CN110042326B - 一种离心铸造搅拌叶轮及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离心铸造搅拌叶轮及方法，属于叶轮生产技术领域。叶轮的轮片的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：17～23％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质；所述轮毂的化学成分按照质量含有C：0.3～0.4％、Si：0.6～0.9％、Mn：0.9～1.2％、Cr：1.8～2.2％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Ni：1.6～2.0％、Co：0.3～0.8％，余下为Fe及不可避免的杂质。

Description

一种离心铸造搅拌叶轮及方法
技术领域
本发明属于叶轮生产技术领域，更具体地说，涉及一种离心铸造搅拌叶轮及方法。
背景技术
搅拌叶轮组成：主要由轮毂和轮片组成，是粉料搅拌机械的高速搅拌混匀部件。其工作原理：采用焊接或整体铸造的方法将轮毂和轮片组合成整体，装配在搅拌机械的高速转动轴上，随轴旋转从而搅拌挤压混匀粉料(如水泥、炉渣料、石灰、耐火材料等)，主要用于制砖机械及铺路机械等。搅拌叶轮的直径在500～800mm，轮毂的质量占叶轮总质量的80～81％，轮片的质量占叶轮总质量的19～20％。
目前我国搅拌叶轮的制造方法包括以下几种方式：1)采用分整式法，即由钢板经氧割而成为圆环(沿圆环半径方向切割断开的半封闭圆环)，将圆环置于炉中烧红后放在压力机上的专用模具中压制成为一个叶片，将几个叶片套在一圆柱体上焊接而成。例如：专利号：JP54006854，公告日期1979-01-19；专利号：US6443040，公告日期2002-19-03，两专利其实质基本是一样的，都是用带钢(或钢板)在一圆柱上缠绕而成。
2)消失模铸造法，是将与搅拌叶轮形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，金属液体占据模型位置，凝固冷却后形成搅拌叶轮的新型铸造方法。例如：中国专利申请号201810922353.5，公开日2018年12月7日的专利文件，公开了一种高耐磨整体式螺旋输送机叶片的制造方法，(1)加工用于各段螺旋叶片的成型模具；(2)制备各段螺旋叶片的泡沫模样；(3)制备整体螺旋叶片的泡沫模样；(4)制备含浇注***和冒口的整体泡沫模样；(5)对浇注整体泡沫模样表面进行耐火涂层处理；(6)熔炼铁水；(7)消失模铸造成型铸件；(8)铸件保温处理，得到以下贝氏体为主且含有奥氏体的球墨铸铁；(9)铸件修整处理。
3)挤压成型法，例如：中国专利申请号201220378248.8，公开日2013年1月30日的专利文件，公开了一种螺旋叶片成型工装，包括上模与下模，上模的下端面与下模的上端面上都设置有与螺旋叶片曲率相同的曲面，且上模与下模的接触面相互吻合。通过成型模具直接下料经多次压制加工成型叶片。
4)离心铸造法，例如：中国专利申请号201310490727.8，公开日2014年1月22日的专利文件，公开了一种叶片的铸造方法，其步骤包括模具设计、模具制造、原料熔炼、下料准备、离心铸造、第一次冷却、第二次成型、第二次冷却、切边和喷砂、热等静压等，
再如，中国专利申请号201210074370.0，公开日2012年7月18日的专利文件，公开了一种铝合金叶轮离心铸造方法，其步骤一、制备叶轮蜡模；步骤二、蜡模预热；步骤三、工具处理；步骤四、对叶轮选用的合金进行熔炼：步骤四一、熔炼Al7Si铝锭；步骤四二、加入Al-5Ti中间合金熔炼；步骤四三、加入纯Mg块熔炼；步骤四四、加入Al-10Sr中间合金熔炼：将Al-10Sr中间合金加入到石墨坩埚内，最后将石墨坩埚内的熔液搅拌1～5分钟后进行除气精炼；步骤五、离心浇铸，使上述合金熔液在离心力的作用下充型、凝固，凝固时间为3～15分钟，最后脱模、清理铸件。
针对现有的这些制造方法，均可以用来制造搅拌叶轮，但是制造得到的搅拌叶轮的材质一致，在满足轮片耐磨性的前提下，轮毂的强度较差；在满足轮毂强度的前提下，轮片的耐磨性能差，两种结构的使用寿命均无法满足使用的要求，因此，急需要研发出一种制造耐磨性好、强度高的搅拌叶轮。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有搅拌叶轮耐磨性能差、强度不高，造成使用寿命短的问题，本发明提供一种离心铸造搅拌叶轮，通过采用离心铸造的方式，使得轮片具有很高的耐磨性能，轮毂具有很高的强度，延长搅拌叶轮的使用寿命。
本发明的另一目的是提供一种离心铸造搅拌叶轮的方法，使得轮片与轮毂的结合强度好，在保证耐磨性和强度的前提下，延长搅拌叶轮的使用寿命。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种离心铸造搅拌叶轮，包括轮毂和轮片，所述轮片螺旋环设在轮毂上，其中所述轮片的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：17～23％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质；所述轮毂的化学成分按照质量含有C：0.3～0.4％、Si：0.6～0.9％、Mn：0.9～1.2％、Cr：1.8～2.2％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Ni：1.6～2.0％、Co：0.3～0.8％，余下为Fe及不可避免的杂质。
于本发明一种可能的实施方式中，所述轮毂与轮片的衔接处形成有一个过渡层，过渡层的厚度h为0.1mm～0.2mm。
于本发明一种可能的实施方式中，所述轮片的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：17～22％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质。
于本发明一种可能的实施方式中，所述轮片的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：22～23％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质。
于本发明一种可能的实施方式中，所述轮片的化学成分按照质量还含有W：0.1～1.0％、Nb：0.1～1.5％、Ti：0.1～3.0％、Zr：0.1～3.0％中的任意一种或两种以上。
于本发明一种可能的实施方式中，所述轮毂的化学成分按照质量还含有W：0.1～1.0％、Nb：0.1～1.0％、Zr：0.1～0.9％中的任意一种或两种以上。
于本发明一种可能的实施方式中，所述过渡层的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]，其中G轮片(Mn)、G轮片(Cr)分别表示轮片化学组分中Mn和Cr的质量分数，G轮毂(Mn)、G轮毂(Cr)分别表示轮毂化学组分中Mn和Cr的质量分数，厚度单位为mm。
本发明还提供了一种上述离心铸造搅拌叶轮的方法，包括以下具体步骤：
S101、制作铸型：制作搅拌叶轮离心旋转铸型，离心旋转铸型包括左模板和右模板，将左模板与右模板扣合，形成成型腔，成型腔的形状与搅拌叶轮外轮廓相一致，预留收缩量为2～3mm，尺寸精度为±0.02mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1550-1600℃温度下熔炼轮片合金，将石墨坩埚内的熔液搅拌1～5分钟后进行除气精炼，形成轮片合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1550-1650℃温度下熔炼轮毂合金，将石墨坩埚内的熔液搅拌3～5分钟后进行除气精炼，形成轮毂合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转铸型置于卧式离心机上，先使上述轮片合金熔液在离心力的作用下充型，然后紧密衔接，使上述轮毂合金熔液在离心力的作用下充型，凝固时间为8～15分钟，最后脱模、清理铸件。
于本发明一种可能的实施方式中，在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转铸型转速，离心旋转铸型旋转的加速度为0.2～0.4m/s2，待轮片合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片合金熔液金属液总重的35％～40％，离心旋转铸型旋转的加速度为0.1～0.2m/s2。
于本发明一种可能的实施方式中，在步骤S103中，所述轮毂合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转铸型转速，离心旋转铸型旋转的加速度为-0.01～-0.05m/s2，直至铸件完全凝固。
于本发明一种可能的实施方式中，在步骤S103中，所述轮片合金熔液浇铸速度15kg/min≤v≤20kg/min；所述轮毂合金熔液浇铸速度12kg/min≤v≤18kg/min。
于本发明一种可能的实施方式中，在步骤S103中，所述轮片合金熔液和轮毂合金熔液浇铸时的压力值为200～400Pa。
于本发明一种可能的实施方式中，在步骤S103中，所述轮毂合金熔液浇铸温度为1450-1550℃。
于本发明一种可能的实施方式中，当使轮片合金熔液沉积并凝固在离心旋转铸型的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，其中T(℃)是轮片合金的凝固开始温度。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的金属熔液能在铸型中形成搅拌叶轮的自由表面，这样便可不用型芯就能铸出螺旋铸件，使铸造工艺大大简化，生产率高、成本低；；
(2)本发明由于离心力的作用，改善了补缩条件，气体和非金属夹杂也易于自液体金属中排出，因此离心铸件的组织较致密，缩孔(缩松)、气孔、夹杂等缺陷较少，力学性能好；
(3)本发明消除或大大节省浇注***和冒口方面的金属消耗，金属利用率高。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明搅拌叶轮的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明实施例1搅拌叶轮的离心铸造示意图；
图4为本发明实施例1搅拌叶轮的离心铸造局部剖视图；
图5为本发明实施例1搅拌叶轮的离心状态图；
图6为本发明实施例1搅拌叶轮的过渡层示意图。
图中标记说明：
100、轮片；200、轮毂；300、过渡层。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
如图1至图6所示，图1和图2为搅拌叶轮的结构示意图，本发明的离心铸造搅拌叶轮，包括轮毂200和轮片100，所述轮片100螺旋环设在轮毂200上。轮片100与物料接触，因此需要较好的耐磨性能以及较高的强度，而轮毂200作为传力部件，在大扭矩作用下，具有高的强度，可以有效减少断轴的形象。
其中所述轮片100的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：17～23％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质。
进一步，所述轮片100的化学成分按照质量还含有W：0.1～1.0％、Nb：0.1～1.5％、Ti：0.1～3.0％、Zr：0.1～3.0％中的任意一种或两种以上。
C主要与Mo、Mn、Cr等合金元素结合，是通过形成MC碳化物来提高耐磨性的必要成分。未与合金结合的C主要固溶于基体中或极微细地析出，将基体强化。C不足2.3％时MC碳化物的量不足，不能得到足够的耐磨性。另一方面，当C超过3％时，碳化物过多，搅拌叶轮的耐热龟裂性恶化。
Si作为脱氧剂在熔融金属中起作用，当Si％超过1.0％时轮片100表面容易脆化，从而影响耐磨性。
Mn具有将熔融金属的脱氧及杂质即S作为MnS固定的作用，但Mn不足0.3％时，这些效果不充分；另一方面，当Mn超过0.8％时容易产生残留奥氏体，不能稳定地维持硬度，从而耐磨性容易恶化。
Cr元素系为用以形成碳化物，进而改善轮片100耐磨性，与强化基体及改进耐龟裂性，于是其含量必须要在17％以上，另一方面，是很强的白口化元素，若超过23％的话，在凝固过程中含妨碍石墨之结晶化。优选的，Cr：17～22％或Cr：22～23％。
具有形成M6C、M2C等结晶碳化物的作用，并且固溶在基体中，带来淬火性的提高及回火硬度的提高，因此，含有0.3％以上。可是，若Mo量增加，则作为本发明搅拌叶轮中的最硬碳化物的MC的量减少，从而，不是优选的，因此，其上限定为0.8％。
Co是对于基体组织的强化有效的元素，含有0.1％以上效果好。另一方面，若超过5.0％，则韧性下降。
W与Mo同样，与C结合生成硬质的M6C、M2C类碳化物、且固溶在基体中、强化基体组织，因此对于提高耐磨损性是有效的，含有0.1％以上有。另一方面，若超过1.0％，则M6C类碳化物增加，耐表面粗糙性劣化，因此，不是优选的。
Nb、Ti、Zr与C结合生成MC类碳化物。用离心力铸造法形成轮片100时，Nb、Ti、Zr具有至少减轻MC类碳化物的偏析的效果。
所述轮毂200的化学成分按照质量含有C：0.3～0.4％、Si：0.6～0.9％、Mn：0.9～1.2％、Cr：1.8～2.2％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Ni：1.6～2.0％、Co：0.3～0.8％，余下为Fe及不可避免的杂质。轮毂200的碳含量较少，具有较多的铁，因此，轮毂200具有高的抗扭矩强度。
进一步的，所述轮毂200的化学成分按照质量还含有W：0.1～1.0％、Nb：0.1～1.0％、Zr：0.1～0.9％中的任意一种或两种以上。这些元素的加入，可以细化轮毂200的内部晶粒，从而提高结合强度。
如图6所示，所述轮毂200与轮片100的衔接处形成有一个过渡层300，过渡层300的厚度h为0.1mm～0.2mm。优选的，在离心力的作用下，当轮毂200合金熔液浇铸时，轮片100合金熔液尚未凝固，两者之间会存在渗透的现象，经过大量实验数据表明，所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]，其中G轮片(Mn)、G轮片(Cr)分别表示轮片100化学组分中Mn和Cr的质量分数，G轮毂(Mn)、G轮毂(Cr)分别表示轮毂200化学组分中Mn和Cr的质量分数，厚度单位为mm，带入上述的数值，h最大＝0.1943mm，h最小＝0.1125mm。
发明人分析可能的原因，轮片100和轮毂200采用不同的合金进行浇铸，在保证两者结合强度的前提下，轮片100和轮毂200的收缩率相一致，两者的结合处结合紧密，不会产生裂纹，相比焊接的强度更好。
实施例1
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，包括以下具体步骤：
S101、制作模具：制作搅拌叶轮离心旋转模具，离心旋转模具包括左模板和右模板(该部分的结构与现有技术的模具可以为相同的结构，但并非作为本发明的重点)，将左模板与右模板扣合，形成成型腔，成型腔的形状与搅拌叶轮外轮廓相一致，预留收缩量为3mm，尺寸精度为±0.02mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1600℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌5分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1550℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌5分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，这里必须使用卧式离心机，主要的原因在于合金溶液在重力作用下，极容易出现偏析现象，从而造成铸件的一致性差，相比较，卧式离心机可以避免该情况的发生，先使上述轮片100合金熔液在离心力的作用下充型，然后紧密衔接，使上述轮毂200合金熔液在离心力的作用下充型，凝固时间为8分钟，具体的，轮片100合金熔液在1600℃时浇铸，采用现有技术的合金浇铸设备，例如，无锡新劦诚公司的离心浇铸机，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1550℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1550℃)，由上述的熔炼温度可知，轮片100的熔炼温度和轮毂200的熔炼温度相差至少300-350℃，在离心机工作状态下，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1590℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1510℃至1558℃，轮毂200合金溶液的温度在1550℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.4m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.2m/s2。在实际使用过程中，由于轮片100的边缘距离中心较远，因此，前期提供了一个较大的加速度，使得模具的转速尽快地达到设定转速，转速至少为800r/min，最大转速为1500r/min，轮片100合金熔液在离心力作用下，被置于模具的内腔边缘，形成轮片100的边缘部分。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.05m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度15kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度18kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为400Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
具体的轮片的化学成分如表1。
表1轮片的化学成分
Figure BDA0002066936020000081
具体的轮毂的化学成分如表2。
表2轮毂的化学成分
Figure BDA0002066936020000082
Figure BDA0002066936020000091
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(1.2+1.8)/(0.5+23)＝0.1277mm。
实施例2
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同之处在于：
S101、搅拌叶轮离心旋转模具预留收缩量为2mm，尺寸精度为±0.02mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1560℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1600℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1500℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1500℃)，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1545℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1467℃至1514℃，轮毂200合金溶液的温度在1500℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.3m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.1m/s2。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.01m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度20kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度15kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为200Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(1+2)/(1+20)＝0.1429mm。
实施例3
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同之处在于：
S101、搅拌叶轮离心旋转模具预留收缩量为2.5mm，尺寸精度为±0.02mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1580℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌1分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1560℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1520℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1520℃)，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1570℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1491℃至1538℃，轮毂200合金溶液的温度在1520℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.3m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.2m/s2。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.04m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度18kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度12kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为250Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(0.9+2.2)/(0.8+21)＝0.1422mm。
实施例4
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同之处在于：
S101、搅拌叶轮离心旋转模具预留收缩量为2.5mm，尺寸精度为±0.02mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1560℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌4分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1650℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌4分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1510℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1510℃)，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1550℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1472℃至1519℃，轮毂200合金溶液的温度在1510℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.4m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.1m/s2。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.05m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度16kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度15kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为300Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(1.1+2.0)/(0.6+17)＝0.1761mm。
实施例5
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同之处在于：
S101、搅拌叶轮离心旋转模具预留收缩量3mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1600℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1580℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1540℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1540℃)，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1590℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1510℃至1558℃，轮毂200合金溶液的温度在1540℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.3m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.1m/s2。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.03m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度15kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度18kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为350Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(1.2+1.9)/(0.8+18)＝0.1649mm。
实施例6
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同之处在于：
S101、搅拌叶轮离心旋转模具预留收缩量2mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1580℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌1分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1640℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1520℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1520℃)，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1570℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1491℃至1538℃，轮毂200合金溶液的温度在1520℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.3m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.2m/s2。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.04m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度18kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度12kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为250Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(0.9+1.8)/(0.5+20)＝0.1317mm。
实施例7
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同之处在于：
S101、搅拌叶轮离心旋转模具预留收缩量为2mm，尺寸精度为±0.02mm；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1560℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌4分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1620℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1510℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1510℃)，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1550℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1472℃至1519℃，轮毂200合金溶液的温度在1510℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.25m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.1m/s2。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.025m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度18kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度15kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为280Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(0.9+2.1)/(0.8+22)＝0.1315mm。
实施例8
本实施例的离心铸造搅拌叶轮的方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同之处在于：
S101、搅拌叶轮离心旋转模具预留收缩量；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1600℃温度下熔炼轮片100合金，轮片100合金的化学成分如表1，将石墨坩埚内的熔液搅拌3分钟后进行除气精炼，形成轮片100合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1590℃温度下熔炼轮毂200合金，轮毂200合金的化学成分如表2，石墨坩埚内的熔液搅拌5分钟后进行除气精炼，形成轮毂200合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转模具置于卧式离心机上，当轮片100合金熔液浇铸至搅拌叶轮总质量80％时，停止浇铸，立即切换浇铸轮毂200合金熔液，在1550℃时浇铸(对熔融的合金溶液进行加热至1550℃)，由上述的熔炼温度可知，轮片100的熔炼温度和轮毂200的熔炼温度相差至少300-350℃，在离心机工作状态下，在本实施例中，轮片100合金的凝固温度T＝1590℃，当使轮片100合金熔液沉积并凝固在离心旋转模具的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，即铸坯的平均表面温度为1510℃至1558℃，轮毂200合金溶液的温度在1550℃，与轮片100铸坯的表面温度基本一致，在相同条件下，使得轮片100与轮毂200的收缩率相当，避免轮片100与轮毂200的衔接处产生热应力，减少开裂的可能性，同时提高两者的结合强度；最后脱模、清理铸件。
在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为0.4m/s2，待轮片100合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片100合金熔液金属液总重的40％，离心旋转模具旋转的加速度为0.15m/s2。
在步骤S103中，所述轮毂200合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转模具转速，离心旋转模具旋转的加速度为-0.045m/s2，直至铸件完全凝固。整个成型腔内充满了轮片100合金熔液，且在离心力的作用下，将轮毂200的中心位置空留，当开始浇铸轮毂200合金熔液时，若是仍旧保持高速旋转，则会导致轮毂200合金熔液被甩至轮片100的型腔，这样可能导致轮片100的强度和耐磨性能大幅下降，不利于搅拌叶轮的使用。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液浇铸速度16kg/min；所述轮毂200合金熔液浇铸速度15kg/min。
在步骤S103中，所述轮片100合金熔液和轮毂200合金熔液浇铸时的压力值为400Pa。控制浇铸时的真空压力值，可以避免合金熔液的氧化，避免产生表面裂纹。
所述过渡层300的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]＝(1.2+2.2)/(1+17)＝0.1889mm。
对本发明实施例1-8得到的搅拌叶轮进行性能测试，性能指标如下：
轮片硬度/HRC 轮毂硬度/HRC
实施例1 62 38
实施例2 64 40
实施例3 65 42
实施例4 63 39
实施例5 60 40
实施例6 62 40
实施例7 61 39
实施例8 63 41

Claims (14)

1.一种离心铸造搅拌叶轮，包括轮毂(200)和轮片(100)，所述轮片(100)螺旋环设在轮毂(200)上，其特征在于，其中所述轮片(100)的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：17～23％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质；所述轮毂(200)的化学成分按照质量含有C：0.3～0.4％、Si：0.6～0.9％、Mn：0.9～1.2％、Cr：1.8～2.2％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Ni：1.6～2.0％、Co：0.3～0.8％，余下为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的离心铸造搅拌叶轮，其特征在于，所述轮毂(200)与轮片(100)的衔接处形成有一个过渡层(300)，过渡层(300)的厚度h为0.1mm～0.2mm。
3.根据权利要求1或2所述的离心铸造搅拌叶轮，其特征在于，所述轮片(100)的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：17～22％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1或2所述的离心铸造搅拌叶轮，其特征在于，所述轮片(100)的化学成分按照质量含有C：2.3～3.0％、Si：≤1.0％、Mn：0.5～1.0％、Cr：22～23％、Mo：0.3～0.8％、P：≤0.035％、S：≤0.06％、Ni：0～1.5％、Co：0～1.0％，Cu：0～2.0％，余下为Fe及不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的离心铸造搅拌叶轮，其特征在于，所述轮片(100)的化学成分按照质量还含有W：0.1～1.0％、Nb：0.1～1.5％、Ti：0.1～3.0％、Zr：0.1～3.0％中的任意一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的离心铸造搅拌叶轮，其特征在于，所述轮毂(200)的化学成分按照质量还含有W：0.1～1.0％、Nb：0.1～1.0％、Zr：0.1～0.9％中的任意一种或两种以上。
7.根据权利要求2所述的离心铸造搅拌叶轮，其特征在于，所述过渡层(300)的厚度h满足以下公式：h＝[G轮毂(Mn)+G轮毂(Cr)]/[G轮片(Mn)+G轮片(Cr)]，其中G轮片(Mn)、G轮片(Cr)分别表示轮片化学组分中Mn和Cr的质量分数，G轮毂(Mn)、G轮毂(Cr)分别表示轮毂化学组分中Mn和Cr的质量分数，厚度单位为mm。
8.一种如权利要求1至7任一项所述离心铸造搅拌叶轮的制造方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S101、制作铸型：制作搅拌叶轮离心旋转铸型，离心旋转铸型包括左模板和右模板，将左模板与右模板扣合，形成成型腔，成型腔的形状与搅拌叶轮外轮廓相一致，预留收缩量；
S102、合金熔炼
1)选用第一石墨坩埚，在1550-1600℃温度下熔炼轮片(100)合金，将石墨坩埚内的熔液搅拌1～5分钟后进行除气精炼，形成轮片(100)合金熔液；
2)选用第二石墨坩埚，在1550-1650℃温度下熔炼轮毂(200)合金，将石墨坩埚内的熔液搅拌3～5分钟后进行除气精炼，形成轮毂(200)合金熔液；
S103、离心浇铸：采用卧式离心机，将离心旋转铸型置于卧式离心机上，先使上述轮片(100)合金熔液在离心力的作用下充型，然后紧密衔接，使上述轮毂(200)合金熔液在离心力的作用下充型，凝固时间为8～15分钟，最后脱模、清理铸件。
9.根据权利要求8所述的离心铸造搅拌叶轮的制造方法，其特征在于，在步骤S103中，从开始浇铸至5秒钟内任一时刻起，实施连续迅速地增加离心旋转铸型转速，离心旋转铸型旋转的加速度为0.2～0.4m/s2，待轮片(100)合金熔液浇铸到为需要浇铸的轮片(100)合金熔液金属液总重的35％～40％，离心旋转铸型旋转的加速度为0.1～0.2m/s2。
10.根据权利要求8所述的离心铸造搅拌叶轮的制造方法，其特征在于，在步骤S103中，所述轮毂(200)合金熔液浇铸时，立即连续地降低离心旋转铸型转速，离心旋转铸型旋转的加速度为-0.01～-0.05m/s2，直至铸件完全凝固。
11.根据权利要求8所述的离心铸造搅拌叶轮的制造方法，其特征在于，在步骤S103中，所述轮片(100)合金熔液浇铸速度15kg/min≤v≤20kg/min；所述轮毂(200)合金熔液浇铸速度12kg/min≤v≤18kg/min。
12.根据权利要求8所述的离心铸造搅拌叶轮的制造方法，其特征在于，在步骤S103中，所述轮片(100)合金熔液和轮毂(200)合金熔液浇铸时的压力值为200～400Pa。
13.根据权利要求8所述的离心铸造搅拌叶轮的制造方法，其特征在于，在步骤S103中，所述轮毂(200)合金熔液浇铸温度为1450-1550℃。
14.根据权利要求8所述的离心铸造搅拌叶轮的制造方法，其特征在于，当使轮片(100)合金熔液沉积并凝固在离心旋转铸型的内壁上时，铸坯的平均表面温度为0.95T至0.98T，其中T℃是轮片(100)合金的凝固开始温度。
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