CN116422835A - 用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，充分利用球墨铸铁凝固时特有的石墨化自膨胀，采取过共晶碳当量设计，实现最佳铸造性能，再采取高强度的树脂砂无冒口砂型，优化工艺过程，采取高强度的树脂砂无冒口砂型，优化工艺过程，能够在没有冒口的情况下获得质量稳定的无缩松缺陷的超厚球墨铸铁飞轮铸件，提高了飞轮铸件的工艺出品率，生产效率，降低生产成本，经济效益。
Description
技术领域
本发明属于金属铸造技术领域，具体涉及一种用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法。
背景技术
船用大功率柴油发动机球墨铸铁飞轮，虽形状较为简单，但其厚度较大，一般厚度均超过270mm以上，直径在1600mm左右。传统的铸造工艺一般要设计多个保温冒口，采用大冒口、多冒口进行补缩，冒口的重量约占铸件重量的10％，这种工艺方法基本原理是保温冒口中铁液凝固速度低于型腔凝固速度，对型腔中收缩部位进行补缩，消除铸件缩松缺陷，此方法工艺出品率低，生产成本高，生产效率低，经济效益差，因此，针对上述问题，有必要进行改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，充分利用球墨铸铁凝固时特有的石墨化自膨胀，采取过共晶碳当量设计，实现最佳铸造性能，再采取高强度的树脂砂无冒口砂型，优化工艺过程，能够在没有冒口的情况下获得质量稳定的无缩松缺陷的超厚球墨铸铁飞轮铸件。提高了飞轮铸件的工艺出品率，生产效率，降低生产成本，经济效益。
本发明采用的技术方案：用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，包括以下步骤：
1)按照柴油机飞轮的设计尺寸和形状，利用铸件模具制作强度≥1.25MPa的无冒口砂型；
2)根据飞轮理化性能要求微调碳、硅元素范围，使碳当量在4.3至4.6之间，则确定的控制铁水化学成分为：C：3.60～3.80％；Si：2.6～2.8％，Mn：0.15～0.25％；：P≤0.06％；S：≤0.02％；Re：0.02≤％，Mg：0.03～0.058％；
3)装包：将配置好的球化剂和孕育剂由下至上填充于浇包中的球化坑内，并在孕育剂上覆盖0.3％左右的球铁铁屑，逐层紧实后在球铁铁屑上覆盖与球化坑适配的球化钢板，最后在球化钢板上压2～4块生铁；
4)取样：熔炉内铁水升温到1420℃～1450℃取样，首次补加合金按合金成分的下限补加，成分合格后出炉；
5)出炉：铁水出炉前，先扒干净炉内浮渣，测量铁水温度至1480-1510℃方可出炉；
6)装入浇包内的铁水与球化坑内的装包料进行球化反应，浇包内铁水的出铁量达到80％时，稍作停顿，待浇包内球化反应结束时，随着剩余铁水加入二次随流孕育剂，去除浇包中球化反应后产生的浮渣后，吊转浇包内的铁水通过外部加有瞬时孕育剂的浇口盆浇入无冒口砂型内。
上述步骤1)中，所述无冒口砂型的制作过程具体如下：
1-1)摆放上模型，在铸件模型厚大热节部位放置冷铁，上模型上摆放合适的上砂箱，选用的砂箱需满足周围吃砂量大于200mm以上的要求，在上模型上放置型腔出气棒及坭芯出气棒；摆放下模型，在铸件模型厚大热节部位放置冷铁，按直浇道和横浇道的位置定位摆放陶瓷管，下模型上摆放与上砂箱配对的下砂箱，保证周围吃砂量大于200mm以上，摆放砂箱时注意砂箱锁紧方向；
1-2)砂箱填砂过程，启动混砂机，分别向上下砂箱内填充树脂砂，树脂抗拉砂强度必须大于1.25MPa，并对齿腔部位进行舂实，使用刮砂板对填砂面进行刮平处理；
1-3)起模过程，在2小时至2.5小时内起模，并翻箱，使上模型和下模型分型面朝上摆放，对型腔损坏部位进行修型处理，最后用空压风管对上下砂型进行清理；
1-4)上下砂型的型腔涂料涂刷，使用醇基涂料涂刷型腔，涂刷第一遍波美度55-60，点燃，待火熄灭且铸型表面温度降至室温后，再涂刷第二遍，波美度40-45，点燃即可；涂料均匀、光滑，无流痕。所有搭子狭小凹坑部位使用小刷子涂刷，刷完后检查是否有涂料堆积，如有堆积可用风管吹干净或铁皮剐蹭多余的涂料；
1-5)砂型合箱，将下砂型摆放在工作区域，在下砂型底部四角及长度方向中点部位使用6块垫铁进行支撑，保证分型面水平，用空压风管对横浇道、型腔、内浇道进行清理，保证型腔清洁度，摆放过滤片，最后摆放坭芯，对上箱进行出气孔、型腔、直浇道检查和清理，对坭芯芯头，及分型面进行封箱坭条摆放，合箱后，用螺栓进行锁紧，最后将浇口盆平稳摆放在直浇道的位置。
进一步地，所述内浇道的内浇口为扁平状，且内浇口厚宽比为1:4。
进一步地，所述浇包内的铁水向砂型内的浇注时间t为：
其中，G为浇注铁水的重量，单位：kg；
内浇道横截面积F内的具体计算公式如下：
上式中，HP为压头高度，即直浇道上端部距横浇道中轴线的距离，单位cm，μ为铁水流速系数，μ＝0,5；
进一步地，所述出气棒的外径根据排气孔的孔径而定，多个排气孔的总面积大于内浇道上端内浇口总面积，所述出气孔的选取范围为φ10mm～φ35mm。
进一步地，所述冷铁为梯形结构，且冷铁的厚度为铸件厚度的0.3倍。
进一步地，所述内浇道中设有用于对铁水内杂质进行过滤的过滤片。
上述步骤3)中，所述球化剂采用YFQ-7A型号球化剂，具体成分如下：Si：45.40％、Ca：1.24％、Mg：6.85％、RE:1.51％、粒度：5-30mm，加入量为1.3％；所述孕育剂采用含钡的抗衰退型孕育剂，具体成分如下：Si：65.28％、Ca：1.25％、Ba：9.78％，粒度：3-8mm，加入量为0.4％；
上述步骤6)中，所述二次随流孕育剂与孕育剂相同，且二次随流孕育剂的加入量为0.5％，所述瞬时孕育剂采用含铋的能增加石墨球数的YFY-380孕育剂。
上述步骤6)中，所述浇包中铁水在浇注时，浇注温度控制在按1320±10℃。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本技术方案充分利用球墨铸铁凝固时特有的石墨化自膨胀，采取过共晶碳当量设计，提前测算石墨化膨胀、液态收缩、固态收缩体积值，确保石墨化膨胀体积能够补偿液态和固态收缩体积，实现最佳铸造性能，为砂型的无冒口设计提供条件，降低生产成本；
2、本技术方案浇注温度按1320±10℃控制，降低冷却速率，保证石墨充分析出，补偿液态收缩；
3、本技术方案内浇口设置扁平状，厚宽比按1:4进行铸造工艺设计，防止石墨膨胀产生的压力使铁水倒流进入浇注系统；
4、本技术方案采取高强度的树脂砂无冒口砂型，优化工艺过程，能够在没有冒口的情况下获得质量稳定的无缩松缺陷的超厚球墨铸铁飞轮铸件；提高了飞轮铸件的工艺出品率，生产效率，降低生产成本，经济效益。
附图说明
图1为本发明去除树脂砂后上模砂箱和下模砂箱内部的结构见图；
图2为本发明浇包内装包后的各部分分布见图；
图3为本发明上模砂型和下模砂型合箱后形成无冒口砂型结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，包括以下步骤：
1)按照柴油机飞轮的设计尺寸和形状，利用铸件模具制作强度≥1.25MPa的无冒口砂型；所述无冒口砂型的制作过程具体如下：
1-1)摆放上模型7，在铸件模型厚大热节部位放置冷铁8，上模型7上摆放合适的上砂箱，选用的砂箱需满足周围吃砂量大于200mm以上的要求，从而保证型腔强度，在上模型7上放置型腔出气棒9及坭芯出气棒10；摆放下模型16，在铸件模型厚大热节部位放置冷铁8，按直浇道13和横浇道11的位置定位摆放陶瓷管，下模型16上摆放与上砂箱配对的下砂箱，保证周围吃砂量大于200mm以上，保证型腔强度，摆放砂箱时注意砂箱锁紧方向；
1-2)砂箱填砂过程，启动混砂机，分别向上下砂箱内填充树脂砂17，树脂抗拉砂强度必须大于1.25MPa，并对齿腔部位进行舂实，使用刮砂板对填砂面进行刮平处理；
1-3)起模过程，在2小时至2.5小时内起模，并翻箱，使上模型7和下模型16分型面朝上摆放，对型腔损坏部位进行修型处理，最后用空压风管对上下砂型进行清理；
1-4)上下砂型的型腔涂料涂刷，使用醇基涂料涂刷型腔，涂刷第一遍波美度55-60，点燃，待火熄灭且铸型表面温度降至室温后，再涂刷第二遍，波美度40-45，点燃即可；涂料均匀、光滑，无流痕。所有搭子狭小凹坑部位使用小刷子涂刷，刷完后检查是否有涂料堆积，如有堆积可用风管吹干净或铁皮剐蹭多余的涂料；
1-5)砂型合箱，将下砂型摆放在工作区域，在下砂型底部四角及长度方向中点部位使用6块垫铁进行支撑，保证分型面水平，使用水平尺进行测量，用空压风管对横浇道11、型腔、内浇道12进行清理，保证型腔清洁度，摆放过滤片15，最后摆放坭芯18，对上箱进行出气孔、型腔、直浇道检查和清理，对坭芯芯头，及分型面进行封箱坭条摆放，合箱后，用螺栓进行锁紧，最后将浇口盆14平稳摆放在直浇道13的位置；
具体的，所述浇包1内的铁水向砂型内的浇注时间t为：
其中，G为浇注铁水的重量，单位：kg；
内浇道12横截面积F内的具体计算公式如下：
上式中，HP为压头高度，即直浇道13上端部距横浇道11中轴线的距离，单位cm，μ为铁水流速系数，μ＝0,5；μ是行业内普遍使用的经验数据，根据铸型为湿型或干型及砂型透气性进行适当修正；
所述出气棒9及坭芯出气棒10的外径根据排气孔的孔径而定，多个排气孔的总面积大于内浇道12上端内浇口总面积，所述出气孔的选取范围为φ10mm～φ35mm，内浇口时内浇道12上端用于铁水流出的开口；具体的，所述冷铁8为梯形结构，且冷铁8的厚度为铸件厚度的0.3倍，冷铁8的尺寸为235mm×120mm×80mm(厚)，冷铁8的设置，使铸件不会产生局部过热，促进铸件整体的同时凝固；具体的，所述内浇道12中设有用于对铁水内杂质进行过滤的过滤片15；
其中，无冒口砂型的膨胀力计算：F＝SP S--型腔投影面积、P--膨胀压强，树脂砂按2.0取值；
浇注系统：浇注系统按S直浇道:S横浇道:S内浇道＝3:15:5，所述内浇道12的内浇口为扁平状，且内浇口厚宽比为1:4，防止石墨膨胀产生的压力使铁水倒流进入浇注系统；
2)根据飞轮理化性能要求微调碳、硅元素范围，使碳当量在4.3至4.6之间，则确定的控制铁水化学成分为：C：3.70％；Si：2.7％，Mn：0.20％；：P≤0.06％；S：≤0.02％；Re：0.02≤％，Mg：0.040％；
根据控制铁水化学成分，确定化学成分体积膨胀量，具体确定如下：
表1石墨膨胀体积测算值
将控制铁水化学成分与表1中碳和硅含量进行比较，确定化学成分体积膨胀量约1.86％,无需计算，可通过表1直接查询后确定；
3)装包：将配置好的球化剂2和孕育剂3由下至上填充于浇包1中的球化坑内，并在孕育剂3上覆盖0.3％左右的球铁铁屑4，逐层紧实后在球铁铁屑4上覆盖与球化坑适配的球化钢板5，最后在球化钢板5上压2～4块生铁6；具体的，所述球化剂2采用YFQ-7A型号球化剂，具体成分如下：Si：45.40％、Ca：1.24％、Mg：6.85％、RE:1.51％、粒度：5-30mm，加入量为1.3％；所述孕育剂3采用含钡的抗衰退型孕育剂，具体成分如下：Si：65.28％、Ca：1.25％、Ba：9.78％，粒度：3-8mm，加入量为0.4％；
4)取样：熔炉内铁水升温到1430℃取样，首次补加合金按合金成分的下限补加，成分合格后出炉；
5)出炉：铁水出炉前，先扒干净炉内浮渣，测量铁水温度至1480-1510℃方可出炉；
6)装入浇包1内的铁水与球化坑内的装包料进行球化反应，浇包1内铁水的出铁量达到80％时，稍作停顿，待浇包1内球化反应结束时，随着剩余铁水加入二次随流孕育剂，具体的，所述二次随流孕育剂与孕育剂3相同，且二次随流孕育剂的加入量为0.5％，所述瞬时孕育剂采用含铋的能增加石墨球数的YFY-380孕育剂；具体的，所述浇包1中铁水在浇注时，浇注温度控制在按1320±10℃；去除浇包1中球化反应后产生的浮渣后，吊转浇包1内的铁水通过外部加有瞬时孕育剂的浇口盆14浇入无冒口砂型内；
化学成分：原铁水化学成分如表2所示：
表3原铁水化学成分(％)
本技术方案充分利用球墨铸铁凝固时特有的石墨化自膨胀，采取过共晶碳当量设计，提前测算石墨化膨胀、液态收缩、固态收缩体积值，确保石墨化膨胀体积能够补偿液态和固态收缩体积，实现最佳铸造性能，为砂型的无冒口设计提供条件，降低生产成本；浇注温度按1320±10℃控制，降低冷却速率，保证石墨充分析出，补偿液态收缩；内浇口设置扁平状，厚宽比按1:4进行铸造工艺设计，防止石墨膨胀产生的压力使铁水倒流进入浇注系统；采取高强度的树脂砂无冒口砂型，优化工艺过程，能够在没有冒口的情况下获得质量稳定的无缩松缺陷的超厚球墨铸铁飞轮铸件，提高了飞轮铸件的工艺出品率，生产效率，降低生产成本，经济效益。
通过应用以上方法，我单位已连续生产的该型飞轮(QT400-15)200余件，经过超声波及磁粉探伤检测及本体解剖验证，内部质量满足设计要求。平均抗拉强度450MPa、屈服强度330MPa、延伸率23％、硬度155HB。
本方法生产1件可节约1476元，按公司产量200件/年，全年可节约295200元。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按照柴油机飞轮的设计尺寸和形状，利用铸件模具制作强度≥1.25MPa的无冒口砂型；
2)根据飞轮理化性能要求微调碳、硅元素范围，使碳当量在4.3至4.6之间，则确定的控制铁水化学成分为：C：3.60～3.80％；Si：2.6～2.8％，Mn：0.15～0.25％；：P≤0.06％；S：≤0.02％；Re：0.02≤％，Mg：0.03～0.058％；
3)装包：将配置好的球化剂(2)和孕育剂(3)由下至上填充于浇包(1)中的球化坑内，并在孕育剂(3)上覆盖0.3％左右的球铁铁屑(4)，逐层紧实后在球铁铁屑(4)上覆盖与球化坑适配的球化钢板(5)，最后在球化钢板(5)上压2～4块生铁(6)；
4)取样：熔炉内铁水升温到1420℃～1450℃取样，首次补加合金按合金成分的下限补加，成分合格后出炉；
5)出炉：铁水出炉前，先扒干净炉内浮渣，测量铁水温度至1480-1510℃方可出炉；
6)装入浇包(1)内的铁水与球化坑内的装包料进行球化反应，浇包(1)内铁水的出铁量达到80％时，稍作停顿，待浇包(1)内球化反应结束时，随着剩余铁水加入二次随流孕育剂，去除浇包(1)中球化反应后产生的浮渣后，吊转浇包(1)内的铁水通过外部加有瞬时孕育剂的浇口盆(14)浇入无冒口砂型内。
2.根据权利要求1所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：上述步骤1)中，所述无冒口砂型的制作过程具体如下：
1-1)摆放上模型(7)，在铸件模型厚大热节部位放置冷铁(8)，上模型(7)上摆放合适的上砂箱，选用的砂箱需满足周围吃砂量大于200mm以上的要求，在上模型(7)上放置型腔出气棒(9)及坭芯出气棒(10)；摆放下模型(16)，在铸件模型厚大热节部位放置冷铁(8)，按直浇道(13)和横浇道(11)的位置定位摆放陶瓷管，下模型(16)上摆放与上砂箱配对的下砂箱，保证周围吃砂量大于200mm以上，摆放砂箱时注意砂箱锁紧方向；
1-2)砂箱填砂过程，启动混砂机，分别向上下砂箱内填充树脂砂(17)，树脂抗拉砂强度必须大于1.25MPa，并对齿腔部位进行舂实，使用刮砂板对填砂面进行刮平处理；
1-3)起模过程，在2小时至2.5小时内起模，并翻箱，使上模型(7)和下模型(16)分型面朝上摆放，对型腔损坏部位进行修型处理，最后用空压风管对上下砂型进行清理；
1-4)上下砂型的型腔涂料涂刷，使用醇基涂料涂刷型腔，涂刷第一遍波美度55-60，点燃，待火熄灭且铸型表面温度降至室温后，再涂刷第二遍，波美度40-45，点燃即可；涂料均匀、光滑，无流痕。所有搭子狭小凹坑部位使用小刷子涂刷，刷完后检查是否有涂料堆积，如有堆积可用风管吹干净或铁皮剐蹭多余的涂料；
1-5)砂型合箱，将下砂型摆放在工作区域，在下砂型底部四角及长度方向中点部位使用6块垫铁进行支撑，保证分型面水平，用空压风管对横浇道(11)、型腔、内浇道(12)进行清理，保证型腔清洁度，摆放过滤片(15)，最后摆放坭芯(18)，对上箱进行出气孔、型腔、直浇道检查和清理，对坭芯芯头，及分型面进行封箱坭条摆放，合箱后，用螺栓进行锁紧，最后将浇口盆(14)平稳摆放在直浇道(13)的位置。
3.根据权利要求2所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：所述内浇道(12)的内浇口为扁平状，且内浇口厚宽比为1:4。
4.根据权利要求3所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：所述浇包(1)内的铁水向砂型内的浇注时间t为：
其中，G为浇注铁水的重量，单位：kg；
内浇道(12)横截面积F内的具体计算公式如下：
上式中，HP为压头高度，即直浇道(13)上端部距横浇道(11)中轴线的距离，单位cm，μ为铁水流速系数，μ＝0,5。
5.根据权利要求4所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：所述出气棒(9)的外径根据排气孔的孔径而定，多个排气孔的总面积大于内浇道(12)上端内浇口总面积，所述出气孔的选取范围为φ10mm～φ35mm。
6.根据权利要求5所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：所述冷铁(8)为梯形结构，且冷铁(8)的厚度为铸件厚度的0.3倍。
7.根据权利要求6所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：所述内浇道(12)中设有用于对铁水内杂质进行过滤的过滤片(15)。
8.根据权利要求1所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：上述步骤3)中，所述球化剂(2)采用YFQ-7A型号球化剂，具体成分如下：Si：45.40％、Ca：1.24％、Mg：6.85％、RE:1.51％、粒度：5-30mm，加入量为1.3％；所述孕育剂(3)采用含钡的抗衰退型孕育剂，具体成分如下：Si：65.28％、Ca：1.25％、Ba：9.78％，粒度：3-8mm，加入量为0.4％。
9.根据权利要求1所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：上述步骤6)中，所述二次随流孕育剂与孕育剂(3)相同，且二次随流孕育剂的加入量为0.5％，所述瞬时孕育剂采用含铋的能增加石墨球数的YFY-380孕育剂。
10.根据权利要求1所述的用于船用柴油机飞轮的无冒口铸造方法，其特征在于：上述步骤6)中，所述浇包(1)中铁水在浇注时，浇注温度控制在按1320±10℃。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117144235A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-12-01 | 富士和机械工业（昆山）有限公司 | 一种去冒口工艺的制动盘及其制备方法 |
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