一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，該工藝先用水玻璃砂制出鑄型，然后對鑄型進行烘干和噴涂涂料，將鋼環(huán)的鑄造原料進行冶煉，并澆注到鑄型中，對澆注成型的鋼環(huán)坯進行正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理，然后對鋼環(huán)坯進行冷卻工序降至室溫并進行打磨和機械加工，最終得到能直接使用于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯；該鑄造工藝鑄造出的鋼環(huán)坯減少鋼環(huán)坯鑄造過程中的縮孔、縮松、偏析等缺陷和盡可能使晶粒細化，制造出可滿足輾擴成形性能需求的高質(zhì)量的鋼環(huán)坯，由于縮短鑄輾復(fù)合成形技術(shù)的流程，保證輾擴成形工藝和環(huán)件的質(zhì)量及性能要求。
【專利說明】一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制造工藝，具體涉及一種用于環(huán)件鑄輾復(fù)合成型用的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，屬于鑄造工藝領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)形零件是裝備制造等工業(yè)領(lǐng)域典型的傳動、承載關(guān)鍵機械零件，品種多，用量大，用途廣。隨著高檔機床、港口機械、化工機械、船舶、風電和重大裝備的發(fā)展，對環(huán)形零件的需求量日益增多，規(guī)格日益加大，品種不斷增加。例如，我國軸承產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的1/3以上，而以大型環(huán)件為主要零件的大型軸承的需求量在不斷增加；風電、石油化工、港口機械和國防工業(yè)等需要大量的2 m以上，甚至5-9 m的大型或超大型環(huán)件。
[0003]環(huán)形零件的生產(chǎn)，目前普遍采用的是比較先進的熱輾擴成形技術(shù)。在輾環(huán)機上通過連續(xù)地對環(huán)件局部加載，使得環(huán)件直徑不斷增大，徑向壁厚逐漸減小，在外形和尺寸達到要求的同時，力學性能得到改善和提高。這種環(huán)件輾擴成形工藝由于是一種對工件實施連續(xù)的局部加載過程，因而設(shè)備噸位小，生產(chǎn)效率高，可生產(chǎn)直徑大于6 m的環(huán)形件。然而目前的環(huán)件熱輾擴成形工藝，都是以鍛坯為原料，通過鍛造-沖孔-輾擴工藝來實現(xiàn)環(huán)件的成形。該工藝先生產(chǎn)出鋼錠，然后在鋼廠的鍛錘或其他設(shè)備上開坯，生產(chǎn)出圓坯或方坯。運到環(huán)件生產(chǎn)企業(yè)后要通過鋸床下料，獲得環(huán)件所需的坯料，再由大型液壓機或其他鍛壓設(shè)備鍛造，制成圓坯，再通過沖孔工藝獲得環(huán)形毛坯，然后通過輾環(huán)機輾擴成形。這個工藝流程冗長；開坯、鍛造、沖孔工藝都是熱加工，需要對坯料加熱；鋼廠開坯、鋸床下料、鍛造、沖孔都需要大型設(shè)備，不僅投資大，而且消耗能源動力；沖孔工藝和多次加熱造成了材料浪費；存在能源動力消耗大、材料浪費嚴重、效率低、成本高、增加排放和污染環(huán)境等問題。
[0004]因此，研究開發(fā)金屬環(huán)件短流程鑄輾復(fù)合成形工藝均有重要的理論意思和實用價值，環(huán)形零件短流程鑄輾復(fù)合成形技術(shù)是一種全新的理論與工藝，涉及冶煉、鑄造、輾擴等主要工藝過程，其中冶煉和環(huán)坯鑄造凝固過程是確保環(huán)件綜合性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有在該階段消除縮孔、縮松、偏析等組織缺陷，并細化晶粒，才能保證輾擴成形工藝和環(huán)件的質(zhì)量及性能要求。鑄造工藝過程涉及結(jié)晶、溶質(zhì)的傳輸、晶體長大、氣體溶解和析出、非金屬夾雜的形成等多方面因素，對鑄造工藝進行研究，控制鑄件的凝固過程，獲得無缺陷、晶粒細化，可滿足輾擴成形性能需求的高質(zhì)量鑄坯，對于環(huán)件短流程鑄輾復(fù)合成形技術(shù)的開發(fā)研究和推廣應(yīng)用具有重要意義，能為后續(xù)的輾擴工藝提供高質(zhì)量的環(huán)形鑄坯。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，提出一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，該鑄造工藝減少環(huán)坯鑄造過程中的縮孔、縮松、偏析等缺陷和盡可能使晶粒細化，制造出可滿足輾擴成形性能需求的高質(zhì)量的鋼環(huán)坯，由于縮短鑄輾復(fù)合成形技術(shù)的流程，保證輾擴成形工藝和環(huán)件的質(zhì)量及性能要求。
[0006]本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是: 一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，包括以下具體步驟:
(1)根據(jù)鋼環(huán)的形狀以石英砂、水玻璃和膨潤土為造型材料混制出鑄型，并在鑄型上開有澆口，然后將鑄型置于烘爐中在220-250°C下進行烘干；
(2)向烘干的鑄型表面噴涂一層涂料，涂料按質(zhì)量百分比計包含以下組分:
鋯英粉:90-93%，酚醛樹脂:2-4%，有機膨潤土:1.5-2.5%及二氧化鈦:0.5-1% ；
(3)將鋼環(huán)的鑄造原料進行冶煉得到鑄造原料溶液，冶煉溫度為1680-1700°C，冶煉時間為 3.7-4.0h ；
(4)將添加入合金元素的鑄造原料溶液進行鎮(zhèn)靜3-5min，然后向鑄型內(nèi)澆注形成鋼環(huán)坯，澆注溫度為1540-1550°C，澆注速度為67-70kg/s，澆注時間為15_20s，在澆注過程中向鑄造原料溶液中加入少量變質(zhì)劑；
變質(zhì)劑的化學成份質(zhì)量百分比為:稀土硅92%，鉍錠3%，鎂錠3%，鋁錠2% ；
(5)澆注后將整個鋼環(huán)坯連同鑄型保溫10-15h，以消除殘余應(yīng)力，取出鋼環(huán)坯空冷至室溫，然后對鋼環(huán)坯進行依次經(jīng)正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理；
(6)對步驟(5)中經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的鋼環(huán)坯進行冷卻工序降至室溫，對降至室溫的鋼環(huán)坯進行打磨和機械加工，最終得到能直接使用于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯；
所述的冷卻工序為先采用水以7V /s的速度冷卻，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷卻速度冷至，最后空冷至室溫。
[0007]本發(fā)明進一步限定的技術(shù)方案是:
前述基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝中，冶煉采用堿性電弧爐氧化法對金屬原料進行冶煉。
[0008]前述基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝中，在步驟(I)中鑄型烘干后，在鑄型合箱時將鑄型中的余砂用毛刷全部處理干凈。
[0009]前述基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝中，步驟(5)中的鋼環(huán)坯進行正火回火及調(diào)質(zhì)熱處理的具體操作為:
正火:將鋼環(huán)坯送入爐中加熱至850-900 V，并爐冷卻至420-450 V，隨后打開爐門繼續(xù)緩冷至250-300°C出爐空冷至室溫；
回火:將經(jīng)正火后的鋼環(huán)還爐熱至680-700°C,然后保溫20-25min后出爐進行水冷或油冷至室溫；
調(diào)質(zhì)熱處理:采用一次正火+兩次回火，第一次回火溫度大于第二次回火溫度；正火:正式火溫度720-730°C，到溫后保溫9-llmin;第一次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為800-820 V，到溫后保溫9-12min，第二段加熱溫度為785-795 V，到溫后保溫10-13min，然后空冷至室溫后進行第二次正火；第二次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為720-730°C加熱，到溫后保溫15-18min，第二段加熱溫度為700_715°C加熱，到溫后保溫 9-llmin。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
該工藝與傳統(tǒng)工藝相比，利用鑄造環(huán)坯直接輾擴成形環(huán)形零件，省去了現(xiàn)有工藝中的下料、鍛造和沖孔工序，減少了坯料加熱次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源、人力和設(shè)備投資，有利于縮短工藝流程、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)，具有重要的理論意義和實用價值。
[0011]鋼環(huán)坯經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，抗拉強度、屈服強度、室溫沖擊吸收攻和硬度都達到了鑄件的標準并得到了強化。
[0012]本發(fā)明中通過新的鑄型配方和冶煉鑄造的工藝參數(shù)，并適當提高冶煉的溫度、降低澆注溫度和控制澆注速度等措施可以有效的控制鑄件凝固過程、實現(xiàn)晶粒細化和消除鑄造缺陷，保證了鑄件的質(zhì)量。
[0013]本發(fā)明的鑄造工藝制備出來的鋼環(huán)坯具有較高的質(zhì)量和性能為環(huán)件鑄輾復(fù)合成形提供一個良好的基礎(chǔ)，使得鑄輾復(fù)合出來的環(huán)件成形性質(zhì)量更高。
[0014]本發(fā)明通過調(diào)質(zhì)熱處理，可使鋼環(huán)坯表面產(chǎn)生l_3mm厚回火馬氏體組織，有效提高的其抗水蝕能力；另外，兩次回火中第二次回火溫度小于第一次回火溫度可以減小表面和心部的溫度之差，使鋼環(huán)坯厚度方向組織細小均勻；正火后回火進一步減小表面和心部的溫度之差，從而使表面至心部性能趨于一致；
回火后冷卻，通過水冷與空冷結(jié)合的方法，先以較快的冷卻速度水冷，然后進行空冷，最后再通過較慢的水冷冷卻至室溫，不僅可提高鋼環(huán)坯的抗水蝕能力，而且可以使組織更為均勻穩(wěn)定，極少出現(xiàn)氣孔及沙眼，保證了鋼環(huán)坯的抗腐蝕性能，起到了意想不到的技術(shù)效果O

【具體實施方式】
[0015]實施例1
本實施例提供一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，包括以下具體步驟:
(1)根據(jù)鋼環(huán)的形狀以石英砂、水玻璃和膨潤土為造型材料混制出鑄型，并在鑄型上開有澆口，然后將鑄型置于烘爐中在250°c下進行烘干；
(2)向烘干的鑄型表面噴涂一層涂料，涂料按質(zhì)量百分比計包含以下組分:
鋯英粉:93%，酚醛樹脂:4%，有機膨潤土: 2.5%及二氧化鈦:0.5% ；
(3)將鋼環(huán)的鑄造原料進行冶煉得到鑄造原料溶液，冶煉溫度為1680°C，冶煉時間為3.7h ；
(4)將添加入合金元素的鑄造原料溶液進行鎮(zhèn)靜5min，然后向鑄型內(nèi)澆注形成鋼環(huán)坯，澆注溫度為1540°C，澆注速度為67kg/s，澆注時間為20s，在澆注過程中向鑄造原料溶液中加入少量變質(zhì)劑；
變質(zhì)劑的化學成份質(zhì)量百分比為:稀土硅92%，鉍錠3%，鎂錠3%，鋁錠2% ；
(5)澆注后將整個鋼環(huán)坯連同鑄型保溫12h，以消除殘余應(yīng)力，取出鋼環(huán)坯空冷至室溫，然后對鋼環(huán)坯進行依次經(jīng)正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理，鋼環(huán)坯進行正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理的具體操作為:
正火:將鋼環(huán)坯送入爐中加熱至900°C，并爐冷卻至435°C，隨后打開爐門繼續(xù)緩冷至250°C出爐空冷至室溫；
回火:將經(jīng)正火后的鋼環(huán)坯爐熱至700°C，然后保溫23min后出爐進行水冷或油冷至室溫；
調(diào)質(zhì)熱處理:采用一次正火+兩次回火，第一次回火溫度大于第二次回火溫度；正火:正式火溫度725°C，到溫后保溫Ilmin ;第一次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為815°C，到溫后保溫llmin，第二段加熱溫度為785°C，到溫后保溫13min，然后空冷至室溫后進行第二次正火；第二次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為725°C加熱，到溫后保溫15min，第二段加熱溫度為700°C加熱，到溫后保溫1min ；
(6)對步驟(5)中經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的鋼環(huán)坯進行冷卻工序降至室溫，對降至室溫的鋼環(huán)坯進行打磨和機械加工，最終得到能直接使用于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯；
冷卻工序為先采用水以7V /s的速度冷卻，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷卻速度冷至，最后空冷至室溫。
[0016]實施例2
本實施例提供一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，包括以下具體步驟:
(1)根據(jù)鋼環(huán)的形狀以石英砂、水玻璃和膨潤土為造型材料混制出鑄型，并在鑄型上開有澆口，然后將鑄型置于烘爐中在220°C下進行烘干；
(2)向烘干的鑄型表面噴涂一層涂料，涂料按質(zhì)量百分比計包含以下組分:
鋯英粉:93%，酚醛樹脂:4%，有機膨潤土:2%及二氧化鈦:1% ；
(3)將鋼環(huán)的鑄造原料進行冶煉得到鑄造原料溶液，冶煉溫度為1700°C，冶煉時間為
3.8h ；
(4)將添加入合金元素的鑄造原料溶液進行鎮(zhèn)靜3min，然后向鑄型內(nèi)澆注形成鋼環(huán)坯，澆注溫度為1550°C，澆注速度為69kg/s，澆注時間為15s，在澆注過程中向鑄造原料溶液中加入少量變質(zhì)劑；
變質(zhì)劑的化學成份質(zhì)量百分比為:稀土硅92%，鉍錠3%，鎂錠3%，鋁錠2% ；
(5)澆注后將整個鋼環(huán)坯連同鑄型保溫10h，以消除殘余應(yīng)力，取出鋼環(huán)坯空冷至室溫，然后對鋼環(huán)坯進行依次經(jīng)正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理，鋼環(huán)坯進行正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理的具體操作為:
正火:將鋼環(huán)坯送入爐中加熱至850°C，并爐冷卻至450°C，隨后打開爐門繼續(xù)緩冷至300°C出爐空冷至室溫；
回火:將經(jīng)正火后的鋼環(huán)坯爐熱至680°C，然后保溫20min后出爐進行水冷或油冷至室溫；
調(diào)質(zhì)熱處理:采用一次正火+兩次回火，第一次回火溫度大于第二次回火溫度；正火:正式火溫度720°C，到溫后保溫9min ;第一次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為800 C，到溫后保溫9min，弟_■段加熱溫度為795 C，到溫后保溫lOmin，然后空冷至室溫后進行第二次正火；第二次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為730°C加熱，到溫后保溫18min，第二段加熱溫度為715°C加熱，到溫后保溫9min ；
(6)對步驟(5)中經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的鋼環(huán)坯進行冷卻工序降至室溫，對降至室溫的鋼環(huán)坯進行打磨和機械加工，最終得到能直接使用于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯；
冷卻工序為先采用水以7V /s的速度冷卻，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷卻速度冷至，最后空冷至室溫。
[0017]實施例3
本實施例提供一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，包括以下具體步驟:
(1)根據(jù)鋼環(huán)的形狀以石英砂、水玻璃和膨潤土為造型材料混制出鑄型，并在鑄型上開有澆口，然后將鑄型置于烘爐中在235°C下進行烘干；
(2)向烘干的鑄型表面噴涂一層涂料，所述的涂料按質(zhì)量百分比計包含以下組分: 鋯英粉:93%，酚醛樹脂:3.5%，有機膨潤土:2.5%及二氧化鈦:1% ；
(3)將鋼環(huán)的鑄造原料進行冶煉得到鑄造原料溶液，冶煉溫度為1690°C，冶煉時間為
4.0h ；
(4)將添加入合金元素的鑄造原料溶液進行鎮(zhèn)靜4min，然后向鑄型內(nèi)澆注形成鋼環(huán)坯，澆注溫度為1545°C，澆注速度為70kg/s，澆注時間為18s，在澆注過程中向鑄造原料溶液中加入少量變質(zhì)劑；
變質(zhì)劑的化學成份質(zhì)量百分比為:稀土硅92%，鉍錠3%，鎂錠3%，鋁錠2% ；
(5)澆注后將整個鋼環(huán)坯連同鑄型保溫15h，以消除殘余應(yīng)力，取出鋼環(huán)坯空冷至室溫，然后對鋼環(huán)坯進行依次經(jīng)正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理，鋼環(huán)坯進行正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理的具體操作為:
正火:將鋼環(huán)坯送入爐中加熱至870°C，并爐冷卻至420°C，隨后打開爐門繼續(xù)緩冷至275 °C出爐空冷至室溫；
回火:將經(jīng)正火后的鋼環(huán)坯爐熱至690°C，然后保溫25min后出爐進行水冷或油冷至室溫；
調(diào)質(zhì)熱處理:采用一次正火+兩次回火，第一次回火溫度大于第二次回火溫度；正火:正式火溫度720°C，到溫后保溫1min ;第一次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為820 C，到溫后保溫12min，兎_■段加熱溫度為790 C，到溫后保溫12min，然后空冷至室溫后進行第二次正火；第二次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為720°C加熱，到溫后保溫17min，第二段加熱溫度為709°C加熱，到溫后保溫Ilmin ；
(6)對步驟(5)中經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的鋼環(huán)坯進行冷卻工序降至室溫，對降至室溫的鋼環(huán)坯進行打磨和機械加工，最終得到能直接使用于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯；
冷卻工序為先采用水以7V /s的速度冷卻，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷卻速度冷至，最后空冷至室溫。
[0018]除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，其特征在于，包括以下具體步驟: (1)根據(jù)鋼環(huán)的形狀以石英砂、水玻璃和膨潤土為造型材料混制出鑄型，并在鑄型上開有澆口，然后將鑄型置于烘爐中在220-250°C下進行烘干； (2)向烘干的鑄型表面噴涂一層涂料，所述的涂料按質(zhì)量百分比計包含以下組分: 鋯英粉:90-93%，酚醛樹脂:2-4%，有機膨潤土:1.5-2.5%及二氧化鈦:0.5-1% ； (3)將鋼環(huán)的鑄造原料進行冶煉得到鑄造原料溶液，冶煉溫度為1680-1700°C，冶煉時間為 3.7-4.0h ； (4)將添加入合金元素的鑄造原料溶液進行鎮(zhèn)靜3-5min，然后向鑄型內(nèi)澆注形成鋼環(huán)坯，澆注溫度為1540-1550°C，澆注速度為67-70kg/s，澆注時間為15_20s，在澆注過程中向鑄造原料溶液中加入少量變質(zhì)劑； 所述變質(zhì)劑的化學成份質(zhì)量百分比為:稀土硅92%，鉍錠3%，鎂錠3%，鋁錠2% ； (5)澆注后將整個鋼環(huán)坯連同鑄型保溫10-15h，以消除殘余應(yīng)力，取出鋼環(huán)坯空冷至室溫，然后對鋼環(huán)坯進行依次經(jīng)正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理； (6)對步驟(5)中經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的鋼環(huán)坯進行冷卻工序降至室溫，對降至室溫的鋼環(huán)坯進行打磨和機械加工，最終得到能直接使用于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯； 所述的冷卻工序為先采用水以7V /s的速度冷卻，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷卻速度冷至，最后空冷至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，其特征在于:所述的冶煉采用堿性電弧爐氧化法對金屬原料進行冶煉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，其特征在于:所述在步驟(1)中鑄型烘干后，在鑄型合箱時將鑄型中的余砂用毛刷全部處理干凈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鑄輾復(fù)合成形的鋼環(huán)坯的鑄造工藝，其特征在于:所述步驟(5)中的鋼環(huán)坯進行正火、回火及調(diào)質(zhì)熱處理的具體操作為: 正火:將鋼環(huán)坯送入爐中加熱至850-900°C，并爐冷卻至420-450°C，隨后打開爐門繼續(xù)緩冷至250-300°C出爐空冷至室溫； 回火:將經(jīng)正火后的鋼環(huán)還爐熱至680-700°C,然后保溫20-25min后出爐進行水冷或油冷至室溫； 調(diào)質(zhì)熱處理:采用一次正火+兩次回火，第一次回火溫度大于第二次回火溫度；正火:正式火溫度720-730°C，到溫后保溫9-llmin;第一次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為800-820°C，到溫后保溫9-12min，第二段加熱溫度為785-795°C，到溫后保溫10-13min，然后空冷至室溫后進行第二次正火；第二次回火:采用分段加熱，第一段加熱溫度為720-730°C加熱，到溫后保溫15-18min，第二段加熱溫度為700_715°C加熱，到溫后保溫 9-llmin。
【文檔編號】C21D1/25GK104439219SQ201410578109
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】吳衛(wèi)明, 吳正平 申請人:大豐市洪聯(lián)鑄鋼有限責任公司