CN111940680A - 一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法 - Google Patents

一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铸铁铸造技术领域，公开了一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，浇注位置的选择，将铸件置于下型，大平面朝上，实样模造型，从最大平面处分型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围，在横浇道的末端设置集渣包；然后，经过浇注系统设计、浇注系统布局、冷铁的布置、冒口布置、计算机模拟，最后熔化工艺设计，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、铁素体的晶粒度，获得良好的铁素体的基体组织。本发明能够有效解决中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮铸铁件机械性能要求，没有发现夹渣、缩松、缺陷组织粗大、石墨漂浮等铸造缺陷。

Description

一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法
技术领域
本发明属于铸铁铸造技术领域，尤其涉及一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法。
背景技术
目前,柴油机飞轮是柴油机的重要部件，零件最大外型尺寸为：φ 1107×298mm。材料为QT400-15，铸件主要厚度大于100mm，最大热节圆直径φ150mm，毛坯重1100Kg,液重约为1600Kg。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，容易出现夹渣、缩松、组织粗大、石墨漂浮缺陷等问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的柴油机飞轮钻孔后进行磁粉探伤检验，易造成夹渣、缩松、组织粗大、石墨漂浮缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法。
本发明是这样实现的，一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，所述中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，包括：
步骤一，浇注位置的选择，将铸件置于下型，大平面朝上，实样模造型，从最大平面处分型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围，在横浇道的末端设置集渣包；
步骤二，浇注系统设计，采用低流速、大流量、低温快浇进行铁液充型；同时采用薄、短、小而分散的多个内浇道，大断面的横浇道；在铸件膨胀凝固开始时，内浇口凝固封闭，以充分利用铁水本身的石墨化膨胀进行进行补缩，达到横浇道充满有余，用以浇注系统浮气、挡渣；
步骤三，浇注系统采用直浇道、横浇道、内浇道布局；
步骤四，冷铁的布置采取冒口与冷铁配合使用，在铸件内圆侧面及中下部侧面采用尺寸较大的冷铁，冷铁的重量、厚度以及与铸件的接触面积的增加；
步骤五，冒口布置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，在内圆侧面及中下部侧面采用尺寸较大的冷铁，使铸件的厚大区域石墨化膨胀提前，强化部位方向性凝固的条件；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；
步骤六，计算机模拟，利用Solidworks进行三维立体造型，并运用模拟软件缩松判据Niyama进行分析判断；
步骤七，熔化工艺设计，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、铁素体的晶粒度，获得良好的铁素体的基体组织。
进一步，所述步骤三中，直浇道具体包括：
直浇道直径φ80，截面积5024，直浇道采用耐火陶瓷管形成，放置在型板纵向中心线与横浇道中心交接部位；
直浇道圆台，直浇道与横浇道转接部分采用φ80/φ100，高度与横浇道相同，圆台上部做出直径φ75，高度20的直浇道定位搭子，防止冲砂时直浇道位置偏移；
直浇道窝，浇道窝座直径与直浇道圆台下部直径φ100相同，连接部分做出 R10过渡圆角。
进一步，所述步骤三中，横浇道具体包括：
横浇道形状：断面呈高梯形，65/70×70，横浇道中心圆直径φ1300，沿飞轮外圆分布，横浇道总截面积9450；
聚渣包，在横浇道末端各设置一个高度120，直径φ80/φ90的聚渣包；两个聚渣包分别设置在型板纵向中心线偏离5°30｀与横浇道交接部位。
进一步，所述步骤三中，内浇道具体包括：
内浇道，断面呈梯形：43/45×12，设置在型板纵向中心线偏离15°，12 个内浇道沿飞轮外圆均布；
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：内浇道从最大平面处引入铸型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围。
进一步，所述步骤四中，冷铁的布置过程，如下：
飞轮不同部位冷铁的厚度尺寸T的计算过程如下：
T＝t·T热节；
上式中，t为厚度系数，取值范围为0.3≤t≤1.0，T热节为飞轮热节部位的厚度；
根据飞轮不同部位的具体形状，进行冷铁的布置：
随形冷铁1：T1＝t1·T热节1，t1＝0.6，T热节1＝116，则T1＝70，面积80×90，厚度70，数量8块，均匀放置于飞轮内圆侧面部位；
随形冷铁2：T2＝t2·T热节2，t2＝0.75，T热节2＝105，则T2＝78.7，圆整80，面积100 ×110，厚度80，数量11块，均匀放置于飞轮内腔侧面部位；
平面冷铁3：T3＝t3·T热节3，t3＝0.7，T热节3＝98，则T3＝68.6，圆整70，面积110 ×80，厚度70，数量18块，均匀放置于飞轮底面部位；
随形冷铁4：T4＝t4·T热节4，t4＝0.65，T热节4＝105，则T4＝68.2，圆整70，面积100 ×100，厚度70，数量20块，均匀放置于飞轮外侧面部位。
进一步，所述步骤五中，冒口布置中冒口计算过程，如下：
飞轮需补缩部位厚度最大116，最小102，宽度最大345，最小340，其模数根据卡塞理论进行计算：公式如下：
根据飞轮的厚度a1和宽度b1以及卡塞理论，得出飞轮的模数Ms1为：
Figure RE-GDA0002722889840000041
MT1＝0.8Ms1
保温顶冒口的内径D1为：D1＝4f11MT1；
由此可得：
Figure RE-GDA0002722889840000042
上述中，MT1为保温顶冒口模数，f11为增加系数且f11的取值范围为：1.0≤f11≤1.9；
将a1＝116，b1＝345，f11＝1.6带入进行计算，得出D1＝φ223.2，取整D1＝φ220；所述保温顶冒口方形颈长度C1的计算过程如下：
C1＝4f12M1；
M1＝0.6MT1；
由此可得：
Figure RE-GDA0002722889840000043
上式中，M1为圆柱形保温顶冒口方形颈模数，f12为圆柱形保温顶冒口方形颈的缩小系数且f12的取值范围为：0.5≤f12≤0.9；
将a1＝116，b1＝345，f12＝0.9带入进行计算，得出C1＝75，换算为同面积的圆柱形冒口径d1＝φ88.8，圆整d1＝φ90；
保温冒口的具体尺寸：内径φ220，冒口径φ90，高度300，珍珠岩粉材料。
进一步，所述步骤五中，冒口布置方式，如下：
将内径φ220、冒口径φ90的6个保温冒口，在偏离型板纵向中心线30°与飞轮浇注位置顶面部位中心交接处均匀安放，并分别用6个φ85，高度30的冒口定位搭子进行定位。
进一步，所述步骤七中，熔化工艺设计中按照低碳低硅、控制Mn、S,限制P 的原则确定炉前的化学成分(％)：
C：3.5～3.7，Si：1.5～1.7，Mn：0.15～0.25，S：≤0.015，P：＜0.04。
进一步，所述步骤七中，熔化工艺设计还包括球化处理，具体过程为：
选用Mg10％、RE7％的低稀土+镁硅铁球化剂句容亚峰YFQ7A。最终基体中残余镁应保持在0.03～0.06，残余稀土控制在0.02～0.04。
在浇包的球化坑内加入1.3％的句容亚峰YFQ7A，上部覆盖0.4％的句容亚峰YFYY-2，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。
进一步，所述步骤七中，熔化工艺设计还包括
炉前冲入孕育：句容亚峰YFY-150，加入量0.5％；选用句容亚峰YFY-150硅钡孕育剂；
瞬时孕育：YFY-380，加入量0.1％；采用定量浇口杯进行浇注，并使用含铋强烈增加石墨球数的。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；
铁水出炉温度：1380～1400℃，铁水浇注温度：1320～1340℃；
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，使铸件缓冷而产生回火脆性。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)本发明采用顶注、低流速、大流量、低温快浇进行铁液充型，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、组织粗大、石墨漂浮等铸造缺陷。采用截面法来确定浇注系统各组元的充填状态，薄、短、小而分散的多个内浇道，大断面的横浇道，充分发挥横浇道在避渣、缓流方面的功能及作用，并设置直浇道窝、聚渣包等，提高浇注系统的挡渣和补缩能力。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，延长冒口的凝固时间，提高冒口的补缩效率。在中下部侧面采用尺寸较大的冷铁，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，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。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。因此，本发明能够有效解决中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮铸铁件机械性能要求，没有发现夹渣、缩松、缺陷组织粗大、石墨漂浮等铸造缺陷。同时与其它方法相比，通过采用顶注、低温快浇、冒口和冷铁相结合，控制化学成分，促进石墨化和抗衰退能力及增加石墨球数的孕育剂，实现了中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的铸造批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法流程图。
图2是本发明实施例提供的飞轮三维示意图。
图3是本发明实施例提供的温度场模拟结果示意图。
图4是本发明实施例提供的Niyama分析结果示意图。
图5是本发明实施例提供的柴油机飞轮加工完成状态实物图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，包括：
S101：浇注位置的选择，将铸件置于下型，大平面朝上，实样模造型，从最大平面处分型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围，在横浇道的末端设置集渣包。
S102：浇注系统设计，采用低流速、大流量、低温快浇进行铁液充型；同时采用薄、短、小而分散的多个内浇道，大断面的横浇道；在铸件膨胀凝固开始时，内浇口凝固封闭，以充分利用铁水本身的石墨化膨胀进行进行补缩，达到横浇道充满有余，用以浇注系统浮气、挡渣。
S103：浇注系统采用直浇道、横浇道、内浇道布局；
S104：冷铁的布置采取冒口与冷铁配合使用，在铸件内圆侧面及中下部侧面采用尺寸较大的冷铁，冷铁的重量、厚度以及与铸件的接触面积的增加。
S105：冒口布置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，在内圆侧面及中下部侧面采用尺寸较大的冷铁，使铸件的厚大区域石墨化膨胀提前，强化部位方向性凝固的条件；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。
S106：计算机模拟，利用Solidworks进行三维立体造型，并运用模拟软件缩松判据Niyama进行分析判断；
S107：熔化工艺设计，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、铁素体的晶粒度，获得良好的铁素体的基体组织。
在本发明实施例提供的S103中，直浇道具体包括：
直浇道直径φ80，截面积5024，直浇道采用耐火陶瓷管形成，放置在型板纵向中心线与横浇道中心交接部位。
直浇道圆台，直浇道与横浇道转接部分采用φ80/φ100，高度与横浇道相同，圆台上部做出直径φ75，高度20的直浇道定位搭子，防止冲砂时直浇道位置偏移。
直浇道窝，浇道窝座直径与直浇道圆台下部直径φ100相同，连接部分做出R10过渡圆角。
在本发明实施例提供的S103中，横浇道具体包括：
横浇道形状：断面呈高梯形，65/70×70，横浇道中心圆直径φ1300，沿飞轮外圆分布，横浇道总截面积9450。
聚渣包，在横浇道末端各设置一个高度120，直径φ80/φ90的聚渣包；两个聚渣包分别设置在型板纵向中心线偏离5°30｀与横浇道交接部位。
在本发明实施例提供的S103中，内浇道具体包括：
内浇道，断面呈梯形：43/45×12，设置在型板纵向中心线偏离15°，12 个内浇道沿飞轮外圆均布。
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：内浇道从最大平面处引入铸型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围。
在本发明实施例提供的S104中，冷铁的布置过程，如下：
飞轮不同部位冷铁的厚度尺寸T的计算过程如下：
T＝t·T热节；
上式中，t为厚度系数，取值范围为0.3≤t≤1.0，T热节为飞轮热节部位的厚度；
根据飞轮不同部位的具体形状，进行冷铁的布置：
随形冷铁1：T1＝t1·T热节1，t1＝0.6，T热节1＝116，则T1＝70，面积80×90，厚度70，数量8块，均匀放置于飞轮内圆侧面部位；
随形冷铁2：T2＝t2·T热节2，t2＝0.75，T热节2＝105，则T2＝78.7，圆整80，面积100 ×110，厚度80，数量11块，均匀放置于飞轮内腔侧面部位；
平面冷铁3：T3＝t3·T热节3，t3＝0.7，T热节3＝98，则T3＝68.6，圆整70，面积110 ×80，厚度70，数量18块，均匀放置于飞轮底面部位；
随形冷铁4：T4＝t4·T热节4，t4＝0.65，T热节4＝105，则T4＝68.2，圆整70，面积100 ×100，厚度70，数量20块，均匀放置于飞轮外侧面部位。
在本发明实施例提供的S105中，冒口布置过程，如下：
飞轮需补缩部位厚度最大116，最小102，宽度最大345，最小340，其模数根据卡塞理论进行计算：公式如下：
1、冒口的计算：
根据飞轮的厚度a1和宽度b1以及卡塞理论，得出飞轮的模数Ms1为：
Figure RE-GDA0002722889840000091
MT1＝0.8Ms1
保温顶冒口的内径D1为：D1＝4f11MT1；
由此可得：
Figure RE-GDA0002722889840000092
上述中，MT1为保温顶冒口模数，f11为增加系数且f11的取值范围为：1.0≤f11≤1.9；
将a1＝116，b1＝345，f11＝1.6带入进行计算，得出D1＝φ223.2，取整D1＝φ220；所述保温顶冒口方形颈长度C1的计算过程如下：
C1＝4f12M1；
M1＝0.6MT1；
由此可得：
Figure RE-GDA0002722889840000093
上式中，M1为圆柱形保温顶冒口方形颈模数，f12为圆柱形保温顶冒口方形颈的缩小系数且f12的取值范围为：0.5≤f12≤0.9；
将a1＝116，b1＝345，f12＝0.9带入进行计算，得出C1＝75，换算为同面积的圆柱形冒口径d1＝φ88.8，圆整d1＝φ90；
保温冒口的具体尺寸：内径φ220，冒口径φ90，高度300，珍珠岩粉材料。
2、冒口的布置
将内径φ220、冒口径φ90的6个保温冒口，在偏离型板纵向中心线30°与飞轮浇注位置顶面部位中心交接处均匀安放，并分别用6个φ85，高度30的冒口定位搭子进行定位，防止冲砂时保温冒口偏移原有位置。
本发明实施例提供的S107中，按照低碳低硅、控制Mn、S,限制P的原则确定炉前的化学成分(％)：
C：3.5～3.7，Si：1.5～1.7，Mn：0.15～0.25，S：≤0.015，P：＜0.04。
本发明实施例提供的S107中，球化处理具体过程为：
选用Mg10％、RE7％的低稀土+镁硅铁球化剂句容亚峰YFQ7A。最终基体中残余镁应保持在0.03～0.06，残余稀土控制在0.02～0.04。
在浇包的球化坑内加入1.3％的句容亚峰YFQ7A，上部覆盖0.4％的句容亚峰YFYY-2，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。
炉前冲入孕育：句容亚峰YFY-150，加入量0.5％；选用句容亚峰YFY-150硅钡孕育剂。
瞬时孕育：YFY-380，加入量0.1％；采用定量浇口杯进行浇注，并使用含铋强烈增加石墨球数的。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。
铁水出炉温度：1380～1400℃，铁水浇注温度：1320～1340℃。
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，使铸件缓冷而产生回火脆性。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
球墨铸铁趋向于同时凝固，厚大部位内部显微缩松无法通过外部冒口来补偿，因而在铸件内部容易形成缩松缺陷。要求工艺设计既要考虑厚大球墨铸铁件既需要趋向同时凝固的特点，又要充分利用石墨化膨胀自补缩；同时既要充分考虑该型飞轮的结构特点，又要充分考虑厚壁中心或热节处补缩通道的畅通。本发明实施例提供的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型过程，如下：
第一步：浇注位置的选择
顶注时，铸件温度梯度呈顶高底低，能有效发挥保温顶冒口对铸件的补缩作用，避免铸件下部较长时间处于高温产生的缩松风险，确保铸件加工部位的质量；而顶注带来的充型落差大产生的铁液飞溅、冲击、易氧化问题，需采用截面法来确定浇注系统各组元的充填状态。
综合以上分析，采用顶注方案，将铸件置于下型，大平面朝上，实样模造型，从最大平面处分型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围，在横浇道的末端设置集渣包，提高横浇道的挡渣能力。
第二步：浇注系统设计
采用低流速、大流量、低温快浇进行铁液充型，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、组织粗大、石墨漂浮等铸造缺陷。
采用薄、短、小而分散的多个内浇道，大断面的横浇道，提高浇注系统的挡渣和重要部位的补缩能力，使得整个铸件的热节的均匀分布，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，达到横浇道充满有余，起到浇注系统浮气、挡渣的作用。
按照大孔出流理论计算各组元的面积，采用直浇道、横浇道以及内浇道三组元浇注系统结构，其中，μ直＝0.50～0.65，μ横＝0.50～0.65，μ内＝0.45～ 0.60，μ直/μ横＝1～1.1，μ直/μ内＝1.1～1.3，顶注时取上限，则μ直＝0.65，μ横＝0.65，μ内＝0.6，μ直/μ横＝1，μ直/μ内＝1.08。
上箱高度(直浇道压头)H＝350mm。初选浇口比：F直：∑F横：∑F内＝1:1.8:1.2
1、计算浇注时间:根据G-t回归方程应用表，结合生产实际，应用公式，
Figure RE-GDA0002722889840000111
可将浇注时间分为快浇、中浇、慢浇，确定出所需的浇注时间。
Figure RE-GDA0002722889840000112
为快浇；
Figure RE-GDA0002722889840000121
为中浇；
Figure RE-GDA0002722889840000122
为慢浇；
G—型内铁液总重量，包含浇冒系统重量(Kg)；
t—浇注时间(s)；
Figure RE-GDA0002722889840000123
因此，确定浇注时间为40～51.6之间。
2、验算极限上升速度：
Figure RE-GDA0002722889840000124
当铸件壁厚δ＞40，水平位置浇注时，最小的液面上升速度与铸件壁厚关系，需符合液面上升速度8～10mm/s的要求。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)；
将数据代入计算得：
Figure RE-GDA0002722889840000125
其中，V1符合液面上升速度8～10mm/s的要求。因此，可确认该铸件需进行快浇。
即：浇注时间
Figure RE-GDA0002722889840000126
时，极限上升速度是合理的。
3、计算实际的平均压头：根据有效截面比计算平均压头，具体如下：
Figure RE-GDA0002722889840000127
K1-直浇道与横浇道有效截面比；
K2-直浇道与内浇道有效截面比；
HP-平均压头；
当μ直＝0.65，μ横＝0.65，μ内＝0.6，F直：F横：F内＝1:1.8:1.2，计算有效截面比K1及K2及平均压头HP；
Figure RE-GDA0002722889840000131
Figure RE-GDA0002722889840000132
Figure RE-GDA0002722889840000133
4、内浇道截面积的计算：
内浇道截面积的大小实质反映了浇注时间的长短。铸铁件内浇道截面积的计算公式：
Figure RE-GDA0002722889840000134
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＝μ内＝0.6；
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：
Figure RE-GDA0002722889840000135
则各内浇道的形状：
Figure RE-GDA0002722889840000136
(12个内浇口)，取内浇口的截面形状为：43/45×12mm的扁梯形，实际截面尺寸为：63.4(cm2)。
5、直、横浇道截面积的计算：F直：F横：F内＝1:1.8:1.2；
F横＝1.8/1.2×63.4＝95.1(cm2)，取圆环形横浇道的截面形状为65/70×70 的高梯形(两道)；实际截面尺寸为：94.5(cm2)；
F直＝1.0/1.2×63.4＝52.8(cm2)，实际采用φ80mm的直浇道。实际截面尺寸为：50.2(cm2)；
则实际浇口比，F1 直：F1 横：F1 内＝50.2：94.5：63.4＝1:1.88:1.26。
6、横浇道充满程度的判断：
将实际的浇口比及截面带入有效截面比公式中，则，
Figure RE-GDA0002722889840000141
Figure RE-GDA0002722889840000142
Figure RE-GDA0002722889840000143
Figure RE-GDA0002722889840000144
结论：说明横浇道充满有余，可以起到浮气，挡渣的作用。
第三步：浇注系统布局
1、直浇道：
1)直浇道直径φ80，截面积5024，直浇道采用耐火陶瓷管形成，放置在型板纵向中心线与横浇道中心交接部位。
2)直浇道圆台
直浇道与横浇道转接部分采用φ80/φ100，高度与横浇道相同，圆台上部做出直径φ75，高度20的直浇道定位搭子，防止冲砂时直浇道位置偏移。
3)直浇道窝
为防止铁液冲砂和卷气的产生，降低铁液的紊乱程度。浇道窝座直径与直浇道圆台下部直径φ100相同，连接部分做出R10过渡圆角。
2、横浇道：
充分发挥横浇道的撇渣作用，使浮渣在横浇道中上浮并滞留在其顶部而不进入型腔。
1)横浇道形状：
断面呈高梯形：65/70×70，横浇道中心圆直径φ1300，沿飞轮外圆分布，横浇道总截面积9450。
2)聚渣包
在横浇道末端各设置一个高度120，直径φ80/φ90的聚渣包，减少铁液的叠加造成铁液的紊流，使聚集在加长段中的夹杂物不再随液流返回到横浇道的工作段中去，提高横浇道的聚渣能力。
两个聚渣包分别设置在型板纵向中心线偏离5°30｀与横浇道交接部位。
3、内浇道
1)内浇道
断面呈梯形：43/45×12，设置在型板纵向中心线偏离15°，12个内浇道沿飞轮外圆均布。
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：内浇道从最大平面处引入铸型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围，有利于铸件方向性(顺序)凝固，达到补缩铸件、消除缩松的目的。
第四步：冷铁的布置方案
该飞轮属轮盘状结构，整体壁厚大，仅靠冒口无法达到完全充分补缩的目的，采取冒口与冷铁配合使用，在铸件内圆侧面及中下部侧面采用尺寸较大的冷铁，冷铁的重量、厚度以及与铸件的接触面积的增加，能有效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，强化部位方向性(顺序)凝固的条件，使铸件的厚大区域石墨化膨胀提前，能有效提高石墨化膨胀的利用程度和冒口的补缩效果。
飞轮不同部位冷铁的厚度尺寸T的计算过程如下：T＝t·T热节；
上式中，t为厚度系数，取值范围为0.3≤t≤1.0，T热节为飞轮热节部位的厚度。
根据飞轮不同部位的具体形状，进行冷铁的布置：
1、随形冷铁1：T1＝t1·T热节1，t1＝0.6，T热节1＝116，则T1＝70，面积80×90，厚度70，数量8块，均匀放置于飞轮内圆侧面部位；
2、随形冷铁2：T2＝t2·T热节2，t2＝0.75，T热节2＝105，则T2＝78.7，圆整80，面积100×110，厚度80，数量11块，均匀放置于飞轮内腔侧面部位；
3、平面冷铁3：T3＝t3·T热节3，t3＝0.7，T热节3＝98，则T3＝68.6，圆整70，面积 110×80，厚度70，数量18块，均匀放置于飞轮底面部位；
4、随形冷铁4：T4＝t4·T热节4，t4＝0.65，T热节4＝105，则T4＝68.2，圆整70，面积100×100，厚度70，数量20块，均匀放置于飞轮外侧面部位。
第五步：冒口的布置方案
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，具有较强补缩功用的保温冒口，在内圆侧面及中下部侧面采用尺寸较大的冷铁，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，有效提高保温暗冒口的有效补缩，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。
飞轮需补缩部位厚度最大116(最小102)，宽度最大345(最小340)，其模数根据卡塞理论进行计算：公式如下：
1、冒口的计算：
根据飞轮的厚度a1和宽度b1以及卡塞理论，得出飞轮的模数Ms1为：
Figure RE-GDA0002722889840000161
MT1＝0.8Ms1；
保温顶冒口的内径D1为：D1＝4f11MT1；
由此可得：
Figure RE-GDA0002722889840000162
上述中，MT1为保温顶冒口模数，f11为增加系数且f11的取值范围为：1.0≤f11≤1.9。
将a1＝116，b1＝345，f11＝1.6带入进行计算，得出D1＝φ223.2，取整D1＝φ220。
所述保温顶冒口方形颈长度C1的计算过程如下：
C1＝4f12M1；
M1＝0.6MT1；
由此可得：
Figure RE-GDA0002722889840000171
上式中，M1为圆柱形保温顶冒口方形颈模数，f12为圆柱形保温顶冒口方形颈的缩小系数且f12的取值范围为：0.5≤f12≤0.9。
将a1＝116，b1＝345，f12＝0.9带入进行计算，得出C1＝75，换算为同面积的圆柱形冒口径d1＝φ88.8，圆整d1＝φ90。
保温冒口的具体尺寸：内径φ220，冒口径φ90，高度300，珍珠岩粉材料。
2、冒口的布置
将内径φ220、冒口径φ90的6个保温冒口，在偏离型板纵向中心线30°与飞轮浇注位置顶面部位中心交接处均匀安放，并分别用6个φ85，高度30的冒口定位搭子进行定位，防止冲砂时保温冒口偏移原有位置。
第六步：计算机模拟
为了进一步验证工艺，利用Solidworks进行三维立体造型，其模型装配如图2所示。
经过计算机对凝固过程进行模拟，最后凝固区域集中在保温冒口中，情况较为理想。
模拟结果显示：首先冒口颈的选择能够保证冒口对铸件液态的补缩，并且在冒口颈凝固时，液态孤立区比较分散，各个液态孤立区依靠其自身的石墨化膨胀消除缺陷的产生。其次铸件在冷铁的控制下基本能够保证同时凝固，个别特别厚大部位保证有充足的补缩通道，能够实现冒口的有效补缩及内部组织的致密，温度场模拟结果如图3所示。
运用模拟软件缩松判据Niyama进行分析判断：缺陷绝大多数分布在保温冒口和横浇道内，确定在铸件最后凝固孤立区很小且分散，能依靠其自身的石墨化膨胀消除缺陷的产生，内部补缩通道通畅，凝固效果好，其缺陷区域分布如图4所示。
第七步：熔化工艺方案
熔炼工艺方面，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、铁素体的晶粒度等，力求获得良好的铁素体的基体组织。
1、按照低碳低硅、控制Mn、S,限制P的原则确定炉前的化学成分(％)：
C：3.5～3.7，Si：1.5～1.7，Mn：0.15～0.25，S：≤0.015，P：＜0.04 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3.5～3.7％，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1.5～1.7％。
Mn是促进碳化物生成形成元素且易产生偏析，控制在0.1～0.4％，铁素体球墨铸铁取中下限。
S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、球化处理
选用Mg10％、RE7％的低稀土+镁硅铁球化剂句容亚峰YFQ7A。最终基体中残余镁应保持在0.03～0.06，残余稀土控制在0.02～0.04，表明球化效果较好。
在浇包的球化坑内加入1.3％的句容亚峰YFQ7A，上部覆盖0.4％的句容亚峰YFYY-2，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。
3、炉前冲入孕育：句容亚峰YFY-150，加入量0.5％。
选用句容亚峰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。
4、瞬时孕育：YFY-380，加入量0.1％。
采用定量浇口杯进行浇注，并使用含铋强烈增加石墨球数的，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、铁水出炉温度：1380～1400℃，铁水浇注温度：1320～1340℃。
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。
图5是本发明实施例提供的柴油机飞轮加工完成状态实物图。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，包括：
步骤一，浇注位置的选择，将铸件置于下型，大平面朝上，实样模造型，从最大平面处分型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围，在横浇道的末端设置集渣包；
步骤二，浇注系统设计，采用低流速、大流量、低温快浇进行铁液充型；同时采用薄、短、小而分散的多个内浇道，大断面的横浇道；在铸件膨胀凝固开始时，内浇口凝固封闭，利用铁水本身的石墨化膨胀进行进行补缩，使横浇道充满，用以浇注系统浮气、挡渣；
步骤三，浇注系统采用直浇道、横浇道、内浇道布局；
步骤四，冷铁的布置采取冒口与冷铁配合，在铸件内圆侧面及中下部侧面采用尺寸大的冷铁，增加冷铁的重量、厚度以及与铸件的接触面积；
步骤五，冒口布置在浇注位置顶部，采用蓄热系数小且有保温功能的珍珠岩粉材料制成，在内圆侧面及中下部侧面采用尺寸大的冷铁，使铸件的厚大区域石墨化膨胀提前，强化部位方向性凝固的条件；当石墨化膨胀时冒口及时凝固关闭，实现厚大热节部位的内部致密；
步骤六，计算机模拟，利用Solidworks进行三维立体造型，并运用模拟软件缩松判据Niyama进行分析判断；
步骤七，熔化，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、铁素体的晶粒度，获得铁素体的基体组织。
2.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤三中，直浇道具体包括：
直浇道直径φ80，截面积5024，直浇道采用耐火陶瓷管形成，放置在型板纵向中心线与横浇道中心交接部位；
直浇道圆台，直浇道与横浇道转接部分采用φ80/φ100，高度与横浇道相同，圆台上部做出直径φ75，高度20的直浇道定位搭子，防止冲砂时直浇道位置偏移；
直浇道窝，浇道窝座直径与直浇道圆台下部直径φ100相同，连接部分做出R10过渡圆角。
3.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤三中，横浇道具体包括：
横浇道形状：断面呈高梯形，65/70×70，横浇道中心圆直径φ1300，沿飞轮外圆分布，横浇道总截面积9450；
聚渣包，在横浇道末端各设置一个高度120，直径φ80/φ90的聚渣包；两个聚渣包分别设置在型板纵向中心线偏离5°30｀与横浇道交接部位。
4.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤三中，内浇道具体包括：
内浇道，断面呈梯形：43/45×12，设置在型板纵向中心线偏离15°，12个内浇道沿飞轮外圆均布；
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：内浇道从最大平面处引入铸型，内浇道采用短、薄、宽的形式均布在铸件周围。
5.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤四中，冷铁的布置方法包括：
飞轮不同部位冷铁的厚度尺寸T的计算过程包括：
T＝t·T热节；
上式中，t为厚度系数，取值范围为0.3≤t≤1.0，T热节为飞轮热节部位的厚度；
根据飞轮不同部位的具体形状，进行冷铁的布置：
随形冷铁1：T1＝t1·T热节1，t1＝0.6，T热节1＝116，则T1＝70，面积80×90，厚度70，数量8块，均匀放置于飞轮内圆侧面部位；
随形冷铁2：T2＝t2·T热节2，t2＝0.75，T热节2＝105，则T2＝78.7，圆整80，面积100×110，厚度80，数量11块，均匀放置于飞轮内腔侧面部位；
平面冷铁3：T3＝t3·T热节3，t3＝0.7，T热节3＝98，则T3＝68.6，圆整70，面积110×80，厚度70，数量18块，均匀放置于飞轮底面部位；
随形冷铁4：T4＝t4·T热节4，t4＝0.65，T热节4＝105，则T4＝68.2，圆整70，面积100×100，厚度70，数量20块，均匀放置于飞轮外侧面部位。
6.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤五中，冒口布置中冒口计算方法包括：
飞轮需补缩部位厚度最大116，最小102，宽度最大345，最小340，模数根据卡塞理论进行计算：公式如下：
根据飞轮的厚度a1和宽度b1以及卡塞理论，得出飞轮的模数Ms1为：
Figure RE-FDA0002722889830000031
MT1＝0.8Ms1
保温顶冒口的内径D1为：D1＝4f11MT1；
由此可得：
Figure RE-FDA0002722889830000032
上述中，MT1为保温顶冒口模数，f11为增加系数且f11的取值范围为：1.0≤f11≤1.9；
将a1＝116，b1＝345，f11＝1.6带入进行计算，得出D1＝φ223.2，取整D1＝φ220；
所述保温顶冒口方形颈长度C1的计算过程如下：
C1＝4f12M1；
M1＝0.6MT1；
得：
Figure RE-FDA0002722889830000041
上式中，M1为圆柱形保温顶冒口方形颈模数，f12为圆柱形保温顶冒口方形颈的缩小系数且f12的取值范围为：0.5≤f12≤0.9；
将a1＝116，b1＝345，f12＝0.9带入进行计算，得出C1＝75，换算为同面积的圆柱形冒口径d1＝φ88.8，圆整d1＝φ90；
保温冒口的具体尺寸：内径φ220，冒口径φ90，高度300，珍珠岩粉材料。
7.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤五中，冒口布置方式包括：
将内径φ220、冒口径φ90的6个保温冒口，在偏离型板纵向中心线30°与飞轮浇注位置顶面部位中心交接处均匀安放，并分别用6个φ85，高度30的冒口定位搭子进行定位。
8.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤七中，熔化中按照低碳低硅、控制Mn、S,限制P的原则确定炉前的化学成分(％)：
C：3.5～3.7，Si：1.5～1.7，Mn：0.15～0.25，S：≤0.015，P：＜0.04。
9.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤七中，熔化中还包括球化处理，具体过程为：
选用Mg10％、RE7％的低稀土+镁硅铁球化剂句容亚峰YFQ7A；最终基体中残余镁应保持在0.03～0.06，残余稀土控制在0.02～0.04。
在浇包的球化坑内加入1.3％的句容亚峰YFQ7A，上部覆盖0.4％的句容亚峰YFYY-2，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孕育剂。
10.如权利要求1所述的中高速大功率柴油机球墨铸铁飞轮的成型方法，其特征在于，所述步骤七中，熔化中还包括：
炉前冲入孕育：硅钡孕育剂加入量0.5％；
瞬时孕育：YFY-380，加入量0.1％；采用定量浇口杯进行浇注，并使用含铋强烈增加石墨球数；浇注前将全部硅钡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；
铁水出炉温度：1380～1400℃，铁水浇注温度：1320～1340℃；
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，使铸件缓冷而产生回火脆性。
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