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1、10申请公布号CN102310938A43申请公布日20120111CN102310938ACN102310938A21申请号201110314792622申请日20111018B63H23/36200601B22C9/24200601B22D15/00200601B22D27/0420060171申请人宝鼎重工股份有限公司地址311106浙江省杭州市余杭区塘栖镇工业园区内72发明人陈江忠娄彪朱奇峰74专利代理机构杭州中平专利事务所有限公司33202代理人翟中平54发明名称整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管及制作方法57摘要本发明涉及一种用以支撑尾轴和螺旋桨的整体铸造成型的船用多轴系密封卡位。
2、套管及制作方法，它包括螺旋桨传动轴密封卡位套管，所述螺旋桨传动轴密封卡位套管中的后轴承座铸件的轴向长管和前轴承座的轴向长管之间为整体连接轴管且整体连接轴管外壁呈环形凹槽结构。优点一是整体铸造简化了生产工序，节省了原材料，降低了生产成本；二是利用热学原理，通过非金属补贴来补偿热量，达到获得细晶粒的目的；三是通过下部加强冷却，人为创造末端区，达到加强细化晶粒的目的；四是不仅在工序上大大减少了加工周期，同时也消除了焊接结构件带来的变形问题，保证了铸件化学成分和力学性能的均匀性，提高了使用寿命和大大降低了维修费用。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附。
3、图6页CN102310939A1/2页21一种整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管，它包括螺旋桨传动轴密封卡位套管，其特征是所述螺旋桨传动轴密封卡位套管中的后轴承座铸件的轴向长管和前轴承座的轴向长管之间为整体连接轴管且整体连接轴管外壁呈环形凹槽结构。2根据权利要求1所述的整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管，其特征是后轴承座铸件的轴向长管、前轴承座的轴向长管和整体连接轴管内径相同且呈整体结构；一种整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管铸造方法，其特征是根据铸件的温度场分布特点，将图8铸件分为四个区域，铸件的凝固时间分别对应T冒、T上、T中、T下，根据铸件的凝固和壁厚的关系可得出T冒T上T下T中；。
4、根据凝固时间关系可以得出中间连接部分是最先凝固区域，而为了保证补缩的畅通，必须采取措施控制该区域凝固晚于下端部分；从凝固时间关系来说，必须引入一个T使得在凝固关系上满足T冒T上T中TT下；铸件的凝固过程是一个液体钢水不断散热降温的过程，铸件的凝固时间大体上分为两个阶段第一阶段为导出金属液过热热量所需的时间1，在该阶段，铸件温度降低T1,放出热量Q1，两者之间关系如下Q1VCT1，式中V铸件的体积，铸件的密度，C液态金属的比热，导出金属液过热热量的时间公式如下第二阶段为铸件凝固所需的时间2,根据“折算厚度法”,铸件凝固所需的时间T2与铸件的当量厚度R之间存在以下公式关系2R2/K2式中R铸件的当。
5、量厚度,K铸件的凝固系数,铸钢在砂型中K值为13，由此可以推算出铸件下端从高温液态金属到凝固结束总时间下,因此在工艺的设计上必须满足铸件中间部分在下时间里液体温度在液相线以上；由于中间部分铸件的当量厚度较小，因此对该部分的当量厚度根据工艺补缩要求进行补偿，同时对下端铸件一周设外冷铁激冷，人为增加末端区，使下端铸件内部组织更有利于晶粒细化；从前面的分析可以得出采用金属补贴不利于细化晶粒，因此在工艺设计上采用非金属发热补贴，利用发热补贴释放的热量来补偿凝固过程中释放的热量，从而保证了下端铸件在完全凝固前钢水补缩通道的顺畅，由于中间部分本身完全凝固需要上端部分进行补给，发热补贴的设置也根据热节圆定律。
6、来确定其位置、尺寸大小，必须同时满足下端铸件完全凝固的时间及自身完全凝固的补偿量，并且必须保证补偿的热量要保证自身完全凝固必须在上断铸件温度降到液相之前，综合以上几个因素及发热补贴本身的比热和密度最终确定发热补贴量和位置尺寸，并用利用华铸CAE对铸件的凝固进行数值凝固模拟；为使上端部分铸件的致密，在上端平面圆上增设两处保温冒口，并且为了保证冒口补缩通道的顺畅在局部采用金属补贴；通过补偿热量和人为增加末端区及增强冒口补缩通道的工艺方法，最终使整个铸造工艺方案实现了“顺序凝固”，从而达到获得整体致密铸件的目的；权利要求书CN102310938ACN102310939A2/2页3为了进一步加强散热，。
7、增加激冷效果，与钢水表面直接接触内孔表面采用激冷能力为普通硅砂4倍的铬铁矿砂，并且铬铁矿砂按照“顺序凝固”要求进行分布，使几何热节降低约15，从而在工艺上保证了铸件更有利于获得细等轴晶粒；铸件浇注成型保温结束，清理铸件表面，在铸件清砂整理完毕，铸件毛坯温度大于150进行浇冒口切割处理，然后进行正火热处理，正火要求为89010保温6小时出炉空冷，目的一方面消除铸造应力，另一方面对铸坯组织进行细化处理，待铸件冷却到常温进行粗加工，外径按图纸尺寸及铸造公差标准进行光车，内孔按图纸精加工尺寸单边预留810MM余量，这样既能保证铸件外整体的同轴度，又能保证精加工余量，从而保证最终产品的同轴度。3根据权利。
8、要求3所述的整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管铸造方法，其特征是整体铸件三个不同区域的化学成分（）（质量分数）如下。4根据权利要求3所述的整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管铸造方法，其特征是整体铸件三个不同区域的三组机械性能如下。权利要求书CN102310938ACN102310939A1/6页4整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管及制作方法技术领域0001本发明涉及一种用以支撑尾轴和螺旋桨的整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管及制作方法，属螺旋桨传动轴密封卡位套管制造领域。背景技术0002螺旋桨传动轴密封卡位套管是船体艉部用以支撑尾轴和螺旋桨，密封船体和防止海水进入尾轴承和防止润滑油进入。
9、船舱的作用。在轴向传动方向上，多轴系船卡位套管总长在3000MM以上，并且中间钢管部分的长度往往占总长的一半以上，因此一般用钢管联结前、后轴承座铸件，前、后轴承座铸件一般采用船用碳锰钢，抗拉强度在400MPA到600MPA之间，钢管一般采用20钢，然后通过焊接构成。以10000吨级成品油船密封卡位套管为例，焊接成型后的总长尺寸达到了3950MM,其中后轴承座铸件的轴向长度为1100MM,前轴承座的轴向长度为720MM，其余长度为钢管（见图2）。在焊接前,前、后轴承座和钢管都需要进行机械预加工处理,以便适合焊接,同时考虑到焊接过程中会产生变形，因此前、后轴承座往往需要留校正加工余量,以便在焊接完。
10、成后进行同轴度校正加工。因此整个加工过程较为复杂，具体加工工序如下有时由于焊接过程产生变形较大，校正加工后会造成局部壁厚过薄，无法满足设计强度的要求而造成整个产品的报废。0003在焊接区见图3，由于焊接过程中焊接接头经历了快速连续的加热和冷却过程,尤其在焊接热影响区HAZ的温度分布很不均匀，它包括了从金属熔点一直到稍高于常温的全部温度，而且各点的热循环参数也不相同，因此造成了该区域材料的机械性能也不平衡。焊接时，在HAZ的不同位置上进行的连续冷却转变组织和转变过程是互不相同的。由于熔合线附近的粗晶区晶粒很粗大，硬化程度最严重，因此HAZ的粗晶区部位是整个焊接接头的薄弱地带，也是最易产生裂纹和局。
11、部脆性破坏的发源地。发明内容0004设计目的避免背景技术中的不足之处，设计一种既能满足设计强度要求，又无需焊接成型的整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管及制作方法。0005设计方案1、本申请设计前提，目前在我国航运业中，船舶的修理费用的增加，大大影响了船舶营运的经济效益。部分航运企业船舶修理基金占到了营运总成本的1520，说明书CN102310938ACN102310939A2/6页5甚至高达27。如此高额的修理费用，不但严重地影响了企业的经济效益，也大大地阻碍着船舶运输生产的发展。而在船舶修理中，螺旋桨传动轴保护套管焊接部位的修理占有相当大的比重，已成为船舶修理中重中之重。2、本申请技术难点。
12、分析由铸钢件钢管铸钢件三部分联接后焊接而成的焊接结构件改为整体铸造的铸造产品，从其结构特点来看，中间部分壁厚较薄，两端部分较厚，因此从铸钢件的工艺性来分析，根据华铸CAE凝固模拟（见图4）可以看出由于铸钢件的热节分布在两端，在凝固的时候，中间部分往往要先于上下两端先凝固，从而造成下端部分在凝固时得不到钢水补缩而产生疏松和缩孔缺陷（见图4）。0006要获得连续的致密的铸件，必须使铸钢件的凝固过程由下到上按照顺序凝固（液态液固混合状态固态）要求进行。从该铸件的来说，必须按下端部分中间部分上端部分的先后凝固顺序进行。传统的铸造工艺为了下端部分不产生疏松和缩孔缺陷，往往通过增加中间部分厚度，在中间的薄。
13、壁部分采用增设内置或外置金属补贴（见图6和图7）两种方法,使的中间部分钢水比下端部分延迟凝固，来保证冒口补缩通道的顺畅，从而达到补缩下端部分铸件的目的。0007不管是内置补贴还是外置补贴的纠正工艺措施，都是通过增厚中间部分的壁厚，来达到保证补缩畅通。虽然这两种方法都能达到补缩下端铸件的目的，但是由于壁厚的增加，不但增加了产品的生产成本的，同时从铸钢件形成理论来看，铸钢件的中间部分由于增厚不利于获得良好的组织，对于提高该区域的综合性能有负面影响。0008铸钢件的致密性和金属的凝固方式密切相关，铸件的晶粒度取决于过冷度。铸件壁厚越厚，温度梯度减小，过冷度也减小，由于冷却速度的不同，从宏观组织看，从。
14、表面到内部组织的晶粒按表面细晶粒区柱状晶区粗大等轴晶区细到粗分布（见图8）。柱状晶虽然具有一定的强度和塑性，但柱状晶较粗大，晶界上富集易熔而力学性能较差的杂质或缺陷，使晶粒间的联系收到很大削弱，且柱状晶组织在力学性能上有明显的方向性，纵向好，横向差；粗大等轴晶因为晶粒粗大，力学性能较差。铸件壁厚增大，过热度增加，粗大等轴晶区和柱状晶区就会扩大，表面细晶粒区减小，因此对于提高铸件的致密度相当不利。如果利用图四或图五传统的生产工艺产品的联接区域获得的组织大部分柱状晶和粗大等轴晶，该区域就很难获得优良的力学性能，这也是本件在生产时的一个难点。3、本申请铸造工艺方案和措施由焊接件改为整体铸造成型，根本。
15、的问题就是解决铸造成型过程中，既要保证铸件的凝固满足“顺序凝固”的要求的补缩瓶颈，同时也要使得铸件的凝固有利于细化晶粒。根据该铸件的结构特点及性能要求，结合材料的特点，主要从改变热节分布、加快铸件末端区凝固、人为改变补缩通道三个方面来设计该铸件的生产工艺方案。0009从该铸件的结构特点来分析铸造工艺性，根据铸件的温度场分布特点，将铸件分为四个区域（见图9），铸件的凝固时间分别对应T冒、T上、T中、T下，根据铸件的凝固和壁厚的关系可得出T冒T上T下T中。根据凝固时间关系可以的出，中间连接部分是最先凝固区域，而为了保证补缩的畅通，必须采取措施控制该区域凝固晚于下端部分。0010从凝固时间关系来说，。
16、必须引入一个T使得在凝固关系上满足T冒T上T中TT下。0011铸件的凝固过程是一个液体钢水不断散热降温的过程，铸件的凝固时间大体上分为两个阶段。第一阶段为导出金属液过热热量所需的时间1，在该阶段，铸件温度降低T1,放出热量Q1，两者之间关系如下说明书CN102310938ACN102310939A3/6页6Q1VCT1（式中V铸件的体积，铸件的密度，C液态金属的比热）导出金属液过热热量的时间公式如下第二阶段为铸件凝固所需的时间2,根据”折算厚度法”,铸件凝固所需的时间T2与铸件的当量厚度R之间存在以下公式关系2R2/K2式中R铸件的当量厚度,K铸件的凝固系数,铸钢在砂型中K值为13由此可以推算。
17、出铸件下端从高温液态金属到凝固结束总时间下,因此在工艺的设计上必须满足铸件中间部分在下时间里液体温度在液相线以上。由于中间部分铸件的当量厚度较小，因此对该部分的当量厚度根据工艺补缩要求进行补偿。同时对下端铸件一周设外冷铁激冷，人为增加末端区，使下端铸件内部组织更有利于晶粒细化。从前面的分析可以得出采用金属补贴不利于细化晶粒，因此在工艺设计上采用非金属发热补贴，非金属补贴采用冒口覆盖剂和2的溃散剂混合而成，并预先在发热补贴模型中压制成型，经150200烘箱中烘干，在造型结束落芯时放入型腔指定位置。利用发热补贴释放的热量来补偿凝固过程中释放的热量，从而保证了下端铸件在完全凝固前钢水补缩通道的顺畅。。
18、由于中间部分本身完全凝固需要上端部分进行补给，发热补贴的设置也根据热节圆定律来确定其位置、尺寸大小。必须同时满足下端铸件完全凝固的时间及自身完全凝固的补偿量，并且必须保证补偿的热量要满足自身完全凝固在上断铸件温度降到液相之前。综合以上几个因素及发热补贴本身的比热和密度最终确定发热补贴量和位置尺寸（详见图10），并用利用华铸CAE对铸件的凝固进行数值凝固模拟详见图11、图12。0012为使上端部分铸件的致密，在上端平面圆上增设两处保温冒口，并且为了保证冒口补缩通道的顺畅在上端侧面冒口根部局部采用金属补贴。0013通过补偿热量和人为扩大末端区及增强冒口补缩通道的工艺方法，最终使整个铸造工艺方案实现。
19、了“顺序凝固”（见图11），从而达到获得整体致密（见图12）铸件的目的。0014为了进一步加强散热，增加激冷效果，与钢水表面直接接触内孔表面采用激冷能力为普通硅砂4倍的铬铁矿砂，并且铬铁矿砂的分布按照“顺序凝固”要求进行分布，使几何热节降低约15。从而从工艺上保证了铸件更有利于获得细等轴晶粒。0015铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面。在铸件清砂整理完毕，铸件毛坯温度大于150进行浇冒口切割处理，然后进行正火热处理。正火要求为89010保温6小时出炉空冷。目的一方面消除铸造应力，另一方面对铸坯组织进行细化处理。待铸件冷却到常温进行粗加工，外径按图纸尺寸及铸造公差标准进行光车，内孔按图纸精加工尺。
20、寸单边预留810MM余量，这样既能保证铸件外整体的同轴度，又能保证精加工余量，从而保证最终产品的同轴度。整体铸造成型的卡位套管，不仅在化学成分上使铸件达到了统一，同时保证了各区域的力学性能上的一致，消除了焊接结构件带来的热影响区对材料力学性能降低的问题。0016表一、该铸件三个不同区域实测的化学成分（）（质量分数）说明书CN102310938ACN102310939A4/6页7。0017表二为整体铸件三个不同区域的三组（每组两拉六冲）实测机械性能。0018铸件精加工成品，分别对三个区域经超声波探伤检测达到GB723387铸钢件超声探伤及质量评级方法级标准和磁粉探伤GB94442007铸钢件磁粉。
21、探伤及质量评级方法级标准。铸件的金相组织为铁素体珠光体（见附图13）。0019本项目的关键在于解决整体铸造成型带来的补缩通道瓶颈问题。解决这一矛盾问题采用的技术方案是从铸件凝固过程入手，通过引入补偿热量来控制薄壁区延迟凝固，从而达到补缩通道顺畅，实现“顺序凝固”的要求。0020本发明与背景技术相比，一是整体铸造简化了生产工序，在工序简化为，节省了原材料，降低了生产成本；二是利用热学原理，通过非金属补贴来补偿热量，既达到保证补缩，由于非金属补贴本身不需要金属补偿，因此中间部分自身的凝固区域并没有增加，更有利于减少柱状晶区和粗大等轴晶区范围，从而达到获得细晶粒的目的；三是通过下部加强冷却，人为扩大。
22、末端区，从而达到加强细化晶粒的目的；四是按照整体铸造工艺方案生产的卡位套管，不仅在工序上大大减少了加工周期，同时也消除了焊接结构件带来的变形问题，光材料成本一项至少可以减少60，同时由于采用了整体铸造，保证了铸件化学成分和力学性能的均匀性，提高了使用寿命和大大降低了维修费用，因此具有极其可观的经济效益和发展前景。附图说明0021图1是螺旋桨传动轴密封卡位套管的整体铸造铸件的结构示意图。0022图2是10000吨级成品油船螺旋桨传动轴限位密封卡位套管焊接构成图。0023图3是图2中焊接区域示意图。0024图4是铸件凝固过程温度分布状态。0025图5是铸件凝固结束缺陷分布示意图。0026图6是内置。
23、补贴示意图。0027图7是外置补贴示意图。说明书CN102310938ACN102310939A5/6页80028图8是铸件断面的宏观组织示意图。0029图9是铸件分区示意图。0030图10是铸件非金属发热补贴及冒口、外冷铁分布示意图。0031图11是铸件顺序凝固过程温度分布状态示意图。0032图12是无缺陷铸件凝固结束状态示意图。0033图13是铸件的金相组织示意图。具体实施方式0034实施例1参照附图1。一种整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管，它包括螺旋桨传动轴密封卡位套管，所述螺旋桨传动轴密封卡位套管中的后轴承座铸件的轴向长管1和前轴承座的轴向长管2之间为整体连接轴管3且整体连接轴管3。
24、外壁呈环形凹槽结构。所述后轴承座铸件的轴向长管1、前轴承座的轴向长管2和整体连接轴管3内径相同且呈整体结构。0035实施例2参照附图213。在实施例1的基础上，一种整体铸造成型的船用多轴系密封卡位套管铸造方法，根据铸件的温度场分布特点，将图8铸件分为四个区域，铸件的凝固时间分别对应T冒、T上、T中、T下，根据铸件的凝固和壁厚的关系可得出T冒T上T下T中；根据凝固时间关系可以的出，中间连接部分是最先凝固区域，而为了保证补缩的畅通，必须采取措施控制该区域凝固晚于下端部分；从凝固时间关系来说，必须引入一个T使得在凝固关系上满足T冒T上T中TT下；铸件的凝固过程是一个液体钢水不断散热降温的过程，铸件的。
25、凝固时间大体上分为两个阶段第一阶段为导出金属液过热热量所需的时间1，在该阶段，铸件温度降低T1,放出热量Q1，两者之间关系如下Q1VCT1，式中V铸件的体积，铸件的密度，C液态金属的比热，导出金属液过热热量的时间公式如下第二阶段为铸件凝固所需的时间2,根据“折算厚度法”,铸件凝固所需的时间T2与铸件的当量厚度R之间存在以下公式关系2R2/K2式中R铸件的当量厚度,K铸件的凝固系数,铸钢在砂型中K值为13，由此可以推算出铸件下端从高温液态金属到凝固结束总时间下,因此在工艺的设计上必须满足铸件中间部分在下时间里液体温度在液相线以上；由于中间部分铸件的当量厚度较小，因此对该部分的当量厚度根据工艺补缩。
26、要求进行补偿，同时对下端铸件一周设外冷铁激冷，人为增加末端区，使下端铸件内部组织更有利于晶粒细化；从前面的分析可以得出采用金属补贴不利于细化晶粒，因此在工艺设计上采用非金属发热补贴，利用发热补贴释放的热量来补偿凝固过程中释放的热量，从而保证了下端铸件说明书CN102310938ACN102310939A6/6页9在完全凝固前钢水补缩通道的顺畅，由于中间部分本身完全凝固需要上端部分进行补给，发热补贴的设置也根据热节圆定律来确定其位置、尺寸大小，必须同时满足下端铸件完全凝固的时间及自身完全凝固的补偿量，并且必须保证补偿的热量要保证自身完全凝固必须在上断铸件温度降到液相之前，综合以上几个因素及发热补。
27、贴本身的比热和密度最终确定发热补贴量和位置尺寸，并用利用华铸CAE对铸件的凝固进行数值凝固模拟；为使上端部分铸件的致密，在上端平面圆上增设两处保温冒口，并且为了保证冒口补缩通道的顺畅在局部采用金属补贴；通过补偿热量和人为增加末端区及增强冒口补缩通道的工艺方法，最终使整个铸造工艺方案实现了“顺序凝固”，从而达到获得整体致密铸件的目的；为了进一步加强散热，增加激冷效果，与钢水表面直接接触内孔表面采用激冷能力为普通硅砂4倍的铬铁矿砂，并且铬铁矿砂的分布按照“顺序凝固”要求进行分布，使几何热节降低约15，从而从工艺上保证了铸件更有利于获得细等轴晶粒；铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面，在铸件清砂整理完。
28、毕，铸件毛坯温度大于150进行浇冒口切割处理，然后进行正火热处理，正火要求为89010保温6小时出炉空冷。目的一方面消除铸造应力，另一方面对铸坯组织进行细化处理，待铸件冷却到常温进行粗加工，外径按图纸尺寸及铸造公差标准进行光车，内孔按图纸精加工尺寸单边预留810MM余量，这样既能保证铸件外整体的同轴度，又能保证精加工余量，从而保证最终产品的同轴度。0036整体铸件三个不同区域的化学成分（）（质量分数）如下。0037整体铸件三个不同区域的三组机械性能如下。0038需要理解到的是上述各实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对。
29、本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。说明书CN102310938ACN102310939A1/6页10图1图2说明书附图CN102310938ACN102310939A2/6页11图3图4说明书附图CN102310938ACN102310939A3/6页12图5图6说明书附图CN102310938ACN102310939A4/6页13图7图8说明书附图CN102310938ACN102310939A5/6页14图9图10说明书附图CN102310938ACN102310939A6/6页15图11图12图13说明书附图CN102310938A。