CN105834390A - 一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法 - Google Patents

一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，方法步骤如下：a.计算最佳的化学成分配比；b.金属材料冶炼成所需牌号的合金液，调整到所需温度后出钢；c.设计出立式离心浇铸机金属模；d.进行浇铸准备；e.进行浇铸脱模；f.进行粗加工；g.进行热处理，进行固溶处理；h.再经机械加工达最终尺寸；i.经检验程序合格后标记包装出厂。与现有技术相比，本发明内部金相组织更为致密，力学性能指标更好，解决了静态砂型铸造及静态金属模铸造生产的产品内部气孔、夹杂、疏松等缺陷；而且相比于传统的锻造工艺，省去了锻造等工序，提高了材料利用率并大大节约了能耗，成材率提高了10～20％。

Description

一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的 方法
技术领域
本发明涉及一种离心浇铸方法，尤其涉及一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法。
背景技术
自上世纪七十年代以来，我国分离机械行业通过引进消化吸收发展，目前该行业整体水平也已接近国外同等水平；但随着整个行业的快速发展，分离机械行业企业大大小小几千家，产品质量良莠不齐，行业竞争进一步加剧。目前，我国整体经济低迷，制造业在人工成本上涨等多重压力下举步维艰，如何通过技术创新来进一步提升产品性价比成为了关系企业生死存亡的关键。
离心机的端盖、轴套等核心零部件属于受力、受扭矩的零件，要求零部件内部金属组织更为致密且无缺陷、力学性能高，因此对于零部件的制造要求很高。目前，离心机端盖和轴套的生产不外乎种制造工艺：一是将钢锭通过锻造工艺锻制成形，二是采用静态铸造的工艺直接浇铸成形。采用锻造工艺的产品质量好，组织致密，机械性能很高，但该工艺工序繁多，成材率低，制造成本较高；而采用静态铸造的产品由于直接铸造成形，制造成本较低，但组织比较疏松，气孔夹杂也较多，力学性能很难满足要求。对于锥段转鼓的制造，国内除了以上两种工艺，还有一种卷焊成形工艺，但卷焊工艺无法解决产品焊缝易腐蚀和高速运转下应力释放导致动平衡性能下降的问题，无法满足高端离心机 性能要求；国内外实践证明，采用立式离心浇铸生产锥段转鼓是满足高端离心机要求的最佳选择。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决了上述问题采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，方法步骤如下：
a.首先根据谢菲尔相图计算金属材料最佳的化学成分配比；
b.金属材料经电弧炉或中频感应电炉冶炼成钢水并通过造渣、扒渣工序去除部分夹杂物，通过加入合金调整钢水化学成分达到产品所需所需牌号的合金液，根据钢种的液相线以及浇铸工艺要求，将钢水出钢温度调整到合适的温度后出钢；
c.按离心机环形零部件的机械尺存要求，设计出立式离心浇铸机金属模；采用金属模相比于砂型铸造在于金属模因全部采用厚壁锻造合金钢材质，热容量大，钢水注入金属模后能快速凝固，枝晶组织由外向内顺序生长，避免了类似砂型铸造工艺因导热缓慢、凝固收缩不均造成的疏松、缩孔、裂纹等缺陷的产生。由于模具的工作温度在200℃～1200℃间剧烈变化，要求模具能耐受循环往复的热应力变化不至于开裂变形，同时保持良好的涂挂涂料和脱模能力。因此我们选择30CrMo、35CrMo、21CrMo10等优质合金结构钢做模具材料。在制作模具时，必须严格执行热处理工艺，机械加工工艺，避免加工产生热应力和应力集中的尖角、锐边等，同时尽量使用较大的过渡圆弧，保持型面的连续性。
由于比重的差异，高速旋转的金属模内钢水在大于50G的离心力作用下， 促使钢中非金属夹杂物快速分离，同时，钢水凝固组织结构更加致密；
立式离心浇铸机转速的选择采用以下经验公式：G＝r×n2/893.6
不同的材料G值一般取值在50～120G范围，其中G为离心力，r为铸件外径m，n为回转数min2。
实践证明，采用立式离心浇铸结合金属模工艺生产的产品，相比于静态砂型铸造或静态金属模铸造产品致密度提高了2～5％，相应力学性能也提升了7％～12％；另外，这种独特的工艺促使钢水在凝固过程中组织结构由外向内定向生长，因而使得生产的产品具有优异的耐磨性能和动平衡性能；
d.将立式离心浇铸机金属模烤到200～300℃，开启立式离心浇铸机使金属模达到100r/min～300r/min转速，再将金属模内壁均匀喷入涂料，控制涂料厚度在1mm～3mm之间，让其自然干燥15分钟以上，进行浇铸准备；
e.浇铸前将立式离心浇铸机转速从启动开始逐步提高到30r/min～200r/min，如果浇铸产品直径大于500mm的一般选取中高值，直径小于500mm的则相应选取中下值；然后将钢水注入已烘烤好的浇斗中，并通过浇斗流入金属模内腔，在相对低速下浇入钢水的目的是有利于先注入的钢水能均匀附着在金属模内壁，形成表面质量优良的铸件外壳；待铸件成壳后再调整转速到200r/min～800r/min，促使凝固组织更加致密，并有利于夹杂物内聚到铸件上部及内孔，当钢水浇完后，再逐步降低转速，直到铸件完全冷却成型，而后将毛坯铸件脱模；
f.毛坯铸件通过粗加工；
g.经检验合格的毛坯铸件移送热处理工序进行热处理，并在950℃-1150℃的温度条件下进行固溶处理；
h.经热处理后的产品毛坯再经机械加工达到离心机用不锈钢端盖(轴颈)、 锥段转鼓、轴套等关键零部件产品所需尺寸要求；
i.加工好的端盖(轴颈)、锥段转鼓、轴套等关键零部件产品经检验程序合格后标记包装出厂。
作为优选，步骤a中，金属材料选用优质碳素废钢或优质不锈钢返回料。
作为优选，步骤b中，合金采用铁合金，所述铁合金采用铬铁、钼铁、金属镍板进行合理配料。
作为优选所述离心机环形零部件为端盖(轴颈)、锥段转鼓、轴套等关键零部件产品。可适用于卧式螺旋卸料离心机、推料离心机、虹吸刮刀离心机等的轴套、锥段转鼓、轴端盖(轴颈)等环形零部件。
作为优选，步骤b中，针对要求较高的产品，钢水还须经过不锈钢精炼炉精炼，精炼方法如下，当电炉中钢水温度达到1450℃以上出钢，将初炼钢水兑入精炼炉吹入氧气进行脱碳、脱硅，并通过吹炼将钢水温度加热到1500℃～1800℃范围，加入石灰、萤石并吹入氩气或氮气进行精炼，经过多次造渣、扒渣，去除钢中有害物质，并通过纯吹氩去除钢中氢气、氧气或氮气有害气体，将精炼后的钢水再次进行调整化学成分到材料要求。
作为优选，步骤b中，进行钢水出钢温度调整时，根据该钢种的液相线、出钢过程的温降以及浇铸时所需过热度计算最佳出钢温度，所述过热度取值在50℃～100℃。
作为优选，步骤b中，由于材料不同，由于液相线温度不同，所以应选取不同的出钢温度，由于常用的不锈钢材料最低的液相线温度一般在1350℃～1500℃区间，考虑以上过热度取值区间，通过实验所述钢水的最佳出钢温度1400℃～1650℃范围内效果最佳。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过创新性的采用金属模结 合立式离心浇铸工艺生产离心机行业用端盖(轴颈)、锥段转鼓、轴套等关键零部件产品，其内部金相组织更为致密，力学性能指标更好，不但解决了静态砂型铸造及静态金属模铸造生产的铸件气孔、夹杂、疏松等缺陷多，机械性能差的问题；而且相比于传统的锻造工艺，省去了锻造等工序，通过采用金属模通过立式离心浇铸直接成形，大大节约了能耗，成材率提高了10％～20％，实践证明，采用金属模通过立式离心铸造工艺生产端盖(轴颈)、锥段转鼓、轴套等关键零部件产品，是一种能满足产品要求且性价比更高的新工艺。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2、图3为00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢离心铸件的金相分析及晶间腐蚀图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1，一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，方法步骤如下：
首先为获得不锈钢材料最佳组织性能应根据谢菲尔相图计算化学成分的最佳配比。同时，为获得此化学成分的钢水，必须先通过选用优质碳素废钢或优质不锈钢返回料、铁合金如：铬铁、钼铁、金属镍板等合理配料。
金属材料经电弧炉或中频感应电炉冶炼成钢水并通过造渣、扒渣等工序，去除部分夹杂物，通过加入合金等调整钢水化学成分，达到产品所需成分要求，由于不同材质不锈钢的液相线温度不同，因此应根据浇铸工艺要求，将钢水出钢温度调整到所需温度后出钢；对于要求严格的产品钢水还必须经过不锈钢精 炼炉精炼，当电炉中钢水温度达到1450℃以上出钢，将初炼钢水兑入精炼炉吹入氧气进行脱碳、脱硅等，并通过吹炼将钢水温度加热到1500℃～1800℃范围，加入石灰、萤石并吹入氩气或氮气等进行精炼，降低钢中硫等有害元素含量，经过多次造渣、扒渣，去除各种钢中有害物质，再通过纯吹氩去除钢中氢气、氧气或氮气等有害气体，进一步提纯钢水并最后调整化学成分到材料要求。根据该钢种的液相线及出钢后的过程温降，以及浇铸时所需过热度要求(根据浇铸的离心毛坯重量、规格大小不同，过热度一般取值在50℃～100℃)，计算出精炼炉的最佳出钢温度，再将合格钢水温度调整到最佳温度(一般在1550℃～1780℃范围内)后出钢，通过立式离心机进行离心浇铸。
按离心机用大小端盖(或轴颈)或锥段转鼓的机械尺寸要求，设计出立式离心浇铸机金属模。将冶炼好的钢水经立式离心浇铸机，根据产品规格大小，选用最佳的浇铸工艺参数浇铸成型。具体工艺描述如下：将立式离心浇铸机金属模烘烤到200～300℃，开启立式离心浇铸机使金属模达到100r/min～300r/min转速，再将金属模内壁均匀喷入涂料，合理控制涂料厚度在1mm～3mm之间，让其自然干燥15分钟以上，准备浇铸。浇铸前将立式离心浇铸机转速从启动开始逐步提高到30r/min～200r/min，然后将钢水注入已烘烤好的浇斗中，并通过浇斗流入金属模内腔，根据产品需要，进一步调整转速到200r/min～800r/min，当钢水浇完后，根据铸件冷却情况再逐步降低转速，直到铸件完全冷却成型，而后将铸件脱模。
毛坯铸件首先应通过粗加工，一般粗加工后留3～10mm加工余量后再移送热处理。经检验合格的离心浇铸毛坯移送下道热处理工序进行热处理，提升材料耐腐及机械性能等组织性能。根据不锈钢材料的不同，一般在950℃-1150℃的温度条件下进行固溶处理。固溶处理应防止有害相的析出，有害相析出可能 会对材料的性能产生负面影响。经热处理后的产品毛坯再经机械加工达到离心机用不锈钢大小端盖(或轴颈)或锥段转鼓所需尺寸要求。
加工好的大小端盖(或轴颈)、锥段转鼓经检测探伤等检验程序合格后方可标记包装出厂。
以上工艺过程，是否采取精炼取决于产品化学成分及纯净度要求，而随着铸件不同的规格尺寸应对热处理及机加工工序顺序进行调整，以最终满足产品性能要求。
案例1
不同工艺生产出的产品机械性能比较
以00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢材料经采用金属模+立式离心浇铸工艺生产出的离心机用不锈钢端盖(轴颈)、锥段转鼓、轴套等关键零部件产品为例，其机械性能与静态铸造、锻造工艺生产出的产品对比如下：
可见按本发明工艺生产的产品力学性能与锻造产品相当，远高于静态浇铸工艺生产的产品。
2)产品组织结构及耐腐蚀性能
离心浇铸铸件产品经金相分析及晶间腐蚀试验检测情况，以00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢材料为例：参见图2、图3，
通过金相图可见，组织：奥氏体+铁素体，α铁素体约所占整个组织的55％，腐蚀液10％的草酸，电解腐蚀6分钟，无晶间腐蚀倾向。采用本方法生产的产品 其相比例及耐腐蚀性能与静态铸造和锻造产品相同。
案例2：
以下是以00Cr17Ni12Mo2N奥氏体不锈钢材料通过不同工艺生产出的产品机械性能的对比：
可见按本发明工艺生产的产品力学性能与锻造产品相当，远离于静态浇铸工艺生产的产品。
以上对本发明所提供的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于，方法步骤如下：
a.首先根据谢菲尔相图计算金属材料最佳的化学成分配比；
b.金属材料经电弧炉或中频感应电炉冶炼成钢水并通过造渣、扒渣工序去除部分夹杂物，通过加入合金调整钢水化学成分达到产品所需所需牌号的合金液，根据钢种的液相线以及浇铸工艺要求，将钢水出钢温度调整到合适的温度后出钢；
c.按离心机环形零部件的机械尺寸要求，设计出立式离心浇铸机金属模；
d.将立式离心浇铸机金属模烤到200～300℃，开启立式离心浇铸机使金属模达到100r/min～300r/min转速，再将金属模内壁均匀喷入涂料，控制涂料厚度在1mm～3mm之间，让其自然干燥15分钟以上，进行浇铸准备；
e.浇铸前将立式离心浇铸机转速从启动开始逐步提高到30r/min～200r/min，然后将钢水注入已烘烤好的浇斗中，并通过浇斗流入金属模内腔，调整转速到200r/min～800r/min，当钢水浇完后，再逐步降低转速，直到铸件完全冷却成型，而后将毛坯铸件脱模；
f.毛坯铸件通过粗加工；
g.经检验合格的毛坯铸件移送热处理工序进行热处理，并在950℃-1150℃的温度条件下进行固溶处理；
h.经热处理后的产品毛坯再经机械加工达到离心机环形零部件所需尺寸要求；
i.加工好的离心机环形零部件经检验程序合格后标记包装出厂。
2.根据权利要求1所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：所述环形零部件为端盖、轴颈、锥段转鼓或轴套。
3.根据权利要求2所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：步骤a中，金属材料选用优质碳素废钢或优质不锈钢返回料。
4.根据权利要求2所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：步骤b中，合金采用铁合金，所述铁合金采用铬铁、钼铁、金属镍板进行合理配料。
5.根据权利要求2所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：步骤b中，针对要求较高的产品，钢水还须经过不锈钢精炼炉精炼，精炼方法如下，当电炉中钢水温度达到1450℃以上出钢，将初炼钢水兑入精炼炉吹入氧气进行脱碳、脱硅，并通过吹炼将钢水温度加热到1500℃～1800℃范围，加入石灰、萤石并吹入氩气或氮气进行精炼，经过多次造渣、扒渣，去除钢中有害物质，并通过纯吹氩去除钢中氢气、氧气或氮气有害气体，将精炼后的钢水再次进行调整化学成分到材料要求。
6.根据权利要求2所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：步骤b中，进行钢水出钢温度调整时，根据该钢种的液相线、出钢过程的温降以及浇铸时所需过热度计算最佳出钢温度，所述过热度取值在50℃～100℃。
7.根据权利要求2所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：步骤b中，所述钢水的最佳出钢温度1400℃～1650℃范围内。
8.根据权利要求2所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：步骤c中，所述立式离心浇铸机金属模采用厚壁锻造合金钢，所述合金钢采用30CrMo、35CrMo、21CrMo10优质合金结构钢。
9.根据权利要求2所述的采用金属模对离心机环形零部件进行立式离心浇铸的方法，其特征在于：步骤e中，立式离心浇铸机转速的选择采用以下经验公式：G＝r×n2/893.6
不同的材料G值一般取值在50～120G范围，其中G为离心力，r为铸件外径m，n为转数min2。
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