[发明专利]储能飞轮铸件用合金钢及储能飞轮铸件铸造方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种储能飞轮铸件用超高强度合金钢及储能飞轮铸件铸造方法。 

背景技术

现代能源生产的大规模和连续的刚性特征，与能源应用的复杂和间断的柔性特征之间的矛盾，对能源储存技术提出了极大的需求。先进飞轮储能技术等是正在开发的新技术，具有储能密度高、功率大、可以快速充放电、使用寿命长、对环境无污染等特点，在电力调峰、风力发电、不间断供电、车辆混合动力、车辆刹车动能再生、航天电源和姿态控制/储能一体化等方面具有广阔的应用前景。 

由于飞轮储能设计总体要求，对轮毂合金材料力学性能提出了很高的要求，特别是材料强度的要求，最高达到2000MPa以上。目前能够满足轮毂性能要求的已有的高强合金钢均为军用背景的专用材料，存在材料成本高、采购难、机械加工成本高、大储能飞轮轮毂成型技术瓶颈等问题。本专利针对轮毂制备的问题，自主研发超高强度合金钢，实现材料制备与轮毂铸造加工成型，解决材料成本高、大储能轮毂加工问题，为不同储能效率的飞轮的批量生产提供轮毂材料及成型技术。 

一般储能飞轮有两种成型方法：一是分别铸造飞轮轮子和轴，然后将二者装配组成一个整体；二是将飞轮轮子与轴整体铸造成型。其中，采用分别铸造飞轮轮子和轴再进行装配的方法，一方面是装配起来比较困难，另一方面，对装配的精度要求高，飞轮在高速旋转时，如果装配时配合得不够好，就容易出现松脱现象。而采用轮子与轴整体铸造成型的方法，可以避免飞轮轮子与轴分体铸造成型再装配时易出现的轮子松脱和装配困难等问题，还具有工艺简单、生产便捷、效率高的优点。 

发明内容

本发明的目的在于针对国内已有的钢种难以满足大储能飞轮的使用要求，公开一种储能飞轮用超高强度合金钢的成分及其冶炼方法，同时针对储能飞轮的飞轮轮子与轴分体铸造成型再装配时，易出现的轮子松脱和装配困难的问题提出一种储能飞轮铸件的铸造的整体成型方法。 

本发明所采用的技术如下： 

一种储能飞轮铸件用超高强度合金钢，成分的重量百分比如下：碳(C)为0.55％-0.60％，硅(Si)为0.23％-0.33％，锰(Mn)为0.42％-0.52％，铬(Cr)为1.55％-1.65％，镍(Ni)为3.95％-4.05％，钼(Mo)为0.31％-0.41％，磷(P)＜0.015％，硫(S)＜0.015％，余量为铁(Fe)及不可避免的杂质。 

本发明还具有如下特征： 

1、依照以上所述的一种储能飞轮铸件用超高强度合金钢的制造方法，步骤如下： 

通过中频感应炉熔炼合金钢：装料前先在坩埚底部装入占炉料重量2％-5％的底渣，所述的底渣为占底渣重量70％-80％的石灰和萤石20％-30％， 

然后装入炉料，所述的炉料由以下物质组成，电解镍、纯钼条、金属铬、电解锰、工业纯铁和生铁； 

炉料底部为电解镍，中部为纯钼条、金属铬和工业纯铁，上部为生铁，要求坩埚中部与下部炉料的堆积密度越大越好； 

装料完毕后，送电熔化；为减少氧化，炉料开始熔化后，在上面撒上占炉料重量1％-3％的覆盖渣，覆盖渣由占覆盖渣总量70％-80％的石灰和20％-30％的萤石组成；炉料全部熔化完毕后，加入电解锰和硅铁进行预脱氧，并搅动钢液检查炉底是否熔清； 

然后，取样用直读光谱仪进行炉前分析，分析C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、P和S的含量；如不足应以补加料的形式进行成分调整； 

计算方法如下： 

式中， 

-铁合金的补加量(kg)； 

g-炉内钢液量(kg)； 

a₀-补加元素的要求含量(％)； 

a₁-补加元素在钢液中的含量(％)； 

c-铁合金中补加元素的含量(％)； 

f-补加元素的回收率(％)； 

最后在钢液的化学成分全部进入规定范围时，便能够出钢；出钢前向钢液中加入终脱氧剂Al，加入量为钢液重量的0.05％～0.10％，出钢温度在1600℃～1650℃； 

2、一种储能飞轮铸件整体成型的铸造方法，具体包括以下步骤： 

(1)按照储能飞轮轮毂结构设计图纸要求制作木模：将飞轮轮子和下半轴制作成整体木模，上半轴做成另一木模，将木模分别固定于型板上，采用有机脂水玻璃自硬砂造型； 

(2)采用碱酚醛树脂砂制芯，飞轮轮子内部各轮幅之间的空隙采用碱酚醛树脂砂制芯；