CN116197363A - 一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，属于飞轮铸造技术领域。目的是均匀球铁飞轮铸件组织，获得高动平衡保持性的高精度的球铁飞轮铸件。技术方案是，提供一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，通过以下步骤制成：a)冷铁的选用；b)铸件的砂型制作；c)浇注铸件。

Description

一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺

技术领域

本发明属于飞轮铸造技术领域，涉及一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺。

背景技术

大型内燃机是现代动力系统的重要装置设备，飞轮(flying wheel)是动力输出装置里面的一个关键零件，飞轮是一种转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量存储器。飞轮具有较大转动惯量，装在发动机曲轴后端，具有转动惯性，它的作用是将发动机能量储存起来，克服其他部件的阻力，使曲轴均匀旋转。因曲轴对外输出的转矩呈周期性变化，曲轴转速也不稳定。为了改善这种状况，在曲轴后端需装置飞轮。在做功行程中发动机传输给曲轴的能量，除对外输出外，还有部分能量被飞轮吸收，从而使曲轴的转速不会升高很多。在排气、进气和压缩三个行程中，飞轮将其储存的能量放出来补偿这三个行程所消耗的功，从而使曲轴转速不致降低太多。

随着当今先进制造业技术的快速发展，对大型高精密动力装备技术要求越来越高，飞轮作为大型高精密动力装备中的重要运动零件，行业内对其制造技术，尤其是其高动平衡保持性要求也越来越高。

球铁飞轮铸造件具有比灰铁更高的力学强度，但是其铸造工艺也更加复杂，为满足更高品质的使用需求，需要确保球铁飞轮铸件组织致密无缺陷，内应力较小，精度保持性高，动平衡保持性好。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，解决现有球铁飞轮铸件成分及组织易于不均匀，动平衡保持性差的问题。

发明人通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，通过以下步骤制成：

a)冷铁的选用：模拟飞轮厚大位置制作比较试样，进行动平衡保持工艺试样，在多个相同规格的试样上分别安放不同规格的冷铁进行浇注，采用正交方法实验，浇注后进行组分检测性能测试，对每个试样的内部组织是否致密进行检测；

b)铸件的砂型制作：用树脂砂制作砂型，砂型中含拉筋，砂型经压实、紧致，在铸型表面涂刷涂料，合箱锁箱，飞轮厚大位置冷铁尺寸选用步骤a)中内部组织致密度高的试样中相同规格的冷铁，在砂型上设置冒口、浇道和变截面冷却筋；

c)浇注铸件：将原料放入中频电炉中熔炼成铁水，通过炉前快速分析仪检测分析并调整铁水成分，再依次对铁水进行精炼、球化处理和孕育处理，得到用于浇注的铁水，进行浇注铸件。

作为优选，所述步骤a)中试样尺寸为260×300×300mm，每个试样上安放的冷铁的规格尺寸分别为：①130×130×110mm、②130×130×150mm、③130×130×180mm。

作为优选，所述步骤b)中飞轮厚大位置选用的冷铁的规格尺寸为②130×130×150mm或③130×130×180mm中的一种。

作为优选，所述步骤a)中对内部组织是否致密用UT探伤进行检测。

作为优选，所述步骤b)中砂型是直径为2030mm、高度为610mm、最厚位置尺寸为230×620×610mm，平均壁厚110mm的厚大球铁件砂型。

作为优选，所述步骤b)中砂型中含6条100×200mm的拉筋。

作为优选，所述步骤b)中在铸型表面涂刷的涂料为锆英粉涂料。

作为优选，所述步骤b)中冒口设置错开铸件厚大位置，所述浇注方式为底注式浇注，浇道用瓷管引入，冒口为缩颈冒口，只进行液态补缩。

作为优选，所述步骤c)中通过全废钢增碳方法调整铁水成分。

作为优选，所述步骤c)中熔炼温度为1480～1500℃过热。

作为优选，所述步骤c)中在对铁水进行精炼前先用硅铁和锰铁对铁水做第一次脱氧处理，再用硅-钙扩散剂对铁水做第二次脱氧处理。

作为优选，所述步骤c)中先倒入2/3精炼后得到的铁水进行球化处理，球化处理完成后，再将剩余的1/3精炼后得到的铁水进行随流孕育处理。

作为优选，采用堤坝法对铁水进行球化处理。

作为优选，进行球化处理时采用重稀土长效球化剂。

作为优选，进行随流孕育处理时采用组合添加原料0.3％的Si-Ca及0.3％的Si-Ba两种孕育剂一起使用。

作为优选，进行随流孕育处理时，先将孕育剂预热到200℃再加入。

作为优选，所述步骤c)中铁水出炉时的温度不低于1430℃，铁水进行浇注时温度为1360℃～1380℃。

作为优选，所述步骤c)中浇注时间在65s内。

作为优选，浇注完成后采用保温发热材料将冒口覆盖住。

作为优选，所述步骤c)中用于浇注的铁水成分标准为QT600-3。

作为优选，所述步骤c)中用于浇注的铁水的成分及质量百分比包括C:3.4％～3.6％、Si：2.1％～2.4％、Mn：0.65％～0.85％、P＜0.05％、S＜0.015％、XT：0.025％～0.04％、Mg：0.035％～0.055％，余量为Fe。

作为优选，所述步骤c)中对铁水进行球化处理到完成浇注铸件的时长≤10min。

作为优选，浇注铸件完成后进行冷却，冷却至550℃时设置保温平台，保温1小时以上，再进行空冷。

作为优选，铸件空冷至150～200℃时进行打箱。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点：

a)本发明在高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺中，采用正交工艺试样实验选择合适规格尺寸的冷铁，能够快速优化筛选出合适的冷铁规格尺寸，再进行高品质高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造生产。

b)本发明在大型球铁飞轮的铸造工艺中，通过对球铁组成组分进行设计以及对铸件化学成分进行控制的方式，优化整体铸造工艺，获得力学强度更好的大型球铁飞轮铸件，从本质上改善了球铁飞轮铸件强度不足的问题，更好地确保高动平衡保持性精度。

c)本发明通过优化铸件的砂型制作工艺，实现铸件各部分均衡凝固，消除铸造缺陷；

提高砂型精度。

d)本发明工艺简单，成本较低，操作简便，无污染，适应面广，明显提高精密球铁飞轮的铸件质量，提高铸件成形尺寸精度，有效提升精密球铁飞轮铸件的高动平衡保持性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例1铸件产品1的显微组织SEM图。

图2是本发明实施例1铸件产品2的显微组织SEM图。

图3是本发明实施例2铸件产品3的显微组织SEM图。

图4是本发明实施例2铸件产品4的显微组织SEM图。

具体实施方式

下面结合附图与一个具体实施例进行说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1：

参见图1和图2，本实施例所述的是一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，包括以下具体步骤：

a)冷铁的选用：模拟飞轮厚大位置制作比较试样，进行动平衡保持工艺试样，在试样上安放3种不同规格的冷铁进行浇注，所述3种不同规格尺寸的冷铁分别为：①130×130×110mm、②130×130×150mm、③130×130×180mm，其中，①是长为130mm、宽为130mm、高为110mm的冷铁，②是长为130mm、宽为130mm、高为150mm的冷铁，③是长为130mm、宽为130mm、高为180mm的冷铁，采用正交方法实验，浇注后进行组分检测性能测试，通过UT探伤针对每个试样的内部组织是否致密进行检测；

用于选用冷铁规格的试样试验检测结果：

试样

化学成份

性能

球化等级

UT探伤

MT探伤

选用(√)

1-1

合格

不合格

四级

不合格

不合格

×

1-2

合格

不合格

三级

不合格

合格

×

1-3

合格

不合格

三级

不合格

不合格

×

2-4

合格

合格

二级

合格

合格

√

2-5

合格

合格

二级

合格

合格

√

2-6

合格

合格

二级

合格

合格

√

3-7

合格

合格

二级

合格

合格

√

3-8

合格

合格

二级

合格

合格

√

3-9

合格

合格

二级

合格

合格

√

上表中，1-1、1-2和1-3试样选用的是规格为①130×130×110mm的冷铁，2-4、2-5和2-6试样选用的是规格为②130×130×150mm的冷铁，3-7、3-8和3-9试样选用的是规格为③130×130×180mm的冷铁。

b)铸件的砂型制作：用树脂砂制作砂型，所述砂型是直径为2030mm、高度为610mm，最厚位置尺寸为230×620×610mm，即长为230mm、宽为620mm、高为610mm，平均壁厚110mm的厚大球铁件砂型，砂型中含6条100×200mm的拉筋，能够改变铸件应力的分布与大小，砂型经压实、紧致，在铸型表面涂刷锆英粉涂料，合箱锁箱，其中，所述飞轮厚大位置冷铁尺寸选用规格尺寸为130×130×150mm的冷铁，在砂型上设置冒口、浇道和变截面冷却筋，冒口设置错开厚大位置，浇道用瓷管引入，错开热节位置，冒口为缩颈冒口，避免在进行浇注时热量集中到一个部位上导致冷却时间长，形成的铸件内部组织不致密。

c)浇注铸件：将原料放入中频电炉中熔炼成铁水，熔炼温度为1480～1500℃过热，通过炉前快速分析仪检测分析并通过全废钢增碳方法调整铁水成分，铁水出炉后再依次对铁水进行精炼、球化处理和孕育处理，得到用于浇注的铁水，进行浇注铸件，具体的，铁水出炉时的温度不低于1430℃，先采用硅铁和锰铁对铁水做第一次脱氧处理，再采用硅-钙扩散剂对铁水做第二次脱氧处理后再进行精炼，精炼完成后先倒入2/3精炼后得到的铁水并采用堤坝法对铁水进行球化处理，球化处理时采用重稀土长效球化剂，对铁水进行球化处理到完成浇注铸件的时长≤10min，球化处理完成后，再将剩余的1/3精炼后得到的铁水进行随流孕育处理，进行随流孕育处理时采用组合添加原料0.3％的Si-Ca及0.3％的Si-Ba两种孕育剂，进行随流孕育处理时，先将孕育剂预热到200℃再加入，将完成球化处理后的铁水和完成孕育处理后的铁水混合后得到用于浇注的铁水，用于浇注的铁水成分标准为QT600-3，其成分及质量百分比包括C:3.4％～3.6％、Si：2.1％～2.4％、Mn：0.65％～0.85％、P＜0.05％、S＜0.015％、XT：0.025％～0.04％、Mg：0.035％～0.055％，余量为Fe，铁水进行浇注时温度为1360℃～1380℃，浇注时间在65s内，在浇注时采用底注式浇注，只进行液态补缩，在铁水凝固过程中，靠体积膨胀进行自补缩，使铸件厚大位置不出现疏松或缩孔，实现铸件各部分均衡凝固，消除铸造缺陷，提高砂型精度，减少飞边毛刺，浇注完成后采用保温发热材料将冒口覆盖住，保温发热材料是规格为ZYE-2的发热保温覆盖剂。

具体的，浇注铸件完成后进行冷却，冷却至550℃时设置保温平台，保温1小时以上，再进行空冷，待铸件冷却至150～200℃打箱，取出铸件，切除冒口和浇道，打磨清理飞边。

经本实施例方法制备的高动平衡保持性精密球铁飞轮，成功制得材质QT600-3，铸件轮廓尺寸为Φ2030×610，最厚位置尺寸：230×620×610，平均壁厚110mm的厚大球铁飞轮铸件，毛坯重量大于5吨，铸件UT、MT探伤二级合格，精加工完后动平衡试验合格。

本实施例得到的球铁飞轮铸件产品1和产品2的材料显微组织中球化等级2级，石墨球圆整且分布均匀，石墨等级为4～5级，珠光体含量大于98％，余量为铁素体。

实施例2：

参见图3和图4。本实施例所述的是一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其具体步骤与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：所述步骤b)中飞轮厚大位置选用的冷铁的规格尺寸不同，具体选择冷铁尺寸为：③130×130×180mm。由于本工艺方法试验优选出得方案，本实施例中采用厚度更大的冷铁，其体积更大，冷铁蓄热更多，优化了铸件的冷却条件，使铸件的冷却更快，铸件组织更致密，本实施例得到的球铁飞轮铸件产品3和产品4材料显微组织中珠光体呈细片状均匀分布，球化等级2级，石墨等级为4～5级，珠光体含量大于98％，余量为铁素体。铸件UT、MT探伤二级合格，精加工完后球铁飞轮的动平衡保持性更好。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，通过以下步骤制成：

a)冷铁的选用：模拟飞轮厚大位置制作比较试样，进行动平衡保持工艺试样，在多个相同规格的试样上分别安放不同规格的冷铁进行浇注，采用正交方法实验，浇注后进行组分检测性能测试，对每个试样的内部组织是否致密进行检测；

b)铸件的砂型制作：用树脂砂制作砂型，飞轮厚大位置冷铁尺寸选用步骤a)中内部组织致密度高的试样中相同规格的冷铁；

c)浇注铸件：将原料熔炼成铁水，检测分析并调整铁水成分，再依次对铁水进行精炼、球化处理和孕育处理，得到用于浇注的铁水，进行浇注铸件。

2.根据权利要求1所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤a)中试样尺寸为260×300×300mm，每个试样上安放的冷铁的规格尺寸分别为：①130×130×110mm、②130×130×150mm、③130×130×180mm；所述步骤b)中飞轮厚大位置选用的冷铁的规格尺寸为②130×130×150mm或③130×130×180mm中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤b)中砂型是直径为2030mm、高度为610mm、最厚位置尺寸为230×620×610mm，平均壁厚110mm的厚大球铁件砂型。

4.根据权利要求1所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中将原料放入中频电炉中熔炼成铁水，熔炼温度为1480～1500℃过热。

5.根据权利要求1所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中通过全废钢增碳方法调整铁水成分。

6.根据权利要求1所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中在对铁水进行精炼前先用硅铁和锰铁对铁水做第一次脱氧处理，再用硅-钙扩散剂对铁水做第二次脱氧处理。

7.根据权利要求1所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中先倒入2/3精炼后得到的铁水进行球化处理，球化处理完成后，再将剩余的1/3精炼后得到的铁水进行随流孕育处理。

8.根据权利要求1所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中铁水出炉时的温度不低于1430℃，铁水进行浇注时温度为1360℃～1380℃。

9.根据权利要求1～8任一所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中用于浇注的铁水成分标准为QT600-3。

10.根据权利要求1～8任一所述的一种高动平衡保持性精密球铁飞轮的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中用于浇注的铁水的成分及质量百分比包括C:3.4％～3.6％、Si：2.1％～2.4％、Mn：0.65％～0.85％、P＜0.05％、S＜0.015％、XT：0.025％～0.04％、Mg：0.035％～0.055％，余量为Fe。

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