一种减少离心铸造比重偏析的方法

1.一种减少离心铸造比重偏析的方法，包括下列内容：
1、将准备好的金属加热熔化；
2、将熔炼好的金属液，注入选定的专用底注式浇包，达到预定高度H时进行预搅拌，使金属液形成漩涡；然后拔出专用底注式浇包的柱塞，使专用底注式浇包内金属液流下时形成负压，通过虹吸和重力的作用，使专用底注式浇包内的金属液在中心轴线方向形成向下的涡流，同时抽吸上层轻金属与下层重金属，使各合金元素重新均匀分布一同流下，进入铸型，在离心铸型中快速冷却并凝固成铸件；若铸件质量大，金属液用量多，即可一边浇注一面将预备的金属液注入专用底注式浇包，并维持其合金液柱的高度接近预定高度H，直至所有金属液进入铸型，完成浇注；
其中，专用底注式浇包包括底注式浇包和浇口杯，浇口杯一端连接底注式浇包底部，一端连通铸型，其内腔为倒锥台形状，锥度为1∶4-1∶7.5；其底部中心开有注孔，底注式浇包内沿中心轴线方向设置柱塞，柱塞与注孔过盈配合；
根据合金液的质量，专用底注式浇包底部内径D1、预定高度H处内径D2、预定高度H和注孔直径d符合下列要求：
D2＝n×D1；
d＝m×D1；
H＝(1.2-1.5)×D1；
其中：
n为径差系数，取值1.2-1.3；合金中各组元间密度差大于5时取大值，密度差在3以下
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时取小值；密度差在3-5之间时用插值法计算该系数值，密度单位为10kg/m；
m为注孔系数，取值0.07-0.08；铸件质量大于5t时取小值，小于5t时取大值；浇包注孔直径d不小于30mm。

一种减少离心铸造比重偏析的方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种减少离心铸造比重偏析的方法，属于铸造技术领域。\n背景技术\n[0002] 所谓铸造偏析就是合金液在铸型中凝固以后，铸件断面各个部分以及晶粒与晶界之间存在化学成分的不均匀现象。由于铸件各部分化学成分不一致，势必使其机械及物理性能也不一样，这样就会影响铸件的工作效果和使用寿命。因此，在铸造生产中，应尽量防止合金在凝固过程中产生偏析。\n[0003] 偏析是一种铸造缺陷，一般分为三种类型，即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。所谓晶内偏析，又称树枝状晶偏析，其特征是同一个晶粒内，各部分化学成分不一致，并且往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。所谓区域偏析，即在整个铸件断面上，各部分化学成分不一致的现象，它主要由于合金进行选择凝固所引起的。所谓比重偏析，即由于合金中两组元比重不同，而在同一铸件中出现上下部分成分不一致的现象。对于某一种合金铸件而言，产生的偏析往往有一种主要型式，但由于各种铸造条件的影响，几种偏析也可能同时出现。\n[0004] 在合金铸件中由于各组分比重不同，常常造成比重偏析。出现这种偏析时，对于重力铸造的铸件，上部合金中比重较小的合金组元较多，而下部比重较大的合金组元较多。特别是在离心铸造套类铸件或者管件时，无论是合金钢铸件，还是有色金属如铜合金、铝合金铸件，其铸件均为在离心力的作用下成型并凝固，由于各种合金元素密度不同，在离心铸造过程中容易产生比重力铸造铸件更加严重的比重偏析，严重的还会产生分层(如铅青铜、磷青铜)，从而影响铸件质量。这是一个较难解决的问题，生产厂家大多从改变铸型预热温度、浇注温度、浇注速度、铸型转速等离心铸造工艺参数、优化工艺条件的角度考虑；还有的添加微量元素以改变凝固特性。上述措施对解决离心铸造的比重偏析问题，具有一定的作用，但均存在作用上的局限性。\n发明内容\n[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种减少离心铸造比重偏析的方法，改良传统离心铸造的浇注工艺，减少离心铸造中的比重偏析问题，提高铸件内在质量。\n[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种减少离心铸造比重偏析的方法，包括下列内容：\n[0007] 1、将准备好的金属加热熔化；\n[0008] 2、将熔炼好的金属液，注入选定的专用底注式浇包，达到预定高度H时进行预搅拌，使金属液形成漩涡；然后拔出专用底注式浇包的柱塞，使专用底注式浇包内金属液流下时形成负压，通过虹吸和重力的作用，使专用底注式浇包内的金属液在中心轴线方向形成向下的涡流，同时抽吸上层轻金属与下层重金属，使各合金元素重新均匀分布一同流下，进入铸型，在离心铸型中快速冷却并凝固成铸件；若铸件质量大，金属液用量多，即可一边浇注一面将预备的金属液注入专用底注式浇包，并维持其合金液柱的高度接近预定高度H，直至所有金属液进入铸型，完成浇注。\n[0009] 上述的专用底注式浇包，包括底注式浇包和浇口杯，浇口杯一端连接底注式浇包底部，一端连通铸型；所述底注式浇包，其内腔为倒锥台形状，锥度为1∶4-1∶7.5；其底部中心开有注孔，底注式浇包内沿中心轴线方向设置柱塞，柱塞与注孔过盈配合。\n[0010] 上述的专用底注式浇包，根据合金液体的质量，其底部内径D1、预定高度H处内径D2、预定高度H和注孔直径d符合下列要求：\n[0011] D2＝n×D1；\n[0012] d＝m×D1；\n[0013] H＝(1.2--1.5)×D1；\n[0014] 其中：\n[0015] n为径差系数，取值1.2-1.3；合金中各组元间密度差大于5时取大值，密度差在3\n3\n以下时取小值；密度差在3-5之间时用插值法计算该系数值，密度单位为10kg/m3；\n[0016] m为注孔系数，取值0.07-0.08；铸件质量大于5t时取小值，小于5t时取大值；浇包注孔直径不小于30mm。\n[0017] 本发明在保留现有的部分离心铸造工艺的前提下，改变浇注的方法，利用金属液具有一定的压力头，浇包的设计使浇包内金属液流下时形成负压，在负压的作用下产生虹吸作用，将比重较轻的浇包上层金属液与比重较大的下层金属液和一同流下，使各合金元素在虹吸和重力作用下，重新分布，起到均匀搅拌的作用。另外在拔柱塞前进行预搅拌，形成漩涡，更有利于轴线处空腔的形成。通过在离心铸造铸型中由于极冷作用而凝固较快，能大大减少比重偏析的形成，获得成分和组织均匀的铸件。本发明所使用的浇包与普通的浇包不同，注孔直径比通常浇注用底注式浇包要大，便于形成中心负压区，加快金属流速，同时抽吸上层轻金属与下层重金属一同进入浇口杯。另外，不同的金属液，因比重差不同，选用不同尺寸的浇包，以获得更佳效果。\n[0018] 传统的离心铸造浇注，一般在金属熔炼完成后，直接倒入浇口杯，用浇口杯直流定量浇注，浇注平稳，定量准确，可以控制浇注速度。但由于金属密度不同，一旦完全熔为液相，以铜铝合金为例，富铜相沉底，富铝相上浮；即使浇注前大力搅拌，但稍一静置，结果依然。所以浇注时极易造成富铝部分(轻金属)先进入离心铸型，离心冷模使其很快凝固，形成外壳，而富铜部分(重金属)后入，虽然重力大，但由于外部已形成壳，且熔点高，常常集中于内层，形成比重偏析。\n[0019] 为解决现有离心铸造工艺存在的严重比重偏析问题，经多年研究，本发明提供了一种离心铸造浇注技术，该技术保留了部分离心铸造的工艺特点，又克服了其中存在的显著缺点，在制作合金钢、有色金属合金管件、管坯、套类铸件时，解决了比重偏析的缺陷，铸件的性能有显著提高。与现有技术相比，本发明具有以下优点：一是铸件的机械性能提高，由于比重偏析问题解决，提高了铸件内在质量，使铸件的组织更加致密。二是方法简单，成本低，只需改变浇注的模式。\n附图说明\n[0020] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。\n[0021] 图1为本发明实施例的专用底注式浇包的结构示意图。\n具体实施方式\n[0022] 实施例1\n[0023] 离心铸造9吨重的ZCuAl9Fe4铜合金套，包括下列内容：\n[0024] 1、按照铸造9吨重的CuAl9Fe4铜合金套准备好各种金属并加热熔化。\n[0025] 2、选定专用底注式浇包：该专用底注式浇包其底部内径D1、预定高度H处内径D2、预定高度H和注孔直径d符合下列要求：D2＝n×D1；d＝m×D1；H＝(1.2-1.5)×D1；\n[0026] 其中：n为径差系数，取值1.2-1.3；合金中各组元间密度差大于5时取大值，密度\n3\n差在3以下时取小值；密度差在3-5之间时用插值法计算该系数值，密度单位为10kg/m3；\n[0027] m为注孔系数，取值0.07-0.08；铸件质量大于5t时取小值，小于5t时取大值；浇包注孔直径不小于30mm。\n[0028] 由于铜和铝的密度差大于5，铸件质量大于5t，故n、m两系数分别取1.3和0.07。\n[0029] 此时浇包内腔尺寸为，取D1为φ900mm，则：\n[0030] D2＝1.3×900＝1170mm，\n[0031] d＝0.07×900＝63mm；\n[0032] 此时计算合金的平均密度，参照使用固态金属密度的平均值ρ均：\n[0033] ρ均＝0.87×ρ铜+0.09×ρ铝+0.04×ρ铁＝8.3；\n[0034] 按照圆锥体积公式，算出H＝1280mm，也就是1.42D1，符合高度要求。\n[0035] 然后将熔炼好的金属液，注入选定的专用底注式浇包，达到预定高度H时进行预搅拌，使金属液形成漩涡；然后拔出专用底注式浇包的柱塞，使专用底注式浇包内金属液流下时形成负压，通过虹吸和重力的作用，使专用底注式浇包内的金属液在中心轴线方向形成向下的涡流，同时抽吸上层轻金属与下层重金属，使各合金元素重新均匀分布一同流下，进入铸型，在离心铸型中快速冷却并凝固成铸件，完成浇注，得到9吨重的ZCuAl9Fe4铜合金套。\n[0036] 实施例2\n[0037] 离心铸造6吨重的ZCuPb30铜合金套。包括下列内容：\n[0038] 1、按照铸造6吨重的ZCuPb30铜合金套准备好各种金属并加热熔化。\n[0039] 2、选定专用底注式浇包：该专用底注式浇包其底部内径D1、预定高度H处内径D2、预定高度H和注孔直径d符合下列要求：D2＝n×D1；d＝m×D1；H＝(1.2-1.5)×D1；\n[0040] 其中：n为径差系数，取值1.2-1.3；合金中各组元间密度差大于5时取大值，密度\n3\n差在3以下时取小值；密度差在3-5之间时用插值法计算该系数值，密度单位为10kg/m3；\n[0041] m为注孔系数，取值0.07-0.08；铸件质量大于5t时取小值，小于5t时取大值；浇包注孔直径不小于30mm。\n[0042] 由于铜和铅的密度差小于3，故n取小值1.2，铸件质量大于5t，m取0.07。\n[0043] 此时浇包内腔尺寸应为，取D1为φ800mm，则：\n[0044] D2＝1.2×800＝960mm，\n[0045] d＝0.07×800＝56mm。\n[0046] 此时计算合金的平均密度，参考使用固态金属密度的平均值ρ均：\n[0047] ρ均＝0.7×ρ铜+0.3×ρ铅＝9.62；\n[0048] 按照圆锥体积公式，算出H＝1070mm，其为1.34D1，符合高度要求。\n[0049] 然后将熔炼好的金属液，注入选定的专用底注式浇包，达到预定高度H时进行预搅拌，使金属液形成漩涡；然后拔出专用底注式浇包的柱塞，使专用底注式浇包内金属液流下时形成负压，通过虹吸和重力的作用，使专用底注式浇包内的金属液在中心轴线方向形成向下的涡流，同时抽吸上层轻金属与下层重金属，使各合金元素重新均匀分布一同流下，进入铸型，在离心铸型中快速冷却并凝固成铸件，完成浇注，得到6吨重的ZCuPb30铜合金套。\n[0050] 上述各实施例的铸件，均避免了比重偏析，铸件组织致密，提高了铸件内在质量。