[发明专利]对铸件进行局部合金化的复合铸造技术

说明书

本发明涉及复合铸造技术，尤其是利用消失模铸造方法或二次浇注方法所进行的复合铸造技术。

目前，在生产轧辊、轴承或耐腐蚀泵壳等一些表层与基体性能要求不同的零件时，需要采用离心复合铸造的方法才能获得比较满意的效果(即在离心铸造机上先浇注表层金属，然后再浇注基体金属)，而采取在普通浇注过程中或浇铸成型后进行表面处理的方法则性能往往达不到要求。但离心复合铸造的成本昂贵(每次需熔炼两炉不同成分的金属，设备的价格亦很高)且操作工艺复杂，也不能用于非轴类的零件或轴类非对称的零件。另外，对于某些特殊局部与基体性能要求不同的零件则尚无可行的铸造方法。

本发明的目的在于提出一种能对铸件进行局部合金化从而使铸件表层或某些特殊局部与基体性能不同，且成本较低、易于操作的复合铸造方法。

本发明的解决方案如下：

在铸型内所需位置放置夹持了合金块的泡沫塑料模并在铸型上部设置排气道，向铸型内注满基体成分的熔融金属。

在铸型内放置合金块，浇注系统采用底注式，向铸型内注满基体成分的熔融金属，待达到形成所需表层厚度所要用的凝固时间后，再向铸型内继续浇注基体成分的熔融金属直到注满其二次用量。

在上述方案的基础上，所用的合金块为含有中间合金及发热剂的发热合金块，中间合金的用量根据所需调整成分的合金元素含量以及中间合金中的合金元素含量、合金元素的吸收率等计算，发热剂的用量根据所需升高温度的区域大小、温度高低及其放热反应所产生的热量等计算。

所用的发热剂由铝、四氧化三铁和镁组成。

所用的发热剂由铝、硅铁和硝酸钠组成。

所用的发热剂由铝、二氧化硅和镁组成。

所用的发热剂由硫和镁组成。

本发明的关键在于提出了“型内合金化”的概念，即在浇注过程中在铸型内进行合金化处理，以使铸件表层或某些特殊局部与基体得到不同的合金成分，从而使之实现不同的性能。“型内合金化”通过在铸型内放置合金块(中间合金块或发热合金块)然后浇铸成型而实现。

中间合金为铬铁、钼铁、铍铜、铝镁合金等，由合金化时所需调整的成分而决定；用量根据所需调整成分的合金元素含量以及中间合金中的合金元素含量、合金元素的吸收率等计算，即： P = V 1 η 1 ρ m η 2 λ . . . . . ( 1 ) ]]>其中，P为中间合金的用量，V₁为铸件中需要合金化区域的体积，，ρ_m为液态基体金属的密度，η₁为所需调整成分的合金元素含量(含量均为重量百分比，下同)，η₂为中间合金中的合金元素含量，λ为合金元素的吸收率(由于合金化是在铸型内进行、作用时间短，因此合金元素的烧损率极低，使合金元素的吸收率可达95％以上)。但是，由于中间合金的熔点往往较高，因此，以往只是在熔炼炉或浇包内使用(即在熔融金属的温度高于中间合金的熔点时使用)以调整铸件的成分，但这种方法只能使整炉或整包金属的成分均发生变化，而不能实现局部合金化，且合金元素的烧损也非常严重。本发明对于某些熔点较低的中间合金采取直接放入型内的方法，而对于熔点较高的中间合金则采用发热合金块使浇注过程中铸型内放置合金块的局部温度大大升高，达到或超过中间合金的熔点，使高熔点的中间合金融化。发热合金块中含有中间合金及发热剂。中间合金的种类及用量与直接放入时相同。发热剂由能与基体发生放热反应并且反应物容易被清除的物质组成，如：铁基铸件的发热剂由铝、四氧化三铁和镁组成(反应生成铁和氧化铝渣)，或由铝、硅铁和硝酸钠组成(反应生成硅、铁和氧化铝渣)：铝基铸件的发热剂由铝、二氧化硅和镁组成(反应生成硅和氧化铝渣)；铜基铸件的发热剂由硫和镁组成(反应生成硫化镁渣)，等等。发热剂在熔融金属的高温作用下被点燃，产生剧烈的放热反应、放出大量的热量，使熔融金属的局部温度大大提高。发热剂的用量根据需要升高温度的区域大小、温度高低及放热反应所产生的热量而决定： M = C m ( T 2 - T 1 ) V m ρ m ΔH . . . . . . . ( 2 ) ]]>其中，M为发热剂的用量，C_m为基体金属的比热容，T₂为升高后的温度，T₁为升高前的温度，V_m为所需升高温度区域的体积，ρ_m为液态基体金属的密度，ΔH为根据化学反应式得出的单位重量发热剂在基体金属浇注时产生的反应热。将中间合金的碎块(一般取粒径为1～10mm)及发热剂的粉末(一般取粒度≥100目)混合搅拌后经固化处理而成。固化处理时可以是加入粘结剂搅拌均匀，然后在常温下进行自然固化(如：铜基发热剂可这样处理。因为含硫的发热剂不能压实)或者在10MPa以下的低压下进行固化，粘结剂一般为有机物，如：3％的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液，它与基体及中间合金、发热剂等不会发生有害反应(即不会生成不易排除的杂质或有害气体)，其用量根据中间合金及发热剂的用量多少而决定(≤5％的两者用量之和)；或者也可以不加粘结剂而在常温下用15MPa以上的高压压实成块。