一種高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件及其鑄造方法與流程
2023-10-06 05:05:14 2
本發明涉及一種高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件及其鑄造方法。
背景技術：
m25s是ni-cu-si-fe-mn系列彌散強化型鎳銅合金，也稱高矽蒙乃爾。其中矽含量高達4％以上，矽的加入提高了合金的強度、硬度及再結晶溫度，改善了合金的鑄造性能。
常規的高矽鎳銅合金鑄件一般採用的是精密鑄造(即為矽溶膠熔模鑄造)或離心鑄造的工藝。精密鑄造即先製作模具，用這個模具打出和圖紙尺寸、外形相符的蠟模，然後進行澆注冒口的組裝，完成後進入制殼環節，制殼完成後進行脫蠟，裡面的蠟水脫盡後形成一個和圖紙要求一樣的空腔外面包裹著模殼，放置一段時間後進行熔煉澆注，化鋼水和培燒模殼同時進行，熔煉結束以後將成分合格的鋼水直接倒入模殼中，然後自然冷卻，最後進行對鑄件進行清砂、打磨等後處理。
以前上海中洲特種合金材料股份有限公司主要以矽溶膠熔模鑄造方法生產m25s高硬度鎳銅合金迴轉體類鑄件，因m25s合金主要由金屬元素鎳、銅、矽等元素組成，如在大氣下煉鋼、澆注，這些金屬將同空氣中的氧發生反應，產生大量的氧化物，導致鑄件基體中出現夾雜，嚴重組織不連續，另外，採用常規精密鑄造生產有壁厚差的帶臺階的m25s合金鑄件時，在拐角位置經常出現裂紋，特別是當直徑尺寸超過12寸時，精密鑄造簡直無法生產，且無法補焊，其產品出現夾渣、氣孔等缺陷時均只能報廢處理。
目前研究發現，可以利用離心力將鋼水中的雜質和氣孔甩至外表面，從而達到淨化本體的效果，特別是對m25s合金迴轉體類鑄件採用離心澆鑄時，取得了非常顯著的改善效果。然而在大氣下進行離心鑄造產品非常容易形成內部氣孔、夾渣、疏鬆等問題，成品率極低，綜合性能無法達到國際先進水平。所以m25s合金離心鑄造關鍵要解決鋼水氧化問題。另外，由於m25s合金矽含量很高，這樣在離心澆注時零件稍微複雜一點就會因為鑄件凝固收縮不均勻形成貫穿性裂紋。
因此，尋求合適的高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件的鑄造方法製得性能更加的鑄件具有重要意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術中矽溶膠熔模鑄造和離心鑄造方法在生產過程中鋼水被氧化導致鑄件基體中出現夾雜和組織嚴重不連續、其生產的產品非常容易形成內部氣孔、夾渣和疏鬆、成品率極低、鑄件組織晶粒粗大、極易形成裂紋以及產品綜合性能無法達到國際先進水平等缺陷，提供了一種高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件及其鑄造方法。本發明的鑄造方法可用於生產有壁厚差的帶臺階的高矽鎳銅合金鑄件，也可用於生產直徑尺寸較大(超過12寸)的高矽鎳銅合金鑄件，該方法解決了鋼水氧化的問題和鑄件極易開裂的問題，其生產的產品成品率更高，本發明的高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件組織晶粒更加緻密，消除了成分偏析和夾雜，離心鑄件基體的氣體含量、雜質含量均達到了超真空精密鑄造水平，同時產品具有高硬度、高強度、高耐磨和優良的抗粘合、抗高溫性能和耐腐蝕性能。
本發明提供了一種高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件的鑄造方法，其採用離心鑄造方法進行，其包括如下步驟：
(1)製備高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件的金屬模具；
(2)預熱金屬模具，之後在金屬模具的內腔噴塗料；
(3)合模，加固待澆注；
(4)將高矽鎳銅合金、碳和矽於真空感應爐內熔煉成鋼水，之後將所述鋼水置於中間包，同時調整離心機旋轉速度和旋轉時間，將所述鋼水經氬氣保護澆注系統進行離心澆注，澆注溫度1450～1470℃，起模，取出鑄件自然冷卻即可。
本發明中，所述高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件的合金原料中，矽的含量一般為3～6％，本領域公知矽含量為3～6％的矽鎳銅合金的牌號為m25s，所述m25s合金的化學成分如下表：
步驟(1)中，所述模具具有多樣性，以適應多樣的迴轉體類鑄件的生產；所述高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件在模具掛角處添加大r角，其目的是為了均勻過渡壁厚差，以避免在生產結構複雜的迴轉體類鑄件特別是帶外臺階式的迴轉體類鑄件時，由於外臺階冷卻過快極易形成貫穿性裂紋；所述高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件的外徑大於6寸時，將外臺階和小臺階斜面直接拉直，其目的是為了形成由外而內的漸變增厚的結構，以減少壁厚突變帶來的冷卻過快的現象，便於鑄件以均勻的速度由外向內凝固。
步驟(2)中，所述預熱的操作和條件為本領域常規的預熱的操作和條件，本領域公知需要根據工件的材質以及尺寸的大小來確定所述模具的預熱溫度；所述金屬模具的尺寸≤7.8寸時，所述預熱的溫度較佳地為240℃～260℃；所述金屬模具的尺寸大於7.8寸時，所述預熱的溫度較佳地為210℃～230℃。
步驟(2)中，所述在金屬模具的內腔噴塗料的目的本領域公知是為了保護模具和便於脫模。
步驟(3)中，所述合模本領域公知為金屬模由上下模組成，塗料刷完後要合在一起使用。
步驟(3)中，所述加固的方式為本領域常規的加固的方式，較佳地採用螺栓進行加固。
步驟(4)中，所述鋼水較佳地包含下述質量百分比的組分：95.58～96.02％的所述高矽鎳銅合金、0.18～0.22％的所述碳和3.8～4.2％的所述矽，所述鋼水符合astma494標準中對m25s材質的要求。所述質量百分比為所述組分佔所述鋼水總質量的百分比。
步驟(4)中，所述中間包本領域公知需要預先放入爐內、並預先加入四元保護渣料，所述四元保護渣料本領域公知為石灰、螢石、剛玉和鎂砂的混合物，所述石灰、所述螢石、所述剛玉和所述鎂砂的用量比較佳地為1：1：1：1。
步驟(4)中，所述離心機旋轉速度和旋轉時間的調整本領域公知需要根據工件的材質以及尺寸大小來調整，其目的是為了形成合適的離心力以獲得組織結構非常緻密的鑄件。本領域公知m25s材質中矽含量較高，這要求離心機的轉速較一般材質的產品降低15％。具體旋轉速度和旋轉時間如下表：
步驟(4)中，所述氬氣保護澆注系統是將所述鋼水倒入中間包時，破真空後，用行車將所述中間包吊出，所述行車吊鉤上安裝專用氬氣噴嘴a，所述中間包移動過程中，所述鋼水始終處於所述四元保護渣料和氬氣保護下，不受空氣氧化，澆注前，啟動安裝在離心鑄造機澆注槽口上的氬氣噴嘴b，使澆注液流處於氬氣保護下，然後通過漏鬥將重量已經稱好的鋼水倒入預熱好的離心模具中，利用離心力的作用使其成型，旋轉至指定時間後關閉所述離心鑄造機，使其在慣性的作用下由旋轉狀態變至靜止狀態。
步驟(4)中，所述澆注的溫度較常規降低30℃，其目的是為了在金屬模冷卻過程中保證鑄件的內部質量，降低疏鬆產生的可能性。
本發明還提供了一種按照所述鑄造方法製得的高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件，其中矽以化合物ni3si第二相形式從基體中析出，在晶界和晶粒內呈彌散分布。
在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本發明各較佳實例。
本發明所用試劑和原料均市售可得。
本發明的積極進步效果在於：
本發明的鑄造方法可用於生產有壁厚差的帶臺階的高矽鎳銅合金鑄件，也可用於生產直徑尺寸較大(超過12寸)的高矽鎳銅合金鑄件，特別是m25s合金，該方法解決了鋼水氧化的問題，其生產的產品成品率更高，本發明的高矽鎳銅合金迴轉體類鑄件組織晶粒更加緻密，消除了成分偏析和夾雜，離心鑄件基體的氣體含量、雜質含量均達到了超真空精密鑄造水平，同時產品具有高硬度、高強度、高耐磨和優良的抗粘合、抗高溫性能和耐腐蝕性能。
附圖說明
圖1為本發明實施例1中的金屬模具的剖面示意圖。
圖2為本發明實施例2中的金屬模具的剖面示意圖。
具體實施方式
下面通過實施例的方式進一步說明本發明，但並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。下列實施例中未註明具體條件的實驗方法，按照常規方法和條件，或按照商品說明書選擇。
實施例1
(1)製備外徑6寸、高度5.7寸的m25s材質閥瓣套筒的模具，製作金屬模具時在臺階拐角處設置r20的圓角(如圖1)，以降低鑄造應力，保證硬度要求。
(2)預熱金屬模具，至金屬模具的溫度為245℃，在金屬模具的內腔噴塗料；
(3)合模，用螺栓進行加固，待澆注；
(4)將能夠保證硬度要求的m25s和配料c：0.18～0.22％、si：3.8～4.2％裝入所述真空感應爐內，隔離空氣，使材料在真空狀態下熔化，當鋼水在真空爐內精煉結束後，將鋼水倒入預先放入爐內並預先加入等比例的四元保護渣料(石灰、螢石、剛玉、鎂砂的混合物)的中間包裡，同時開啟所述離心機使其高速旋轉，轉速選擇55hz，旋轉時間設定240s，破真空後，用行車將中間包吊出，行車吊鉤上安裝專用氬氣噴嘴，中間包移動過程中，鋼水始終處於四元渣料和氬氣保護下，不受空氣氧化，澆注前，啟動安裝在離心鑄造機澆注槽口上的氬氣噴嘴，使澆注液流處於氬氣保護下。採用氬氣保護中間包，出鋼溫度選擇1470℃。然後通過漏鬥將重量已經稱好的鋼水倒入預熱好的離心模具中，利用離心力的作用使其成型，旋轉至指定時間後關閉離心機裝置，使其自然慣性至靜止狀態，之後起模取出鑄件，放置在石棉上自然冷卻至室溫。
實施例2
(1)製備外徑11.1寸、高度10.2寸的m25s材質導向套的模具，將外臺階和小臺階斜面直接拉直(如圖2)，其目的是為了形成由外而內的漸變增厚的結構，以減少壁厚突變帶來的冷卻過快的現象，便於鑄件以均勻的速度由外向內凝固。
(2)預熱金屬模具，至金屬模具的溫度為225℃，在金屬模具的內腔噴塗料；
(3)合模，用螺栓進行加固，待澆注；
(4)將能夠保證硬度要求的m25s和配料c：0.18～0.22％、si：3.8～4.2％裝入所述真空感應爐內，隔離空氣，使材料在真空狀態下熔化，當鋼水在真空爐內精煉結束後，將鋼水倒入預先放入爐內並預先加入等比例的四元保護渣料(石灰、螢石、剛玉、鎂砂的混合物)的中間包裡，同時開啟所述離心機使其高速旋轉，轉速選擇42hz，旋轉時間設定720s，破真空後，用行車將中間包吊出，行車吊鉤上安裝專用氬氣噴嘴，中間包移動過程中，鋼水始終處於四元渣料和氬氣保護下，不受空氣氧化，澆注前，啟動安裝在離心鑄造機澆注槽口上的氬氣噴嘴，使澆注液流處於氬氣保護下。採用氬氣保護中間包，出鋼溫度選擇1460℃。然後通過漏鬥將重量已經稱好的鋼水倒入預熱好的離心模具中，利用離心力的作用使其成型，旋轉至指定時間後關閉離心機裝置，使其自然慣性至靜止狀態，之後起模取出鑄件，放置在石棉上自然冷卻至室溫。
對比例1
常規的精密鑄造工藝：先製作m25s材質的閥瓣套筒的模具，用這個模具打出和圖紙尺寸、外形相符的蠟模，然後進行澆注冒口的組裝，完成後進入制殼環節，制殼完成後進行脫蠟，裡面的蠟水脫盡後形成一個和圖紙要求一樣的空腔外面包裹著模殼，放置一段時間後進行真空爐熔煉澆注，澆注溫度為1500℃將化鋼水和培燒模殼同時進行，熔煉結束以後將成分合格的鋼水直接倒入模殼中，然後自然冷卻，最後進行對鑄件進行清砂、打磨等後處理。
效果實施例1
實施例1和2以及對比例1中產品的硬度、耐磨性能、pt探傷等性能測試方法及標準參照標準astma370。
實施例1和2以及對比例1中的產品的性能測試結果如下表1。
表1實施例1和2以及對比例1中的產品的性能測試結果
離心鑄造是將熔化的鋼水澆入旋轉的金屬模具中，鋼水受金屬模的冷卻作用，快速凝固，鑄件晶粒細小；同時因高速旋轉產生的離心力作用，鑄件在超重狀態下凝固，組織緻密，疏鬆傾向大大降低。因離心力的作用，鋼水內輕質渣子、氣體等被甩到鑄件內孔，鑄件基體得以淨化；離心鑄件不需要澆冒口，鑄件出品率高，大大節約了熔化成本；總之，相同材質的套管件，離心工藝生產的零件綜合性能明顯優於普通重力鑄造。
離心鑄造是通過60倍以上的離心重力係數生產合金套管件，鑄件收得率比普通重量鑄造提高30％，大大降低製造成本，同時可獲得rt探傷i級的鑄件，而且鑄件晶粒度更加細小，可提高鑄件綜合性能，延長使用壽命。
雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這僅是舉例說明，本發明的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的保護範圍。