專利名稱：一種等溫鍛造用大型k403高溫合金模具的鑄造方法
技術領域：
本發明屬于鑄造技術，涉及采用K403高溫合金鑄造一種等溫鍛造用大型模具的 方法。
背景技術：
隨著航空、航天技術的飛速發展，對材料性能的要求越來越高，結構件的尺寸越來 越大，充分挖掘材料潛力，制造超大型結構件，特別是長、寬達到2000mm以上的超大結構件 也是越來越必要。在大型結構件的制造工藝中，等溫鍛造在提供高性能、超大型、少切削量鍛件方面 具有很大優勢。等溫鍛造時必須將模具溫度加熱至接近開始鍛造時的溫度，鈦合金等溫鍛 造要求模具溫度在930°C _950°C，制造滿足高溫高壓條件的模具是等溫鍛造的首要條件。K403高溫合金采用多種金屬元素綜合強化，在高溫下具有較好的綜合力學性能， 被廣泛應用于耐高溫的受力結構件。實際上由于K403各個成分的差異，采用一般鑄造方法 制造等溫鍛造用模具，對K403高溫合金的相組成會產生較大影響，甚至產生不利的δ相， 在冷卻過程、隨后的機械加工過程乃至使用過程中模具的裂紋、斷裂傾向十分嚴重，從而導 致模具報廢，造成巨大經濟損失。
發明內容
本發明的目的是提出一種能有效消除模具裂紋、斷裂，提高模具質量和使用壽命 的等溫鍛造用大型Κ403高溫合金模具的鑄造方法。本發明的技術方案是一種等溫鍛造用大型Κ403高溫合金模具的鑄造方法，其包 括如下步驟步驟1根據模具要求，設計鑄件圖，確定機械加工余量、鑄件綜合收縮率、澆注系 統及冒口位置、大小；步驟2.制作砂型并烘干；步驟3.根據合金化學成分配置原材料，要求配料必須確保“C”含量 0. 170% -0. 173%，“&”含量0. 0050% -0. 00 %，其余元素符合標準；步驟4.熔煉澆注，4. 1將烘干的砂型放入澆注室，砂型溫度達到要求溫度時，先將部分金屬元素加入 熔煉爐，剩余元素加入加料室；4. 2 抽真空，當真空度達到50 以內時，開啟高真空泵抽高真空至3Pa以內送電熔化，當爐內 元素全部化清時，緩慢加入剩余元素，并控制金屬元素加入速度以避免溫度升高過快；4. 3待元素全部化清，取樣分析鋼水化學成分合格，繼續送電升溫；4. 4保持一定的過熱度情況下，當超過規定的澆注溫度時，通過停電靜置降低澆注 溫度；
步驟.5鑄件澆注后保持在真空狀態下至少20分鐘后出爐進行冷卻；步驟.6鑄件出爐后繼續冷卻，凝固完畢后開箱；步驟.7將清理完澆冒口的鑄件階段性降溫后出爐。其中，步驟1的詳細過程為根據模具要求，設計鑄件圖，外型不加加工量，厚度方 向單面增加3mm加工量，型腔加2mm加工量，鑄件綜合收縮率2. 5%，然后根據鑄件圖編制鑄 造工藝，制定工藝方案采用底注式，設置1個直澆道；設置1個內澆道，3個內澆口 ；設置5 個腰形冒口，在型腔內均布；其中，澆冒系統重量占整個澆注重量40 %。步驟2的詳細過程為由于砂型較大，在專用回火窯內烘干，烘干溫度及時間根據 砂型大小而定，根據工藝方案，制作專用工裝，為了保證工裝剛度，采用IOmm厚鋼板制造砂 箱，用鋯英砂與水玻璃制造砂型并烘干，烘干溫度500士30°C，烘干時間48小時。步驟4. 1的詳細過程為在6噸真空感應電爐內熔煉澆注，將烘干的砂型放入澆注 室，砂型溫度達到220°C時，將金屬元素Cr、Ni、Co、W、Mo裝入熔煉爐，注意裝料緊實度，避免 架橋，關閉澆注室、熔煉室，將剩余元素裝入加料室，關閉加料室。步驟4. 2的詳細過程為開啟機械泵抽真空，當真空度達到50 以內時，開啟高真 空泵抽高真空至3Pa以內送電熔化，隨熔化過程液態金屬增加，逐步加大熔化功率，當爐內 元素全部化清時，緩慢加入剩余元素A1、Ti、B、Zr等，由于Al、Ti在熔化過程中為放熱反 應，所以在加入時必須通過觀察口觀察爐內反應情況，調整加入速度，避免溫度快速升高， Al、Ti吸收率下降，其中，全部熔煉過程保持真空度20 以內。步驟4. 4的詳細過程為保持一定的過熱度情況下，對大型鑄件為了避免晶粒過 分長大，應盡量降低澆注溫度，規定澆注溫度1470°C ；當爐內溫度達到1470°C時，停電靜置 3 5分鐘，前后晃動爐體撇渣、澆注，澆注過程要平穩，不能斷流，水口處于半充滿狀態。步驟5的詳細過程為由于真空爐散熱較慢，對于重量2000千克以上，最小壁厚大 于100MM的鑄件，澆注后保持在真空狀態下20分鐘以上進行冷卻，以免出爐太早合金沒有 凝固。步驟6的詳細過程為將清理完澆冒口的鑄件放入850°C熱處理爐內保溫，保溫8 小時；降溫至500°C保溫，保溫8小時；降溫至300°C保溫，保溫8小時；隨爐冷卻至50°C以 下出爐。步驟7的詳細過程為鑄件出爐后凝固，凝固時間根據鑄件大小確定，時間一般為 澆注后30分鐘 50分鐘，然后開箱，開箱過程對暴露出的鑄件本體立即用石棉布保護，降 低冷卻速度，減少熱應力，用乙炔-氧氣快速切除澆冒口，5000C以下不允許繼續清理澆冒 口，開箱過程嚴禁用尖銳物品撞擊鑄件，關好門窗，避免通風引起應力。本發明的有益效果是本發明等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法通 過對個別成分進行嚴格控制，通過對后續冷卻、清理過程進行控制，減少熱應力，防止裂紋 乃至斷裂的發生，提高模具質量，延長模具使用壽命。
具體實施例方式以下結合等溫鍛造用某超大型鈦合金框模具鑄造過程闡述具體實施方式
。本實施方式中，本發明等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法所鑄造的 鑄件參數如下鑄件輪廓尺寸2200mmX 2000mmX 200mm，重量3464千克，內腔按鑄件圖制造。下面給出本發明等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法的詳細實施步 驟步驟.1根據模具要求，設計鑄件圖，確定機械加工余量、鑄件綜合收縮率；確定澆 注系統及冒口位置、大小，根據模具要求，設計鑄件圖，外型不加加工量，厚度方向單面增加3mm加工量，型 腔加2mm加工量，鑄件綜合收縮率2. 5%，然后根據鑄件圖編制鑄造工藝，制定工藝方案采 用底注式，設置1個直澆道；設置1個內澆道，3個內澆口 ；設置5個腰形冒口，在型腔內均 布；其中，澆冒系統重量占整個澆注重量40% ；步驟2.制作砂型并烘干，由于砂型較大，在專用回火窯內烘干，烘干溫度及時間根據砂型大小而定，根據工 藝方案，制作專用工裝，為了保證工裝剛度，采用IOmm厚鋼板制造砂箱，用鋯英砂與水玻璃 制造砂型并烘干，烘干溫度500士30°C，烘干時間48小時；步驟3.根據合金化學成分配置原材料，要求配料必須確保“C”含量 0. 170% -0. 173%，“& ”含量 0.0050% -0. 0054%, 其余元素符合標準，不允許使用回爐料，原材料表面氧化皮、附著物必須清理干凈，本實施 方式中的，配料成分如下(單位％ )
權利要求
1.一種等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1 根據模具要求，設計鑄件圖，確定機械加工余量、鑄件綜合收縮率、澆注系統及冒口位置、大小；步驟2 制作砂型并烘干；步驟3 根據合金化學成分配置原材料，要求配料必須確保“C”含量0. 170%-0. 173%, ”含量0. 0050% -0. 00 %,其余元素符合標準；步驟4:熔煉澆注，4. 1將烘干的砂型放入澆注室，砂型溫度達到要求溫度時，先將部分金屬元素加入熔煉 爐，剩余元素加入加料室； 4. 2抽真空，當真空度達到50 以內時，開啟高真空泵抽高真空至3Pa以內送電熔化，當爐內元素 全部化清時，緩慢加入剩余元素，并控制金屬元素加入速度以避免溫度升高過快； 4. 3待元素全部化清，取樣分析鋼水化學成分合格，繼續送電升溫； 4. 4保持一定的過熱度情況下，當超過規定的澆注溫度時，通過停電靜置降低澆注溫度；步驟5 鑄件澆注后保持在真空狀態下至少20分鐘后出爐進行冷卻； 步驟6 鑄件出爐后繼續冷卻，凝固完畢后開箱； 步驟7 將清理完澆冒口的鑄件階段性降溫后出爐。
2.根據權利要求1所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟1的詳細過程為根據模具要求，設計鑄件圖，外型不加加工量，厚度方向單面增加 3mm加工量，型腔加2mm加工量，鑄件綜合收縮率2. 5%，然后根據鑄件圖編制鑄造工藝，制 定工藝方案采用底注式，設置1個直澆道；設置1個內澆道，3個內澆口 ；設置5個腰形冒 口，在型腔內均布；其中，澆冒系統重量占整個澆注重量40%。
3.根據權利要求2所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟2的詳細過程為由于砂型較大，在專用回火窯內烘干，烘干溫度及時間根據砂型 大小而定，根據工藝方案，制作專用工裝，為了保證工裝剛度，采用IOmm厚鋼板制造砂箱， 用鋯英砂與水玻璃制造砂型并烘干，烘干溫度500士30°C，烘干時間48小時。
4.根據權利要求4所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟4. 1的詳細過程為在6噸真空感應電爐內熔煉澆注，將烘干的砂型放入澆注室，砂 型溫度達到220°C時，將金屬元素Cr、Ni、Co、W、Mo裝入熔煉爐，注意裝料緊實度，避免架橋， 關閉澆注室、熔煉室，將剩余元素裝入加料室，關閉加料室。
5.根據權利要求5所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟4. 2的詳細過程為開啟機械泵抽真空，當真空度達到50 以內時，開啟高真空泵 抽高真空至3Pa以內送電熔化，隨熔化過程液態金屬增加，逐步加大熔化功率，當爐內元素 全部化清時，緩慢加入剩余元素Al、Ti、B、& 等，由于Al、Ti在熔化過程中為放熱反應，所 以在加入時必須通過觀察口觀察爐內反應情況，調整加入速度，避免溫度快速升高，Al、Ti 吸收率下降，其中，全部熔煉過程保持真空度20 以內。
6.根據權利要求6所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟4. 4的詳細過程為保持一定的過熱度情況下，對大型鑄件為了避免晶粒過分長大，應盡量降低澆注溫度，規定澆注溫度1470°C ；當爐內溫度達到1470°C時，停電靜置3 5分鐘，前后晃動爐體撇渣、澆注，澆注過程要平穩，不能斷流，水口處于半充滿狀態。
7.根據權利要求7所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟5的詳細過程為由于真空爐散熱較慢，對于重量2000千克以上，最小壁厚大于 100MM的鑄件，澆注后保持在真空狀態下20分鐘以上進行冷卻，以免出爐太早合金沒有凝 固。
8.根據權利要求8所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟6的詳細過程為將清理完澆冒口的鑄件放入850°C熱處理爐內保溫，保溫8小時； 降溫至500V保溫，保溫8小時；降溫至300V保溫，保溫8小時；隨爐冷卻至50°C以下出爐。
9.根據權利要求9所述的等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法，其特征在 于，步驟7的詳細過程為鑄件出爐后凝固，凝固時間根據鑄件大小確定，時間一般為澆注 后30分鐘 50分鐘，然后開箱，開箱過程對暴露出的鑄件本體立即用石棉布保護，降低冷 卻速度，減少熱應力，用乙炔-氧氣快速切除澆冒口，5000C以下不允許繼續清理澆冒口，開 箱過程嚴禁用尖銳物品撞擊鑄件，關好門窗，避免通風引起應力。
全文摘要
本發明屬于鑄造技術，涉及采用K403高溫合金鑄造一種大型等溫鍛造用模具的方法。本發明等溫鍛造用大型K403高溫合金模具的鑄造方法根據模具要求，設計鑄件圖，確定機械加工余量、鑄件綜合收縮率、澆注系統及冒口位置、大小；制作砂型并烘干，根據合金化學成分配置原材料，然后熔煉澆注；鑄件澆注后保持在真空狀態下至少20分鐘后出爐進行冷卻；鑄件出爐后繼續冷卻，凝固完畢后開箱；將清理完澆冒口的鑄件階段性降溫后出爐。本發明通過對碳、鋯等個別成分的嚴格控制，并通過工藝的改進以及對后續冷卻、清理過程的嚴格控制，有效減少熱應力，防止裂紋乃至斷裂的發生，提高模具質量，延長模具使用壽命，因此具有較大實際應用價值。
文檔編號B22D31/00GK102107260SQ20101057601
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者姚澤坤, 虢迎光, 郭鴻鎮, 高映民 申請人:陜西宏遠航空鍛造有限責任公司