CN110202089A - 铸件的复合造型方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铸件的复合造型方法及其应用。所述方法采用快冷型砂对所述铸件的主体进行造型，采用慢冷型砂对所述铸件的冒口进行造型。该方法采用不同的冷却型砂对铸件的不同部位进行复合造型，实现了加快厚大铸件主体凝固冷却速率和减慢铸件冒口凝固冷却速率的同时控制，解决了单一型砂造型无法同时实现细化铸件主体芯部组织和改善冶金质量的难题，有助于提高铸件的承力水平。本发明还涉及应用了上述复合造型方法的铸件的铸造方法。

Description

铸件的复合造型方法及其应用
技术领域
本发明涉及金属材料铸造领域，具体而言，涉及铸件的复合造型方法及其应用。
背景技术
精密铸件，尤其是以新型轻质高温结构材料钛铝合金铸造的精密铸件，例如钛铝合金增压器涡轮，目前国内外均采用精密铸造工艺来制备，其中，直径100mm以上的钛铝涡轮主要采用立式离心铸造工艺。
新型轻质高温结构材料钛铝合金，代替较重的镍基高温合金应用于车辆发动机用增压器涡轮，可大幅降低涡轮转轴的转动惯量，显著改善发动机和车辆的加速响应性，同时还具有显著的节能减排效果。轻质钛铝增压器涡轮的工程化应用，是实现增压器轻量化的必然发展趋势。
以钛铝合金增压器涡轮的铸造过程为例，尽管通过优化铸造工艺和补缩结构等技术措施解决了薄壁叶片精铸成形、涡轮厚大轮毂宏观冶金质量的问题，但微观缺陷统计和微观组织观察发现，厚大轮毂芯部还存在少量尺寸超过200μm的分散性疏松和组织粗大的问题。考虑到轮毂芯部是增压器涡轮服役时受力最大的部位，对于钛铝合金这种室温拉伸塑性较低的材料，疏松缺陷和组织粗大将给钛铝增压器涡轮承力水平带来显著不利的影响。现有造型方法往往未能针对涡轮轮毂和补缩冒口对凝固冷却速率的不同需求，采用无差别的型砂对铸件所有部位进行造型。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种铸件的复合造型方法，该方法采用不同的冷却型砂对铸件的不同部位进行复合造型，实现了加快厚大铸件主体凝固冷却速率和减慢铸件冒口凝固冷却速率的同时控制，解决了单一型砂造型无法同时实现细化铸件主体芯部组织和改善冶金质量的难题，有助于提高铸件的承力水平。
本发明的第二目的在于提供一种铸件的铸造方法，该方法中铸件的造型过程采用上述复合造型方法。
为解决现有技术的前述难题，原则上应该加快厚大轮毂部位的凝固冷却速率以细化组织、同时减慢补缩冒口部位的凝固冷却速率以保证轮毂的充分补缩。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
铸件的复合造型方法，其采用快冷型砂对所述铸件的主体进行造型，采用慢冷型砂对所述铸件的冒口进行造型；
所述快冷型砂和所述慢冷型砂的导热系数差值在40～440W·m-1·K-1以上，蓄热系数差值在40～340W·m-2·K-1以上。
可选地，所述快冷型砂的导热系数为50～450W·m-1·K-1、蓄热系数为50～350W·m-2·K-1。
可选地，所述快冷型砂的导热系数下限值可以独立地选自50、60、70、80、90、100、120、150、180、200、250、300、325、350、400、407、410、420、430、440、450W·m-1·K-1点值。
可选地，所述快冷型砂的导热系数上限值可以独立地选自50、80、100、120、150、180、200、250、300、320、350、380、400、410、420、430、440、450W·m-1·K-1点值。
可选地，所述快冷型砂的蓄热系数下限值可以独立地选自50、60、70、80、90、100、120、150、180、200、250、300、310、320、330、340、350W·m-2·K-1点值。
可选地，所述快冷型砂的蓄热系数上限值可以独立地选自50、80、100、120、150、180、200、250、280、300、310、320、330、340、350W·m-2·K-1点值。
本发明中，高蓄热、高导热系数的快冷型砂的使用，可以加快凝固冷却速率，实现铸件主体结构的组织细化。
可选地，所述快冷型砂选自紫铜型砂、铝型砂、铁型砂、石墨型砂中的至少一种。
可选地，所述慢冷型砂的导热系数0.3～10.0W·m-1·K-1、蓄热系数0.5～10.0W·m-2·K-1。
可选地，所述慢冷型砂的导热系数下限值可以独立地选自0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0W·m-1·K-1。
可选地，所述慢冷型砂的导热系数上限值可以独立地选自0.3、0.5、0.8、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0W·m-1·K-1。
可选地，所述慢冷型砂的蓄热系数下限值可以独立地选自0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0W·m-2·K-1。
可选地，所述慢冷型砂的蓄热系数上限值可以独立地选自0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0W·m-2·K-1。
本发明中，低蓄热、低导热系数的慢冷型砂的使用，可以减慢冒口的凝固冷却速率，保证冒口对铸件主体的充分补缩，以改善冶金质量。
可选地，所述慢冷型砂选自氧化镁型砂、莫来石型砂。
本发明中，以钛铝增压器涡轮铸件为典型，快冷型砂和慢冷型砂对铸件特定部位的复合造型，解决了单一型砂造型无法同时实现细化轮毂芯部组织和改善冶金质量的难题，有利于提高钛铝增压器涡轮质量最薄弱、而受力最大的轮毂芯部的承力能力。
可选地，所述快冷型砂的粒径为1.0～5.0mm。
可选地，所述快冷型砂的粒径分布为D70≤3mm。
可选地，所述慢冷型砂的粒径为2.0～10.0mm。
可选地，所述慢冷型砂的粒径分布为5≤D80≤10mm。
本发明中，选择合适的快冷型砂的粒径及粒径分布有利于更高效地加快铸件主体的凝固冷却速率，进而细化组织；选择合适的慢冷型砂的粒径及粒径分布，有助于更高效地降低相应部件的冷却速率，进而改善冶金质量。
可选地，铸件的复合造型方法包括：
将铸件的主体在下，冒口在上，倒置于砂箱中；
将快冷型砂装填在砂箱中铸件主体周围，快冷型砂的装填高度不超过铸件主体与冒口的连接处表面；
在铸件主体与冒口的连接处表面放置隔板，以隔离快冷型砂和慢冷型砂；
将慢冷型砂装填在砂箱中冒口周围，慢冷型砂的装填高度不超过冒口顶端，冒口顶端采用压板进行固定；对铸件进行复合造型。
可选地，在铸件主体与冒口的连接处表面放置隔板，以隔离快冷型砂和慢冷型砂。
可选地，所述冒口的顶端采用压板进行固定。
可选地，所述隔板和所述压板的厚度为0.5～2mm。
可选地，所述隔板和所述压板的材质可以选自金属板、陶瓷板。
可选地，所述隔板和所述压板选自导热性能不高的陶瓷板。
作为一种实施方式，铸件的复合造型方法包括：
将铸件倒置于砂箱中，铸件主体在下，冒口在上，且铸件主体与冒口相连；
采用1.0～5.0mm颗粒状的快冷型砂对铸件主体部分进行造型，型砂高度不超过铸件主体与冒口的连接处表面，其中，快冷型砂导热系数50～450W·m-1·K-1、蓄热系数50～350W·m-2·K-1；
将厚度0.5～2mm的陶瓷板放置于铸件主体与冒口的连接处，以隔离快冷型砂和慢冷型砂；
采用2.0～10.0mm颗粒状的慢冷型砂对隔板以上的冒口部分进行造型，高度不超过冒口顶端，并采用0.5～2mm的陶瓷压板进行固定，其中，慢冷型砂导热系数0.3～10.0W·m-1·K-1、蓄热系数0.5～10.0W·m-2·K-1。
根据本发明的另一目的，还提供了铸件的铸造方法，包括铸件的铸造成型步骤和造型步骤；其中，造型步骤采用上述任一铸件复合造型方法进行。
可选地，所述铸件的铸造成型方法包括但不限于立式离心铸造、重力铸造、反重力铸造、压力铸造。
可选地，所述铸件的铸造成型方法为立式离心铸造和/或重力铸造。
可选地，所述铸件包括但不限于涡轮、叶轮。
可选地，所述涡轮或叶轮的轮毂直径为100mm以上。
可选地，所述涡轮为增压器涡轮。
可选地，所述叶轮为增压器压气机叶轮。
可选地，所述涡轮为钛铝增压器涡轮。
可选地，叶轮为钛合金增压器压气机叶轮。
作为一种实施方式，钛铝增压器涡轮的铸造方法包括：
(1)根据涡轮结构尺寸特点，确定能保证涡轮叶片精铸成形和轮毂宏观冶金质量的主要浇注工艺参数范围和补缩冒口结构；
(2)将涡轮铸件倒置于砂箱中，涡轮在下，补缩冒口在上，且轮毂面与补缩冒口相连；
(3)采用1.0～5.0mm颗粒状的快冷型砂对涡轮轮毂面以下部分进行造型，型砂高度不超过涡轮轮毂面，其中，快冷型砂导热系数50～450W·m-1·K-1、蓄热系数50～350W·m-2·K-1；
(4)将厚度0.5～2mm的陶瓷隔板放置于涡轮轮毂面上，以隔离快冷型砂和慢冷型砂；
(5)采用2.0～10.0mm颗粒状的慢冷型砂对轮毂面以上的补缩冒口进行造型，高度不超过补缩冒口顶端，并采用0.5～2mm的陶瓷压板进行固定，其中，慢冷型砂导热系数0.3～10.0W·m-1·K-1、蓄热系数0.5～10.0W·m-2·K-1；
(6)在涡轮铸件铸造之后，综合叶片成型情况、轮毂宏微观冶金质量以及组织细化情况，适当调整涡轮的浇注成型工艺参数，以确定与复合造型方法相匹配的浇注成型工艺。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的铸件的复合造型方法，采用不同的冷却型砂对铸件的不同部位进行复合造型，实现了加快厚大铸件主体凝固冷却速率和减慢铸件冒口凝固冷却速率的协同控制，解决了单一型砂造型无法同时实现细化铸件主体芯部组织和改善冶金质量的难题，有助于提高铸件的承力水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明一种实施方式中钛铝增压器涡轮铸件的复合造型过程示意图；图中附图标记如下：
1-涡轮轮毂；2-补缩冒口；3-快冷型砂；4-隔板；5-慢冷型砂；6-压板；
图2为不同造型方法浇注得到的Φ160mm涡轮轮毂芯部冶金缺陷典型照片，其中：
(a)单一镁砂造型方法；(b)复合造型方法；
图3为不同造型方法浇注得到的Φ160mm涡轮轮毂芯部层片组织照片，其中：
(a)单一镁砂造型方法；(b)复合造型方法。
具体实施方式
下面将结合实施例及附图对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
典型地，以下实施例以钛铝增压器涡轮的铸造与造型为实例，详细描述本发明的具体实施方案。
实施例1轮毂外径100mm钛铝增压器涡轮的复合造型与铸造
采用立式离心铸造方法将涡轮成型，轮毂1外径为100mm，补缩冒口2外径为80mm；浇注工艺参数包括：
浇注温度1600～1650℃，铸型预热温度400～600℃，离心转速600～1000rpm。
对浇注成型的涡轮进行复合造型：
如图1中所示，将涡轮的陶瓷型壳(1+2)导致于砂箱中，涡轮轮毂1在下，补缩冒口2在上，且轮毂面与补缩冒口相连；
采用1.0～5.0mm颗粒状且粒径分布为D70＝3mm、导热系数407W·m-1·K-1、蓄热系数325W·m-2·K-1紫铜型砂3对涡轮轮毂面以下部分进行造型，型砂高度不超过轮毂面；
将厚度1.5mm的陶瓷隔板4放置于涡轮轮毂面上，以隔离快冷型砂和慢冷型砂；
采用2.0～10.0mm颗粒状且粒径分布为D80＝8mm、导热系数0.7W·m-1·K-1、蓄热系数8.0W·m-2·K-1的氧化镁砂5对轮毂面以上的补缩冒口2进行造型，高度不超过补缩冒口顶端，并采用1.5mm的陶瓷压板6进行固定；对涡轮进行复合造型。
在涡轮铸造之后，综合涡轮叶片成型情况、轮毂宏微观冶金质量以及组织细化情况，采用以下调整后的工艺参数进行浇注：浇注温度1600～1650℃，铸型预热温度600℃，离心转速900rpm。
实施例2轮毂外径160mm钛铝增压器涡轮的复合造型与铸造
采用立式离心铸造方法将涡轮成型，轮毂1外径为160mm，补缩冒口2外径为100mm；浇注工艺参数包括：
浇注温度1600～1650℃，铸型预热温度200～400℃，离心转速300～600rpm。
对浇注成型的涡轮进行复合造型：
如图1中所示，将涡轮的陶瓷型壳(1+2)导致于砂箱中，涡轮轮毂1在下，补缩冒口2在上，且轮毂面与补缩冒口相连；
采用1.0～5.0mm颗粒状且粒径分布为D70＝2mm、导热系数200W·m-1·K-1、蓄热系数191W·m-2·K-1铝型砂3对涡轮轮毂面以下部分进行造型，型砂高度不超过轮毂面；
将厚度1.5mm的陶瓷隔板4放置于涡轮轮毂面上，以隔离快冷型砂和慢冷型砂；
采用2.0～10.0mm颗粒状且粒径分布为D80＝5mm、导热系数0.7W·m-1·K-1、蓄热系数1.0W·m-2·K-1的氧化镁砂5对轮毂面以上的补缩冒口2进行造型，高度不超过补缩冒口顶端，并采用1.5mm的陶瓷压板6进行固定；对涡轮进行复合造型。
在涡轮铸造之后，综合涡轮叶片成型情况、轮毂宏微观冶金质量以及组织细化情况，采用以下调整后的工艺参数进行浇注：浇注温度1600～1650℃，铸型预热温度400℃，离心转速600rpm。
对比例1轮毂外径100mm钛铝增压器涡轮的单一造型与铸造
铸造工艺与实施例1中大致相同，不同之处在于：造型过程采用单一镁砂(导热系数0.7W·m-1·K-1、蓄热系数8.0W·m-2·K-1)对轮毂和补缩冒口进行无差别造型。
对比例2轮毂外径160mm钛铝增压器涡轮的单一造型与铸造
铸造工艺与实施例2中大致相同，不同之处在于：造型过程采用单一镁砂(导热系数0.7W·m-1·K-1、蓄热系数1.0W·m-2·K-1)对轮毂和补缩冒口进行无差别造型。
实验例
切取实施例1、实施例2以及对比例1和2中铸造得到的涡轮轮毂芯部金相试样，采用标准金相试样制备方法研磨抛光后，在光学显微镜100倍下观察微观缺陷，采用背散射扫描电镜按照GB/T5749定量金相法统计层片间距。其中，光学显微镜采用LEICA MEF4A图像分析仪，背散射扫描电镜采用JEOL公司的JEOL JSM7800扫描电镜。
实施例1、2以及对比例1、2涡轮芯部质量对比结果如表1中所列：
表1涡轮芯部质量对比结果
由表1中结果可以发现：
与对比例1相比，实施例1中采用复合造型方法后，外径100mm的涡轮轮毂芯部微观缺陷最大尺寸从212μm以上减小到55μm，同时，平均层片间距从1200nm减小到456nm。
类似地，与对比例2相比，实施例2中采用复合造型方法后，外径160mm涡轮轮毂芯部微观缺陷最大尺寸从256μm减小到72μm，如图2中所示；同时，平均层片间距从1578nm减小到662nm，如图3中所示。
采用本发明提供的复合造型方法，采用不同的冷却型砂对铸件的不同部位进行复合造型，实现了加快厚大铸件主体凝固冷却速率和减慢铸件冒口凝固冷却速率的协同控制，高蓄热、高导热系数的快冷型砂可以加快凝固冷却速率，实现铸件结构的组织细化，低蓄热、低导热系数的慢冷型砂可以减慢冒口的凝固冷却速率，保证冒口对铸件主体的充分补缩，以改善冶金质量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.铸件的复合造型方法，其特征在于，采用快冷型砂对所述铸件的主体进行造型，采用慢冷型砂对所述铸件的冒口进行造型；
所述快冷型砂和所述慢冷型砂的导热系数差值在40～440W·m-1·K-1以上，蓄热系数差值在40～340W·m-2·K-1以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快冷型砂的导热系数为50～450W·m-1·K-1、蓄热系数为50～350W·m-2·K-1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述慢冷型砂的导热系数为0.3～10.0W·m-1·K-1、蓄热系数为0.5～10.0W·m-2·K-1。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述快冷型砂的粒径为1.0～5.0mm。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述慢冷型砂的粒径为2.0～10.0mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将铸件的主体在下，冒口在上，倒置于砂箱中；
将快冷型砂装填在砂箱中铸件主体周围，快冷型砂的装填高度不超过铸件主体与冒口的连接处表面；
将慢冷型砂装填在砂箱中冒口周围，慢冷型砂的装填高度不超过冒口顶端，对铸件进行复合造型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在铸件主体与冒口的连接处表面放置隔板，以隔离快冷型砂和慢冷型砂；
所述冒口的顶端采用压板进行固定；
优选地，所述隔板和所述压板的厚度为0.5～2mm。
8.铸件的铸造方法，其特征在于，包括铸件的铸造成型步骤和造型步骤；
其中，造型步骤采用权利要求1至7任一项所述的铸件复合造型方法进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铸件的铸造成型方法包括立式离心铸造、重力浇注、压力铸造、反重力铸造；
优选地，所述铸件的铸造成型方法为立式离心铸造和/或重力铸造。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铸件包括涡轮、叶轮；
优选地，所述涡轮或叶轮的轮毂直径为100mm以上；
优选地，所述涡轮为增压器涡轮；所述叶轮为增压器压气机叶轮；
进一步优选地，所述涡轮为钛铝增压器涡轮；所述叶轮为钛合金增压器压气机叶轮。
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