專利名稱：對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合鑄造技術(shù)，尤其是利用消失模鑄造方法或二次澆注方法所進(jìn)行的復(fù)合鑄造技術(shù)。
目前，在生產(chǎn)軋輥、軸承或耐腐蝕泵殼等一些表層與基體性能要求不同的零件時(shí)，需要采用離心復(fù)合鑄造的方法才能獲得比較滿意的效果(即在離心鑄造機(jī)上先澆注表層金屬，然后再澆注基體金屬)，而采取在普通澆注過程中或澆鑄成型后進(jìn)行表面處理的方法則性能往往達(dá)不到要求。但離心復(fù)合鑄造的成本昂貴(每次需熔煉兩爐不同成分的金屬，設(shè)備的價(jià)格亦很高)且操作工藝復(fù)雜，也不能用于非軸類的零件或軸類非對稱的零件。另外，對于某些特殊局部與基體性能要求不同的零件則尚無可行的鑄造方法。
本發(fā)明的目的在于提出一種能對鑄件進(jìn)行局部合金化從而使鑄件表層或某些特殊局部與基體性能不同，且成本較低、易于操作的復(fù)合鑄造方法。
本發(fā)明的解決方案如下在鑄型內(nèi)所需位置放置夾持了合金塊的泡沫塑料模并在鑄型上部設(shè)置排氣道，向鑄型內(nèi)注滿基體成分的熔融金屬。
在鑄型內(nèi)放置合金塊，澆注系統(tǒng)采用底注式，向鑄型內(nèi)注滿基體成分的熔融金屬，待達(dá)到形成所需表層厚度所要用的凝固時(shí)間后，再向鑄型內(nèi)繼續(xù)澆注基體成分的熔融金屬直到注滿其二次用量。
在上述方案的基礎(chǔ)上，所用的合金塊為含有中間合金及發(fā)熱劑的發(fā)熱合金塊，中間合金的用量根據(jù)所需調(diào)整成分的合金元素含量以及中間合金中的合金元素含量、合金元素的吸收率等計(jì)算，發(fā)熱劑的用量根據(jù)所需升高溫度的區(qū)域大小、溫度高低及其放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量等計(jì)算。
所用的發(fā)熱劑由鋁、四氧化三鐵和鎂組成。
所用的發(fā)熱劑由鋁、硅鐵和硝酸鈉組成。
所用的發(fā)熱劑由鋁、二氧化硅和鎂組成。
所用的發(fā)熱劑由硫和鎂組成。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于提出了“型內(nèi)合金化”的概念，即在澆注過程中在鑄型內(nèi)進(jìn)行合金化處理，以使鑄件表層或某些特殊局部與基體得到不同的合金成分，從而使之實(shí)現(xiàn)不同的性能?！靶蛢?nèi)合金化”通過在鑄型內(nèi)放置合金塊(中間合金塊或發(fā)熱合金塊)然后澆鑄成型而實(shí)現(xiàn)。
中間合金為鉻鐵、鉬鐵、鈹銅、鋁鎂合金等，由合金化時(shí)所需調(diào)整的成分而決定；用量根據(jù)所需調(diào)整成分的合金元素含量以及中間合金中的合金元素含量、合金元素的吸收率等計(jì)算，即P=V1η1ρmη2λ.....(1)]]>其中，P為中間合金的用量，V1為鑄件中需要合金化區(qū)域的體積，，ρm為液態(tài)基體金屬的密度，η1為所需調(diào)整成分的合金元素含量(含量均為重量百分比，下同)，η2為中間合金中的合金元素含量，λ為合金元素的吸收率(由于合金化是在鑄型內(nèi)進(jìn)行、作用時(shí)間短，因此合金元素的燒損率極低，使合金元素的吸收率可達(dá)95％以上)。但是，由于中間合金的熔點(diǎn)往往較高，因此，以往只是在熔煉爐或澆包內(nèi)使用(即在熔融金屬的溫度高于中間合金的熔點(diǎn)時(shí)使用)以調(diào)整鑄件的成分，但這種方法只能使整爐或整包金屬的成分均發(fā)生變化，而不能實(shí)現(xiàn)局部合金化，且合金元素的燒損也非常嚴(yán)重。本發(fā)明對于某些熔點(diǎn)較低的中間合金采取直接放入型內(nèi)的方法，而對于熔點(diǎn)較高的中間合金則采用發(fā)熱合金塊使?jié)沧⑦^程中鑄型內(nèi)放置合金塊的局部溫度大大升高，達(dá)到或超過中間合金的熔點(diǎn)，使高熔點(diǎn)的中間合金融化。發(fā)熱合金塊中含有中間合金及發(fā)熱劑。中間合金的種類及用量與直接放入時(shí)相同。發(fā)熱劑由能與基體發(fā)生放熱反應(yīng)并且反應(yīng)物容易被清除的物質(zhì)組成，如鐵基鑄件的發(fā)熱劑由鋁、四氧化三鐵和鎂組成(反應(yīng)生成鐵和氧化鋁渣)，或由鋁、硅鐵和硝酸鈉組成(反應(yīng)生成硅、鐵和氧化鋁渣)鋁基鑄件的發(fā)熱劑由鋁、二氧化硅和鎂組成(反應(yīng)生成硅和氧化鋁渣)；銅基鑄件的發(fā)熱劑由硫和鎂組成(反應(yīng)生成硫化鎂渣)，等等。發(fā)熱劑在熔融金屬的高溫作用下被點(diǎn)燃，產(chǎn)生劇烈的放熱反應(yīng)、放出大量的熱量，使熔融金屬的局部溫度大大提高。發(fā)熱劑的用量根據(jù)需要升高溫度的區(qū)域大小、溫度高低及放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量而決定M=Cm(T2-T1)VmρmΔH.......(2)]]>其中，M為發(fā)熱劑的用量，Cm為基體金屬的比熱容，T2為升高后的溫度，T1為升高前的溫度，Vm為所需升高溫度區(qū)域的體積，ρm為液態(tài)基體金屬的密度，ΔH為根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式得出的單位重量發(fā)熱劑在基體金屬澆注時(shí)產(chǎn)生的反應(yīng)熱。將中間合金的碎塊(一般取粒徑為1～10mm)及發(fā)熱劑的粉末(一般取粒度≥100目)混合攪拌后經(jīng)固化處理而成。固化處理時(shí)可以是加入粘結(jié)劑攪拌均勻，然后在常溫下進(jìn)行自然固化(如銅基發(fā)熱劑可這樣處理。因?yàn)楹虻陌l(fā)熱劑不能壓實(shí))或者在10MPa以下的低壓下進(jìn)行固化，粘結(jié)劑一般為有機(jī)物，如3％的聚乙烯醇縮丁醛酒精溶液，它與基體及中間合金、發(fā)熱劑等不會(huì)發(fā)生有害反應(yīng)(即不會(huì)生成不易排除的雜質(zhì)或有害氣體)，其用量根據(jù)中間合金及發(fā)熱劑的用量多少而決定(≤5％的兩者用量之和)；或者也可以不加粘結(jié)劑而在常溫下用15MPa以上的高壓壓實(shí)成塊。
利用消失模鑄造方法，將中間合金塊或制作好的發(fā)熱合金塊粉碎成粒徑為1～10mm的碎塊后由泡沫塑料模予以夾持(泡沫塑料模要采用發(fā)氣量小、氣化后殘留物少的材料，如70％的甲基丙烯酸甲酯與30％的苯乙烯共聚樹脂，密度必須小于0.015g/cm3，在砂型鑄造時(shí)要在泡沫塑料模的表面刷上消失模鑄造時(shí)用的涂料)，然后用鐵絲、銅絲、鋁絲等與基體金屬同類的金屬絲固定在需要局部合金化的部位，并在鑄型上部設(shè)置泡沫塑料模氣化時(shí)所需的排氣道。當(dāng)基體成分的熔融金屬澆入鑄型后，泡沫塑料模在熔融金屬的高溫作用下發(fā)生氣化，氣體由鑄型上部所設(shè)的排氣道排出，中間合金塊或發(fā)熱合金塊與熔融金屬接觸后，中間合金塊直接被融化，或發(fā)熱合金塊中的發(fā)熱劑在熔融金屬作用下產(chǎn)生放熱反應(yīng)、從而使中間合金融化，所需的合金元素融入基體金屬中，使局部成分變成所需的特殊成分(即實(shí)現(xiàn)了局部合金化)，而主要的基體成分仍然不變(因?yàn)楹辖鹪氐臄U(kuò)散速度明顯小于熔融金屬的凝固速度)。由于局部合金化的區(qū)域與未合金化的區(qū)域是同基金屬并在同一鑄型中凝固，且合金元素在熔融金屬中有一定的擴(kuò)散速度和范圍，因此局部合金化的部位與未合金化的基體之間存在良好的過渡區(qū)域而沒有明顯的界面，使兩者的結(jié)合自然而緊密。該方法對鑄件形狀沒有限制，非軸類的、軸類非對稱的或形狀復(fù)雜的均可以；對需要局部合金化的部位亦沒有限制，在鑄件的表層或某些特殊局部均可；對鑄型也沒有特殊的要求，砂型、石膏型、陶瓷型、金屬型等均可使用；對澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、澆注位置的選擇、澆注溫度及澆注速度的選擇、排氣措施及涂料工藝等均按消失模鑄造方法進(jìn)行。
對于一些散熱較快的鑄型(如金屬型)或采取了控制凝固順序措施的鑄型，也可以將合金塊隨意地放置在鑄型中而不需固定在特定的位置(當(dāng)然以放置在澆口處為佳)，澆注系統(tǒng)采用底注式。基體成分的熔融金屬注入鑄型后，直接使中間合金塊融化或與發(fā)熱合金塊中的發(fā)熱劑發(fā)生反應(yīng)而使中間合金融化，從而使鑄型中的熔融金屬成分發(fā)生變化，得到所需要的特殊成分。這時(shí)因鑄型的原始溫度較低或因控制了凝固順序，靠近鑄型內(nèi)表面的熔融金屬先很快凝固，亦即鑄件表層先形成，待達(dá)到形成所需表層厚度所要用的凝固時(shí)間(可根據(jù)所需表層厚度除以凝固速度計(jì)算得出，或者根據(jù)熱交換數(shù)學(xué)模型用有限差分法模擬溫度場分布情況、確定凝固界面的時(shí)間)后，再將基體成分的熔融金屬繼續(xù)從鑄型底部的澆口注入鑄型中(所需的熔融金屬二次用量可根據(jù)尚未凝固的區(qū)域體積乘以液體金屬的密度計(jì)算出)，此時(shí)基體成分的熔融金屬就逐漸上升而將鑄型中尚未凝固的特殊成分熔融金屬從鑄型上部的冒口中排擠出去，直到鑄件心部的特殊成分熔融金屬完全被基體成分的熔融金屬所取代。由于鑄件心部的凝固過程相對表層而言是一個(gè)比較緩慢的過程，這種二次澆注完全可以實(shí)現(xiàn)。采用二次澆注方法，使鑄件心部(即基體)與表層成為兩種不同的成分，從而得到不同的性能；而且，由于兩種成分的金屬是逐步替換的過程(即邊凝固邊替換)，因此兩者之間同樣存在良好的過渡區(qū)域而沒有明顯的界面，使兩者的結(jié)合自然而緊密。這種方法對鑄件形狀沒有限制，但只能用于表層需局部合金化的鑄件；鑄型上不需設(shè)置消失模鑄造方法所需的排氣道，但冒口的設(shè)置要有利于第一次澆注的熔融金屬順利排出(可采用頂部圓柱形冒口，且冒口頸部應(yīng)粗大)，澆口可采用直插鑄型底部的澆口棒或底注式內(nèi)澆道等形式。澆注溫度及澆注速度的選擇等同金屬型鑄造方法。
綜上所述，本發(fā)明采用型內(nèi)合金化技術(shù)并結(jié)合消失模鑄造方法或二次澆注的方法，只需熔煉一種成分的金屬進(jìn)行澆鑄成型即可實(shí)現(xiàn)局部合金化，使鑄件表層或某些特殊局部具有與基體不同的成分和性能并且相互之間存在良好的過渡區(qū)域、結(jié)合緊密。不需要價(jià)格昂貴的特殊鑄造設(shè)備，工藝操作過程也容易掌握。發(fā)熱合金塊的制作亦方便可行。利用本發(fā)明可制造各種同基的雙金屬或多金屬鑄件(如高鉻耐磨鑄鐵與灰鑄鐵或球墨鑄鐵、鋁硅合金與純鋁、鈹青銅與純銅，等等)，并可在同一鑄件上的不同部位同時(shí)進(jìn)行相同成分的或不同成分的合金化。
實(shí)施例(1)高鉻耐磨鑄鐵與球墨鑄鐵軋輥的生產(chǎn)工藝過程輥體尺寸為Φ400×1000mm，表層為高鉻耐磨鑄鐵(15Cr3Mo)，鉻含量為15％，鉬含量為3％，高鉻層厚度為60mm，基體為球墨鑄鐵，牌號為QT500-5，采用二次澆注的方法實(shí)現(xiàn)型內(nèi)合金化，鑄型為金屬型，澆口采用直插鑄型底部的澆口棒，冒口為圓柱形，置于軋輥頂部中間部位，因中間合金鉻鐵的熔點(diǎn)高于澆注溫度，故采用發(fā)熱合金塊，根據(jù)公式(1)可得鉻鐵(Cr 60％)的用量為130Kg，鉬鐵(Mo 70％)的用量為22.5Kg，發(fā)熱劑的配方為23％的鋁、75％的四氧化三鐵、2％的鎂，均采用化學(xué)純的粉料，發(fā)熱劑的用量根據(jù)公式(2)計(jì)算為80Kg，粘結(jié)劑采用3％的聚乙烯醇縮丁醛酒精溶液，其用量為4Kg。將鉻鐵、鉬鐵均粉碎為粒徑1～5mm大小的碎塊，與發(fā)熱劑混合后加入粘結(jié)劑攪拌均勻，然后在常溫下加壓10MPa固化后，再粉碎為粒徑1～10mm的碎塊，堆放在鑄型內(nèi)的澆口棒入口處，熔煉一爐QT500-5的原鐵水(即未經(jīng)球化孕育處理)，在溫度為1450℃時(shí)進(jìn)行第一次澆注，注滿后等待一段表層凝固時(shí)間(根據(jù)計(jì)算得出，達(dá)到60mm厚的凝固層所需的凝固時(shí)間為1分鐘)，此時(shí)可對澆包中的鐵水進(jìn)行球化孕育處理，然后再將經(jīng)過球化孕育處理的鐵水進(jìn)行第二次澆注(澆注溫度為1320℃)，鐵水的二次用量為整個(gè)軋輥的體積減去需合金化的表層體積后再乘以鐵水的密度，計(jì)算可得為500Kg。從冒口排出的高鉻鐵水可作為廢料回收。得到的鑄件表層60～62mm為高鉻的白口組織，心部為球鐵組織，表面尺寸精度高。
(2)鋁硅合金與純鋁活塞的生產(chǎn)工藝過程活塞尺寸為Φ50×40mm，表層10mm擬采用牌號為ZL109的鋁硅合金，心部采用純鋁材料，利用消失模進(jìn)行型內(nèi)合金化，由于中間合金的熔點(diǎn)均低于澆注溫度，故直接采用中間合金，根據(jù)計(jì)算可得各中間合金的用量AlSi20為82g，AlCu50為2.7g，AlMg50為2.7g，將各中間合金粉碎為1～2mm的碎塊并混合均勻后，用70％的甲基丙烯酸甲酯與30％的苯乙烯共聚樹脂制成的泡沫塑料模均勻夾持并用純鋁絲網(wǎng)固定、置于砂型中(塑料模為圓環(huán)型，環(huán)厚10mm，長40mm，可在發(fā)泡時(shí)直接置入中間合金碎塊)，砂型的頂部設(shè)置排氣道和澆注系統(tǒng)，即澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為開放式頂注系統(tǒng)，與排氣道合二為一。將熔煉好的純鋁液在720～740℃進(jìn)行澆注，得到的活塞鑄件表層為ZL109的鋁硅合金(Si 11.5～13.1％，Cu 0.7～0.9％，Mg 0.6～0.9％)，厚度在10～12mm，心部為純鋁。
(3)發(fā)熱劑的其它幾種配方(a)鐵基鑄件的發(fā)熱劑還可以為25％的鋁、70％的硅鐵(Si 75％)、5％的硝酸鈉。
(b)鋁基鑄件的發(fā)熱劑可以為36％的鋁、60％的二氧化硅、4％的鎂。
(c)銅基鑄件的發(fā)熱劑可以為45％的硫、55％的鎂。
權(quán)利要求
1.一種對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)，其特征在于在鑄型內(nèi)所需位置放置夾持了合金塊的泡沫塑料模并在鑄型上部設(shè)置排氣道，向鑄型內(nèi)注滿基體成分的熔融金屬。
2.一種對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)，其特征在于在鑄型內(nèi)放置合金塊，澆注系統(tǒng)采用底注式，向鑄型內(nèi)注滿基體成分的熔融金屬，待達(dá)到形成所需表層厚度所要用的凝固時(shí)間后，再向鑄型內(nèi)繼續(xù)澆注基體成分的熔融金屬直到注滿其二次用量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)，其特征在于所用的合金塊為含有中間合金及發(fā)熱劑的發(fā)熱合金塊，中間合金的用量根據(jù)所需調(diào)整成分的合金元素含量以及中間合金中的合金元素含量、合金元素的吸收率等計(jì)算，發(fā)熱劑的用量根據(jù)所需升高溫度的區(qū)域大小、溫度高低及其放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量等計(jì)算。
4.如權(quán)利要求3所述的對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)，其特征在于所用的發(fā)熱劑由鋁、四氧化三鐵和鎂組成。
5.如權(quán)利要求3所述的對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)，其特征在于所用的發(fā)熱劑由鋁、硅鐵和硝酸鈉組成。
6.如權(quán)利要求3所述的對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)，其特征在于所用的發(fā)熱劑由鋁、二氧化硅和鎂組成。
7.如權(quán)利要求3所述的對鑄件進(jìn)行局部合金化的復(fù)合鑄造技術(shù)，其特征在于所用的發(fā)熱劑由硫和鎂組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)合鑄造技術(shù)。其關(guān)鍵在于提出了“型內(nèi)合金化”的方法,即通過在鑄型內(nèi)放置合金塊(中間合金塊或發(fā)熱合金塊)然后澆鑄成型而使鑄件表層或某些特殊局部與基體得到不同的合金成分,從而使之實(shí)現(xiàn)不同的性能?？衫门菽芰夏A持合金塊并放置在鑄型內(nèi)所需位置然后一次澆鑄成型;也可將合金塊隨意放置在鑄型內(nèi)進(jìn)行澆注,待表層凝固后再從鑄型底部繼續(xù)進(jìn)行二次澆注。所用發(fā)熱合金塊中含有中間合金及發(fā)熱劑。
文檔編號B22D19/16GK1207971SQ9710707
公開日1999年2月17日 申請日期1997年8月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月12日
發(fā)明者朱正吼 申請人:南京航空航天大學(xué)