CN117020113A - 一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法，其在浇铸钛及钛合金金属液之前，将无法加工或加工困难的部位预先镶嵌进已成型的模型部件中；镶嵌的成型件其与钛及钛合金铸件同材质或相近材质；镶嵌的成型件其最小厚度要≥3mm；镶嵌的成型件外形要光滑，不得出现直棱直角。本发明采用镶嵌方法制备的铸件可以实现铸件中难加工及无法加工的部位在铸造过程中就符合工艺要求；使用镶嵌方法制备的铸件，可以降低加工难度，减少加工时间，提高了工作效率；采用的镶件形式各异，镶型铸件部位可以抵抗30Mpa的压力不松动，融合亲和力好。

Description

一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法

技术领域

本发明涉及钛及钛合金铸造技术领域，尤其涉及一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法。

背景技术

钛材具有密度小、耐腐蚀、比强度高的特点，被广泛的应用于航空航天、化工、能源等领域。

在进行钛及钛合金铸件的铸造过程中，有一些由于结构的限制，在后续机加工中会出现难加工及无法加工的部位，如说明书附图1所示的汽车刹车片，其内部孔位(图中a处所示)可用作油路润滑，而在浇铸成型后，该位置处为实心结构，需要钻孔成型，由于结构限制，通常要采用直角钻进行操作，由于孔位位于工件内侧，不具备可视化操作，进而在通过使用直角钻在加工过程中，其加工位置及精度不能有效的保证，造成极高的废品率，对生产企业造成较大的成本负担。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法，其解决目前该类结构在浇铸成型后难于加工的问题，提高加工成品率，并降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法，其特征在于，包括陶瓷壳型和石墨型的制备，所述陶瓷壳型包括以下步骤：

S1、在金属模具中注蜡成型蜡质件；

S2、在蜡质件中嵌入镶嵌件并定位固定；

S3、淋砂制壳，在蜡质件的外部进行淋砂成型陶瓷壳体件；

S4、脱蜡，将陶瓷壳体件内蜡质件熔融并脱离陶瓷壳体件；

S5、对陶瓷壳体件进行焙烧处理；

S6、真空浇铸，在陶瓷壳体件内浇铸钛及钛合金液体；

所述石墨型包括以下步骤：

S1、在石墨模具中嵌入镶嵌件并定位固定；

S2、将石墨模具进行真空除气；

S3、真空浇铸，在石墨模具中内浇铸钛及钛合金液体。

进一步的，在陶瓷壳型制备S2及石墨型制备S1中，从蜡质件及石墨模具外壁朝向镶嵌位置方向开设嵌入通道，并从该嵌入通道中将镶嵌件嵌入。

进一步的，在开设嵌入通道后，从蜡质件及石墨模具的两侧共同朝向嵌入通道内穿设定位杆，并使得两侧的定位杆均与嵌入件接触相抵，且每侧定位杆均伸出蜡质件及石墨模具外侧。

进一步的，在陶瓷壳型制备中，陶瓷壳体件的焙烧温度为1050℃±10℃，保温2h。

进一步的，在石墨型制备中，除气温度900℃，真空度≤2Pa。

进一步的，所述陶瓷壳型及石墨型真空浇铸采用凝壳炉，包括以下步骤条件：

1)将嵌入有镶嵌件的陶瓷壳和石墨模具装入凝壳炉内固定；

2)对凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤1.5Pa，其是由于钛氧化性较强，因此在真空条件下，使钛及钛合金在液态不与其它气体氧化反应；

调节凝壳炉的电极气动压力为0.6～0.75MPa，该电极气动压力用于凝壳炉内的坩埚翻转，为了使炉内的坩埚翻转平稳，压力高于0.75MPa，翻转速度快，会使钛液飞溅，而翻转慢(压力低于0.6MPa)，会使钛铸件浇铸不起来。

冷却水总水压为0.45～0.65MPa，若高于0.65MPa，会使铜坩埚内的钛液形成的凝壳较厚，不利于浇铸；低于0.45MPa，会使铜坩埚溶穿，损坏坩埚。铜坩埚冷却水压为0.3～0.45MPa，空载电压为65～75V；

3)起弧预热铸锭，起弧电压为35～40V，起弧电流为7000～8000A，在铜坩埚内形成金属熔池；

4)电弧熔炼铸锭，在熔炼过程中，将电流逐渐加大到26000～26500A，控制铜坩埚冷却水进口温度为20℃～25℃，铜坩埚出水口温度42℃～50℃；

5)待铸锭熔化至要求深度时，提升铸锭，翻转铜坩埚浇铸；

6)凝壳炉继续抽真空至铸件温度降至室温后开炉取出铸件。

本发明的有益效果是：本申请通过预先在浇筑钛液之前，将工件内部无法加工的位置处通过制作镶嵌件，以及预先镶嵌，进而在浇铸完成后，镶嵌件成型工件难于加工的工艺结构(如工件内孔位)，进而解决目前该类结构在浇铸成型后难于加工的问题，提高加工成品率，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明工件内部孔位难于加工的结构图示。

图2为本发明制备方法流程图。

图3为本发明镶嵌件嵌入蜡质件中定位图示。

图4为本发明镶嵌件实物图示。

图5为本发明镶嵌件压力测试。

图6为本发明金属(铝制)模具实物图示。

图7为本发明蜡质件实物图示。

图8为本发明淋砂制壳后陶瓷壳实物图示。

图9为申请人在进行镶嵌铸件制作过程中凝壳炉工艺参数记录卡。

图中：1-镶嵌件；2-蜡质件；2a-嵌入通道；21-蜡质覆盖件；3-定位杆。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法，包括陶瓷壳型和石墨型的制备，本申请则以图1所示的汽车刹车片为例，进行本申请镶嵌件制备方法的详细说明，包括陶瓷壳型模具的镶嵌制备和石墨型模具的镶嵌制备。

实施例一

所述陶瓷壳型包括以下步骤：

S1、在金属(铝制)模具中注蜡成型同工件形状且为实心结构的蜡质件；

S2、在蜡质件中嵌入镶嵌件并定位固定。具体的嵌入方法为：

由于镶嵌件所代替的是刹车片中的内孔位(图1所示)，而在金属模具中浇筑的蜡质件为实心结构，镶嵌件需要嵌入至蜡质件内部，因此在将镶嵌件嵌入至该蜡质件中时，从蜡质件外壁朝向镶嵌位置方向开设嵌入通道(如图3所示)，开设后将镶嵌件从该嵌入通道中嵌入到位，最后再将嵌入通道通过熔蜡封闭，实现将镶嵌件嵌入覆埋及在蜡质件中的定位。

在下述的脱蜡步骤后，蜡质熔融流出陶瓷壳体后，失去对镶嵌件的固定及定位作用，因此为解决该问题，在上述开设嵌入通道后，从蜡质件的两侧共同朝向嵌入通道内穿设定位杆，并使得两侧的定位杆均与嵌入件接触相抵，且每侧定位杆均伸出蜡质件及石墨模具外侧，在后续的淋砂制壳操作中，会将伸出蜡质件外侧的定位杆固定在陶瓷壳的侧壁中，进而通过定位杆(图3所示)实现对镶嵌件的定位固定。

由于本申请是用于对具有内部孔位的刹车片进行镶嵌嵌入制造，因此镶嵌件中具有同孔位同径的钛质筒体，因此左右穿设的定位杆从该钛质筒体两端穿入，实现镶嵌件在后续蜡质件熔融时与陶瓷壳的相对定位。

S3、淋砂制壳，在蜡质件的外部进行淋砂成型陶瓷壳体件，该陶瓷壳体件为制备刹车片的陶瓷材质模具。

由于陶瓷壳体在淋砂完成后具有湿度，为避免在后续钛及钛合金液体浇筑过程中存在如起泡、爆裂、爆炸等影响，在淋砂制壳完成后将其放置在通风位置处进行自行干燥，使其湿度和干度均达到要求。

S4、脱蜡，将陶瓷壳体件内蜡质件熔融并脱离陶瓷壳体件；

S5、对陶瓷壳体件进行焙烧处理，焙烧温度为1050℃±10℃，保温2h；

预热，在进行下述真空浇铸前，将陶瓷壳体进行预热，预热温度为300℃；

S6、真空浇铸，采用真空自耗凝壳炉(沈阳真空技术研究所生产，型号为：VSC-200)，包括以下步骤条件：

1)将嵌入有镶嵌件的陶瓷壳装入凝壳炉内固定；

2)对凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤1.5Pa；调节凝壳炉的电极气动压力为0.6MPa(气动压力用于坩埚炉的翻转，翻转过快容易造成钛液的飞溅，翻转过慢则不能实现完整浇铸)，冷却水总水压为0.45MPa(坩埚为铜制，其外侧需要进行冷却)，铜坩埚冷却水压为0.3MPa，空载电压为75V；

3)起弧预热铸锭，起弧电压为35V，起弧电流为8000A，在铜坩埚内形成金属熔池；

4)电弧熔炼铸锭，在熔炼过程中，将电流逐渐加大到26000A，控制铜坩埚冷却水进口温度为25℃，铜坩埚出水口温度50℃；

5)待铸锭熔化至要求深度时，提升铸锭，翻转铜坩埚浇铸；

6)凝壳炉继续抽真空至铸件温度降至室温方可开炉取出铸件进行后续处理(包括将陶瓷壳机械去除、铸件外表面精加工、打磨等操作)。

实施例二

所述陶瓷壳型制备与实施例一的区别为真空浇铸，具体包括如下：

首先对陶瓷凝壳炉预热，预热温度为350℃。

S6、真空浇铸，采用真空自耗凝壳炉(同实施例一)，包括以下步骤条件：

1)将嵌入有镶嵌件的陶瓷壳装入凝壳炉内固定；

2)对凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤1.5Pa；调节凝壳炉的电极气动压力为0.7MPa，冷却水总水压为0.55MPa，铜坩埚冷却水压为0.4MPa，空载电压为70V；

3)起弧预热铸锭，起弧电压为37.5V，起弧电流为7500A，在铜坩埚内形成金属熔池；

4)电弧熔炼铸锭，在熔炼过程中，将电流逐渐加大到26250A，控制铜坩埚冷却水进口温度为22.5℃，铜坩埚出水口温度46℃；

5)待铸锭熔化至要求深度时，提升铸锭，翻转铜坩埚浇铸；

6)凝壳炉继续抽真空至铸件温度降至室温方可开炉取出铸件进行后续处理。

实施例三

所述石墨型包括以下步骤：

S1、在石墨模具中嵌入镶嵌件并定位固定，其与上述陶瓷壳型嵌入方式相同，区别在于石墨材质相较于蜡质较硬，在开设嵌入通道时，采用锯切的方式成型，而定位杆则从石墨模具侧壁贯穿。

S2、真空除气，除气温度900℃，真空度≤2Pa；

S3、真空浇铸采用真空自耗凝壳炉(沈阳真空技术研究所生产，型号为：VSC-200)，包括以下步骤条件：

1)将嵌入有镶嵌件的石墨模具装入凝壳炉内固定；

2)对凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤1.5Pa；调节凝壳炉的电极气动压力为0.75MPa，冷却水总水压为0.65MPa，铜坩埚冷却水压为0.45MPa，空载电压为65V；

3)起弧预热铸锭，起弧电压为40V，起弧电流为7000A，在铜坩埚内形成金属熔池；

4)电弧熔炼铸锭，在熔炼过程中，将电流逐渐加大到26500A，控制铜坩埚冷却水进口温度为20℃，铜坩埚出水口温度42℃；

5)待铸锭熔化至要求深度时，提升铸锭，翻转铜坩埚浇铸；

6)凝壳炉继续抽真空至铸件温度降至室温方可开炉取出铸件进行后续处理。

本发明的原理是：在浇铸钛及钛合金金属液成型工件之前，将无法加工或加工困难的部位(如图1所示的内部孔位)预先镶嵌进已成型的模型部件中，而镶嵌的成型件其与钛及钛合金铸件同材质或相近材质。镶嵌的成型件其最小厚度要≥3mm，在最终浇铸完成后，将陶瓷壳或石墨去除掉，即可通过镶嵌件在工件内形成无法加工的工艺设计结构，相较于目前加工方式可极大的降低废品率及加工成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种钛及钛合金镶嵌铸件的制备方法，其特征在于，包括陶瓷壳型和石墨型的制备，所述陶瓷壳型包括以下步骤：

S1、在金属模具中注蜡成型蜡质件；

S2、在蜡质件中嵌入镶嵌件并定位固定；

S3、淋砂制壳，在蜡质件的外部进行淋砂成型陶瓷壳体件；

S4、脱蜡，将陶瓷壳体件内蜡质件熔融并脱离陶瓷壳体件；

S5、对陶瓷壳体件进行焙烧处理；

S6、真空浇铸，在陶瓷壳体件内浇铸钛及钛合金液体；

所述石墨型包括以下步骤：

S1、在石墨模具中嵌入镶嵌件并定位固定；

S2、将石墨模具进行真空除气；

S3、真空浇铸，在石墨模具中内浇铸钛及钛合金液体。

2.根据权利要求1所述的镶嵌铸件的制备方法，其特征在于：在陶瓷壳型制备S2及石墨型制备S1中，从蜡质件及石墨模具外壁朝向镶嵌位置方向开设嵌入通道，并从该嵌入通道中将镶嵌件嵌入。

3.根据权利要求2所述的镶嵌铸件的制备方法，其特征在于：在开设嵌入通道后，从蜡质件及石墨模具的两侧共同朝向嵌入通道内穿设定位杆，并使得两侧的定位杆均与嵌入件接触相抵，且每侧定位杆均伸出蜡质件及石墨模具外侧。

4.根据权利要求1所述的镶嵌铸件的制备方法，其特征在于：在陶瓷壳型制备中，陶瓷壳体件的焙烧温度为1050℃±10℃，保温2h。

5.根据权利要求1所述的镶嵌铸件的制备方法，其特征在于：在石墨型制备中，除气温度900℃，真空度≤2Pa。

6.根据权利要求1所述的镶嵌铸件的制备方法，其特征在于：所述陶瓷壳型及石墨型真空浇铸采用凝壳炉，包括以下步骤条件：

1)将嵌入有镶嵌件的陶瓷壳和石墨模具装入凝壳炉内固定；

2)对凝壳炉进行抽真空处理，使炉内真空度≤1.5Pa；调节凝壳炉的电极气动压力为0.6～0.75MPa，冷却水总水压为0.45～0.65MPa，铜坩埚冷却水压为0.3～0.45MPa，空载电压为65～75V；

3)起弧预热铸锭，起弧电压为35～40V，起弧电流为7000～8000A，在铜坩埚内形成金属熔池；

4)电弧熔炼铸锭，在熔炼过程中，将电流逐渐加大到26000～26500A，控制铜坩埚冷却水进口温度为20℃～25℃，铜坩埚出水口温度42℃～50℃；

5)待铸锭熔化至要求深度时，提升铸锭，翻转铜坩埚浇铸；

6)凝壳炉继续抽真空至铸件温度降至室温后开炉取出铸件。