一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，该工艺先用水玻璃砂制出铸型，然后对铸型进行烘干和喷涂涂料，将钢环的铸造原料进行冶炼，并浇注到铸型中，对浇注成型的钢环坯进行正火、回火及调质热处理，然后对钢环坯进行冷却工序降至室温并进行打磨和机械加工，最终得到能直接使用于铸辗复合成形的钢环坯；该铸造工艺铸造出的钢环坯减少钢环坯铸造过程中的缩孔、缩松、偏析等缺陷和尽可能使晶粒细化，制造出可满足辗扩成形性能需求的高质量的钢环坯，由于缩短铸辗复合成形技术的流程，保证辗扩成形工艺和环件的质量及性能要求。
【专利说明】一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制造工艺，具体涉及一种用于环件铸辗复合成型用的钢环坯的铸造工艺，属于铸造工艺领域。
【背景技术】
[0002]环形零件是装备制造等工业领域典型的传动、承载关键机械零件，品种多，用量大，用途广。随着高档机床、港口机械、化工机械、船舶、风电和重大装备的发展，对环形零件的需求量日益增多，规格日益加大，品种不断增加。例如，我国轴承产量占世界产量的1/3以上，而以大型环件为主要零件的大型轴承的需求量在不断增加；风电、石油化工、港口机械和国防工业等需要大量的2 m以上，甚至5-9 m的大型或超大型环件。
[0003]环形零件的生产，目前普遍采用的是比较先进的热辗扩成形技术。在辗环机上通过连续地对环件局部加载，使得环件直径不断增大，径向壁厚逐渐减小，在外形和尺寸达到要求的同时，力学性能得到改善和提高。这种环件辗扩成形工艺由于是一种对工件实施连续的局部加载过程，因而设备吨位小，生产效率高，可生产直径大于6 m的环形件。然而目前的环件热辗扩成形工艺，都是以锻坯为原料，通过锻造-冲孔-辗扩工艺来实现环件的成形。该工艺先生产出钢锭，然后在钢厂的锻锤或其他设备上开坯，生产出圆坯或方坯。运到环件生产企业后要通过锯床下料，获得环件所需的坯料，再由大型液压机或其他锻压设备锻造，制成圆坯，再通过冲孔工艺获得环形毛坯，然后通过辗环机辗扩成形。这个工艺流程冗长；开坯、锻造、冲孔工艺都是热加工，需要对坯料加热；钢厂开坯、锯床下料、锻造、冲孔都需要大型设备，不仅投资大，而且消耗能源动力；冲孔工艺和多次加热造成了材料浪费；存在能源动力消耗大、材料浪费严重、效率低、成本高、增加排放和污染环境等问题。
[0004]因此，研究开发金属环件短流程铸辗复合成形工艺均有重要的理论意思和实用价值，环形零件短流程铸辗复合成形技术是一种全新的理论与工艺，涉及冶炼、铸造、辗扩等主要工艺过程，其中冶炼和环坯铸造凝固过程是确保环件综合性能的关键环节，只有在该阶段消除缩孔、缩松、偏析等组织缺陷，并细化晶粒，才能保证辗扩成形工艺和环件的质量及性能要求。铸造工艺过程涉及结晶、溶质的传输、晶体长大、气体溶解和析出、非金属夹杂的形成等多方面因素，对铸造工艺进行研究，控制铸件的凝固过程，获得无缺陷、晶粒细化，可满足辗扩成形性能需求的高质量铸坯，对于环件短流程铸辗复合成形技术的开发研究和推广应用具有重要意义，能为后续的辗扩工艺提供高质量的环形铸坯。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，该铸造工艺减少环坯铸造过程中的缩孔、缩松、偏析等缺陷和尽可能使晶粒细化，制造出可满足辗扩成形性能需求的高质量的钢环坯，由于缩短铸辗复合成形技术的流程，保证辗扩成形工艺和环件的质量及性能要求。
[0006]本发明解决以上技术问题的技术方案是: 一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，包括以下具体步骤:
(1)根据钢环的形状以石英砂、水玻璃和膨润土为造型材料混制出铸型，并在铸型上开有浇口，然后将铸型置于烘炉中在220-250°C下进行烘干；
(2)向烘干的铸型表面喷涂一层涂料，涂料按质量百分比计包含以下组分:
锆英粉:90-93%，酚醛树脂:2-4%，有机膨润土:1.5-2.5%及二氧化钛:0.5-1% ；
(3)将钢环的铸造原料进行冶炼得到铸造原料溶液，冶炼温度为1680-1700°C，冶炼时间为 3.7-4.0h ；
(4)将添加入合金元素的铸造原料溶液进行镇静3-5min，然后向铸型内浇注形成钢环坯，浇注温度为1540-1550°C，浇注速度为67-70kg/s，浇注时间为15_20s，在浇注过程中向铸造原料溶液中加入少量变质剂；
变质剂的化学成份质量百分比为:稀土硅92%，铋锭3%，镁锭3%，铝锭2% ；
(5)浇注后将整个钢环坯连同铸型保温10-15h，以消除残余应力，取出钢环坯空冷至室温，然后对钢环坯进行依次经正火、回火及调质热处理；
(6)对步骤(5)中经调质热处理后的钢环坯进行冷却工序降至室温，对降至室温的钢环坯进行打磨和机械加工，最终得到能直接使用于铸辗复合成形的钢环坯；
所述的冷却工序为先采用水以7V /s的速度冷却，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷却速度冷至，最后空冷至室温。
[0007]本发明进一步限定的技术方案是:
前述基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺中，冶炼采用碱性电弧炉氧化法对金属原料进行冶炼。
[0008]前述基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺中，在步骤(I)中铸型烘干后，在铸型合箱时将铸型中的余砂用毛刷全部处理干净。
[0009]前述基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺中，步骤(5)中的钢环坯进行正火回火及调质热处理的具体操作为:
正火:将钢环坯送入炉中加热至850-900 V，并炉冷却至420-450 V，随后打开炉门继续缓冷至250-300°C出炉空冷至室温；
回火:将经正火后的钢环还炉热至680-700°C,然后保温20-25min后出炉进行水冷或油冷至室温；
调质热处理:采用一次正火+两次回火，第一次回火温度大于第二次回火温度；正火:正式火温度720-730°C，到温后保温9-llmin;第一次回火:采用分段加热，第一段加热温度为800-820 V，到温后保温9-12min，第二段加热温度为785-795 V，到温后保温10-13min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火:采用分段加热，第一段加热温度为720-730°C加热，到温后保温15-18min，第二段加热温度为700_715°C加热，到温后保温 9-llmin。
[0010]本发明的有益效果是:
该工艺与传统工艺相比，利用铸造环坯直接辗扩成形环形零件，省去了现有工艺中的下料、锻造和冲孔工序，减少了坯料加热次数，提高了生产效率，节约了能源、人力和设备投资，有利于缩短工艺流程、提高生产效率、实现节能减排和清洁生产，具有重要的理论意义和实用价值。
[0011]钢环坯经调质热处理后，抗拉强度、屈服强度、室温冲击吸收攻和硬度都达到了铸件的标准并得到了强化。
[0012]本发明中通过新的铸型配方和冶炼铸造的工艺参数，并适当提高冶炼的温度、降低浇注温度和控制浇注速度等措施可以有效的控制铸件凝固过程、实现晶粒细化和消除铸造缺陷，保证了铸件的质量。
[0013]本发明的铸造工艺制备出来的钢环坯具有较高的质量和性能为环件铸辗复合成形提供一个良好的基础，使得铸辗复合出来的环件成形性质量更高。
[0014]本发明通过调质热处理，可使钢环坯表面产生l_3mm厚回火马氏体组织，有效提高的其抗水蚀能力；另外，两次回火中第二次回火温度小于第一次回火温度可以减小表面和心部的温度之差，使钢环坯厚度方向组织细小均匀；正火后回火进一步减小表面和心部的温度之差，从而使表面至心部性能趋于一致；
回火后冷却，通过水冷与空冷结合的方法，先以较快的冷却速度水冷，然后进行空冷，最后再通过较慢的水冷冷却至室温，不仅可提高钢环坯的抗水蚀能力，而且可以使组织更为均匀稳定，极少出现气孔及沙眼，保证了钢环坯的抗腐蚀性能，起到了意想不到的技术效果O
【具体实施方式】
[0015]实施例1
本实施例提供一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，包括以下具体步骤:
(1)根据钢环的形状以石英砂、水玻璃和膨润土为造型材料混制出铸型，并在铸型上开有浇口，然后将铸型置于烘炉中在250°c下进行烘干；
(2)向烘干的铸型表面喷涂一层涂料，涂料按质量百分比计包含以下组分:
锆英粉:93%，酚醛树脂:4%，有机膨润土: 2.5%及二氧化钛:0.5% ；
(3)将钢环的铸造原料进行冶炼得到铸造原料溶液，冶炼温度为1680°C，冶炼时间为3.7h ；
(4)将添加入合金元素的铸造原料溶液进行镇静5min，然后向铸型内浇注形成钢环坯，浇注温度为1540°C，浇注速度为67kg/s，浇注时间为20s，在浇注过程中向铸造原料溶液中加入少量变质剂；
变质剂的化学成份质量百分比为:稀土硅92%，铋锭3%，镁锭3%，铝锭2% ；
(5)浇注后将整个钢环坯连同铸型保温12h，以消除残余应力，取出钢环坯空冷至室温，然后对钢环坯进行依次经正火、回火及调质热处理，钢环坯进行正火、回火及调质热处理的具体操作为:
正火:将钢环坯送入炉中加热至900°C，并炉冷却至435°C，随后打开炉门继续缓冷至250°C出炉空冷至室温；
回火:将经正火后的钢环坯炉热至700°C，然后保温23min后出炉进行水冷或油冷至室温；
调质热处理:采用一次正火+两次回火，第一次回火温度大于第二次回火温度；正火:正式火温度725°C，到温后保温Ilmin ;第一次回火:采用分段加热，第一段加热温度为815°C，到温后保温llmin，第二段加热温度为785°C，到温后保温13min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火:采用分段加热，第一段加热温度为725°C加热，到温后保温15min，第二段加热温度为700°C加热，到温后保温1min ；
(6)对步骤(5)中经调质热处理后的钢环坯进行冷却工序降至室温，对降至室温的钢环坯进行打磨和机械加工，最终得到能直接使用于铸辗复合成形的钢环坯；
冷却工序为先采用水以7V /s的速度冷却，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷却速度冷至，最后空冷至室温。
[0016]实施例2
本实施例提供一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，包括以下具体步骤:
(1)根据钢环的形状以石英砂、水玻璃和膨润土为造型材料混制出铸型，并在铸型上开有浇口，然后将铸型置于烘炉中在220°C下进行烘干；
(2)向烘干的铸型表面喷涂一层涂料，涂料按质量百分比计包含以下组分:
锆英粉:93%，酚醛树脂:4%，有机膨润土:2%及二氧化钛:1% ；
(3)将钢环的铸造原料进行冶炼得到铸造原料溶液，冶炼温度为1700°C，冶炼时间为
3.8h ；
(4)将添加入合金元素的铸造原料溶液进行镇静3min，然后向铸型内浇注形成钢环坯，浇注温度为1550°C，浇注速度为69kg/s，浇注时间为15s，在浇注过程中向铸造原料溶液中加入少量变质剂；
变质剂的化学成份质量百分比为:稀土硅92%，铋锭3%，镁锭3%，铝锭2% ；
(5)浇注后将整个钢环坯连同铸型保温10h，以消除残余应力，取出钢环坯空冷至室温，然后对钢环坯进行依次经正火、回火及调质热处理，钢环坯进行正火、回火及调质热处理的具体操作为:
正火:将钢环坯送入炉中加热至850°C，并炉冷却至450°C，随后打开炉门继续缓冷至300°C出炉空冷至室温；
回火:将经正火后的钢环坯炉热至680°C，然后保温20min后出炉进行水冷或油冷至室温；
调质热处理:采用一次正火+两次回火，第一次回火温度大于第二次回火温度；正火:正式火温度720°C，到温后保温9min ;第一次回火:采用分段加热，第一段加热温度为800 C，到温后保温9min，弟_■段加热温度为795 C，到温后保温lOmin，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火:采用分段加热，第一段加热温度为730°C加热，到温后保温18min，第二段加热温度为715°C加热，到温后保温9min ；
(6)对步骤(5)中经调质热处理后的钢环坯进行冷却工序降至室温，对降至室温的钢环坯进行打磨和机械加工，最终得到能直接使用于铸辗复合成形的钢环坯；
冷却工序为先采用水以7V /s的速度冷却，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷却速度冷至，最后空冷至室温。
[0017]实施例3
本实施例提供一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，包括以下具体步骤:
(1)根据钢环的形状以石英砂、水玻璃和膨润土为造型材料混制出铸型，并在铸型上开有浇口，然后将铸型置于烘炉中在235°C下进行烘干；
(2)向烘干的铸型表面喷涂一层涂料，所述的涂料按质量百分比计包含以下组分: 锆英粉:93%，酚醛树脂:3.5%，有机膨润土:2.5%及二氧化钛:1% ；
(3)将钢环的铸造原料进行冶炼得到铸造原料溶液，冶炼温度为1690°C，冶炼时间为
4.0h ；
(4)将添加入合金元素的铸造原料溶液进行镇静4min，然后向铸型内浇注形成钢环坯，浇注温度为1545°C，浇注速度为70kg/s，浇注时间为18s，在浇注过程中向铸造原料溶液中加入少量变质剂；
变质剂的化学成份质量百分比为:稀土硅92%，铋锭3%，镁锭3%，铝锭2% ；
(5)浇注后将整个钢环坯连同铸型保温15h，以消除残余应力，取出钢环坯空冷至室温，然后对钢环坯进行依次经正火、回火及调质热处理，钢环坯进行正火、回火及调质热处理的具体操作为:
正火:将钢环坯送入炉中加热至870°C，并炉冷却至420°C，随后打开炉门继续缓冷至275 °C出炉空冷至室温；
回火:将经正火后的钢环坯炉热至690°C，然后保温25min后出炉进行水冷或油冷至室温；
调质热处理:采用一次正火+两次回火，第一次回火温度大于第二次回火温度；正火:正式火温度720°C，到温后保温1min ;第一次回火:采用分段加热，第一段加热温度为820 C，到温后保温12min，兎_■段加热温度为790 C，到温后保温12min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火:采用分段加热，第一段加热温度为720°C加热，到温后保温17min，第二段加热温度为709°C加热，到温后保温Ilmin ；
(6)对步骤(5)中经调质热处理后的钢环坯进行冷却工序降至室温，对降至室温的钢环坯进行打磨和机械加工，最终得到能直接使用于铸辗复合成形的钢环坯；
冷却工序为先采用水以7V /s的速度冷却，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷却速度冷至，最后空冷至室温。
[0018]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，其特征在于，包括以下具体步骤: (1)根据钢环的形状以石英砂、水玻璃和膨润土为造型材料混制出铸型，并在铸型上开有浇口，然后将铸型置于烘炉中在220-250°C下进行烘干； (2)向烘干的铸型表面喷涂一层涂料，所述的涂料按质量百分比计包含以下组分: 锆英粉:90-93%，酚醛树脂:2-4%，有机膨润土:1.5-2.5%及二氧化钛:0.5-1% ； (3)将钢环的铸造原料进行冶炼得到铸造原料溶液，冶炼温度为1680-1700°C，冶炼时间为 3.7-4.0h ； (4)将添加入合金元素的铸造原料溶液进行镇静3-5min，然后向铸型内浇注形成钢环坯，浇注温度为1540-1550°C，浇注速度为67-70kg/s，浇注时间为15_20s，在浇注过程中向铸造原料溶液中加入少量变质剂； 所述变质剂的化学成份质量百分比为:稀土硅92%，铋锭3%，镁锭3%，铝锭2% ； (5)浇注后将整个钢环坯连同铸型保温10-15h，以消除残余应力，取出钢环坯空冷至室温，然后对钢环坯进行依次经正火、回火及调质热处理； (6)对步骤(5)中经调质热处理后的钢环坯进行冷却工序降至室温，对降至室温的钢环坯进行打磨和机械加工，最终得到能直接使用于铸辗复合成形的钢环坯； 所述的冷却工序为先采用水以7V /s的速度冷却，然后空冷，再采用水以3°C /s的冷却速度冷至，最后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，其特征在于:所述的冶炼采用碱性电弧炉氧化法对金属原料进行冶炼。
3.根据权利要求1所述的基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，其特征在于:所述在步骤(1)中铸型烘干后，在铸型合箱时将铸型中的余砂用毛刷全部处理干净。
4.根据权利要求1所述的基于铸辗复合成形的钢环坯的铸造工艺，其特征在于:所述步骤(5)中的钢环坯进行正火、回火及调质热处理的具体操作为: 正火:将钢环坯送入炉中加热至850-900°C，并炉冷却至420-450°C，随后打开炉门继续缓冷至250-300°C出炉空冷至室温； 回火:将经正火后的钢环还炉热至680-700°C,然后保温20-25min后出炉进行水冷或油冷至室温； 调质热处理:采用一次正火+两次回火，第一次回火温度大于第二次回火温度；正火:正式火温度720-730°C，到温后保温9-llmin;第一次回火:采用分段加热，第一段加热温度为800-820°C，到温后保温9-12min，第二段加热温度为785-795°C，到温后保温10-13min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火:采用分段加热，第一段加热温度为720-730°C加热，到温后保温15-18min，第二段加热温度为700_715°C加热，到温后保温 9-llmin。
【文档编号】C21D1/25GK104439219SQ201410578109
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】吴卫明, 吴正平 申请人:大丰市洪联铸钢有限责任公司