一種制備均質(zhì)化鑄錠的變成分離散增材鑄造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種制備均質(zhì)化鑄錠的變成分離散增材鑄造方法，所述方法將鑄錠分為N個澆包離散澆鑄而成，其中第一個澆包的澆鑄成分由目標合金成分決定，其后每個澆包的澆鑄成分由目標合金成分、上一澆包凝固的偏析形貌以及所述上一澆包剩余金屬液的溶質(zhì)含量決定。本發(fā)明可以根據(jù)質(zhì)量要求窗口對澆鑄金屬液進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)鑄錠溶質(zhì)的均質(zhì)化，大大降低了鑄錠整體的宏觀偏析。
【專利說明】
一種制備均質(zhì)化鑄錠的變成分離散増材鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬鑄造領(lǐng)域，特別涉及一種制備均質(zhì)化鑄錠的變成分離散增材鑄造 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新型能源建設(shè)的發(fā)展，國內(nèi)外對大型鑄鍛件的需求劇增。鑄錠作為大型鍛件 的母坯，目前鑄錠生產(chǎn)存在質(zhì)量低、材料和能源浪費嚴重等問題。鑄錠中的一些缺陷如夾雜 和成分偏析不能在后續(xù)的加工過程中消除，致使鍛件報廢或性能不高；另一些缺陷如晶粒 不均勻嚴重影響后續(xù)的鍛造成形，可能導致鍛造參數(shù)選擇不匹配造成鍛件開裂而報廢。
[0003] -般鑄件或鑄錠澆鑄時都是采用設(shè)計的合金成分進行統(tǒng)一熔煉、同時澆鑄。由于 制造大型鍛件的鑄錠大，所需的金屬熔體多，無法在同一爐內(nèi)進行熔煉，從而采取多爐熔煉 離散澆鑄的模式。金屬熔體澆入鑄型后，鑄型內(nèi)金屬液長時間不受控制的流動(例如600噸 鑄錠，澆鑄用時8小時，凝固時間120小時），大范圍成分偏析嚴重。同時造成初始凝固時冷卻 較快，后期凝固冷卻很慢，導致晶粒尺寸和形態(tài)差異巨大。例如，在600噸鑄錠中，最小晶粒 為60μπι，而最大晶粒達到5000μπι。
[0004] 據(jù)統(tǒng)計，大型鍛件生產(chǎn)中60%的不合格產(chǎn)品都是由于鑄錠質(zhì)量問題引起的，致使 我國大型鍛件生產(chǎn)處于"以數(shù)量求成品，以消耗換質(zhì)量"的摸索生產(chǎn)階段，不能滿足我國航 海、核電、火電等重大裝備建設(shè)需求。因此加工過程中如何控制好大鑄錠中的成分分布、組 織性能優(yōu)化等成為新型能源裝備建設(shè)的突出瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種新型的變成分離散增材 鑄造方法。該方法采用離散澆鑄方法，人為控制鑄錠澆鑄及凝固過程，使鑄錠實現(xiàn)逐層均勻 凝固。所謂離散澆鑄方法即摒棄傳統(tǒng)工藝對大型鑄錠進行整包澆鑄放任凝固，而是將鑄錠 分為Ν個小澆包離散澆鑄，優(yōu)選地，Ν多5;更優(yōu)選地，Ν多10。其中第一個澆包的澆鑄成分由目 標合金成分決定，其后每個澆包的澆鑄成分由目標合金成分、上一澆包凝固的偏析形貌以 及所述上一饒包剩余金屬液的溶質(zhì)含量決定，等上一包金屬液凝固剩余20 %金屬液后再饒 鑄下一澆包，此方法也屬于增材制造范疇。同時采用變成分技術(shù)對不同澆鑄時間的澆包采 用不同成分金屬液進行澆鑄以大大降低鑄錠的成分不均勻。采用此變成分離散澆鑄方法最 終可獲得成分分布較均勻，組織性能更優(yōu)異的大型鑄錠。該方法可運用到多種尺寸，不同合 金的鑄錠制備過程中。
[0006] 本發(fā)明的變成分離散增材鑄造方法包括以下步驟：
[0007] (1)計劃將鑄錠分為Ν個澆包離散澆鑄，所述Ν個澆包中不同澆包成分設(shè)計如下：
[0008] CifCo+ACij i = 0、l、2、3、."、N_l
[0009] 其中，Co是目標合金成分，Cij是組元j在第i包的含量，Δ Cij是組元j在第i包澆鑄時 的調(diào)整量，調(diào)整量在實際操作過程中可為正數(shù)也可為負數(shù)，具體決定于上一包凝固后期，剩 余熔池中的溶質(zhì)含量是富集還是缺乏，這個可以通過數(shù)值模擬來進行預(yù)測并取值。
[00?0]假定在鑄模中新饒入的金屬液與上一包凝固剩余20%的金屬液完全混合，對于變 成分的離散澆鑄過程如果一個鑄錠分為N小包來澆鑄，每包的質(zhì)量用1來描述，對于溶質(zhì)元 素的分配系數(shù)k〇〈 1的組元，溶質(zhì)濃度可以用以下方程來描述：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 其中，P是最優(yōu)化系數(shù)，這個系數(shù)是由最大宏觀偏析量及標準、以及上一包剩余金 屬液的溶質(zhì)濃度來決定的，如圖1所示。C/-1/為上一包金屬液剩余部分的溶質(zhì)濃度，此值由 數(shù)值模擬預(yù)測所得；
[0016] (2)數(shù)值模擬離散澆鑄過程，獲取凝固過程中固相率與凝固時間關(guān)系，獲得殘留金 屬液的溶質(zhì)含量；
[0017] (3)金屬液熔煉、除氣、除渣后準備澆鑄；
[0018] (4)金屬液澆鑄，其中對小型鑄錠使用澆包g取適量合金液進行澆鑄，大型鑄錠采 用底注包進行澆鑄；
[0019] (5)澆鑄到預(yù)定厚度后，停止?jié)茶T；
[0020] (6)實時跟蹤測溫，根據(jù)步驟(2)中數(shù)值模擬的結(jié)果，在當前已澆鑄的金屬液固相 率達到80%時，進行下一澆包澆鑄；
[0021] (7)重復步驟(4)-(6)直至鑄錠澆鑄凝固完成；
[0022] (8)鑄錠澆鑄凝固完成后進行熱處理消除鑄造應(yīng)力。
[0023] 本發(fā)明的變成分離散增材澆鑄方法的有益效果至少體現(xiàn)在以下幾個方面：
[0024] 1、本發(fā)明根據(jù)"缺什么補什么，哪里缺補哪里"的原則，采用不同成分的澆包進行 離散澆鑄大型鑄錠，可以根據(jù)質(zhì)量要求窗口對澆鑄金屬液進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)鑄錠溶質(zhì)的 均質(zhì)化。如圖2(a)所示，對于傳統(tǒng)澆鑄模式，成分為co的合金，最初凝固的固相溶質(zhì)成分為 koco，最終凝固的溶質(zhì)成分為co/ko，最大溶質(zhì)含量和最小溶質(zhì)含量跨度很大，宏觀偏析量較 大。相對地，如圖2(b)所示，本發(fā)明采用變成分微包澆鑄模式，第一包澆鑄的溶質(zhì)濃度為(Co + Δ C)大于co成分，最初凝固的固相溶質(zhì)成分為ko(Co+ △ C)，最后凝固的溶質(zhì)成分微(Co- Δ C)/ko,固相溶質(zhì)區(qū)間遠小于傳統(tǒng)的澆鑄模式，此舉大大降低了鑄錠整體的宏觀偏析；
[0025] 2、獲得殘留金屬液的溶質(zhì)含量，確定下一包澆鑄的金屬液的溶質(zhì)含量，同時可根 據(jù)鑄件大小控制合適的澆鑄層厚度，在滿足新澆鑄的金屬液流動鋪滿的條件下，厚度越小， 層內(nèi)部凝固流動程度越小，宏觀偏析也越?。?br>[0026] 3、每一離散包金屬液成分受前一包凝固后液相溶質(zhì)含量多少影響，根據(jù)需要進行 溶質(zhì)控制，達到缺什么元素補充什么元素的效果，同時受前一已凝固離散包固相金屬的冷 卻作用而大量縮減、凝固時間；
[0027] 4、對于大型鑄錠，鑄錠凝固收縮明顯，采用該離散澆鑄法，每層鑄錠的凝固收縮的 體積可通過下一次金屬液澆鑄來補充，因此逐層澆鑄凝固后的鑄錠的縮孔缺陷可以有效的 得到減輕甚至消除；同時相對于傳統(tǒng)澆鑄方法可取消冒口設(shè)計，減少熱頂金屬液的浪費；
[0028] 5、對于大型鑄錠因鑄錠采用變成分離散澆鑄可有效控制鑄錠的偏析分布，根據(jù)前 一包凝固剩余液體的成分，控制下一包金屬液成分，可有效減少鑄錠宏觀偏析，達到均質(zhì)化 目的，尤其對于多成分材料鑄錠的成分分布控制具有明顯效果。
【附圖說明】
[0029] 圖1示意了澆鑄成分、宏觀偏析以及最優(yōu)化系數(shù)P;
[0030] 圖2示意了 (a)傳統(tǒng)澆鑄模式和(b)本發(fā)明的變成分微包澆鑄的原理圖；
[0031] 圖3示意了本發(fā)明的變成分微包澆鑄的過程；
[0032] 圖4示意了（a)傳統(tǒng)澆鑄模式和(b)本發(fā)明的變成分微包澆鑄得到的鑄錠宏觀偏析 分布；
[0033] 圖5示意了鑄錠中心線的宏觀偏析對比。
【具體實施方式】
[0034] 下面通過結(jié)合附圖的方式來對本發(fā)明進行具體說明。
[0035]圖3示意了本發(fā)明的變成分微包澆鑄法的實施過程，鑄錠被離散成多次離散澆鑄 而成。每次澆鑄完，停止?jié)茶T待其凝固一段時間，當達到一定的固相后，數(shù)值模擬預(yù)測得出 剩余金屬液成分，計算下一包金屬液成分，然后開始下一包金屬澆鑄。如此反復，直至鑄錠 完全被澆鑄完。
[0036] 與傳統(tǒng)的澆鑄模式相比，本發(fā)明的變成分微包澆鑄法的要點或優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾 個方面：
[0037] 1、金屬饒鑄層越薄，金屬凝固時間越短，晶粒尺寸越小，偏析范圍也越小；
[0038] 2、逐層澆鑄凝固，與普通鑄造工藝相比較，有更多的金屬面與環(huán)境接觸，冷卻速度 較快，有助于晶粒細化；
[0039] 3、澆鑄后凝固時，通過測溫裝置進行實施跟蹤測溫有助于確定鑄錠凝固的固相 率，當固相率達到一定值后進行后測量剩余液體的溶質(zhì)含量，根據(jù)模型確定下一包澆鑄金 屬液的成分，如此往復達到最終鑄錠成形；
[0040] 4、由于凝固過程，下一層已部分凝固的金屬對上一層剛澆入的金屬液有激冷作 用，因此凝固后層與層之間存在一定鑄錠鑄造應(yīng)力，所以鑄錠需熱處理，以消除應(yīng)力；
[0041] 5、通過變成分離散鑄造法，使鑄錠逐層澆鑄，逐層凝固，因此鑄錠凝固過程中的收 縮體積可通過后續(xù)澆鑄的金屬液來填補，所以整個澆鑄過程中無需冒口補縮，而且降低鑄 錠縮孔縮松缺陷，提高鑄錠的利用率。
[0042] 實施例1
[0043]因百噸級大型鑄錠實驗制備成本巨大，因此采用數(shù)值模擬方法驗證本發(fā)明的方 法。本實施例采用高為4.4m，直徑約為2.4m的鋼錠為研究對象，含碳量為0.2%。鑄錠將被離 散成10包進行變成分澆鑄，其實施步驟如下：
[0044] (1)進行第一包澆鑄，待其凝固到固相率達到80% ;
[0045] (2)測得前一步驟中剩余金屬液成分，根據(jù)模型計算下一包的成分；
[0046] (3)進行下一包澆鑄，待其凝固到固相率達到80% ;
[0047] (4)重復步驟(2)-(3)八次，直至鑄錠成形；
[0048] 本實施例鑄錠的重量約為100000kg，通過比較宏觀偏析分布圖及不同工藝中心線 處宏觀偏析值可知，變成分離散增材鑄造法相對于傳統(tǒng)鑄造和定成分離散鑄造法不但可以 可降低偏析的波動，而且可以降低偏析值。
[0049] 圖4顯示了固定成分和變成分微包澆鑄過程的澆鑄成分以及偏析形貌。在變成分 澆鑄過程，每包的澆鑄成分將由合金成分、上一包凝固的偏析形貌以及上一包剩余金屬液 的溶質(zhì)含量共同決定的。圖4顯示了所預(yù)測的不同澆鑄工藝鑄錠中心線宏觀偏析的分布曲 線示意圖。由圖可知，采用變成分的離散澆鑄工藝大大降低了宏觀偏析程度，對鑄錠的成分 均勻性起了很大的優(yōu)化效果。
[0050] 以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng) 造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員 依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的試驗可以得到的技術(shù) 方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種變成分離散增材鑄造方法，用于制備均質(zhì)化鑄錠，其特征在于，所述方法將鑄錠 分為N個澆包離散澆鑄而成，其中第一個澆包的澆鑄成分由目標合金成分決定，其后每個澆 包的澆鑄成分由目標合金成分、上一澆包凝固的偏析形貌以及所述上一澆包剩余金屬液的 溶質(zhì)含量決定。2. 如權(quán)利要求1所述的變成分離散增材鑄造方法，其中所述上一澆包剩余金屬液的重 量占所述上一澆包的重量百分比為20%。3. 如權(quán)利要求1所述的變成分離散增材鑄造方法，其中N多5。4. 如權(quán)利要求1所述的變成分離散增材鑄造方法，其中N多10。5. 如權(quán)利要求2所述的變成分離散增材鑄造方法，其中所述方法包括以下步驟： (1) 設(shè)計所述N個澆包的成分如下： Cij = C〇+ACij i = 0、l、2、3、."、N-l 其中，Co是所述目標合金成分，Cij是組元j在第i饒包的含量，ACij是所述組元j在所述 第i澆包澆鑄時的調(diào)整量，所述調(diào)整量由所述上一澆包剩余金屬液的溶質(zhì)含量決定； 其中，每個所述澆包的質(zhì)量用I來表示，對于溶質(zhì)元素的分配系數(shù)ko〈l的組元j，其溶質(zhì) 濃度表示為：其中，P是最優(yōu)化系數(shù)，由最大宏觀偏析量及標準、以及所述上一包剩余金屬液的溶質(zhì) 含量C/-1/決定； (2) 數(shù)值模擬所述離散澆鑄過程，獲取其凝固過程中固相率與凝固時間的關(guān)系，獲得所 述上一包殘留金屬液的溶質(zhì)含量； (3) 金屬液熔煉、除氣、除渣后準備澆鑄； (4) 金屬液澆鑄，其中對小型鑄錠使用澆包g取合金液進行澆鑄，對大型鑄錠采用底注 包進行澆鑄； (5) 當前澆包澆鑄后，停止?jié)茶T； (6) 對當前已澆鑄的澆包實時跟蹤測溫，根據(jù)步驟(2)中所述數(shù)值模擬的結(jié)果，在所述 當前已澆鑄的澆包的所述固相率達到80%時，進行下一澆包澆鑄； (7) 重復步驟(4)-(6)直至所述鑄錠澆鑄凝固完成。6. 如權(quán)利要求5所述的變成分離散增材鑄造方法，其中所述方法還包括步驟： (8) 對澆鑄凝固完成的所述鑄錠進行熱處理消除鑄造應(yīng)力。7. 如權(quán)利要求6所述的變成分離散增材鑄造方法，其中所述鑄錠為鋼釘，所述鑄錠的高 度為4.4m，所述鑄錠的直徑為2.4m，所述鑄錠的含碳量為0.2%，N = 10。
【文檔編號】B22D7/02GK105945246SQ201610316759
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】李軍, 任鳳麗, 葛鴻浩, 王軍格, 夏明許, 韓秀君, 李建國
【申請人】上海交通大學