CN105855454B - 一种以复合材料为砂型的铸铁锅及其铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以复合材料为砂型的铸铁锅及其铸造方法，铸造方法为：定量称取砂型原料，混合均匀后经球磨、干燥，得到复合材料砂型，将复合材料砂型置于高压容器中；将铸铁块充分加热至完全熔化成铁水，浇注到复合材料砂型中，同时使压力容器内部压力为高压，采用分阶段降温手段，直至铁水完全冷却至室温形成铸件后继续保压，泄去高压；将模具取出，使用金属工具缓慢的脱除复合材料砂型，得到铸铁锅。本发明的铸造工艺，特别是改良砂型的配方、改进砂箱内压力、采用分阶段降温手段等铸造改良工艺，可以大幅提高铸铁锅的产品质量，有一定的经济和社会意义。
Description
技术领域
本发明涉及铸造领域，具体涉及一种以复合材料为砂型的铸铁锅及其铸造方法。
背景技术
铸铁锅历史悠久、种类繁多，具有质地坚实、价格低廉、经久耐用、导热均匀、可以在多种热源上使用等优点，受到人们的喜爱。长期用铸铁锅炒菜，能提高人体所必需的铁元素，并且铁锅表面会生成一层油膜，不仅不粘锅，对人体无不良作用，还能避免各类有害化学物质对人体的潜在影响。但因为铸铁锅容易粘锅、制备工艺落后等因素，使得铸铁锅产品质量不高，影响了铸铁锅的进一步发展。
但是通过改进铸造工艺等手段改良的铸铁锅具有锅体成分简单、无有害元素残留的优异特性，长期采用铸铁锅炒菜有利于人体补充铁质元素，具有良好的社会价值和经济价值。
目前铸铁锅铸造工艺存在的主要问题是：一，铸铁锅的铸造过程是一个热传导为主的物理化学变化过程，由于铁水和模具之间温度差值大，使得铸铁锅在成型过程中存在残余热应力，远远大于铸铁锅的抗拉强度，导致铸铁锅容易出现开裂，影响产品质量。二，铸铁锅的铸造过程中，砂型对产品质量也有很大影响，若砂型松散有孔洞，易塌陷，容易导致铸件变形、表面有砂眼或气孔，若砂型密度过高，则导热性能差，导致铸件表面有凸起或者裂纹。三，铸件在冷却的过程中若降温太快，则容易引起铸件密度不均匀，造成铸铁锅质量下降，影响产品的使用性能。
中国专利CN91106322.6公开了一种防锈耐磨铸铁锅的制造方法，将经机械加工处理后的铸铁锅进行气体软氮化处理，通入气体为氨气和二氧化碳。但是该专利处理得到的铸铁锅容易产生气孔，并且氨气及二氧化碳容易与铸铁中杂质元素发生不利化学反应，影响产品使用寿命。
中国专利CN99127545.4公开了一种锌钙铸铁锅的制造方法，选择添加锌-钙-铁中间合金与出炉铁水在浇包中对渗，并将中间合金粒中掺人少许新鲜稻壳灰等措施，获得锌钙铸铁锅。但是该专利制得的铁锅结构强度偏低，耐磨性能较弱，容易损坏。
因此改良铸铁锅的铸造工艺，特别是改良砂型的配方、改进砂箱内压力、采用分阶段降温手段等铸造改良工艺，可以大幅提高铸铁锅的产品质量，有一定的经济和社会意义。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种以复合材料为砂型的铸铁锅及其铸造方法，能够提高铸铁锅的产品质量，改进铸铁锅的铸造工艺。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种以复合材料为砂型的铸铁锅的铸造方法，包括以下步骤：
步骤S1，复合材料砂型的配制：按重量比例称取原料，包括石英砂、氧化铝、石棉粉、白云石、菱镁矿、高岭土、正长石、石墨，将原料混合均匀后投入球磨机球磨12h～24h，取出后干燥8h～12h，将干燥后的原料通过20目～40目筛，过筛的原料混合成所需的复合材料砂型，将复合材料砂型置于密闭耐高压压力容器中，复合材料砂型内部涂抹一层黄油；
步骤S2，铸铁锅的高压铸造：将铸铁块投入化铁炉中，充分加热至1430℃～1450℃，使铸铁块完全熔化成铁水，而后缓慢降温至1050℃～1100℃，除去铁水表面析出的碳素和残渣，再将铁水升温至1400℃～1420℃，以5m/s～10m/s的速率浇注到复合材料砂型中，同时使压力容器密闭，保持压力容器内部压力为高压，采用分阶段降温手段，直至铁水完全冷却至室温形成铸件后继续保压1h～2h，泄去高压；
步骤S3，铸铁锅的退模：将步骤S2得到的模具从泄去高压后的压力容器中取出，使用金属工具缓慢的脱除复合材料砂型，得到铸铁锅，复合材料砂型经过破碎、清洗、干燥后可继续使用；
步骤S4，铸铁锅的后处理：对步骤S3得到的铸铁锅进行磨砂处理，使铸铁锅表面光滑，并用植物油涂抹铸铁锅表面，对铸铁锅进行防锈处理。
进一步地，步骤S1中，按重量比例称取原料的配方组成为：石英砂300份～500份，氧化铝250份～450份，石棉粉30份～100份，白云石10份～50份，菱镁矿10份～50份，高岭土10份～50份，正长石10份～50份，石墨10份～30份。
更进一步地，按重量比例称取原料的配方组成优选为：石英砂380份～450份，氧化铝300份～400份，石棉粉50份～80份，白云石25份～40份，菱镁矿20份～35份，高岭土18～30份，正长石22份～38份，石墨15份～25份。
进一步地，步骤S2中，浇注铸造的时间为60s～70s。
进一步地，步骤S2中，分阶段降温手段包括以下步骤：
步骤i，以80℃/h～95℃/h的降温速度，降温至950℃～1000℃，保温3.5h；
步骤ii，以100℃/h～120℃/h的降温速度，降温至750℃～800℃，保温2h；
步骤iii，以150℃/h～180℃/h的降温速度，降温至140℃～170℃，保温1.5h；
步骤iv，自然冷却至室温。
进一步地，步骤S2中，高压的压力范围为10MPa～20MPa。
进一步地，步骤S3中，干燥具体为：干燥温度为80℃～100℃，干燥时间为12h～24h。
进一步地，步骤S4中，植物油为花生油、大豆油、菜籽油、棉籽油中的任一种。
本发明的又一目的，在于提供一种以复合材料为砂型的铸铁锅，采用上述任一项所述的铸造方法铸造而成。
本发明的优点是：
1.本发明采用石英砂、氧化铝、石棉粉、白云石、菱镁矿、高岭土、正长石、石墨原料配制的复合材料砂型具有导热系数可调、综合热阻小、对流效应弱等优点，能够很好的提高铸铁锅的产品质量；
2.本发明在铸造时使用高压过程，根据克劳修斯-克拉伯龙方程可知，提高铁水的液相压力将使其凝固点升高，促进液相铁水整体快速凝固，有利于缩短成型过程并减小缩孔及裂纹，提高铸铁锅的产品质量；
3.本发明采用分阶段冷却技术，有利于残余热应力的释放，增强铸铁锅断裂韧性，提高塑性变形能力，抵御冲击载荷能力增大，延长锅体寿命；
4.本发明改良了铸铁锅铸造过程的技术手段，使得提高了铸铁锅的铸造工艺和机械化、精准化制造技术，提高了铸铁锅的科技含量，有利于铸铁锅的科技化生产和出口水平。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种以复合材料为砂型的铸铁锅的铸造方法
包括以下步骤：
步骤S1，复合材料砂型的配制：定量称取石英砂300份，氧化铝250份，石棉粉30份，白云石10份，菱镁矿10份，高岭土10份，正长石10份，石墨10份，将原料混合均匀后投入球磨机球磨12h，取出后干燥8h，将干燥后的原料通过20目筛，过筛的原料混合成所需的复合材料砂型，将复合材料砂型置于密闭耐高压压力容器中，复合材料砂型内部涂抹一层黄油。
步骤S2，铸铁锅的高压铸造：将铸铁块投入化铁炉中，充分加热至1430℃，使铸铁块完全熔化成铁水，而后缓慢降温至1050℃，除去铁水表面析出的碳素和残渣，再将铁水升温至1400℃，以5m/s的速率浇注到复合材料砂型中，同时使压力容器密闭，保持压力容器内部压力为10MPa，以80℃/h的降温速度，降温至950℃，保温3.5h，以100℃/h的降温速度，降温至750℃，保温2h，以150℃/h的降温速度，降温至140℃，保温1.5h，自然冷却至室温，直至铁水完全冷却至室温形成铸件后继续保压1h，泄去高压。其中浇注铸造的时间为60s。
步骤S3，铸铁锅的退模：将步骤S2得到的模具从泄去高压后的压力容器中取出，使用金属工具缓慢的脱除复合材料砂型，得到铸铁锅，复合材料砂型经过破碎、清洗，在80℃的温度下干燥12h后可继续使用。
步骤S4，铸铁锅的后处理：对步骤S3得到的铸铁锅进行磨砂处理，使铸铁锅表面光滑，并用花生油涂抹铸铁锅表面，对铸铁锅进行防锈处理。
实施例2
一种以复合材料为砂型的铸铁锅的铸造方法
包括以下步骤：
步骤S1，复合材料砂型的配制：定量称取石英砂500份，氧化铝450份，石棉粉100份，白云石50份，菱镁矿50份，高岭土50份，正长石50份，石墨30份，将原料混合均匀后投入球磨机球磨24h，取出后干燥12h，将干燥后的原料通过40目筛，过筛的原料混合成所需的复合材料砂型，将复合材料砂型置于密闭耐高压压力容器中，复合材料砂型内部涂抹一层黄油。
步骤S2，铸铁锅的高压铸造：将铸铁块投入化铁炉中，充分加热至1450℃，使铸铁块完全熔化成铁水，而后缓慢降温至1100℃，除去铁水表面析出的碳素和残渣，再将铁水升温至1420℃，以10m/s的速率浇注到复合材料砂型中，同时使压力容器密闭，保持压力容器内部压力为20MPa，以95℃/h的降温速度，降温至1000℃，保温3.5h，以120℃/h的降温速度，降温至800℃，保温2h，以180℃/h的降温速度，降温至170℃，保温1.5h，自然冷却至室温，直至铁水完全冷却至室温形成铸件后继续保压2h，泄去高压。其中浇注铸造的时间为70s。
步骤S3，铸铁锅的退模：将步骤S2得到的模具从泄去高压后的压力容器中取出，使用金属工具缓慢的脱除复合材料砂型，得到铸铁锅，复合材料砂型经过破碎、清洗，在100℃的温度下干燥24h后可继续使用。
步骤S4，铸铁锅的后处理：对步骤S3得到的铸铁锅进行磨砂处理，使铸铁锅表面光滑，并用大豆油涂抹铸铁锅表面，对铸铁锅进行防锈处理。
实施例3
一种以复合材料为砂型的铸铁锅的铸造方法
包括以下步骤：
步骤S1，复合材料砂型的配制：定量称取石英砂530份，氧化铝380份，石棉粉55份，白云石30份，菱镁矿30份，高岭土25份，正长石25份，石墨18份，将原料混合均匀后投入球磨机球磨18h，取出后干燥10h，将干燥后的原料通过30目筛，过筛的原料混合成所需的复合材料砂型，将复合材料砂型置于密闭耐高压压力容器中，复合材料砂型内部涂抹一层黄油。
步骤S2，铸铁锅的高压铸造：将铸铁块投入化铁炉中，充分加热至1440℃，使铸铁块完全熔化成铁水，而后缓慢降温至1075℃，除去铁水表面析出的碳素和残渣，再将铁水升温至1410℃，以7.5m/s的速率浇注到复合材料砂型中，同时使压力容器密闭，保持压力容器内部压力为15MPa，以88℃/h的降温速度，降温至975℃，保温3.5h，以110℃/h的降温速度，降温至775℃，保温2h，以165℃/h的降温速度，降温至165℃，保温1.5h，自然冷却至室温，直至铁水完全冷却至室温形成铸件后继续保压1.5h，泄去高压。其中浇注铸造的时间为65s。
步骤S3，铸铁锅的退模：将步骤S2得到的模具从泄去高压后的压力容器中取出，使用金属工具缓慢的脱除复合材料砂型，得到铸铁锅，复合材料砂型经过破碎、清洗，在80℃的温度下干燥18h后可继续使用。
步骤S4，铸铁锅的后处理：对步骤S3得到的铸铁锅进行磨砂处理，使铸铁锅表面光滑，并用菜籽油涂抹铸铁锅表面，对铸铁锅进行防锈处理。
实验例1
对实施例1～3所制的复合材料砂型的耐热性能、强度、抗酸碱性、耐用使用次数等性能进行测试表征，测试结果如表1所示。其中耐热性能指的是该温度条件下复合材料砂型保持结构强度的时间，抗酸碱性指的是该pH值范围内不产生不利化学反应。
表1 复合材料砂型性能测试结果
由表1可知，本发明所制备的复合材料砂型具有结构强度高、耐热性能好、抗酸碱腐蚀能力强等优点，使用复合材料砂型制备铸铁锅，还具有可重复使用的成本优势。
实验例2
对实施例1～3所制的铸铁锅的硬度、断裂韧性、耐酸性、厚度、密度、屈服强度、碳素含量等性能指标进行测试，测试结果如表所示。
表2 铸铁锅性能测试结果
由表2的结果可以看出，本发明实施例中制备得到的铸铁锅结构强度高，耐受静载屈服能力强等优点，并且承受较大冲击载荷而不易弯折，制备的铸铁锅铸件锅壁坯体薄，厚度均匀，理论密度大，碳素含量低，表明本发明具有很好的实际应用价值。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种以复合材料为砂型的铸铁锅的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，复合材料砂型的配制：按重量比例称取原料，包括石英砂、氧化铝、石棉粉、白云石、菱镁矿、高岭土、正长石、石墨，将原料混合均匀后投入球磨机球磨12h～24h，取出后干燥8h～12h，将干燥后的原料通过20目～40目筛，过筛的原料混合成所需的复合材料砂型，将复合材料砂型置于密闭耐高压压力容器中，复合材料砂型内部涂抹一层黄油；
步骤S2，铸铁锅的高压铸造：将铸铁块投入化铁炉中，充分加热至1430℃～1450℃，使铸铁块完全熔化成铁水，而后缓慢降温至1050℃～1100℃，除去铁水表面析出的碳素和残渣，再将铁水升温至1400℃～1420℃，以5m/s～10m/s的速率浇注到复合材料砂型中，同时使压力容器密闭，保持压力容器内部压力为高压，采用分阶段降温手段，直至铁水完全冷却至室温形成铸件后继续保压1h～2h，泄去高压；
步骤S3，铸铁锅的退模：将步骤S2得到的模具从泄去高压后的压力容器中取出，使用金属工具缓慢的脱除复合材料砂型，得到铸铁锅，复合材料砂型经过破碎、清洗、干燥后可继续使用；
步骤S4，铸铁锅的后处理：对步骤S3得到的铸铁锅进行磨砂处理，使铸铁锅表面光滑，并用植物油涂抹铸铁锅表面，对铸铁锅进行防锈处理。
2.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤S1中，所述按重量比例称取原料的配方组成为：石英砂300份～500份，氧化铝250份～450份，石棉粉30份～100份，白云石10份～50份，菱镁矿10份～50份，高岭土10份～50份，正长石10份～50份，石墨10份～30份。
3.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述按重量比例称取原料的配方组成优选为：石英砂380份～450份，氧化铝300份～400份，石棉粉50份～80份，白云石25份～40份，菱镁矿20份～35份，高岭土18～30份，正长石22份～38份，石墨15份～25份。
4.根据权利要求1所述的铸造铁锅的方法，其特征在于，步骤S2中，所述浇注铸造的时间为60s～70s。
5.根据权利要求1所述的铸造铁锅的方法，其特征在于，步骤S2中，所述分阶段降温手段包括以下步骤：
步骤i，以80℃/h～95℃/h的降温速度，降温至950℃～1000℃，保温3.5h；
步骤ii，以100℃/h～120℃/h的降温速度，降温至750℃～800℃，保温2h；
步骤iii，以150℃/h～180℃/h的降温速度，降温至140℃～170℃，保温1.5h；
步骤iv，自然冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的铸造铁锅的方法，其特征在于，步骤S2中，所述高压的压力范围为10MPa～20MPa。
7.根据权利要求1所述的铸造铁锅的方法，其特征在于，步骤S3中，所述干燥具体为：干燥温度为80℃～100℃，干燥时间为12h～24h。
8.根据权利要求1所述的铸造铁锅的方法，其特征在于，步骤S4中，所述植物油为花生油、大豆油、菜籽油、棉籽油中的任一种。
9.一种以复合材料为砂型的铸铁锅，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的铸造方法铸造而成。
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