一种冲击转轮的近净成形方法

技术领域

本申请涉及材料热加工技术领域，特别涉及一种冲击转轮的近净成形方法。

背景技术

现有技术中电渣熔铸能对结构简单的铸件进行成形，例如铸锭等，无法进行异形构件的成型。

发明内容

本申请提出了一种冲击转轮的近净成形方法，以实现异形构件的成形。

为了实现上述目的，本申请提供了一种冲击转轮的近净成形方法，包括：

S101、根据水斗单元的形状和尺寸设计电渣熔铸结晶器，并根据所述水斗单元的宽度和所述电渣熔铸结晶器的溢流通道的厚度确定所述电渣熔铸结晶器的电极通道的数量，制作所述电渣熔铸结晶器；

其中，所述水斗单元为冲击转轮沿水斗的开口端所在的平面分割形成的单元，所述水斗单元为1/2个水斗、3/4个水斗、整个水斗、整个水斗+部分辐板或者整个水斗+与所述整个水斗位置对应的辐板；

S102、根据所述电极通道的尺寸制备自耗电极；

S103、多个所述自耗电极同步进行电渣熔铸以使电渣熔铸形成的金属熔液在所述电渣熔铸结晶器的溢流通道内溢流成形，得到预制件；

S104、热处理所述预制件，得到所述水斗单元。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述S103包括：

S1031、铺设钢屑与渣料的混合物在所述电渣熔铸结晶器的底部；

S1032、多个所述自耗电极中的一部分所述自耗电极同步起弧化渣，得到充满所述电渣熔铸结晶器的横截面的稳定渣池；

S1033、多个所述自耗电极同步进行电渣熔铸，所述电渣熔铸形成的金属熔液在所述电渣熔铸结晶器的溢流通道内溢流成形，得到所述预制件。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述渣料为五元渣，所述五元渣包括CaF

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述S103中，多个所述自耗电极的填充比为0.2-0.45。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述S103中，所述电渣熔铸的炉口电压为70-90V，电流为2000-40000A。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，还包括位于所述S103与所述S104之间的S105，补缩。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述S105具体为：

S1051、电渣熔铸电流匀速降低至最低补缩电流，并保持所述最低补缩电流第一预设时间；

S1052、所述最低补缩电流匀速升高至最高熔铸电流，并保持所述最高熔铸电流第二预设时间，其中，所述最高熔铸电流为所述电渣熔铸电流的60％-80％；

S1053、重复所述S1051-所述S1052至少3次，所述第一最高熔铸电流作为下一次电流变化的所述电渣熔铸电流；

S1054、所述电渣熔铸电流匀速降低至0A。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述电渣熔铸结晶器的内衬为铜内衬，所述电渣熔铸结晶器的外壳为碳钢板外壳，所述内衬与所述外壳之间形成冷却腔体，所述冷却腔体通过隔板分隔出冷却流道，所述隔板为铝合金板。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述S104包括：

S1041、应力退火；

S1042、正火；

S1043、两次回火。

优选地，在上述冲击转轮的近净成形方法中，所述自耗电极采用AOD精炼钢液制作；和/或，

所述自耗电极采轧制工艺、金属型凝固成形工艺或者钢板拼焊工艺制作。

本申请实施例提供的冲击转轮的近净成形方法，通过多电极同步熔化，在电渣熔铸结晶器的变曲面通道内溢流成形水斗单元等铸件。在电渣熔铸结晶器的电极通道内插入自耗电极，插入自耗电极的电极通道的位置根据电渣熔铸结晶器的截面位置进行选择，插入自耗电极的电极通道的数量根据电渣熔铸结晶器的截面积进行选择。电极通道的个数为多个，且沿着电渣熔铸结晶器的截面分散分布，多个自耗电极同步进行电渣熔铸，多个自耗电极熔化形成的金属熔液穿过渣池进入熔池，熔池一边充满电渣熔铸结晶器的溢流通道的截面，熔池一边上升，实现对异形铸件的成形，打破了现有技术中电渣熔铸只能成形简单铸件的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些示例或实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，而且还可以根据提供的附图将本申请应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

图1是本申请的水斗单元的不同拆分形式的结构示意图；

图2是本申请的电渣熔铸结晶器的结构示意图；

图3是本申请的电渣熔铸结晶器的俯视图；

图4是本申请的电渣熔铸结晶器的内腔的结构示意图；

图5是本申请的电渣熔铸结晶器的内腔的主视图；

图6是本申请的电渣熔铸结晶器的一部分电极通道插入自耗电极的结构示意图；

图7是本申请的电渣熔铸结晶器的多个电极通道插入自耗电极的结构示意图；

图8是本申请的冲击转轮的近净成形方法的流程图。

其中：

1、水斗单元，2、电渣熔铸结晶器，3、自耗电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关申请相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应当理解，本申请中使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

水斗单元1为非等厚三维变曲面的异形构件，采用整体或分块组合结构形式的结晶器电渣熔铸水斗毛坯，后期加工余量大，材料利用率低。

请参阅图1-图8，本申请一些实施例公开了一种冲击转轮的近净成形方法，能够实现对异形零件的熔铸成形。

本申请以冲击转轮的水斗单元1的近净成形为例进行说明。水斗单元1为厂家所需的水斗结构，如图1所示，水斗单元1可以为1/2个水斗、3/4个水斗、整个水斗、整个水斗+部分辐板或者整个水斗+与整个水斗位置对应整个辐板，辐板上可以具有定位销或定位槽等结构。

本申请公开的一种冲击转轮的近净成形方法通过多电极同步熔化，在电渣熔铸结晶器2的变曲面通道内溢流成形水斗单元1等铸件。

本申请公开的冲击转轮的近净成形方法包括：

S101、根据水斗单元1的形状和尺寸设计电渣熔铸结晶器2，并根据水斗单元1的宽度和电渣熔铸结晶器2的溢流通道的厚度确定电渣熔铸结晶器2的电极通道的数量，制作电渣熔铸结晶器2；

S102、根据电极通道的尺寸制备自耗电极3；

S103、多个自耗电极3同步进行电渣熔铸以在电渣熔铸结晶器2的溢流通道内溢流成形，得到预制件；

S104、热处理预制件，得到水斗单元1。

其中，水斗单元1为冲击转轮沿水斗的开口端所在的平面分割形成的单元，水斗单元1为1/2个水斗、3/4个水斗、整个水斗、整个水斗+部分辐板或者整个水斗+与整个水斗位置对应的辐板。

本申请公开的冲击转轮的近净成形方法，在电渣熔铸结晶器2的电极通道内插入自耗电极3，插入自耗电极3的电极通道的位置根据电渣熔铸结晶器2的截面位置进行选择，插入自耗电极3的电极通道的数量根据电渣熔铸结晶器2的截面积进行选择。以近净成形水斗单元1为例，如图2所示，电渣熔铸结晶器2上设置有五个电极通道，五个电极通道分别设置在水斗的两个侧边、分水刃和背部加强筋的位置。参照图6和图7，首先成形的是水斗单元1的下部，该下部结构位于电渣熔铸结晶器2的中部，此时需要先将三根自耗电极3插入对应分水刃和背部加强筋的三个电极通道内，随着熔池上升，需要成形水斗单元1的中下部，此时需要将两个自耗电极3插入对应水斗的两个侧边的电极通道内。

受电渣熔铸结晶器2的溢流通道的形状和尺寸的限制，自耗电极3不能插入溢流通道内，本申请在电渣熔铸结晶器2上设置电极通道，电极通道内插设自耗电极3。

电极通道的个数为多个，且沿着电渣熔铸结晶器2的截面分散分布，多个自耗电极3同步进行电渣熔铸，熔池一边充满电渣熔铸结晶器2的溢流通道的截面，熔池一边上升，成形铸件。

本申请采用多个自耗电极3同步进行电渣熔铸，多个自耗电极3熔化形成的金属熔液穿过渣池进入熔池，且流动充满电渣熔铸结晶器2的型腔的横截面，实现对异形铸件的成形。

在本申请的一些实施例中，S103包括：

S1031、铺设钢屑与渣料的混合物在电渣熔铸结晶器2的底部；

S1032、多个自耗电极3中的一部分自耗电极3同步起弧化渣，得到充满电渣熔铸结晶器2的横截面的稳定渣池；

S1033、多个自耗电极3同步进行电渣熔铸，电渣熔铸形成的金属熔液在电渣熔铸结晶器2的溢流通道内溢流成形，得到预制件。

S1031中，钢屑与渣料的质量比为3：1，钢屑与渣料的质量比不限于3：1，可以根据渣料成分进行适当调整。

钢屑与渣料的混合物均匀铺设在电渣熔铸结晶器2的底部，厚度为20-50mm，保证多个自耗电极3能够同步起弧。

S1032是为了在电渣熔铸结晶器2内形成充满电渣熔铸结晶器2的整个横截面的稳定渣池，对熔池起到保护作用。在本申请的一些实施例中，S1032中自耗电极3的填充比为0.24。

在稳定渣池形成后，进入步骤S1033。

S1033中多个自耗电极3同步进行电渣熔铸，在溢流通道内溢流成型。在本申请的一些实施例中，S1033中自耗电极3的填充比为0.31。

在本申请的一些实施例中，多个自耗电极3的填充比为0.2-0.45，保证多个自耗电极3在熔化和上升的过程中形成的金属熔液能够流动充满电渣熔铸结晶器2的型腔的横截面，提高电渣熔铸的质量。

填充比为位于电渣熔铸结晶器2的自耗电极3的截面积的总和与电渣熔铸结晶器2的横截面积的比值。

本申请公开的冲击转轮的近净成形方法，采用的渣料为五元渣，五元渣包括CaF

本申请公开的渣料熔点低、电阻高且为弱酸性，相较于二元渣CaF

本申请以五元渣作为起弧剂，不采用常规TiO

优选地，渣料的加入量不高于渣系总质量的15％，渣层厚度为电渣熔铸结晶器2的等效直径的40-60％。

S103中，电渣熔铸的炉口电压为70-90V，电流为2000-40000A。

本申请公开的冲击转轮的近净成形方法采用的炉口电压高于常规电压40％左右，采用超高电压，可使熔池上移，在功率不变的情况下，电流降低，自耗电极3插入渣池的深度变浅。渣池起热源熔化电极的作用，自耗电极3的熔化速度变慢，使得熔池有充分的时间在溢流通道内流动，保证金属熔液能够溢流充满电渣熔铸结晶器2的横截面，保证充型质量。

电流自起弧端2000A，逐渐增至水斗垂直熔铸方向的最大截面积(图5中A-A所在的位置)时，电流增至20000A，以熔铸过程电流波动值±2000控制电流增速。

在熔铸超过最大截面积之后，需要减小电流。

该过程中，至改变电流，不改变电压，保证电渣熔铸过程始终是超高电压。

本申请公开的冲击转轮的近净成形方法还包括位于S103与S104之间的S105，补缩。

S105具体为：

S1051、电渣熔铸电流匀速降低至最低补缩电流，并保持最低补缩电流第一预设时间；

S1052、最低补缩电流匀速升高至最高熔铸电流，并保持最高熔铸电流第二预设时间，其中，最高熔铸电流为电渣熔铸电流的60％-80％；

S1053、重复S1051-S1052至少3次，最高熔铸电流作为下一次电流变化的电渣熔铸电流；

S1054、电渣熔铸电流匀速降低至0A。

冲击转轮的近净成形方法中补缩的目的与铸造冒口作用相似，主要是补偿后期金属熔池的体积收缩，避免铸件径向缩松。通过减小自耗电极的熔化速率，进而减小熔化速度，实现边熔化边补缩的目的。

电渣熔铸结晶器2的内衬为铜内衬，电渣熔铸结晶器2的外壳为碳钢板外壳，内衬与外壳之间形成冷却腔体，冷却腔体通过隔板分隔出冷却流道，隔板为铝合金板。

铜内衬的导热效果好，能够增强对铸件的冷却效果。

碳钢板的硬度高，能够起到良好的支撑作用，提高电渣熔铸结晶器2的外壳强度。

在本申请的一些实施例中，内衬的厚度为8-18mm，隔板的厚度为5-15mm，冷却腔体的厚度为20-50mm。

S104包括：

S1041、应力退火；

S1042、正火；

S1043、两次回火。

应力退火、正火以及回火的参数由铸件的材料种类、铸件尺寸大小和力学性能要求确定，在此不做具体限定。

本申请公开的电渣熔铸结晶器2为分体结构，且每个分体结构的外侧为平板结构，分体结构组合后构成电渣熔铸结晶器2的型腔。

结合上文的描述，五个电极通道分别设置在水斗的两个侧边、分水刃和背部加强筋的位置，此处命名位于分水刃的电极通道为第一电极通道，位于两个背部加强筋的电极通道为第二电极通道，位于两个侧边的电极通道为第三电极通道。

在对半斗进行近净成形时，在第一电极通道和两个第二电极通道内插入自耗电极3，三个自耗电极3同步起弧化渣，在电渣熔铸结晶器2的横截面形成稳定渣池；随着熔池上升至电渣熔铸结晶器2的最大横截面积处，在两个第三电极通道内插入自耗电极3，五个自耗电极3同时进行电渣熔铸，自耗电极3产生的金属熔液在电渣熔铸结晶器2的溢流通道内流动成形。

在对整斗进行近净成形时，在第一电极通道和两个第二电极通道内插入自耗电极3，三个自耗电极3同步起弧化渣，在电渣熔铸结晶器2的横截面形成稳定渣池；随着熔池上升至电渣熔铸结晶器2的最大横截面积处，在两个第三电极通道内插入自耗电极3，五个自耗电极3同时进行电渣熔铸，自耗电极3产生的金属熔液在电渣熔铸结晶器2的溢流通道内流动成形；随着熔池上升至电渣熔铸结晶器2的1/2位置处时，位于两个第三电极通道内的自耗电极3消耗完，此时仅通过位于第一电极通道和两个第二电极通道内的自耗电极3进行电渣熔铸。

在对整斗与辐板进行近净成形时，在第一电极通道和两个第二电极通道内插入自耗电极3，三个自耗电极3同步起弧化渣，在电渣熔铸结晶器2的横截面形成稳定渣池；随着熔池上升至电渣熔铸结晶器2的最大横截面积处，在两个第三电极通道内插入自耗电极3，五个自耗电极3同时进行电渣熔铸，自耗电极3产生的金属熔液在电渣熔铸结晶器2的溢流通道内流动成形；随着熔池上升至电渣熔铸结晶器2的1/2位置处时，位于两个第三电极通道内的自耗电极3消耗完，此时仅通过位于第一电极通道和两个第二电极通道内的自耗电极3进行电渣熔铸；随着熔池上升至电渣熔铸结晶器2的辐板结晶器的位置时，仅通过第一电极通道内的自耗电极3进行电渣熔铸。

本申请公开的冲击转轮的近净成形方法制备结构异形的铸件，铸件近净成形毛坯仅少许加工就可符合铸件精加工尺寸要求，加工余量小，节约材料，缩短加工周期。

通过控制自耗电极3的熔化速度，使熔池充满型腔，使得铸件无疏松、气孔等缺陷，宏观无损检测可达锻件技术效果，微观组织致密、枝晶细化、夹杂物呈弥散分布，常规力学性能与同尺寸级别锻件相当，优于大级别整体锻造零件。

本申请公开的近净成形方法制造的铸件，制造周期和成本远低于整体锻造，品质远高于整体铸造。

电渣熔铸近净成形集熔化、精炼、凝固、近净成形为一体，具备去除非金属夹杂物、降低有害元素含量、控制结晶方向，使铸件顺序凝固的特点。

电渣熔铸结晶器2为金属型结晶器，利用金属结晶器替代砂型、粘结剂和涂料等大量的非金属造型材料，使得固体废弃物排放减小，减少了对环境的污染，实现了绿色制造。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。本申请中所涉及的申请范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。