一種立式離心鑄造180°彎頭的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫受壓件180°彎頭及其立式離心鑄造方法。通過對(duì)立式離心鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，制得的彎頭產(chǎn)品表現(xiàn)出了極其優(yōu)異的高溫短時(shí)力學(xué)性能和高溫持久力學(xué)性能，不僅顯著優(yōu)于靜態(tài)鑄件，而且明顯優(yōu)于常規(guī)離心鑄造工藝所得的產(chǎn)品。這一特性使得產(chǎn)品在高溫應(yīng)用環(huán)境下能夠進(jìn)一步延長使用壽命和降低產(chǎn)品報(bào)廢率，并且有利于在更高環(huán)境要求下的應(yīng)用。
【專利說明】一種立式離心鑄造180°彎頭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料鑄造領(lǐng)域，具體涉及一種高溫受壓件180°彎頭及其立式離心鑄造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]180°彎頭廣泛應(yīng)用于石化、冶金工業(yè)爐中，是傳送高溫氣體、燃料氣的重要部件，工作條件為高溫受壓狀態(tài)，因此要求其具有良好的高溫短時(shí)力學(xué)性能和高溫持久力學(xué)性能。其材料一般選用高鉻鎳合金。
[0003]目前，180°彎頭的制造普遍采用靜態(tài)鑄造工藝(如砂型鑄造、精密鑄造、熔模鑄造等)，也稱重力鑄造，即鋼水在重力場的作用下經(jīng)澆口、澆道到達(dá)型腔成型，鑄件在冷卻凝固過程中靠冒口中鋼水的重力作用進(jìn)行補(bǔ)縮。靜態(tài)鑄造的180°彎頭可以滿足在高溫高壓條件下的基本應(yīng)用要求，但是鑄件組織通常不規(guī)則且較不致密，易存在氣孔、夾渣等結(jié)構(gòu)缺陷，機(jī)械性能不夠優(yōu)越，使用壽命也不理想，產(chǎn)品報(bào)廢率較高。
[0004]研究人員近來發(fā)現(xiàn)，離心鑄造工藝相比于靜態(tài)鑄造工藝更有利于提升鑄件性能。例如，中國專利申請(qǐng)201310152327.6公開了一種立式離心鑄造過渡短節(jié)的方法，中國專利申請(qǐng)201310269895.4公開了一種Inconel600合金管的離心鑄造工藝。指出，將傳統(tǒng)的靜態(tài)鑄造工藝改為離心鑄造，可以獲得比重力場更高的離心力場，提高鋼水充型力，增強(qiáng)鑄件冷卻時(shí)的補(bǔ)縮能力，能夠有效提高產(chǎn)品澆鑄質(zhì)量，降低產(chǎn)品報(bào)廢率，提高產(chǎn)品的常溫和高溫機(jī)械性能，延長使用壽命。
[0005]離心鑄造工藝優(yōu)勢(shì)明顯，有望在金屬構(gòu)件鑄造領(lǐng)域得到進(jìn)一步推廣。然而，離心鑄造工藝并非是一套格式化流程。同樣是離心鑄造，工藝條件和參數(shù)的選擇對(duì)最終產(chǎn)品性能有著非常關(guān)鍵的影響。對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)以期獲得盡可能提升的產(chǎn)品性能，將是現(xiàn)階段金屬構(gòu)件離心鑄造領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的首先在于提供一種立式離心鑄造180°彎頭的方法。在將立式離心鑄造工藝引入180°彎頭鑄造的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝條件和參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，所得產(chǎn)品表現(xiàn)出了極其優(yōu)異的高溫短時(shí)力學(xué)性能和高溫持久力學(xué)性能，顯著優(yōu)于靜態(tài)鑄造產(chǎn)品，并且超出了對(duì)離心鑄造產(chǎn)品的一般性預(yù)期(即，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)是預(yù)料不到的)。
[0007]本發(fā)明的具體方案如下:
一種立式離心鑄造180°彎頭的方法，包括以下步驟:
(1)模具預(yù)熱后，將其裝配在立式離心機(jī)法蘭盤上，開啟離心機(jī)，轉(zhuǎn)速控制在100-150r/min ；
(2)將溫度1560-1640°C的鋼水快速注入模具，密封后在15s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速提升至900-1100 r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持2-3min ;
(3)在IOs內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至500-600r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持2_3min；(4)再次在IOs內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速提升至900-1100r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持10_15min ；
(5)在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至500-600r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持8_10min;然后再在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至250-300 r/min,并在該轉(zhuǎn)速保持5min ;然后關(guān)閉離心機(jī)，待其自然停止
旋轉(zhuǎn)；
(6)將充分冷卻成型的鑄件取出，加工得到所需尺寸的180°彎頭產(chǎn)品。
[0008]適用于本發(fā)明上述方法中鑄造180°彎頭的模具對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易確定的。如附圖1中所示，該模具包括上模4、下模5、泥芯6和內(nèi)芯7。其中，上模4、下模5和泥芯6共同構(gòu)造出彎頭成型的型腔。上模4和下模5均為圓形，沿圓周方向可均勻分布有2個(gè)或多個(gè)型腔，以用于同時(shí)澆鑄2個(gè)或多個(gè)彎頭。上模4上有澆口、澆道和排氣孔，上模4和下模5的端面均有排氣槽，排氣槽和排氣孔的作用是當(dāng)鋼水澆入的時(shí)候，鋼水和型腔里面的氣體可通過排氣孔和排氣槽排出；下模5上有圓形止口，泥芯6通過圓形止口固定在下模5上，可避免在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滑出原來位置，引起鋼水澆鑄不均勻。
[0009]上模4和下模5構(gòu)成的內(nèi)孔形狀以及泥芯6的形狀與彎頭形狀相同，但在尺寸設(shè)置上略有差異。考慮到鋼水收縮率和后期加工需要，以豎截面為圓形的彎頭產(chǎn)品為例，內(nèi)孔的豎截面直徑應(yīng)略大于彎頭產(chǎn)品的截面外徑，泥芯6的豎截面直徑則略小于彎頭產(chǎn)品的截面內(nèi)徑，即預(yù)留收縮量和加工余量；其中，鋼水收縮率和加工余量對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知且容易確定的。通常來說，鋼水收縮率為1_3%，加工余量為20-60mm。
[0010]模具材質(zhì)可以是本領(lǐng)域常用的那些材料。例如，上模4和下模5材料可以是鑄鐵、鑄鋼或鍛件；泥芯6和內(nèi)芯7的材料可以是砂型鑄造領(lǐng)域常用的樹脂砂，優(yōu)選透氣型樹脂砂(鋼水進(jìn)入型腔時(shí)，有助于氣體排出)。
[0011]本發(fā)明的鑄造方法中，模具型腔表面噴涂有耐高溫涂料，用以降低模具所受的熱沖擊和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的冷卻速度，并且有利于鑄件冷卻后從模具內(nèi)取出。所述耐高溫涂料可選用180°彎頭澆鑄領(lǐng)域的常用涂料，如靜態(tài)鑄造工藝中采用的那些；優(yōu)選地，可以選用醇基鋯英粉涂料。
[0012]步驟(I)中，模具預(yù)熱的目的在于延緩鋼水的冷卻速度，防止因鋼水冷卻過快導(dǎo)致鑄件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋等缺陷，其溫度優(yōu)選400-500°C。
[0013]步驟(2)中，鋼水材質(zhì)為本領(lǐng)域公知的用于制造180°彎頭的高鉻鎳耐熱合金，例如可以是ZG40Cr25Ni20。優(yōu)選地，鋼水溫度為1580_1610°C。鋼水注入量應(yīng)超過產(chǎn)品重量和補(bǔ)縮余量，以溢出澆道為宜；具體所需注入量對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易確定的。
[0014]步驟(6)中，可采用本領(lǐng)域公知的常規(guī)工藝對(duì)鑄件進(jìn)行后期處理，例如可切除過量鋼水在型腔之外冷卻形成的多余部分，采用噴砂或拋丸對(duì)鑄件表面及內(nèi)孔進(jìn)行加工。
[0015]在知曉本發(fā)明上述方法的基礎(chǔ)上，適用于本發(fā)明的離心機(jī)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易獲知的。例如，可采用由天水華榮鑄造機(jī)械有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為J5216HR的大型離心軋輥機(jī)、J556型立式離心鑄造機(jī)等。
[0016]如中國專利申請(qǐng)201310152327.6中所說，立式離心鑄造有利于形成規(guī)則排列的金相組織，增加鑄件的成型力，可提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品機(jī)械性能，延長使用壽命，降低產(chǎn)品報(bào)廢率。
[0017]本發(fā)明的鑄造方法在具有常規(guī)離心鑄造工藝優(yōu)點(diǎn)的前提下，是對(duì)立式離心鑄造工藝的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。常規(guī)的離心鑄造在鋼水注入模具后，冷卻成型過程中伴隨著“提速-保持高轉(zhuǎn)速-降速”的離心轉(zhuǎn)速控制模式。不同與此，本發(fā)明的鑄造方法中包含了兩個(gè)提速階段，中間間隔有一個(gè)降速后在中速保持一段時(shí)間的過程；在第二次高轉(zhuǎn)速離心成型后，再采用分階段降速。
[0018]不局限于現(xiàn)有的任意理論， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)，上述改進(jìn)/優(yōu)化能夠進(jìn)一步提升彎頭產(chǎn)品的性能。本發(fā)明制得的180°彎頭在高溫短時(shí)力學(xué)性能和高溫持久力學(xué)性能兩個(gè)方面不僅顯著優(yōu)于靜態(tài)鑄造產(chǎn)品，而且明顯優(yōu)于常規(guī)離心鑄造工藝的產(chǎn)品，后一點(diǎn)是現(xiàn)有技術(shù)中根本預(yù)料不到的。
[0019]本發(fā)明的180°彎頭產(chǎn)品能夠進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品應(yīng)用性能，延長使用壽命，降低產(chǎn)品報(bào)廢率。因此，本發(fā)明的另一目的還在于提供由上述立式離心鑄造方法制備而成的180°彎頭及其在高溫氣體或燃料氣傳輸中的應(yīng)用。
[0020]附圖簡要說明
圖1為立式離心鑄造180°彎頭的裝置示意圖，其中:1 一離心機(jī)主電機(jī)；2—離心機(jī)主機(jī)；3—尚心機(jī)法蘭盤；4一上模；5—下模；6—泥芯；7 —內(nèi)芯。
[0021]圖2為實(shí)施例1制得的180°彎頭產(chǎn)品的實(shí)物圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下通過具體實(shí)施例以對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)將其理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0023]材料和設(shè)各
離心機(jī)型號(hào)為J556型立式離心鑄造機(jī)。模具中上、下模的材料米用360V鋼；泥芯和內(nèi)芯的材料采用樹脂砂，是以4重量％樹脂(購自蘇州可隆化工有限公司，KPJ-L8850樹脂)、1重量％固化劑(購自蘇州可隆化工有限公司，與前述樹脂對(duì)應(yīng)的固化劑)和95重量％普通石英砂為原料，經(jīng)常規(guī)方法制備而成；耐高溫涂料采用醇基鋯英粉涂料；彎頭材質(zhì)(即鋼水)采用ZG40Cr25Ni20，化學(xué)成分和機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)HG/T2601-2011《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》。
[0024]產(chǎn)品規(guī)格和模具加工
180。彎頭產(chǎn)品預(yù)定尺寸(單位:mm): Φ200，壁厚8，R137.5。
[0025]模具加工:(1)根據(jù)180°彎頭產(chǎn)品外壁形狀加工上模和下模，確保上模和下模構(gòu)成的內(nèi)孔形狀與彎頭外壁形狀相同，并且根據(jù)“內(nèi)孔的豎截面直徑=產(chǎn)品截面外徑+產(chǎn)品厚度X2.4%+ 30mm”的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置內(nèi)孔豎截面直徑。(2)根據(jù)彎頭產(chǎn)品內(nèi)壁形狀加工泥芯外形，根據(jù)“泥芯豎截面直徑=產(chǎn)品截面內(nèi)徑-產(chǎn)品厚度X2.4% - 30mm”的要求設(shè)置泥芯豎截面直徑。(3)在模具型腔內(nèi)均勻噴涂厚度約為1.0mm的耐高溫涂料。
[0026]制各實(shí)施例 實(shí)施例1 (本發(fā)明)
采用本發(fā)明公開的立式離心鑄造180°彎頭的方法，具體包括以下步驟:
(1)將模具預(yù)熱至450°C后，如附圖1所示，將其裝配在立式離心機(jī)法蘭盤上，開啟離心機(jī)，轉(zhuǎn)速控制在140 r/min ；
(2)將溫度1605°C的鋼水快速注入模具，密封后在15s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速提升至1000r/min,并在該轉(zhuǎn)速保持3min ； (3)在IOs內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至550r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持2min ；
(4)再次在IOs內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速提升至1000r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持15min ；
(5)在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至550r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持8min;然后再在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至300 r/min,并在該轉(zhuǎn)速保持5min ;然后關(guān)閉離心機(jī)，待其自然停止旋轉(zhuǎn)；
(6)將充分冷卻成型的鑄件取出，切除因過量鋼水在型腔之外冷卻從而連接在彎頭鑄件上的多余部分，采用拋丸對(duì)鑄件表面及內(nèi)孔進(jìn)行加工，得到預(yù)定尺寸的180°彎頭產(chǎn)品。
[0027]圖2為本實(shí)施例所得產(chǎn)品的實(shí)物圖。目測可以看到，該彎頭產(chǎn)品表面形貌完好，無裂紋、氣孔、夾渣、疏松等缺陷。
[0028]對(duì)比例I
采用常規(guī)的立式離心鑄造工藝制備180°彎頭，具體包括以下步驟:
(1)將模具預(yù)熱至450°C后，如附圖1所示，將其裝配在立式離心機(jī)法蘭盤上，開啟離心機(jī)，轉(zhuǎn)速控制在140 r/min ；
(2)將溫度1605°C的鋼水快速注入模具，密封后在15s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速提升至1000r/min,并在該轉(zhuǎn)速保持20min ；
(3)在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至550r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持8min;然后再在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至300 r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持5min ;然后關(guān)閉離心機(jī)，待其自然停止旋轉(zhuǎn)；
(4)將充分冷卻成型的鑄件取出，切除因過量鋼水在型腔之外冷卻從而連接在彎頭鑄件上的多余部分，采用拋丸對(duì)鑄件表面及內(nèi)孔進(jìn)行加工，得到預(yù)定尺寸的180°彎頭產(chǎn)品。
[0029]對(duì)比例2
采用靜態(tài)鑄造工藝制備180°彎頭，具體包括以下步驟:將模具預(yù)熱至450°C，接著將溫度為1605°C的鋼水快速注入模具，待其自然冷卻成型；然后將鑄件取出，切除因過量鋼水在型腔之外冷卻從而連接在彎頭鑄件上的多余部分，采用拋丸對(duì)鑄件表面及內(nèi)孔進(jìn)行加工，得到預(yù)定尺寸的180°彎頭產(chǎn)品。
[0030]件能檢測和表征 A、滲透探傷
根據(jù)JB/T4730.5-2005，對(duì)180°彎頭產(chǎn)品的內(nèi)、外表面進(jìn)行滲透探傷(PT)，結(jié)果顯示:實(shí)施例1和對(duì)比例I的產(chǎn)品表面質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷；而對(duì)比例2的產(chǎn)品表面存在明顯的氣孔、夾渣和裂紋。
[0031]這一結(jié)果說明，立式離心鑄造工藝相比于靜態(tài)鑄造工藝在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上存在明顯優(yōu)勢(shì)。
[0032]B、氣密性試驗(yàn)
根據(jù)HG/T2601-2011，對(duì)180°彎頭產(chǎn)品進(jìn)行0.7MPa氣密性試驗(yàn)，保壓5分鐘，結(jié)果顯
示:
實(shí)施例1、對(duì)比例I和對(duì)比例2的產(chǎn)品均未發(fā)現(xiàn)任何形式的滲漏和冒汗，符合HG/T2601-2011標(biāo)準(zhǔn)要求。
[0033]C、高溫短時(shí)力學(xué)性能試驗(yàn)
根據(jù)GB/T4338-2006，沿徑向切取拉伸試樣，使用WE-300高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)在高溫(982°C)下做產(chǎn)品拉伸試驗(yàn)。結(jié)果如表I所示。
[0034]表I 180°彎頭產(chǎn)品的高溫短時(shí)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種立式離心鑄造180°彎頭的方法，包括以下步驟: (1)模具預(yù)熱后，將其裝配在立式離心機(jī)法蘭盤上，開啟離心機(jī)，轉(zhuǎn)速控制在100-150r/min ； (2)將溫度1560-1640°C的鋼水快速注入模具，密封后在15s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速提升至900-1100 r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持2-3min ; (3)在IOs內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至500-600r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持2_3min； (4)再次在IOs內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速提升至900-1100r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持10_15min ； (5)在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至500-600r/min，并在該轉(zhuǎn)速保持8_10min;然后再在30s內(nèi)將轉(zhuǎn)速勻速降至250-300 r/min,并在該轉(zhuǎn)速保持5min ;然后關(guān)閉離心機(jī)，待其自然停止旋轉(zhuǎn)； (6)將充分冷卻成型的鑄件取出，加工得到所需尺寸的180°彎頭產(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1所述的立式離心鑄造180°彎頭的方法，其特征在于:模具型腔表面噴涂有耐聞溫涂料。
3.權(quán)利要求2所述的立式離心鑄造180°彎頭的方法，其特征在于:所述耐高溫涂料是醇基鋯英粉涂料。
4.權(quán)利要求1所述的立式離心鑄造180°彎頭的方法，其特征在于:步驟(I)中，模具預(yù)熱溫度為400-500°C。
5.權(quán)利要求1所述的立式離心鑄造180°彎頭的方法，其特征在于:步驟(2)中，鋼水材質(zhì)為高鉻鎳耐熱合金，鋼水溫度為1580-1610°C。
6.權(quán)利要求5所述的立式離心鑄造180°彎頭的方法，其特征在于:所述鋼水材質(zhì)為ZG40Cr25Ni20。
7.一種180°彎頭，由立式離心鑄造方法制備而成。
8.權(quán)利要求7所述的180°彎頭，其特征在于:由權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法制備而成。
9.權(quán)利要求8所述的180°彎頭在高溫氣體或燃料氣傳輸中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B22D13/00GK103978176SQ201410220399
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】李勤峰 申請(qǐng)人:江蘇雙勤民生冶化設(shè)備制造有限公司