一种消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法

本发明属于离心铸造领域，具体为一种消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法。

背景技术：

1、锡青铜合金在有色金属中铸造收缩率最小，具有耐蚀、耐磨、良好的力学性能和工艺性能等优点，广泛用于海船零件、耐磨零件、矿山轴承及核电密封瓦等领域。

2、密封瓦是氢冷发电机的重要部件之一，对锡青铜合金的气密性要求较高，相比于普通的砂型铸造、金属型铸造，釆用离心铸造工艺生产筒类轴瓦的设备简单，生产效率高，得到的铸件微观组织也更加致密。

3、离心铸造是将液体金属注入高速旋转的铸型内，使金属液做离心运动充满铸型并形成铸件的技术和方法。离心铸造设备简单生产效率高，金属消耗少，铸件组织致密，机械性能好。但密封瓦铸件属于环形厚大铸件(厚度在100mm以上)，在离心铸造过程中，铸型壁厚的增加或水冷方式对铸件的冷却能力都极为有限，加之锡青铜合金的结晶温度范围较宽，双向凝固+糊状凝固的方式使铸件内部极易出现带状缩松，且缩松夹渣往往结伴而生，严重影响铸件质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，以解决密封瓦类环形厚大铸件带状缩松缺陷，提高铸件质量，降低机加工切除率，降本增效。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，包括如下步骤：1)铸型厚度为铸件厚度的1.5倍以上；2)采用宽口径浇口进行离心浇注，保证合金液在离心过程中均匀连续；3)待合金液浇注结束后，立即取出浇注系统，放入加热装置对离心机铸型内腔进行加热；4)取出加热装置，待铸件冷却成型后停止离心操作；5)脱模后，对环形铸件内表面进行机加工去除表层铸造缺陷。

4、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，步骤2)中，首先根据铸件内径大小确定离心机转速，然后根据转速和铸件大小确定合金浇注速度，铸型转速计算公式如下：

5、

6、n——铸型转速，r/min；

7、ρ——铜合金密度，kg/m3；

8、g——重力加速度，m/s2；

9、ri——环形铸件内半径，m；

10、转速在此范围内根据铜合金添加元素的不同进行调整，合金浇注速度与铸型转速和铸件长度成正比，即铸型转速越高铸件越长，浇注速度越快。

11、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，步骤3)中，该加热装置为可移动式加热炉，包括中心轴、炉体外壳，具体结构如下：

12、中心轴呈水平放置，可沿水平方向前后移动，主体由加热部分和支撑移动部分同轴通过法兰连接构成；中心轴的加热部分由内到外依次设有陶瓷纤维保温隔热模块、加热源、刚玉管ⅰ，加热部分前端同轴一体设有绝缘隔热圆盘，绝缘隔热圆盘的外径大于刚玉管ⅰ的外径，加热部分后端设有耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘；中心轴的支撑移动部分由不锈钢管内嵌刚玉管及铝编线组成；

13、炉体外壳前端和后端开设中心孔，中心轴沿水平方向穿设于炉体外壳，炉体外壳的前端中心孔与绝缘隔热圆盘相对应并呈滑动配合，炉体外壳的后端中心孔与不锈钢管相对应并呈滑动配合；耐热不锈钢套与炉体外壳的后端中心孔和内壁相对应，绝缘隔热圆盘厚度与炉体外壳的厚度相同；炉体外壳的后端外壁中心孔底部安装手摇齿轮，不锈钢管的底部安装传动齿条，手摇齿轮与传动齿条相对应组成齿轮齿条传动机构。

14、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，中心轴的加热部分布置有热电偶，热电偶的一端内置于耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘中，其另一端位于加热源的上方；加热源为硅钼棒或硅碳棒，根据加热功率选择螺纹型或圆周均匀分布的直棒型。

15、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，不锈钢管内衬刚玉管ⅱ，电源输入接线夹连同其中的铝编线伸至刚玉管ⅱ内腔，铝编线的一端与电源连接，铝编线的另一端依次穿过法兰、中心轴与加热源连接。

16、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，炉体外壳的底部安装连接架，每个连接架为沿竖向设置上下两段的上支撑架、下支撑架插装配合结构，上支撑架下部和下支撑架上部相应开设有两个以上用于穿设旋钮或螺栓的安装孔，上支撑架、下支撑架之间通过旋钮或螺栓连接固定于不同位置，实现炉体外壳的垂直移动，以调整炉体外壳的高度；每个下支撑架的下端设有带锁死功能滚轮，通过连接架支撑炉体外壳水平移动。

17、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，工作时，炉体外壳前端与离心机铸型相对应，离心机铸型由环形铸型模套、圆盘形铸型模垫和开设中心孔的圆盘形铸型模盖组成，铸型模盖与铸型模垫相对设置于环形铸型模套两端，铸型模盖位于离心机外壳的一侧开口处，铸型模垫位于离心机外壳的另一侧内壁处，由铸型模盖、环形铸型模套、铸型模垫围成离心机铸型内腔，锡青铜合金熔体浇注后受离心力作用呈环状填充于离心机铸型内腔；炉体外壳的前端中心孔与铸型模盖中心孔同轴相对应，绝缘隔热圆盘外径小于铸型模盖中心孔直径；使用时，炉体外壳固定不动，通过手摇齿轮与传动齿条传动配合，使不锈钢管带动中心轴、加热源自炉体外壳的内腔伸出，将连接加热源的中心轴向前推进，使加热源放置于离心机铸型内腔。

18、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，加热装置的使用包括预热/缓冷状态、工作状态，其中：预热/缓冷状态，炉体外壳呈密闭式，加热源位于炉体外壳内，加热源逐渐升温至稳定阶段或逐渐降温；工作状态，炉体外壳呈开放式，将连接加热源的中心轴向前推进，使加热源放置于离心机铸型内腔，通过热辐射对离心机铸型内腔空气进行加热，并将热量传递给离心机铸型中的铸件。

19、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，预热状态，需控制炉内温度达到800℃～1100℃；工作状态，需将离心机铸型内腔温度为800℃～1100℃的时间控制在3～10min，具体温度及时间针对不同合金及不同铸件尺寸进行调整。

20、所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，步骤4)中，铸件冷却成型温度降到500℃±20℃停机，取出的加热装置继续用于其他离心铸件的加热或缓冷至室温。

21、本发明的设计思想是：

22、本发明通过对环形铸件内腔加热，将铸件凝固方式由从内表面和外表面向中心凝固的双向凝固转变为由外表面向内表面的顺序凝固，从而调控缩孔疏松区域位置从厚壁中心向内表面环靠拢，最终可通过机加工去除，带来以下的有益效果1、2、4。本发明通过对浇注速度和离心机转速控制，使合金液充型平稳连续合金元素不因比重差聚集，带来以下的有益效果2、3。本发明通过配套的可移动式加热炉，可以控制铸件内腔加热温度和时长，确保凝固方式的转变，并带来以下的有益效果5。

23、本发明的优点及有益效果是：

24、1、本发明离心铸造方法可完全消除铸件内部的带状缩松缺陷。

25、2、本发明离心铸造方法可明显减轻铸件内部的夹渣缺陷。

26、3、本发明离心铸造方法可改善铸件元素偏析缺陷。

27、4、本发明离心铸造方法可降低原材料消耗，降低机加工难度，提高铸件成品率。

28、5、本发明与离心铸造方法配套的可移动式加热炉，其使用效率高、适用范围广，适用于不同铜合金及不同尺寸的卧式离心机。

技术特征：

1.一种消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：1)铸型厚度为铸件厚度的1.5倍以上；2)采用宽口径浇口进行离心浇注，保证合金液在离心过程中均匀连续；3)待合金液浇注结束后，立即取出浇注系统，放入加热装置对离心机铸型内腔进行加热；4)取出加热装置，待铸件冷却成型后停止离心操作；5)脱模后，对环形铸件内表面进行机加工去除表层铸造缺陷。

2.按照权利要求1所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，步骤2)中，首先根据铸件内径大小确定离心机转速，然后根据转速和铸件大小确定合金浇注速度，铸型转速计算公式如下：

3.按照权利要求1所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，步骤3)中，该加热装置为可移动式加热炉，包括中心轴、炉体外壳，具体结构如下：

4.按照权利要求3所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，中心轴的加热部分布置有热电偶，热电偶的一端内置于耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘中，其另一端位于加热源的上方；加热源为硅钼棒或硅碳棒，根据加热功率选择螺纹型或圆周均匀分布的直棒型。

5.按照权利要求3所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，不锈钢管内衬刚玉管ⅱ，电源输入接线夹连同其中的铝编线伸至刚玉管ⅱ内腔，铝编线的一端与电源连接，铝编线的另一端依次穿过法兰、中心轴与加热源连接。

6.按照权利要求3所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，炉体外壳的底部安装连接架，每个连接架为沿竖向设置上下两段的上支撑架、下支撑架插装配合结构，上支撑架下部和下支撑架上部相应开设有两个以上用于穿设旋钮或螺栓的安装孔，上支撑架、下支撑架之间通过旋钮或螺栓连接固定于不同位置，实现炉体外壳的垂直移动，以调整炉体外壳的高度；每个下支撑架的下端设有带锁死功能滚轮，通过连接架支撑炉体外壳水平移动。

7.按照权利要求3所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，工作时，炉体外壳前端与离心机铸型相对应，离心机铸型由环形铸型模套、圆盘形铸型模垫和开设中心孔的圆盘形铸型模盖组成，铸型模盖与铸型模垫相对设置于环形铸型模套两端，铸型模盖位于离心机外壳的一侧开口处，铸型模垫位于离心机外壳的另一侧内壁处，由铸型模盖、环形铸型模套、铸型模垫围成离心机铸型内腔，锡青铜合金熔体浇注后受离心力作用呈环状填充于离心机铸型内腔；炉体外壳的前端中心孔与铸型模盖中心孔同轴相对应，绝缘隔热圆盘外径小于铸型模盖中心孔直径；使用时，炉体外壳固定不动，通过手摇齿轮与传动齿条传动配合，使不锈钢管带动中心轴、加热源自炉体外壳的内腔伸出，将连接加热源的中心轴向前推进，使加热源放置于离心机铸型内腔。

8.按照权利要求3所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，加热装置的使用包括预热/缓冷状态、工作状态，其中：预热/缓冷状态，炉体外壳呈密闭式，加热源位于炉体外壳内，加热源逐渐升温至稳定阶段或逐渐降温；工作状态，炉体外壳呈开放式，将连接加热源的中心轴向前推进，使加热源放置于离心机铸型内腔，通过热辐射对离心机铸型内腔空气进行加热，并将热量传递给离心机铸型中的铸件。

9.按照权利要求8所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，预热状态，需控制炉内温度达到800℃～1100℃；工作状态，需将离心机铸型内腔温度为800℃～1100℃的时间控制在3～10min，具体温度及时间针对不同合金及不同铸件尺寸进行调整。

10.按照权利要求1所述的消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，其特征在于，步骤4)中，铸件冷却成型温度降到500℃±20℃停机，取出的加热装置继续用于其他离心铸件的加热或缓冷至室温。

技术总结
本发明属于离心铸造领域，具体为一种消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法。该方法包括如下步骤：1)铸型厚度为铸件厚度的1.5倍以上；2)采用宽口径浇口进行离心浇注，保证合金液在离心过程中均匀连续；3)待合金液浇注结束后，立即取出浇注系统，放入加热装置对离心机铸型内腔进行加热；4)取出加热装置，待铸件冷却成型后停止离心操作；5)脱模后，对环形铸件内表面进行机加工去除表层铸造缺陷。本发明可完全消除锡青铜合金铸件内部的带状缩松缺陷，明显减少铸件内部的夹渣，改善铸件元素偏析，并降低原材料消耗，降低机加工难度，提高铸件成品率。

技术研发人员：高晨,陈星秋,王雪东,陈云,刘洋,李殿中
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5