一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备及方法

本发明涉及金属铸造，特别是涉及一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备及方法。

背景技术：

1、螺旋桨桨毂是船舶的关键和重要部件，特别是大型船舶对螺旋桨的要求极为严格，螺旋桨对船舶航行的可靠性、安全性起到关键作用。螺旋桨耐海水腐蚀性能是重要的指标之一。

2、对于大型船舶用镍铝青铜螺旋桨桨毂采用反重力浇注是比较先进铸造方法，目前在重要的舰船上已经初步尝试应用，对镍铝青铜螺旋桨桨毂铸件质量有较大的提升。螺旋桨铸件除了要求无冶金缺陷外，还有一个非常重要的耐海水腐蚀要求。

3、镍铝青铜(cual9fe4nimn2)合金，主要析出相k相和γ2相。k相最主要析出相，是由fe和ni的金属间化合物，约在930℃从β相析出。一般认为k相是有益相，能提高强度、硬度和耐磨性。γ2相是富al金属间化合物，严重恶化合金的耐蚀性和韧性，是有害的析出相，是螺旋桨最主要的腐蚀源。另外，当高温β相未完全转变时会保留亚稳态产物β'相，硬而脆、耐蚀性较差，容易成为腐蚀点。

4、以往为了提高耐海水腐蚀，大型螺旋桨多直接使用铸态件。这是人们普遍认为铸造条件下冷却速度较快，不会有第二相析出。实际上，大型螺旋桨铸件远大于10吨重，浇注后铸件冷却是非常缓慢的，一般要一周的时间才能冷到开箱的温度。这样的缓慢冷却会有第二相析出，析出相与基体的界面正是耐腐蚀的薄弱部位。另外，铸件的原始晶界附近普遍存在合金元素偏析，这也是耐海水腐蚀的薄弱部位。可见减少铸件的析出相及晶粒晶界成分偏析，对镍铝青铜螺旋桨桨毂是极其重要工作。以往主要是缺乏大型船舶用镍铝青铜螺旋桨桨毂的热处理手段以及认识的偏差，没有重视抑制析出相和消除晶界偏析的意义。

5、由于镍铝青铜合金高温强度较低，利用铸件余热直接淬火处理会导致铸件变形及开裂发生，必须利用合适的工装约束防止铸件变形及开裂发生。然而铸件落砂后再进行安装约束工装，操作过程会使铸件散失热量降温，错过了抑制γ2相析出的温度区间。

技术实现思路

1、针对这种情况，本发明提供了一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备及方法。利用这种双功能专用成套设备，既能实现大型船舶用镍铝青铜螺旋桨桨毂的差压铸造成形，又能利用铸件自身余热进行淬火处理，抑制第二相析出及消除晶界合金元素偏析，提高大型船舶用镍铝青铜螺旋桨桨毂的抗海水腐蚀性性能。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备，包括，

3、中隔板，所述中隔板中心设有通孔，定义中隔板所在位置为铸造工位；

4、上罐，位于中隔板上方，内部用于安装铸型，所述上罐底部设有上罐锁紧环，所述上罐锁紧环配备有上罐锁紧油缸，用于将上罐与中隔板锁紧密封，所述上罐的水平一侧设有上罐待用工位，用于放置上罐，另一侧依次设有落砂工位和淬火处理工位；

5、下罐，位于中隔板下方，内部用于安装铜水包，所述下罐顶部设有下罐锁紧环，所述下罐锁紧环配备有下罐锁紧油缸，用于将下罐与中隔板锁紧密封，所述上罐和下罐的相对表面均为镶嵌橡胶密封圈的法兰端面，所述下罐的法兰端面设有升液管支架，所述升液管支架上可拆卸连接有升液管，所述下罐的水平一侧设有铜水包中转工位，用于将铜水包放入下罐内；

6、除尘设备，位于落砂工位正下方，用于将铸型与铸件分离；

7、装填有机冷却液的冷却槽，位于淬火处理工位正下方，用于铸件淬火处理；

8、吊运机械手臂，用于吊运上罐或铸型或铸件在上罐待用工位、铸造工位、落砂工位、淬火处理工位之间移动；

9、下罐驱动机构，用于驱动下罐在铸造工位和铜水包中转工位之间移动，以及驱动下罐升降；

10、气源，与下罐相连通；

11、控制中心，与上罐锁紧油缸、下罐锁紧油缸、吊运机械手臂、下罐驱动机构、气源分别电连接。

12、更进一步的，所述下罐驱动机构包括，

13、升降油缸，位于铸造工位正下方；

14、水平移动导轨，跨设于铸造工位和铜水包中转工位之间；

15、电机，用于驱动下罐沿水平移动导轨移动。

16、更进一步的，所述的一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备，还包括插装机械手臂，用于将升液管通过升液管支架插入铜水包内，所述插装机械手臂与控制中心电连接；所述冷却槽配备有冷却器。

17、一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理方法，使用所述的一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备，以及一种铸造模型；

18、所述铸造模型包括，砂箱、砂型、一体成形淬火工装；

19、所述砂箱外壁对称设有多对吊轴；

20、所述砂型填充在所述砂箱内，其内部开设有铸造腔，以及分布在铸造腔外壁且与铸造腔相连通的多个工艺凸台型腔，所述铸造腔包括由下到上依次连通的浇道、铸件型腔、冒口；

21、所述一体成形淬火工装，包括工装本体和镶嵌柱结构；

22、所述工装本体，埋设在所述砂型内，罩设在铸造腔外部；

23、所述镶嵌柱结构为多个，安装在所述工装本体的内表面，且与所述工艺凸台型腔一一对应；它包括沿轴向依次连接的螺杆、紧固及限位挡板、焊合圆柱；所述螺杆与工装本体的内表面螺纹连接；所述紧固及限位挡板的直径大于螺杆和焊合圆柱的直径，所述紧固及限位挡板一侧与工装本体的内表面相连，另一侧与所述工艺凸台型腔相连，用于传递扭矩和轴向限位；所述焊合圆柱的表面镀镍，同轴穿设在所述工艺凸台型腔内，用于当铸件凝固后与铸件焊合固定；

24、所述方法，具体包含如下步骤：

25、s1、将所述铸造模型吊运到中隔板上，并安放到位，再将上罐吊运到位，并启动上罐锁紧油缸，将上罐与中隔板锁紧密封；

26、s2、将铜水包放入位于铜水包中转工位的下罐内，并在升液管支架上安装升液管，使升液管下端插入铜水包的铜合金液体内；

27、s3、启动下罐驱动机构，将下罐移动到铸造工位，然后驱动下罐上升，至升液管顶端与铸造腔相连通，启动下罐锁紧油缸，将下罐与中隔板锁紧密封；

28、s4、开启气源，进行反重力浇筑，铸造腔充满及保压后，关闭气源，完成浇筑；

29、s5、将下罐泄压后，启动下罐锁紧油缸松开下罐锁紧环，然后启动下罐驱动机构，驱动下罐下降复位，再将下罐移动到铜水包中转工位；

30、s6、当铸件完全凝固后，将上罐泄压，然后启动上罐锁紧油缸松开上罐锁紧环，将上罐吊运到上罐待用工位；

31、s7、将所述铸造模型吊运至落砂工位，启动除尘设备，将铸造模型的砂箱和砂型分离，得到相固定的一体成形淬火工装和铸件；

32、s8、将一体成形淬火工装和铸件吊运到淬火处理工位，然后投入冷却槽，进行淬火处理；

33、s9、淬火处理后，将一体成形淬火工装和铸件切割分开，完成铸件的铸造及余热淬火处理。

34、更进一步的，所述工装本体包括吊环、顶部结构层和约束腿；

35、所述吊环与顶部结构层的顶面中心相连；

36、所述约束腿为多个，沿所述顶部结构层底面的边缘呈第一圆周阵列排布，且与所述顶部结构层的底面垂直连接；

37、所述螺杆与顶部结构层或约束腿螺纹连接；所述紧固及限位挡板靠近螺杆的一侧与顶部结构层或约束腿相连。

38、更进一步的，所述顶部结构层和所述约束腿之间，通过氩弧焊或激光焊工艺焊接成形。

39、更进一步的，所述顶部结构层为十字横梁，所述约束腿为矩形柱共4个，一一对应连接在十字横梁的端部；

40、所述镶嵌柱结构共16个，包括位于十字横梁底面呈第二圆周阵列排布的4个，以及与约束腿一一对应，分别呈第三圆周阵列排布的4个，第四圆周阵列排布的4个，第五圆周阵列排布的4个；所述第三圆周阵列、第四圆周阵列、第五圆周阵列的分度圆平行对齐、大小相等，且沿所述约束腿的长度方向依次排布；

41、所述紧固及限位挡板为正六角形。

42、更进一步的，所述浇道包括直浇道、横浇道、内浇道，所述直浇道开设于所述砂型的底部中心位置，所述横浇道为以直浇道的顶端为中心呈放射状排布的多条，所述横浇道的汇聚端与直浇道相连通，所述内浇道为竖直排布的多条，底端一一对应与横浇道的发散端相连通，顶端与铸件型腔相连通。

43、更进一步的，所述吊轴为3对；所述横浇道为8条。

44、更进一步的，所述的一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备还包括机械堵塞机构；

45、所述冷却槽内有机冷却液的重量大于5倍的铸件重量；

46、所述铸造模型还包括埋设在所述砂型内，且与所述铸造腔相连的测温热电偶补偿导线和浇注充型信号线；

47、所述机械堵塞机构安装在浇道内，所述机械堵塞机构、所述测温热电偶补偿导线和浇注充型信号线分别与控制中心电连接；

48、所述步骤s4中，控制中心通过浇注充型信号线的信号，判定铸造腔充满及保压后，控制中心首先启动机械堵塞机构堵住浇道停止升液，然后再关闭气源；

49、所述步骤s8中，将一体成形淬火工装和铸件吊运到淬火处理工位后，控制中心通过测温热电偶补偿导线检测到铸件温度降低到935℃~950℃时，立即把铸件以小于15秒的速度投入到冷却槽内快速冷却。

50、与现有技术相比，本发明所述的一种镍铝青铜螺旋桨桨毂铸造及余热淬火处理设备及方法的有益效果是：

51、1、本发明创新设计了差压铸造与淬火处理两个完全不同的热加工工艺集成一体的成套设备，提高了大型船舶用镍铝青铜螺旋桨桨毂铸件的耐海水腐蚀性能；铸件在较高的外界压力环境下结晶和凝固，可以得到充分的补缩，使得铸件组织更致密，力学性能提高20%以上。

52、2、本发明可根据铸件尺寸结构、重量、差压浇注特点，设计内部设有镶嵌柱结构的一体成形淬火工装，所述镶嵌柱结构包括沿轴向依次连接的螺杆、紧固及限位挡板、焊合圆柱，所述焊合圆柱表面镀镍，用于防止表面锈蚀，避免与浇注铜液发生反应影响铸件质量，以及利用镍与铜互为固溶体的特性，使铸件凝固后铜与镍界面形成稳定的固溶体；本发明在铸造模型设计时，可在浇道、铸件型腔、冒口的相应位置开设工艺凸台型腔；造型时将一体成形淬火工装预埋入砂型内，使得焊合圆柱呈悬臂状态，一一对应穿设在工艺凸台型腔内，铸件凝固后，可利用的余热在高于930℃时直接进行淬火处理避免γ2相析出，提高铸件的综合性能。

53、3、本发明所述镶嵌柱结构包括沿轴向依次连接的螺杆、紧固及限位挡板、焊合圆柱。铸件淬火处理后，切割焊合圆柱，将一体成形淬火工装与铸件分开，再通过紧固及限位挡板将残余的镶嵌柱结构全部拆出，后续使用一体成形淬火工装时，重新装入新的镶嵌柱结构，实现一体成形淬火工装本体的重复利用。