CN113333691B - 一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模，包括中空的铸模单元，所述铸模单元上端开口且外套接有冒口单元，所述冒口单元由内至外依次设有浇冒口层及保温层，所述铸模单元由上至下依次设有第一区段、第二区段及第三区段，所述第一区段、第二区段及第三区段的内壁沿垂直方向齐平，所述第二区段的外壁相对于第一区段、第三区段沿水平方向内缩进。本发明进一步提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模的应用。本发明提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，能够显著减少铸件中心的缩孔缩松，提高铸锭质量和产品出品率，易于规模化生产，对生产效率无不利影响。

Description

一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用
技术领域
本发明属于高温合金材料制备的技术领域，涉及一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，具体涉及一种用于显著减少大高径比高温合金铸锭中二次缩孔的铸模及使用方法。
背景技术
在实际生产过程中，高温合金母合金铸锭的真空感应冶炼工艺普遍采用模铸法，铸模材质通常为铸铁或者铸钢。铸铁及铸钢铸模的导热率较大，且镍基高温合金熔体粘度较大，流动性较差，对于高径比大的细长铸锭而言，由于侧向凝固距离远小于纵向凝固距离，在金属液浇注成型的中后期，铸锭侧向生长的柱状晶已经接触闭合，引起纵向合金液的补缩通道堵塞，导致铸锭沿铸锭中心形成二次缩孔。二次缩孔隐藏于合金铸锭内部，往往呈连续或不连续分布，无法完全切除。在精密铸造制备部件时，往往需要将母合金切成短棒，用于配重及方便重熔。母合金切割的过程将不可避免的将二次缩孔暴露出来，极易在缩孔中掺入水汽和杂质，导致铸件冶金质量不合格。
研究人员尝试了多种方法试图去解决铸锭内部缩孔控制难题，如专利ZL201410219667.0中通过在铸模内表面均匀涂覆一层Al2O3、CaO、MgO、ZrO的悬浮液，经200～300℃，时间3～4h的加热烘烤后使用。专利ZL201410219670.2中通过在模具管内表面均匀涂刷Al2O3、CaO、MgO的第一种悬浮液(配方A)，并在模具管上部的1/3～1/4型腔高度内表面均匀涂刷Al2O3、CaO、TiO2和漂珠的第二种悬浮液(配方B)，在提升铸锭表面光洁度同时起到了良好的补缩作用，有效减少了缩孔深度。上述两种工艺简单可行，但是最大的问题是其涂抹的悬浮液会污染高温合金熔体。
专利ZL201811281133.5中通过在真空感应炉铸锭室内使用环形加热炉对铸模进行整体加热至600～650℃，起到减少钢锭模与金属液温差的作用，从而减少缩孔。专利ZL201611268089.5通过设置加热和水冷装置，实现了在真空条件下将内部的二次缩孔集中引到边角附近，从而可以方便切除，一定程度上减少了内部二次缩孔。上述对铸模进行整体加热或同时分区域布置加热及冷却装置的方法缺点明显，一方面在真空冶炼炉中加热、冷却装置的布置操作困难，装置占据空间从而减少真空浇注室中可放置铸模数量，增加生产成本，且局部较热温度过高会引起铸锭组织变化，加重元素偏析，因此在实际工业生产中可行性差。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，通过铸模纵向厚度变化并与上端保温冒口相结合，调节合金液凝固时的热场分布，减小铸模内熔体在纵向方向上和横向方向上的凝固速度差，实现铸模内部金属熔体实现自下而上的顺序凝固。对大高径比的高温合金铸锭而言，可以保持畅通的补缩通道，显著减少大高径比高温合金铸锭中心二次缩孔，提高铸锭的工艺出品率和合格率；同时铸模外形结构简单、易操作、可以多支铸模组成模组使用，易于规模化生产，对生产效率无不利影响。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模，包括中空的铸模单元，所述铸模单元上端开口且外套接有冒口单元，所述冒口单元由内至外依次设有浇冒口层及保温层，所述铸模单元由上至下依次设有第一区段、第二区段及第三区段，所述第一区段、第二区段及第三区段的内壁沿垂直方向齐平，所述第二区段的外壁相对于第一区段、第三区段沿水平方向内缩进。
优选地，所述铸模单元下端设有底座。
优选地，所述铸模单元呈管状，所述铸模单元的高径比为6.4～24。
更优选地，所述铸模单元的内径为50～125mm。
更优选地，所述铸模单元的高度为800～1200mm。
优选地，所述冒口单元的高径比为0.6～0.8。
优选地，所述冒口单元的厚度为15～30mm。
优选地，所述浇冒口层与保温层的厚度之比为1:1～1:4。
进一步优选地，所述浇冒口层的厚度为5-10mm。
进一步优选地，所述保温层的厚度为5-20mm。
优选地，所述冒口单元套接在所述第一区段外，所述第一区段外套接有冒口单元的部分高度占所述第一区段高度的1/4～1/2。
优选地，所述第一区段的高度占铸模单元高度的20～40％，所述第二区段的高度占铸模单元高度的30～50％，所述第三区段的高度占铸模单元高度的20～40％。
优选地，所述第一区段与第二区段的壁厚差为5～20mm，所述第一区段与第三区段的壁厚差为0～15mm。
更优选地，所述第一区段的壁厚为20～30mm。
更优选地，所述第二区段的壁厚为10～20mm。
更优选地，所述第三区段的壁厚为30～40mm。
本发明第二方面提供上述铸锭在大高径比高温合金铸锭中的用途。
优选地，所述高温合金铸锭的耐热温度为650-1000℃。
优选地，所述高温合金铸锭的大高径比是指高径比为6.4-24。
本发明第二方面提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模的使用方法，包括：将所述铸模预热后，浇注入高温合金，以提供大高径比铸锭。
优选地，所述铸模的预热温度为150～300℃。
优选地，所述铸模的预热时间为30-60min。
优选地，所述浇注温度为1450～1550℃。更优选地，所述浇注温度为1490～1510℃。
优选地，所述高温合金包括且不限于K417、K4222、DZ411合金。
更优选地，所述高温合金选自K417、K4222、DZ411合金中的一种。
所述高温合金是指耐650-1000℃的合金材料。所述K417(使用温度为850～950℃)合金和K4222(使用温度为<1000℃)合金是指镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金合金。所述DZ411(使用温度<1000℃)合金是指镍基沉淀硬化型定向凝固柱晶高温合金。
所述高温合金铸锭的大高径比是指高径比为6.4-24。
如上所述，本发明提供的一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，基于铸模中高温合金熔体的凝固行为研究，通过铸模外壁自上而下设计具有的阶梯厚度设计和铸模外壁上端双层保温冒口相结合，使铸模内铸锭中心合金液形成自上而下的正温度梯度，且保持整个凝固过程中补缩通道畅通，实现自下而上的顺序凝固，能够显著减少铸锭中心的缩孔缩松，提高铸锭质量和产品出品率。
(2)本发明提供的一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，铸模外形结构简单、易操作、可以多支铸模组成模组使用，易于规模化生产，对生产效率无不利影响。
附图说明
图1显示为本发明的一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模的整体结构示意图。
附图标记
11 第一区段
12 第二区段
13 第三区段
21 浇冒口层
22 保温层
3 底座
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模，如图1所示，包括中空的铸模单元，所述铸模单元上端开口且外套接有冒口单元，所述冒口单元由内至外依次设有浇冒口层及保温层，所述铸模单元由上至下依次设有第一区段、第二区段及第三区段，所述第一区段、第二区段及第三区段的内壁沿垂直方向齐平，所述第二区段的外壁。相对于第一区段、第三区段沿水平方向内缩进。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述铸模单元下端设有底座。所述底座能够封闭铸模单元的下端。
在一个优选的实施例中，所述底座的材质为石墨，可使底部传热更快。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述铸模单元的材质选自铸铁、铸钢或不锈钢中的一种或多种组合。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述铸模单元呈管状，所述铸模单元的高径比为6.4～24，不同高径比可满足不同客户的定制需求。
所述高径比是指高度与内径之比，所述内径是指内腔直径。
在一个优选的实施例中，所述铸模单元的内径为50～125mm。
在一个优选的实施例中，所述铸模单元的高度为800～1200mm。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，所述浇冒口层中材料的材质为耐火莫来石，起到引流作用。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，所述保温层中材料的材质为耐火硅酸铝针刺毯，起延长冒口处合金液凝固时间的作用。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，所述冒口单元的高径比为0.6～0.8，起到引流作用。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述冒口单元的厚度为15～30mm。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述浇冒口层与保温层的厚度之比为1:1～1:4，优选为1:2～1:4。
具体来说，所述浇冒口层的厚度为5-10mm。
具体来说，所述保温层的厚度为5-20mm。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述冒口单元套接在所述第一区段外，所述第一区段外套接有冒口单元的部分高度占所述第一区段高度的1/4～1/2，可延缓铸模上端合金液的凝固时间。
在一个优选的实施例中，所述第一区段外套接有保温层的部分高度占所述第一区段高度的1/4～1/2。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述第一区段的高度占铸模单元高度的20～40％，所述第二区段的高度占铸模单元高度的30～50％，所述第三区段的高度占铸模单元高度的20～40％。
在上述用于大高径比高温合金铸锭的铸模中，如图1所示，所述第一区段与第二区段的壁厚差为5～20mm，所述第一区段与第三区段的壁厚差为0～15mm。
在一个优选的实施例中，所述第一区段的壁厚为20～30mm。
在一个优选的实施例中，所述第二区段的壁厚为10～20mm。
在一个优选的实施例中，所述第三区段的壁厚为30～40mm。
本发明进一步提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模的使用方法，包括：将所述铸模预热后，浇注入高温合金，以提供大高径比铸锭。
实施例1
提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模1#，如图1所示，其铸模单元的材质为45号碳素结构铸钢。铸模单元呈管状，铸模单元的高径比为6.4，铸模单元的内径为125mm，高度为800mm。第一区段的高度为160mm，占铸模单元高度的20％；第二区段的高度为320mm，占铸模单元高度的40％；第三区段的高度为320mm，占铸模单元高度的40％。第一区段的壁厚为20mm；第二区段的壁厚为10mm；第三区段的厚度为35mm；使得第一区段与第二区段的壁厚差为10mm，第一区段与第三区段的壁厚差为15mm。
冒口单元的高径比为0.8。浇冒口层中材料的材质为耐火莫来石，保温层中材料的材质为耐火硅酸铝针刺毯。冒口单元的厚度为30mm，其中，浇冒口层的厚度为10mm，保温层的厚度为20mm。第一区段外套接有冒口单元的保温层部分高度占所述第一区段高度的1/2。
将铸模1#在300℃进行预热，在1510℃浇注入K417高温合金，获得大高径比铸锭1*。
与现有使用的未加保温外套且铸模壁厚一致的铸模，在相同浇注条件下获得的大高径比铸锭进行比较。可以发现基于本发明所获得的铸锭1*内部缩孔由连续的且最大尺寸为12mm中心二次缩孔，减轻为点状的且最大尺寸为2mm的中心二次缩孔，并且缩孔的体积分数减少90％。
实施例2
提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模2#，如图1所示，其铸模单元的材质为不锈钢。铸模单元呈管状，铸模单元的高径比为16，铸模单元的内径为50mm，高度为800mm。第一区段的高度为320mm，占铸模单元高度的40％；第二区段的高度为240mm，占铸模单元高度的30％；第三区段的高度为240mm，占铸模单元高度的30％。第一区段的壁厚为30mm；第二区段的壁厚为20mm；第三区段的厚度为40mm；使得第一区段与第二区段的壁厚差为10mm，第一区段与第三区段的壁厚差为10mm。
冒口单元的高径比为0.6。浇冒口层中材料的材质为耐火莫来石，保温层中材料的材质为耐火硅酸铝针刺毯。冒口单元的厚度为15mm，其中，浇冒口层的厚度为5mm，保温层的厚度为10mm。第一区段外套接有冒口单元的保温层部分高度占所述第一区段高度的1/4。
将铸模2#在150℃进行预热，在1490℃浇注入K417高温合金，获得大高径比铸锭2*。
与现有使用的未加保温外套且铸模壁厚一致的铸模，在相同浇注条件下获得的大高径比铸锭进行比较。可以发现基于本发明所获得的铸锭2*内部缩孔由连续的且最大尺寸为14mm中心二次缩孔，减轻为点状的且最大尺寸为5mm的中心二次缩孔，并且缩孔的体积分数减少66％。
实施例3
提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模3#，如图1所示，其铸模单元的材质为45号碳素结构铸钢。铸模单元呈管状，铸模单元的高径比为24，铸模单元的内径为50mm，高度为1200mm。第一区段的高度为360mm，占铸模单元高度的30％；第二区段的高度为600mm，占铸模单元高度的50％；第三区段的高度为240mm，占铸模单元高度的20％。第一区段的壁厚为25mm；第二区段的壁厚为20mm；第三区段的厚度为40mm；使得第一区段与第二区段的壁厚差为5mm，第一区段与第三区段的壁厚差为15mm。
冒口单元的高径比为0.8。浇冒口层中材料的材质为耐火莫来石，保温层中材料的材质为耐火硅酸铝针刺毯。冒口单元的厚度为20mm，其中，浇冒口层的厚度为10mm，保温层的厚度为10mm。第一区段外套接有冒口单元的保温层部分高度占所述第一区段高度的1/2。
将铸模3#在300℃进行预热，在1510℃浇注入K4222高温合金，获得大高径比铸锭3*。
与现有使用的未加保温外套且铸模壁厚一致的铸模，在相同浇注条件下获得的大高径比铸锭进行比较。可以发现基于本发明所获得的铸锭3*内部缩孔由连续的且最大尺寸为16mm中心二次缩孔，减轻为点状的且最大尺寸为7mm的中心二次缩孔，并且缩孔的体积分数减少54％。
实施例4
提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模4#，如图1所示，其铸模单元的材质为45号碳素结构铸钢。铸模单元呈管状，铸模单元的高径比为9.6，铸模单元的内径为125mm，高度为1200mm。第一区段的高度为240mm，占铸模单元高度的20％；第二区段的高度为480mm，占铸模单元高度的40％；第三区段的高度为480mm，占铸模单元高度的40％。第一区段的壁厚为25mm；第二区段的壁厚为15mm；第三区段的厚度为30mm；使得第一区段与第二区段的壁厚差为10mm，第一区段与第三区段的壁厚差为5mm。
冒口单元的高径比为0.8。浇冒口层中材料的材质为耐火莫来石，保温层中材料的材质为耐火硅酸铝针刺毯。冒口单元的厚度为30mm，其中，浇冒口层的厚度为10mm，保温层的厚度为15mm。第一区段外套接有冒口单元的保温层部分高度占所述第一区段高度的1/3。
将铸模4#在300℃进行预热，在1490℃浇注入DZ411高温合金，获得大高径比铸锭4*。
与现有使用的未加保温外套且铸模壁厚一致的铸模，在相同浇注条件下获得的大高径比铸锭进行比较。可以发现基于本发明所获得的铸锭4*内部缩孔由连续的且最大尺寸为9mm中心二次缩孔，减轻为点状的且最大尺寸为2mm的中心二次缩孔，并且缩孔的体积分数减少78％。
综上所述，本发明提供一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，能够显著减少铸件中心的缩孔缩松，提高铸锭质量和产品出品率，易于规模化生产，对生产效率无不利影响。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种铸模，其特征在于，包括中空的铸模单元，所述铸模单元上端开口且外套接有冒口单元，所述冒口单元由内至外依次设有浇冒口层及保温层，所述铸模单元由上至下依次设有第一区段、第二区段及第三区段，所述第一区段、第二区段及第三区段的内壁沿垂直方向齐平，所述第二区段的外壁相对于第一区段、第三区段沿水平方向内缩进，所述铸模单元的高径比为6.4~24，所述第一区段的高度占铸模单元高度的20~40%，所述第二区段的高度占铸模单元高度的30~50%，所述第三区段的高度占铸模单元高度的20~40%。
2.根据权利要求1所述的一种铸模，其特征在于，所述铸模单元下端设有底座。
3.根据权利要求1所述的一种铸模，其特征在于，所述浇冒口层与保温层的厚度之比为1:1~1:4。
4.根据权利要求1所述的一种铸模，其特征在于，所述冒口单元套接在所述第一区段外，所述第一区段外套接有冒口单元的部分高度占所述第一区段高度的1/4~1/2。
5.根据权利要求1所述的一种铸模，其特征在于，所述第一区段与第二区段的壁厚差为5~20mm，所述第一区段与第三区段的壁厚差为0~15mm。
6.根据权利要求1-5任一所述的铸模在大高径比高温合金铸锭中的用途。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，所述高温合金铸锭的耐热温度为650-1000℃；所述高温合金铸锭的大高径比是指高径比为6.4-24。
8.一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模的使用方法，包括：将根据权利要求1-5任一所述的铸模预热后，浇注入高温合金，以提供大高径比铸锭。
9.根据权利要求8所述的一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模的使用方法，其特征在于，包括以下条件中任一项或多项：
1） 所述铸模的预热温度为150~300℃；
2） 所述铸模的预热时间为30-60min；
3） 所述浇注温度为1450~1550℃。
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