制動盤盤體的鑄造方法和裝置及由此製得的制動盤盤體與流程
2023-05-15 05:18:11
本發明涉及一種鑄造方法，尤其涉及一種適用於高速列車鑄鋼製動盤盤體的鑄造方法和裝置，及由此製得的制動盤盤體。
背景技術：
制動盤盤體是高速列車的關鍵部件，在列車制動時起重要作用。由於其工作環境複雜惡劣，維修更換不便。要求制動盤產品必須有穩定的質量和較長的使用壽命。大量研究表明，在材質一定的情況下，鑄造制動盤盤體失效的主要原因是盤體中存在縮孔、縮松、砂孔、裂紋等鑄造缺陷。250km/h以上速度的高速列車，對制動盤盤體的質量提出了更高的要求，對縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷的容忍度進一步降低，同時，對材質中的氣體及夾雜物的含量也做出了嚴格的限制。這都要求必須有相應合理的澆注系統和補縮系統來保證，因此，開發一種能夠穩定生產高速列車鑄鋼及其他合金的制動盤盤體的鑄造工藝是一個很迫切的問題。公布號為CN102069148A的發明專利公開了一種高速機車用制動盤的鑄造方法，包括如下步驟：凝固模擬、設計砂芯、芯盒製作、制芯、組芯、熔煉澆注、打箱落砂和清理，該發明採用無箱疊芯組合澆注的方式，一次造型澆注4-8件，生產效率高，但是生產的鑄件仍然存在大量的鑄造缺陷。公告號為CN202097365U的實用新型專利公開了一種汽車制動盤鑄造澆道機構，包括直澆道、橫澆道、冒口和鑄件，直澆道和橫澆道之間設有集渣包I和集渣包II，橫澆道和冒口之間設有集渣包III，該實用新型設計了三道集渣道，能濾去鐵液中50%以上的夾渣，但是生產的鑄件仍然存在大量的鑄造缺陷。
技術實現要素：
為克服上述現有技術中存在的問題，本發明提供一種制動盤盤體的鑄造方法，其按照先後順序包括以下步驟：（1）通過計算機模擬軟體對所述制動盤盤體的鑄造工藝和鑄造裝置進行模擬分析，確定澆注系統和補縮系統的位置，所述補縮系統的冒口中心置於鑄件內側壁至鑄件幾何中心的任一位置；在進行模擬分析前，首先對鑄件需要達到的技術要求做分析，根據技術要求模擬制動盤盤體的鑄造工藝和鑄造裝置。本發明選用的模擬軟體包括適用於材料加工工程及製造領域中的任何模擬軟體，如Magma、ProCast、NovaCast、AnyCast、Flow3D、華鑄CAE、Ansys、Abaqus、Marc等。打開模擬軟體，建立實體模型，在模型上劃分網格，設定參數，進行模擬分析；根據模擬結果調試參數，然後使用新的參數再次進行模擬分析；經過不斷的調試參數，得到能夠達到鑄件技術要求的鑄造工藝和鑄造裝置。本發明經過大量模擬，最終確定了澆注系統和補縮系統的位置，其中當補縮系統的冒口中心置於鑄件內側壁至鑄件幾何中心的任一位置時，模擬結果顯示，制動盤盤體中的縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷最少，甚至沒有缺陷。從模擬分析結果看，只有當澆注系統和補縮系統的位置設計合理，且相互配合，才能有效地防止制動盤盤體在鑄造過程中出現缺陷，使得鑄件充型均勻密實，其綜合性能和整體質量大幅度提高。本發明的澆注系統能有效確保金屬液平穩均衡充型，排氣順暢，防止金屬液在充型過程中因紊流飛濺和對型腔的衝蝕等原因而使鑄件產生砂孔、渣孔、氣孔等鑄造缺陷，同時能強化鑄件的順序凝固趨勢，提高冒口的補縮效率；補縮系統中的冒口與補貼配合能實現鑄件的順序凝固，同時確保其在凝固過程中實現完全補縮，防止鑄件出現縮孔、縮松等缺陷，保證鑄件性能各向同性，防止鑄件發生變形。（2）根據步驟（1）的模擬分析結果，制定所述制動盤盤體的鑄造工藝，採用底返引入金屬液的方式進行底澆，其中金屬液由整流過濾裝置底部進入型腔；在制動盤盤體的實際鑄造過程中，金屬液進入型腔的方式、位置、流速等各個參數均要符合模擬結果。（3）製作鑄造裝置，其澆注系統和補縮系統的位置符合步驟（1）中模擬分析的結果；在實際的鑄造裝置中，澆注系統和補縮系統的位置、形狀、尺寸、冒口的形狀及數量等各個參數均要符合模擬結果；（4）製作型芯；（5）合箱；（6）熔煉澆注；（7）打箱落砂並清理，切除冒口部分；（8）對鑄件進行粗加工和熱處理；（9）對鑄件進行調質處理和精加工。熱處理的目的是消除鑄件組織中的柱狀晶、粗大的等軸晶和樹枝狀偏析，消除殘餘應力和部分缺陷，改善鑄件的力學性能。調質處理為淬火和高溫回火的雙重熱處理，其目的是保證鑄件具有優良的綜合機械性能，既具有較高的強度又具有較高的塑性和韌性。對鑄件進行無損檢測，同時滿足了射線探傷I級、超聲探傷I級和磁粉探傷I級的檢驗要求。通過上述鑄造方法製備的制動盤盤體，其屈服強度σ0.2≥950MPa。優選的是，所述冒口的數量為一個，且冒口中心置於鑄件幾何中心的位置。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量為一個，且冒口中心置於距離鑄件幾何中心為10-15mm的位置。當冒口為一個時，冒口底部對應一個內澆口，冒口中心和內澆口中心均置於鑄件幾何中心或鑄件幾何中心附近的位置。金屬液由內澆口向四周流動，實現平穩均衡的充型，所製備的制動盤盤體中沒有縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量至少為兩個，且均勻分布在以鑄件幾何中心位置為中心的同一個圓周上。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量至少為兩個，且冒口中心置於鑄件內側壁的位置。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量至少為兩個，且冒口中心置於距離鑄件幾何中心為（1/2）R的位置，其中R為鑄件內側壁至鑄件幾何中心的距離。當冒口為多個時，並不是每一個冒口底部都對應一個內澆口，可以分段設置內澆口。冒口中心和內澆口中心均置於鑄件內側壁或距離鑄件幾何中心一定距離的位置。金屬液由各個內澆口向四周流動，實現平穩均衡的充型，所製備的制動盤盤體中沒有縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量為六個或八個。在上述任一方案中優選的是，內澆口置於所述冒口的底部，並與鑄件相連。內澆口位於補縮鑄件的冒口之下，與冒口連接為一體，提高補縮效率。在上述任一方案中優選的是，所述金屬液在內澆口的流速為20-60cm/s，確保金屬液平穩均衡的充型。在上述任一方案中優選的是，所述金屬液在鑄件中的上升速度為15-35mm/s，確保金屬液平穩均衡的充型。本發明的制動盤盤體的鑄造方法能實現鑄件的順序凝固和完全補縮，有效防止鑄件在鑄造過程中出現縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等缺陷，確保鑄件性能各向同性，保證具有高質量制動盤盤體的生產。本發明還提供一種制動盤盤體的鑄造裝置，其包括澆注系統和補縮系統，所述澆注系統包括澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道和整流過濾裝置，所述補縮系統包括冒口和補貼，所述冒口中心置於鑄件內側壁至鑄件幾何中心的任一位置。當澆注系統和補縮系統的位置設計合理，且相互配合，才能有效地防止制動盤盤體在鑄造過程中出現缺陷。澆注系統能有效確保金屬液平穩均衡充型，排氣順暢，防止金屬液在充型過程中因紊流飛濺和對型腔的衝蝕等原因而使鑄件產生砂孔、渣孔、氣孔等鑄造缺陷，同時能強化鑄件的順序凝固趨勢，提高冒口的補縮效率；補縮系統中的冒口與補貼配合能實現鑄件的順序凝固，同時確保其在凝固過程中實現完全補縮，防止鑄件出現縮孔、縮松等缺陷，保證鑄件性能各向同性，防止鑄件發生變形。補縮系統的冒口中心置於鑄件內側壁至鑄件幾何中心的任一位置時，所製備的制動盤盤體中沒有縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷。優選的是，所述澆注系統還包括橫澆道溢流段。橫澆道溢流段是橫澆道的延伸部分，用來收集最初階段進入澆注系統中的金屬液，這些金屬液因衝刷清洗澆注系統而溫度下降，同時變得不清潔，將其收集起來是為了避免該部分冷而不清潔的金屬液進入型腔而影響鑄件質量。在上述任一方案中優選的是，所述澆注系統還包括集渣溢流片和集渣排氣棒。集渣溢流片用於收集充型時流程最長的冷而不清潔的金屬液；集渣排氣棒有利於充型時型腔的排氣，防止氣體在鑄件內產生氣孔。在上述任一方案中優選的是，所述澆口杯、直澆道、橫澆道和橫澆道溢流段依次相連，便於金屬液在進入型腔前流通順暢，能夠平穩的進入內澆道，進而進入型腔；所述冒口與補貼相連，補貼與鑄件相連，補貼可作為補縮通道，二者配合補償鑄件在凝固時的收縮，避免產生縮孔、縮松等缺陷。在上述任一方案中優選的是，所述內澆道置於冒口的下方和橫澆道的上方。在上述任一方案中優選的是，內澆口置於所述冒口的底部，並與鑄件相連。在上述任一方案中優選的是，所述整流過濾裝置置於內澆道與橫澆道之間。金屬液在橫澆道中穩定後，先進入整流過濾裝置進行過濾，將夾渣、雜質等使鑄件產生缺陷的物質過濾掉，然後進入內澆道，進而進入型腔，有效防止鑄件產生渣孔、砂孔、裂紋等缺陷。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量為一個，且冒口中心置於鑄件幾何中心的位置。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量為一個，且冒口中心置於距離鑄件幾何中心為10-15mm的位置。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量至少為兩個，且均勻分布在以鑄件幾何中心位置為中心的同一個圓周上。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量至少為兩個，且冒口中心置於鑄件內側壁的位置。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量至少為兩個，且冒口中心置於距離鑄件幾何中心為（1/2）R的位置，其中R為鑄件內側壁至鑄件幾何中心的距離。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的數量為六個或八個。在上述任一方案中優選的是，所述澆口杯、直澆道、橫澆道和橫澆道溢流段由耐火材料製成，比如陶瓷管和/或陶瓷磚等，因為耐火材料具有良好的保溫特性。在上述任一方案中優選的是，所述內澆道由耐火材料製成或由砂型形成。內澆道可由陶瓷管和/或陶瓷磚等具有良好保溫特性的耐火材料製成，也可由砂型形成，砂型具有很好的保溫效果。在上述任一方案中優選的是，所述冒口由砂型形成或冒口外側包覆一層保溫耐火材料。砂型也具有良好的保溫發熱效果，也可在冒口外側包覆一層耐火石棉、陶瓷纖維等具有良好保溫發熱效果的保溫耐火材料。在上述任一方案中優選的是，所述補貼由金屬材料或保溫耐火材料形成。補貼是補縮的通道，與冒口配合，對鑄件起到補償的作用。補縮時，若增加鑄件的形狀，則補貼由金屬材料形成，該金屬材料與鑄件的材料相同；補縮時，若不增加鑄件的形狀，則補貼由保溫耐火材料形成，起到保溫發熱的作用。在上述任一方案中優選的是，所述集渣溢流片置於鑄件外側的上下邊緣。在上述任一方案中優選的是，所述集渣排氣棒置於鑄件外側，並與上下邊緣的集渣溢流片相連。在上述任一方案中優選的是，所述冒口的形狀為圓柱體、腰圓體或多面體。冒口橫截面可為圓形、腰圓形、梯形、五邊形、六邊形等。本發明的制動盤盤體的鑄造裝置能實現鑄件的順序凝固和完全補縮，有效防止鑄件在鑄造過程中出現縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等缺陷，確保鑄件性能各向同性，保證具有高質量制動盤盤體的生產。本發明還提供一種制動盤盤體，該盤體由上述任一種鑄造方法和鑄造裝置製成。所製備的制動盤盤體沒有縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷，且性能各向同性，具有較高且均勻的力學性能。本發明的鑄造方法和/或鑄造裝置的澆注系統和補縮系統可適用於鑄鋼及其他合金的高速列車制動盤盤體的生產。附圖說明圖1為按照本發明的制動盤盤體的鑄造方法的工藝流程圖；圖2為按照本發明的制動盤盤體的鑄造方法的一優選實施例的縮孔縮松缺陷模擬顯示圖；圖3為按照本發明的制動盤盤體的鑄造裝置的一優選實施例的剖面圖；圖4為按照本發明的制動盤盤體的鑄造裝置的另一優選實施例的立體結構圖；圖5為按照本發明的制動盤盤體的鑄造裝置的圖4的優選實施例的45°仰視立體結構圖；圖6為按照本發明的制動盤盤體的鑄造裝置的另一優選實施例的立體結構圖；圖7為按照本發明的制動盤盤體的鑄造裝置的圖6的優選實施例的45°仰視立體結構圖。圖中標註說明：1-鑄件，2-冒口，3-補貼，4-澆口杯，5-直澆道，6-橫澆道，7-橫澆道溢流段，8-內澆道，9-內澆口，10-整流過濾裝置，11-集渣溢流片，12-集渣排氣棒，13-縮孔縮松。具體實施方式為了更進一步了解本發明的
技術實現要素：
，下面將結合具體實施例詳細闡述本發明。實施例一：以時速350km/h的高速列車鑄鋼製動盤軸盤盤體（外徑為600mm，內徑為240mm，）為例，其鑄造方法的工藝流程如圖1所示，其按照先後順序包括以下步驟：（1）通過計算機模擬軟體對制動盤盤體的鑄造工藝和鑄造裝置進行模擬分析，確定澆注系統和補縮系統的位置，補縮系統的冒口2中心置於鑄件1幾何中心位置；（2）根據步驟（1）的模擬分析結果，制定所述制動盤盤體的鑄造工藝，採用底返引入金屬液的方式進行底澆，其中金屬液由整流過濾裝置10底部進入型腔；（3）製作鑄造裝置，其澆注系統和補縮系統的位置符合步驟（1）中模擬分析的結果；（4）製作型芯；（5）合箱；（6）熔煉澆注；（7）打箱落砂並清理，切除冒口部分；（8）對鑄件進行粗加工和熱處理；（9）對鑄件進行調質處理和精加工。選用Magma模擬軟體對鑄造工藝和鑄造裝置進行模擬分析。根據最佳模擬結果，制定實際的鑄造工藝流程和實際的鑄造裝置。在制動盤盤體的鑄造過程中，金屬液進入型腔的方式、位置、流速等各個參數均要符合模擬結果；鑄造裝置中澆注系統和補縮系統的位置、形狀、尺寸、冒口形狀及數量等各個參數也均要符合模擬結果。冒口2數量為一個，其底部對應一個內澆口9。冒口2中心和內澆口9中心均置於鑄件1幾何中心位置。金屬液由內澆口向四周流動，實現穩定均衡的充型。冒口2形狀為圓柱體，直徑為150mm，高度為150mm。通過Magma模擬軟體分析，冒口2為一個，且冒口2中心置於鑄件1幾何中心位置時，所製備的制動盤盤體中沒有縮孔縮松13、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷。如圖2所示，鑄件1及冒口2在凝固後縮孔縮松缺陷的顯示，模擬表明，所有縮孔縮松13都集中在冒口2中，鑄件1內部均勻緻密，沒有縮孔縮松13。金屬液在內澆口9的流速為20cm/s，金屬液在鑄件1中的上升速度為15mm/s。對鑄件進行無損檢測，同時滿足了射線探傷I級、超聲探傷I級和磁粉探傷I級的檢驗要求。製得的制動盤盤體的屈服強度σ0.2=950MPa。如圖3所示，一種制動盤盤體的鑄造裝置，其包括澆注系統和補縮系統，澆注系統包括澆口杯4、直澆道5、橫澆道6、內澆道8和整流過濾裝置10，補縮系統包括冒口2和補貼3，冒口2中心置於鑄件1幾何中心位置。澆注系統還包括橫澆道溢流段7、集渣溢流片11和集渣排氣棒12。澆口杯4、直澆道5、橫澆道6和橫澆道溢流段7依次相連，冒口2與補貼36相連。內澆道8置於冒口2的下方和橫澆道6的上方。內澆口9置於冒口2的底部，並與鑄件1相連。整流過濾裝置10置於內澆道8與橫澆道6之間。冒口2數量為一個，其形狀為圓柱體，直徑為150mm，高度為150mm。冒口2中心和內澆口9中心均置於鑄件1幾何中心位置。澆口杯4、直澆道5、橫澆道6和橫澆道溢流段7均由耐火材料製成；內澆道8由耐火材料製成；冒口2由砂型形成；補縮時，需增加鑄件的形狀，所以補貼3由與鑄件材料相同的金屬材料形成。集渣溢流片11置於鑄件1外側的上下邊緣；有兩個集渣排氣棒12，均布於鑄件1外側，並與上下邊緣的集渣溢流片11相連。一種制動盤盤體，由上述的鑄造方法和鑄造裝置製備而成。所製備的制動盤盤體沒有縮孔、縮松、砂孔、氣孔、渣孔、裂紋等鑄造缺陷，且性能各向同性，具有較高且均勻的力學性能。實施例二：以時速250km/h的高速列車鑄鋼製動盤軸盤盤體（外徑為610mm，內徑為240mm，）為例，其鑄造方法的工藝流程如圖1所示，其按照...