-2孕育剂,再覆盖0.3%的球铁铁屑,逐层适当紧实后覆盖球化钢板,最后压生铁 2~4 块,出炉时铁液冲向未放置球化剂一侧,冲入2/3~1/2铁液,等球化反应沸腾1min,待球化反应将要结束时再冲入其余铁液,并随流在出铁槽添加瞬时孕育剂。
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