一种板状钢铁铸件的超声细化铸造方法和装置与流程

本发明涉及板状钢铁铸件技术领域，尤其涉及一种板状钢铁铸件的超声细化铸造方法和装置。

背景技术：

板状钢铁铸件是生产、生活中常用的产品，例如球磨机衬板，破碎机颚板，反击式破碎机衬板、板锤等。板状钢铁铸件的使用寿命与其内部组织的细密程度关系极大。例如，高锰钢衬板晶粒度每细化1级，使用寿命可以提高20％。但是，现有技术中，板状钢铁铸件一般都采用砂型铸造方法成型。由于砂型的冷却能力小，所得板状钢铁铸件的晶粒尺寸粗大，一般只有1～2级，使用寿命较短，造成了极大的材料浪费。为了细化板状钢铁铸件的晶粒，有人使用了铁型敷砂铸造技术。这一技术是在金属型内衬以一定厚度的砂层，其冷却能力比砂型可以有一定提高，但是因砂层的导热能力较小，金属型的冷却能力难以充分发挥，晶粒细化效果有限。还有很多研究和专利是通过添加变质剂或微合金化来细化晶粒，效果明显，但成本增加较大。

现有技术还公开了一些采用搅拌、电脉冲、交变磁场等对金属液进行预处理来实现晶粒细化的方法，这些方法都是对金属液进行预处理后再浇入铸型，不能对浇入铸型内的金属液进行处理，实际的细化效果难以稳定。

因此，开发一种有效地铸造板状钢铁铸件的方法是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种板状钢铁铸件的超声细化铸造方法和装置，以实现有效地铸造板状钢铁铸件。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种板状钢铁铸件的超声细化铸造装置，包括：金属型和超声波发生器，所述金属型由钢铁材料制造，形成板状钢铁铸件的外形，所述超声波发生器垂直安装在所述金属型下方的安装板上；

所述金属型的型腔中浇入铸件金属液，所述超声波发生器在金属型的型腔的底部垂直导入超声波，使所述金属液凝固成型。

进一步地，所述超声波发生器包括工具杆和换能器，所述安装板位于所述工具杆与所述换能器的连接部。

进一步地，所述工具杆为钛合金制造，形状为圆柱形结合圆台形，长度为20～200mm，其中圆柱段长度与金属型的底部厚度相适应，圆台段上小下大，所述工具杆的上端面与所述金属型的型腔底面平齐，下端面与所述换能器相连。

进一步地，所述换能器由压电陶瓷制作，功率调节范围为500-2000W，所述工具杆伸入金属型底面的相应通孔内，所述工具杆与所述金属型的通孔间隙为0.15-0.35mm。

进一步地，所述工具杆的外部设置有喷淋水管，所述换能器与所述工具杆之间设置有塑料挡水板，该塑料挡水板防止冷却水流入换能器，所述挡水板的下方设置有风冷却装置。

进一步地，所述金属型的型腔为水平分模，闭合后的型腔的形状与铸件工作面在下时的外轮廓相一致。

进一步地，所述超声波发生器的数量为多个，多个超声波发生器在铸型底面上均匀布置。

进一步地，所述工具杆距型腔侧壁的距离20-80mm，相邻工具杆间的距离50～200mm，制作所述金属型的钢铁材料为30-200mm。

一种板状钢铁铸件的超声细化铸造方法，适用于所述的装置，包括：

S1：将过热度为20-100℃的铸件金属液浇入金属型的型腔内，启动所有超声波发生器，打开冷却水和风冷却装置；

S2：当所述型腔内的铸件金属液全部凝固后，关闭所有超声波发生器，延时设定时间后，关闭冷却水和风冷却装置；

S3：打开所述金属型的型腔，取出板型钢铁铸件；

重复上述步骤，连续生产板型钢铁铸件。

进一步地，所述铸件包括：高锰钢球磨机衬板或者低合金钢破碎机颚板或者高铬铸铁反击式破碎机板锤。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的在超声波作用下铸造板状钢铁铸件的方案通过超声细化铸造来细化显微组织，实现了稳定均匀的细晶铸造：通过多个超声波发生器对金属液直接施加超声波，实现了超声波对钢铁液的直接均匀作用，使金属液在超声波作用下形核、熔断、游离，提高了金属液的形核率，晶粒尺寸显著细化，可以稳定均匀地达到3～5级。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种板状钢铁铸件的超声细化铸造装置的结构图；其中，1-型腔，2-金属型，3-工具杆，4-挡水板，5-安装板,6-换能器，7-风冷装置，8-喷淋水管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例为了实现对板型钢铁铸件进行细化晶粒，充分补缩，去除气杂，提高板状钢铁铸件的使用寿命，提供一种在超声波作用下铸造板状钢铁铸件的方法和装置，该方法主要包括超声细化铸造，来细化显微组织，改善力学性能，延长使用寿命等处理过程。

该实施例提供了一种板状钢铁铸件的超声细化铸造装置的结构图如图1所示，包括：型腔1，金属型2，工具杆3，挡水板4，安装板5,换能器6，风冷装置7和喷淋水管8。

利用壁厚为30-200mm的钢铁材料制造金属型2，该金属型2形成铸件的外形，利用2-10个超声波发生器(3和6组成)在金属型的型腔1底部垂直导入超声波，使金属液凝固成型。

所述金属型2的型腔1为水平分模；其闭合后的型腔1的形状与铸件工作面在下时的外轮廓相一致；

所述超声波发生器由工具杆3和换能器6组成，垂直安装在金属型2下方的安装板5上，安装板5位于工具杆3与换能器6的连接部；其中工具杆3为钛合金制造，其形状为圆柱形+圆台形，长度为20～200mm，其中圆柱段长度与金属型底部厚度相适应，圆台段上小下大。工具杆3上端面与型腔1底面平齐，下端面与换能器6相连；换能器6由压电陶瓷制作而成，其功率调节范围为500-2000W。工具杆3伸入金属型2底面的相应通孔内，所述工具杆3与金属型2的通孔间隙为0.15-0.35mm，既能够排气，又确保铸件金属液不能进入其间隙内。

所述工具杆3外设置有喷淋水管8，确保工具杆温度不超过60℃；换能器6与工具杆3间设置有0.2～0.5mm塑料挡水板4，防止冷却水流入换能器6，挡水板4下方设置有风冷却装置7，确保换能器6温度低于60℃；相邻工具杆3间的距离50～200mm。

基于上述图1所示的装置，该实施例提供的一种板状钢铁铸件的超声细化铸造方法包含如下循序执行的工艺步骤：

S1：将过热度为20-100℃的铸件金属液一次浇入型腔1的同时，启动超声波发生器(3和6)，打开冷却水8和风冷系统7；

S2：当型腔1内的金属液全部凝固时，关闭超声波发生器(3和6)，延时1-5min后，关闭冷却水8和冷却气7；

S3：打开金属型2，取出铸件；

重复上述步骤，连续不断地生产铸件。

实施例一，高锰钢(ZGMn13-1)球磨机衬板超声细化铸造

该实施例铸件材料为高锰钢(ZGMn13-1)。高锰钢(ZGMn13-1)球磨机衬板(长1000mm,宽480mm，厚45-110mm)的超声细化铸造方法包括：利用壁厚为100mm的钢铁材料制造金属型2形成铸件的外形，利用5个超声波发生器(3和6)在金属型型腔1底部垂直导入超声波，使金属液凝固成型。

所述金属型的型腔1为水平分模；其闭合后的型腔形状与铸件工作面在下时的外轮廓相一致；

所述超声波发生器由工具杆3和换能器6组成，垂直安装在金属型下方的安装板5上，安装板5位于工具杆3与换能器6的连接部；其中工具杆3为钛合金制造，其形状为圆柱形+圆台形，长度为100mm，其中圆柱段长度与金属型底部厚度相适应，圆台段上小下大。工具杆3上端面与型腔1底面平齐，下端面与换能器6相连；换能器6由压电陶瓷制作而成，其功率调节范围为500-2000W。工具杆3伸入金属型2底面的相应通孔内，上端面与型腔1底面平齐，与金属型2的通孔间隙为0.25mm，既能够排气，又确保铸件金属液不能进入其间隙内。

所述工具杆3外设置有喷淋水管8，确保工具杆温度不超过60℃；换能器6与工具杆3间设置有0.3mm塑料挡水板4，防止冷却水流入换能器6，挡水板4下方设置有风冷却装置7，确保换能器6温度低于60℃；相邻工具杆3间的距离50mm；

该实施例提供的一种板状钢铁铸件的超声细化铸造方法包含如下循序执行的工艺步骤：

S1：将过热度为50℃的铸件金属液一次浇入型腔1的同时，启动超声波发生器，打开冷却水8和风冷系统7；

S2：当型腔1内的金属液全部凝固时，关闭超声波发生器(3和6)，延时3min关闭冷却水8和冷却气7；

S3：打开金属型2，取出铸件；

重复上述步骤，连续不断地生产高锰钢(ZGMn13-1)球磨机衬板。

实施例二，低合金钢(ZG30CrMnMo)破碎机颚板超声细化铸造

该实施例铸件材料为低合金钢(ZG30CrMnMo)破碎机颚板(长250mm,宽150mm,厚30mm)，低合金钢(ZG30CrMnMo)破碎机颚板的超声细化铸造方法包括：利用壁厚为200mm的钢铁材料制造金属型2形成铸件的外形，利用2个超声波发生器(3和6)在金属型型腔1底部垂直导入超声波，使金属液凝固成型。

所述金属型的型腔1为水平分模；其闭合后的型腔形状与铸件工作面在下时的外轮廓相一致；

所述超声波发生器由工具杆3和换能器6组成，垂直安装在金属型下方的安装板5上，安装板5位于工具杆3与换能器6的连接部；其中工具杆3为钛合金制造，其形状为圆柱形+圆台形，长度为200mm，其中圆柱段长度与金属型底部厚度相适应，圆台段上小下大。工具杆3上端面与型腔1底面平齐，下端面与换能器6相连；换能器6由压电陶瓷制作而成，其功率调节范围为500-2000W。工具杆3伸入金属型2底面的相应通孔内，上端面与型腔1底面平齐，与金属型2的通孔间隙为0.35mm，既能够排气，又确保铸件金属液不能进入其间隙内。

所述工具杆3外设置有喷淋水管8，确保工具杆温度不超过60℃；换能器6与工具杆3间设置有0.5mm塑料挡水板4，防止冷却水流入换能器6，挡水板4下方设置有风冷却装置7，确保换能器6温度低于60℃；相邻工具杆3间的距离200mm；

该实施例提供的一种低合金钢(ZG30CrMnMo)破碎机颚板的超声细化铸造方法包含如下循序执行的工艺步骤：

S1：将过热度为20℃的铸件金属液一次浇入型腔1的同时，启动超声波发生器，打开冷却水8和风冷系统7；

S2：当型腔1内的金属液全部凝固时，关闭超声波发生器(3和6)，延时5min关闭冷却水8和冷却气7；

S3：打开金属型2，取出铸件；

重复上述步骤，连续不断地生产低合金钢(ZG30CrMnMo)破碎机颚板。

实施例三，高铬铸铁(KMTBCr20)反击式破碎机板锤的超声细化铸造

该实施例铸件材料为高铬铸铁(KMTBCr20)反击式破碎机板锤(长850mm,宽700mm,厚100mm)，高铬铸铁(KMTBCr20)反击式破碎机板锤的超声细化铸造方法包括：利用壁厚为30mm的钢铁材料制造金属型2形成铸件的外形，利用10个超声波发生器(3和6)在金属型型腔1的底部垂直导入超声波，使金属液凝固成型。

所述金属型的型腔1为水平分模；其闭合后的型腔形状与铸件工作面在下时的外轮廓相一致；

所述超声波发生器由工具杆3和换能器6组成，垂直安装在金属型下方的安装板5上，安装板5位于工具杆3与换能器6的连接部；其中工具杆3为钛合金制造，其形状为圆柱形+圆台形，长度为20mm，其中圆柱段长度与金属型底部厚度相适应，圆台段上小下大。工具杆3上端面与型腔1底面平齐，下端面与换能器6相连；换能器6由压电陶瓷制作而成，其功率调节范围为500-2000W。工具杆3伸入金属型2底面的相应通孔内，上端面与型腔1底面平齐，与金属型2的通孔间隙为0.15mm，既能够排气，又确保铸件金属液不能进入其间隙内。

所述工具杆3外设置有喷淋水管8，确保工具杆温度不超过60℃；换能器6与工具杆3间设置有0.2mm塑料挡水板4，防止冷却水流入换能器6，挡水板4下方设置有风冷却装置7，确保换能器6温度低于60℃；相邻工具杆3间的距离50mm。

该实施例提供的一种高铬铸铁(KMTBCr20)反击式破碎机板锤的超声细化铸造方法包含如下循序执行的工艺步骤：

S1：将过热度为100℃的铸件金属液一次浇入型腔1的同时，启动超声波发生器，打开冷却水8和风冷系统7；

S2：当型腔1内的金属液全部凝固时，关闭超声波发生器(3和6)，延时1min关闭冷却水8和冷却气7；

S3：打开金属型2，取出铸件；

重复上述步骤，连续不断地生产高铬铸铁(KMTBCr20)反击式破碎机板锤。

综上所述，本发明实施例提供的在超声波作用下铸造板状钢铁铸件的方案通过超声细化铸造来细化显微组织，改善力学性能，延长使用寿命，具有如下的有益效果：

(1)实现了稳定均匀的细晶铸造：通过多个超声波发生器对金属液直接施加超声波，实现了超声波对钢铁液的直接均匀作用，使金属液在超声波作用下形核、熔断、游离，提高了金属液的形核率，晶粒尺寸显著细化，可以稳定均匀地达到3～5级；

(2)实现了钢铁液的型内净化：超声波作用下，金属型内金属液的气体和夹杂发生集聚上浮进入集渣冒口内，使金属液得到了净化，综合力学性能提高，使用寿命提高50％左右；

(3)强化了补缩：超声波作用下，凝固过程的残余液体更容易进入枝晶间，实现补缩，消除微观疏松；

(4)超声波发生器使用寿命长：工具杆的冷却采用喷淋冷却水管，提高了冷却效率，确保冷却效果，同时避免了传统冷却腔造成的超声波功率损失问题；

(5)使用范围广：通过调节超声波间距、功率以及冷却强度，即可适应各种钢铁材料板型铸件的细晶铸造要求。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。