用于制造超小缩孔铸锭的铸模、铸造方法以及制得的铸锭

摘要

本发明公开了一种用于制造超小缩孔铸锭的铸模，该铸模自上而下依次包括一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模，相邻两段铸模之间采用拼接结构连接，所述四段铸模的底部设置冷铁；所述一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模的长度依次增大，热导率依次增大；为进一步改善缩孔情况，可以调整各段铸模的壁厚，使各段铸模的壁厚自上而下依次增大。使用该铸模制造超小缩孔铸锭的铸造方法包括铸模拼装、预热、浇注的步骤。本发明将铸模分成多段，每段铸模的长度和/或壁厚不同，每段铸模使用不同热导率的材料制成，各段铸模的导热率自上而下依次增大，进而使高温合金液产生自上而下的正向温度梯度，显著改善了高温合金铸锭中的缩孔、缩松情况。

说明书

技术领域

本发明属于铸造设备与铸造工艺技术领域，具体涉及一种用于制造超小缩孔铸锭的铸模、铸造方法以及制得的铸锭。

背景技术

在高温合金铸锭的制造过程中，高温合金液通过中间包注入铸模，在此期间，接触铸模壁面及底部冷铁的高温合金液优先凝固，其它部位的高温合金液后凝固，这些后凝固的部位形成热节。由于高温合金液具有热胀冷缩的性质，所以热节处的高温合金液无法得到补缩而出现孔洞，其中小而分散的孔洞为缩松，大而集中的孔洞为缩孔，缩孔附近常常分布着缩松。通常将出现在铸锭顶部中心处的缩孔称为一次缩孔，将出现在铸锭内部的缩孔称为二次缩孔，一次缩孔暴露在铸锭顶部，能够从外部观察到，而且一次缩孔最终会被切割掉，二次缩孔内含在铸锭内部，从外部看不到，所以二次缩孔是决定铸锭整体质量的关键因素。

在高温合金铸锭的实际制造过程中，缩松、缩孔的存在直接影响铸锭的质量和成品率，若出现较为严重的缩松、缩孔，尤其是出现二次缩孔，则大大降低铸锭的成品率，进而导致工业成本大幅增加，原材料浪费。为了避免缩松、缩孔的形成，大部分工业化合金铸锭厂商采用冷铁、耐材冒口等措施，通过改变合金不同部位的导热率形成一个自生的温度梯度，使高温合金液在凝固过程中实现顺序凝固。若高温合金液的凝固收缩率较大和/或高温合金铸锭的长径比较大，则通过冷铁、耐材冒口等措施产生的温度梯度不足以消除铸锭内部的缩松、缩孔等缺陷。

高温合金铸锭形成缩松、缩孔最本质的原因是高温合金液注入铸模的过程是一个动态变化过程，仅凭借铸模壁面的导热速率与底部冷铁的导热速率不同是无法产生使高温合金液无缩孔凝固的温度梯度，所以要从根本上去除缩松、缩孔，就必须要考虑高温合金液在浇注过程中各部分的温度变化情况。

申请公布号为CN114260431A的发明专利公开了一种减小高温合金母合金锭缩孔的模组及其使用方法，该模组包括模管，模管的上部设有保温冒口，模管的底部设有石墨底垫，模管的内径在50-280mm范围内由顶部向底部逐渐减小，模管的内壁与外壁之间的厚度由顶部向底部逐渐增大；保温冒口包括依次连接的注入段、过渡段和环形段，注入段为倒锥形，过渡段的内径小于环形段的内径，环形段的内壁与模管的外壁紧密接触。该专利能够实现合金液自下而上的顺序凝固是采用了保温冒口的特殊设计与模管壁厚由顶部向底部逐渐增大的设计相结合的技术方案，若保温冒口没有经过特殊设计，仍采用传统的冒口，则即便模管壁厚由顶部向底部逐渐增大，也无法实现合金液的顺序凝固。因为模管为一个整体，虽然壁厚有所改变，但使用的是同一种材料，热导率没有太大变化，所以很难产生使高温合金液无缩孔凝固的温度梯度。

申请公布号为CN113333691A的发明专利公开了一种用于大高径比高温合金铸锭的铸模及应用，该铸模包括铸模单元，铸模单元上端开口且外部套接冒口单元，冒口单元由内至外依次设有浇冒口层和保温层，铸模单元由上至下依次设有第一区段、第二区段和第三区段，第一区段、第二区段和第三区段的内壁沿垂直方向齐平，第二区段的外壁相对于第一区段和第三区段沿水平方向内缩进。该专利是通过铸模纵向厚度变化与上端保温冒口相结合的设计方案调节合金液凝固时的热场分布，实现合金液自下而上的顺序凝固，若采用传统的冒口结构，即便铸模纵向厚度发生变化，也无法实现合金液的顺序凝固。虽然铸模分成三个区段，每个区段的壁厚不同，但仍使用同一种材料，热导率没有太大变化，所以很难产生使高温合金液无缩孔凝固的温度梯度。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于制造超小缩孔铸锭的铸模，所述铸模自上而下依次包括一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模，相邻两段铸模之间采用拼接结构连接，所述四段铸模的底部设置冷铁；所述一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模的长度依次增大，热导率依次增大。

为改善高温合金铸锭内部的缩松、缩孔问题，本发明将整个铸模分为若干段，各段铸模的长度不同，各段铸模使用的制作材料不同，各段铸模所用材料的热导率不同，将具有不同热导率的各段铸模按照设计顺序摆放，使铸模中的高温合金液沿轴心方向呈现自上而下的正温度梯度，从而实现高温合金液的顺序凝固。

优选的是，所述一段铸模的长度为210-290mm，所述二段铸模的长度为230-300mm，所述三段铸模的长度为250-310mm，所述四段铸模的长度为270-320mm，且相邻两段铸模的长度差在20-50mm的范围内。

在上述任一方案中优选的是，所述一段铸模的热导率为50-110W/m·K，所述二段铸模的热导率为140-200W/m·K，所述三段铸模的热导率为210-260W/m·K，所述四段铸模的热导率为370-410W/m·K。

所述一段铸模的制作材料为铸铁或者黄铜；所述二段铸模的制作材料为硬铝或者铸铝；所述三段铸模的制作材料为纯铝或者1070型铝合金；所述四段铸模的制作材料为银或者纯铜。所述冷铁的制作材料为铸铁或者紫铜，也可以选择与所述四段铸模相同的材料。

在上述任一方案中优选的是，所述一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模的内径均为50-100mm。

在上述任一方案中优选的是，所述一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模的壁厚均为10-20mm。

在上述任一方案中优选的是，所述冷铁的厚度为20-25mm，其中插入铸模内的厚度为15-20mm。

在上述任一方案中优选的是，所述一段铸模的壁厚为10-40mm，所述二段铸模的壁厚为20-50mm，所述三段铸模的壁厚为35-60mm，所述四段铸模的壁厚为50-70mm，且相邻两段铸模的壁厚差在10-15mm的范围内。为进一步改善高温合金铸锭内部的缩松、缩孔问题，可以在上述技术方案的基础上，改变各段铸模的壁厚，使高温合金液底部的导热速率增大，顶部的导热速率减小，为高温合金液的顺序凝固提供更加优良的环境。

若各段铸模的壁厚相等，则相邻两段铸模之间的拼接结构为：位于下方的铸模的顶面为直角结构，且直角结构设置在铸模的内侧；位于上方的铸模的底面为直角结构，且直角结构设置在铸模的外侧；相邻两段铸模的直角结构相吻合，且各段铸模的内外表面分别处于同一圆面上；直角结构的垂直边长为10-20mm。各段铸模拼接在一起后，可以用卡扣进一步固定。此种情况下，各段铸模的长度按照其顶面最高点至底面最高点之间的距离计算。

若各段铸模的壁厚不相等，则相邻两段铸模之间的拼接结构为：位于下方的铸模的顶面为直角结构，直角结构设置在铸模的内侧，直角结构的水平边长与位于上方的铸模的壁厚相等；位于上方的铸模的底面直接拼接在其下方的铸模的直角结构上，各段铸模的内表面处于同一圆面上；直角结构的垂直边长为10-20mm。各段铸模拼接在一起后，可以用卡扣进一步固定。此种情况下，各段铸模的长度按照其顶面最高点至底面之间的距离计算。

本发明还提供一种用于制造超小缩孔铸锭的铸造方法，使用上述任一项用于制造超小缩孔铸锭的铸模，包括以下步骤：

(1)将冷铁放置在水平位置，将四段铸模放置在冷铁上，再将四段铸模、三段铸模、二段铸模、一段铸模依次拼接在一起；

(2)对组装后的铸模和冷铁进行预热，预热温度为450-750℃，预热时间为1-4h；

(3)将高温合金液浇注到铸模内。

本发明还提供一种超小缩孔铸锭，由上述任一项用于制造超小缩孔铸锭的铸模制造而成。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

1、本发明将铸模分成多段，每段铸模的长度和/或壁厚不同，每段铸模使用不同热导率的材料制成，各段铸模的导热率自上而下依次增大，进而使高温合金液产生自上而下的正向温度梯度，实现良好的顺序凝固，显著改善了高温合金铸锭中的缩孔、缩松情况，所制备的铸锭的内部仅存在超小缩孔，甚至完全消除了缩孔、缩松。

2、本发明的铸模具有通用性，对铸模顶部保温冒口的结构、材料都没有特殊要求，采用传统或现有技术的保温冒口即可。

3、各段铸模均为独立结构，可以对不同材料的铸模进行自由拼装，若某一段铸模出现问题，则可以单独更换和维修，进而降低工业生产成本。

4、根据浇注的高温合金的材料不同，铸模的分段数量、各段铸模的长度和壁厚等参数也会随之变化，本发明可以灵活的对不同牌号的高温合金提供适宜的温度梯度。本发明更适合于浇注长度不大于1.5m的镍基高温合金铸锭。

附图说明

图1为按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的一优选实施例中铸模结构示意图；

图2为按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的另一优选实施例中铸模结构示意图；

图3为图1所示实施例中铸锭的横截面示意图；

图4为图1所示实施例中铸锭的纵截面示意图；

图5为图2所示实施例中铸锭的横截面示意图；

图6为图2所示实施例中铸锭的纵截面示意图。

图中标注说明：1-一段铸模，2-二段铸模，3-三段铸模，4-四段铸模，5-冷铁，6-拼接结构。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1所示，按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的一优选实施例，所述铸模自上而下依次包括一段铸模1、二段铸模2、三段铸模3和四段铸模4，相邻两段铸模之间采用拼接结构6连接，所述四段铸模4的底部设置冷铁5；所述一段铸模1、二段铸模2、三段铸模3和四段铸模4的长度依次增大，热导率依次增大。为改善高温合金铸锭内部的缩松、缩孔问题，本实施例将整个铸模分为四段，各段铸模的长度不同，各段铸模使用的制作材料不同，各段铸模所用材料的热导率不同，将具有不同热导率的各段铸模按照设计顺序摆放，使铸模中的高温合金液沿轴心方向呈现自上而下的正温度梯度，从而实现高温合金液的顺序凝固。

所述一段铸模的长度为260mm，所述二段铸模的长度为280mm，所述三段铸模的长度为300mm，所述四段铸模的长度为320mm，相邻两段铸模的长度差均为20mm。

所述一段铸模的热导率为110W/m·K，所述二段铸模的热导率为200W/m·K，所述三段铸模的热导率为260W/m·K，所述四段铸模的热导率为410W/m·K。

所述一段铸模的制作材料为铸铁；所述二段铸模的制作材料为硬铝；所述三段铸模的制作材料为1070型铝合金；所述四段铸模的制作材料为纯铜；所述冷铁的制作材料与所述四段铸模的制作材料相同。

所述一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模的内径均为50mm，壁厚均为20mm。所述冷铁的厚度为25mm，其中插入铸模内的厚度为20mm。

相邻两段铸模之间的拼接结构为：位于下方的铸模的顶面为直角结构，且直角结构设置在铸模的内侧；位于上方的铸模的底面为直角结构，且直角结构设置在铸模的外侧；相邻两段铸模的直角结构相吻合，且各段铸模的内外表面分别处于同一圆面上；直角结构的垂直边长为10mm。各段铸模拼接在一起后，可以用卡扣进一步固定。各段铸模的长度按照其顶面最高点至底面最高点之间的距离计算。

本实施例还提供一种用于制造超小缩孔铸锭的铸造方法，使用上述用于制造超小缩孔铸锭的铸模，包括以下步骤：

(1)将冷铁放置在水平位置，将四段铸模放置在冷铁上，再将四段铸模、三段铸模、二段铸模、一段铸模依次拼接在一起；

(2)对组装后的铸模和冷铁进行预热，预热温度为450-750℃，预热时间为1-4h；

(3)将镍基高温合金液浇注到铸模内。

如图3-4所示，本实施例还提供一种超小缩孔铸锭，由上述用于制造超小缩孔铸锭的铸模制造而成，所制备的铸锭质量良好，内部仅存在超小缩孔、缩松，该铸锭属于优良产品，可正常用于后续加工及使用。

本实施例的技术方案具有如下有益效果：将铸模分成四段，每段铸模的长度不同，每段铸模使用不同热导率的材料制成，各段铸模的导热率自上而下依次增大，进而使高温合金液产生自上而下的正向温度梯度，实现良好的顺序凝固，显著改善了高温合金铸锭中的缩孔、缩松情况，所制备的铸锭的内部仅存在超小缩孔。铸模具有通用性，对铸模顶部保温冒口的结构、材料都没有特殊要求，采用传统或现有技术的保温冒口即可。各段铸模均为独立结构，可以对不同材料的铸模进行自由拼装，若某一段铸模出现问题，则可以单独更换和维修，进而降低工业生产成本。

实施例二：

按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的另一优选实施例，其结构、各部件之间的连接关系、原理、有益效果、制造超小缩孔铸锭的铸造方法、所制造的超小缩孔铸锭的质量等与实施例一基本相同，不同的是：

所述一段铸模的长度为210mm，所述二段铸模的长度为230mm，所述三段铸模的长度为250mm，所述四段铸模的长度为290mm。所述一段铸模与所述二段铸模的长度相差20mm，所述二段铸模与所述三段铸模的长度相差20mm，所述三段铸模与所述四段铸模的长度相差40mm。

所述一段铸模的热导率为50W/m·K，所述二段铸模的热导率为140W/m·K，所述三段铸模的热导率为240W/m·K，所述四段铸模的热导率为370W/m·K。

所述一段铸模的制作材料为黄铜；所述二段铸模的制作材料为铸铝；所述三段铸模的制作材料为纯铝；所述四段铸模的制作材料为银；所述冷铁的制作材料为铸铁。

所述一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模的内径均为100mm，壁厚均为10mm。所述冷铁的厚度为22mm，其中插入铸模内的厚度为18mm。在相邻两段铸模之间的拼接结构中，直角结构的垂直边长为15mm。

实施例三：

按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的另一优选实施例，其结构、各部件之间的连接关系、原理、有益效果、制造超小缩孔铸锭的铸造方法、所制造的超小缩孔铸锭的质量等与实施例一基本相同，不同的是：

所述一段铸模的长度为240mm，所述二段铸模的长度为260mm，所述三段铸模的长度为280mm，所述四段铸模的长度为320mm。所述一段铸模与所述二段铸模的长度相差20mm，所述二段铸模与所述三段铸模的长度相差20mm，所述三段铸模与所述四段铸模的长度相差40mm。

所述一段铸模的热导率为80W/m·K，所述二段铸模的热导率为170W/m·K，所述三段铸模的热导率为210W/m·K，所述四段铸模的热导率为390W/m·K。

所述一段铸模的制作材料为黄铜；所述二段铸模的制作材料为铸铝；所述三段铸模的制作材料为纯铝；所述四段铸模的制作材料为纯铜；所述冷铁的制作材料为紫铜。

所述一段铸模、二段铸模、三段铸模和四段铸模的内径均为75mm，壁厚均为15mm。所述冷铁的厚度为20mm，其中插入铸模内的厚度为15mm。在相邻两段铸模之间的拼接结构中，直角结构的垂直边长为20mm。

实施例四：

如图2所示，按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的另一优选实施例，其结构、各部件之间的连接关系、原理、有益效果、制造超小缩孔铸锭的铸造方法等与实施例一至实施例三基本相同，不同的是：

所述一段铸模1的壁厚为25mm，所述二段铸模2的壁厚为40mm，所述三段铸模3的壁厚为55mm，所述四段铸模4的壁厚为70mm，相邻两段铸模的壁厚差均为15mm。所述冷铁5的厚度为25mm，其中插入所述四段铸模4的厚度为15mm。为进一步改善高温合金铸锭内部的缩松、缩孔问题，可以在实施例一至实施例三的基础上，改变各段铸模的壁厚，使高温合金液底部的导热速率增大，顶部的导热速率减小，为高温合金液的顺序凝固提供更加优良的环境。

相邻两段铸模之间的拼接结构6为：位于下方的铸模的顶面为直角结构，直角结构设置在铸模的内侧，直角结构的水平边长与位于上方的铸模的壁厚相等；位于上方的铸模的底面直接拼接在其下方的铸模的直角结构上，各段铸模的内表面处于同一圆面上；直角结构的垂直边长为10mm。各段铸模拼接在一起后，可以用卡扣进一步固定。各段铸模的长度按照其顶面最高点至底面之间的距离计算。

如图5-6所示，本实施例还提供一种超小缩孔铸锭，由上述用于制造超小缩孔铸锭的铸模制造而成，所制备的铸锭质量良好，已完全消除铸锭内部的缩孔、缩松。

实施例五：

按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的另一优选实施例，其结构、各部件之间的连接关系、原理、有益效果、制造超小缩孔铸锭的铸造方法、所制备的超小缩孔铸锭的质量等与实施例四基本相同，不同的是：

所述一段铸模的壁厚为20mm，所述二段铸模的壁厚为35mm，所述三段铸模的壁厚为45mm，所述四段铸模的壁厚为60mm。所述一段铸模与所述二段铸模的壁厚差为15mm，所述二段铸模与所述三段铸模的壁厚差为10mm，所述三段铸模与所述四段铸模的壁厚差为15mm。所述冷铁的厚度为22mm，其中插入所述四段铸模的厚度为20mm。在相邻两段铸模之间的拼接结构中，直角结构的垂直边长为20mm。

实施例六：

按照本发明用于制造超小缩孔铸锭的铸模的另一优选实施例，其结构、各部件之间的连接关系、原理、有益效果、制造超小缩孔铸锭的铸造方法、所制备的超小缩孔铸锭的质量等与实施例四基本相同，不同的是：

所述一段铸模的壁厚为30mm，所述二段铸模的壁厚为45mm，所述三段铸模的壁厚为60mm，所述四段铸模的壁厚为70mm。所述一段铸模与所述二段铸模的壁厚差为15mm，所述二段铸模与所述三段铸模的壁厚差为15mm，所述三段铸模与所述四段铸模的壁厚差为10mm。所述冷铁的厚度为20mm，其中插入所述四段铸模的厚度为18mm。在相邻两段铸模之间的拼接结构中，直角结构的垂直边长为10mm。

特别说明：本发明的技术方案中涉及了诸多参数，需要综合考虑各个参数之间的协同作用，才能获得本发明的有益效果和显著进步。而且技术方案中各个参数的取值范围都是经过大量试验才获得的，针对每一个参数以及各个参数的相互组合，发明人都记录了大量试验数据，限于篇幅，在此不公开具体试验数据。

本领域技术人员不难理解，本发明的用于制造超小缩孔铸锭的铸模、铸造方法以及制得的铸锭包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。