CN107382342B - 一种耐高温材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐高温材料及其制备方法和应用。一种耐高温材料，主要由以下成分混合烧结而成：按重量百分含量计，粒度为140目以下的耐火骨料60‑90％，粒度为200目以上的耐火骨料1‑25％，粘结剂2‑25％。本发明将不同粒度的耐火骨料以科学的配比组合后烧结，这样可以促使耐火骨料(即骨料)和耐火骨料之间靠点接触的桥架连接，还促使架桥之间紧密连接，以上微观结构使材料的孔隙率达到30％以上，体积密度≤1.5g/cm³，并且裂纹不容易扩展，因此热震性能良好，使浇注温度≥1650℃，常温抗拉强度≥1.0MPa。

Description

一种耐高温材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及化工领域，尤其是涉及一种耐高温材料及其制备方法和应用。

背景技术

铸造是将金属液浇注到与零件形状相适应的铸件型腔中，待其冷却凝固后以获得零件或毛坯的方法。浇注系统是铸造工艺所用的最主要材料之一。

浇注系统是由浇口杯、直浇口、横浇口和内浇口组成的通道，该通道为将液态金属引入铸型型腔而在铸型内开设的通道。具有浇注系统需要长时间承受高温液态金属的流通，因此需要具备较强的热震性。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种耐高温材料，所述的耐高温材料解决了现有产品热震性能差的问题。

本发明的第二目的在于提供上述耐高温材料的制备方法，所述的制备方法流程简单，工艺条件温和。

本发明的第三目的在于提供上述耐高温材料的应用，其应用广泛，可用于铸铁、铸铝和铸钢等领域。

为了解决以上技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种耐高温材料，主要由以下成分混合烧结而成：按重量百分含量计，

粒度为140目以下的耐火骨料 60-90％，

粒度为200目以上的耐火骨料 1-25％，

粘结剂 2-25％。

传统耐高温材料是采用200目以下的耐火材料细粉(其中140目以下的材料占比很小，不超过30％)成型，整体结构致密，孔隙率很小，基本在20％以下，这样不仅导致裂纹容易扩展使材料强度降低，而且质量加重。

与现有技术相比，本发明的区别在于将不同粒度的耐火骨料以科学的配比组合后烧结，这样可以促使耐火骨料(即骨料)和耐火骨料之间靠点接触的桥架连接，还促使架桥之间紧密连接，以上微观结构使材料的孔隙率达到30％以上，体积密度≤1.5g/cm³，并且裂纹不容易扩展，因此热震性能良好，使浇注温度≥1600℃，常温抗拉强度≥1.0MPa。

本发明中，粒度为140目以下的耐火骨料是指筛选时无法通过140目筛的颗粒，粒度为200目以上的耐火骨料是指筛选时能通过200目筛的颗粒，全文关于耐火骨料粒径“以上”、“以下”的描述含义参照此解释。

以上技术方案还可以进一步改进，以完善技术效果，例如：

优选地，耐高温材料的原料配方为：按重量百分含量计，

将细粒度的耐火骨料进一步优化组合，可以提高材料的常温抗拉强度，使其更加不容易掉砂。

优选地，耐高温材料的原料配方为：按重量百分含量计，

同上，将粗粒度的耐火骨料进一步优化组合，可以提高材料的常温强度和表面光洁度，使其在浇注过程中不易掉砂。

优选地，耐高温材料的原料配方为：按重量百分含量计，

优选地，耐高温材料的原料配方为：按重量百分含量计，

优选地，所述耐火骨料选自陶粒砂、宝珠砂、硅砂、漂珠、锆英砂、莫来石、刚玉砂、粘土、铝矾土、硅微粉、红柱石和蓝晶石中的一种或多种，优选陶粒砂。

耐火骨料作为材料的骨架，对材料的性能有重要影响。不同的耐火骨料在气孔率、粒度、形状、强度和密度方面有区别，若选用陶粒砂、宝珠砂、硅砂、漂珠、锆英砂、莫来石、刚玉砂、粘土、铝矾土、硅微粉、红柱石和蓝晶石中的一种或多种，再配合本发明对粒形、配比、粒度的基本要求，就可以获得更好的综合性能，尤其是耐火度大幅提高。

为此，优选地，所述粒度为140目以下的耐火骨料为陶粒砂、宝珠砂和漂珠中的一种或者多种；

优选地，所述粒度为200目以上的耐火骨料为莫来石和/或粘土；

优选地，所述耐火骨料为球形和/或类球形。

球形和/或类球形的颗粒立体结构规则对称，对提高孔隙率、强度和材料均一稳定性有利，还可以降低粘结剂加入量。

优选地，还含有水和/或醇。

在烧结过程中为了提高骨料间以及骨料与粘结剂之间的均化速度，还可以加入无害溶剂，例如水、乙醇等。

优选地，所述的水和/或醇的总重量与所述粘结剂的重量比为0.1-10:10；优选的2-7:10。

优选地，所述粘结剂为水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、磷酸铝和磷酸二氢铝中的一种或几种组合；

优选地，所述粘结剂为水玻璃和/或硅溶胶；

该组合的粘结剂能提高材料在高温下的强度，使其在高温浇注不被破坏。

优选地，所述粘结剂组合中还可以包含有机粘结剂，所述有机粘结剂优选包括呋喃树脂、酚醛树脂、冷芯盒树脂、碱性酚醛树脂中的一种或几种。

优选地，所述无机粘结剂和有机粘结剂的重量比为1-2:1。

该组合的粘结剂能进一步提高材料的常温强度，使其生坯在正常成型中不易损坏，提高生坯成品率。

优选地，所述水玻璃的摩数≥2。

水玻璃主要以二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔数比值来区分，当其摩尔数≥2时，材料的常温抗拉强度可以达到1.5MPa以上。

优选地，所述耐火骨料均为陶粒砂和粘土，所述粘结剂为硅溶胶，两者的重量比优选为3～4:1。

该配方所组成的耐高温材料的耐火度更高。

以上不同配方组成耐高温材料至少可以达到以下性能：

所述耐高温材料的浇注温度≥1600℃；

所述耐高温材料的体积密度≤1.5g/cm³；

所述耐高温材料的孔隙率≥30％；

所述耐高温材料的常温抗拉强度≥1.0MPa。

上述所有方案主要针对原料对材料性能的影响，然而材料的制备工艺对其性能也有影响，为此，本发明提供了适宜的制备方法，如下：

按照配方，将所有原料混匀后加入模具中，在干燥后脱模，之后烧结；

所述烧结的条件为：在600-1150℃保温10-30分钟。

在600-1150℃保温烧结可以充分发挥配方的优势，使材料达到以下性能：

材料中的粘结剂在此温度下发生反应，物料中的游离水和结晶水挥发，粘结桥中微观孔隙因烧结而孔隙铸件变小、消失，增加了粘结桥的强度，材料整体向陶瓷化转变。烧结完成后，材料的常温强度和高温强度进一步提高；物理化学性质稳定，不会发生反应和吸潮等现象，强度不会衰减；烧成后由于粘结桥强度提高，热震性能也会改善。

与传统的工艺相比，本发明的烧结温度稍有降低，工艺条件更加温和，而且本发明没有增加工序，因此，进行产品升级时，本发明可使用车间或设备，降低升级成本。

在此基础上，各步骤还可以进一步优化：

优选地，所述烧结的方法为：

用电窑、燃气窑或者微波炉以2～4℃/min的升温速度加热至600～1150℃，然后保温10～30分钟；

以该优化的条件烧结可以提高孔隙率，降低体积密度。

优选地，所述干燥的方法为：在200-300℃下保温，或吹入热空气，或吹入二氧化碳固化。

利用本发明的上述配方及工艺所制得的耐高温材料应用广泛，主要用于制作铸铁设备、铸铝设备和铸钢设备，尤其是浇铸系统的元件；所述元件包括过滤节、浇道管、浇口杯或三通。

综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

(1)材料的热震性能提高。

(2)材料的常温抗拉强度提高。

(3)材料所需的烧结温度降低：现有技术的烧结温度基本在1200℃以上，本发明提供的技术方案中烧结温度可以降低到1150℃以下。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下文实施例中的百分含量均以质量为基准。

实施例1

制作耐高温过滤节：

1、取料

按以下配比取料：

其中，骨料均为球形或类球形。

2、制备方法

所有原料在混砂机中混合5分钟；

把混好的湿砂用热芯盒射芯机成型，模具温度100℃，吹入二氧化碳，保温10分钟后脱模；用马弗炉以4℃/min的升温速度加热至600℃烧结，保温30分钟。

3、产品测试

进行浇注试验，浇注温度1600±5℃。

实施例2

与实施例1的区别仅在于原料不同，如下：

100-140目陶粒砂 90％

200-270目粘土 1％

硅溶胶 9％。

实施例3

与实施例1的区别仅在于原料不同，如下：

实施例4

与实施例1的区别仅在于原料不同，如下：

实施例5

与实施例1的区别仅在于原料不同，如下：

实施例6

与实施例1的区别仅在于原料的配比不同，如下：

实施例7

与实施例1的区别仅在于原料的配比不同，如下：

实施例8

与实施例1的区别仅在于原料的配比不同，如下：

实施例9

与实施例1的区别仅在于原料的配比不同，如下：

实施例10

与实施例1的区别在于原料的配比不同，如下：

所有原料在混砂机中混合2分钟(若原料中含有水或乙醇，搅拌时间均为2分钟左右)；

把混好的湿砂用热芯盒射芯机成型，模具温度100℃，吹入二氧化碳，保温10分钟后脱模；用马弗炉以4℃/min的升温速度加热至600℃烧结，保温30分钟。

实施例11

与实施例1的区别仅在于原料不同，为：

实施例12

与实施例1的区别仅在于原料不同，为：

实施例13

与实施例1的区别仅在于原料不同，按以下配比取料：

实施例14

与实施例1的区别仅在于原料不同，按以下配比取料：

实施例15

与实施例1的区别仅在于原料不同，按以下配比取料：

实施例16

与实施例1的区别仅在于原料不同，按以下配比取料：

实施例17

与实施例1的区别仅在于原料的配比不同，如下：

实施例18

与实施例8的区别仅在于制备方法不同，如下：

将所有原料在混砂机中混合5分钟；把混好的湿砂用热芯盒射芯机成型，模具温度100℃，吹入热空气保温10分钟后脱模后在其内表面涂覆耐火涂料，于70℃烘干20min后，用马弗炉以4℃/min的升温速度加热至600℃烧结，保温30分钟。进行浇注试验，浇注温度1650±5℃。

实施例19

与实施例8的区别仅在于制备方法不同，如下：

所有原料在混砂机中混合5分钟；把混好的湿砂用热芯盒射芯机成型，模具温度200℃，保温10分钟，用马弗炉以2℃/min的升温速度加热至1150℃烧结，保温10分钟。进行浇注试验，浇注温度1650±5℃。

实施例20

与实施例1的区别在于原料配比不同：

除漂珠外所有骨料均不规则。

实施例21

与实施例1的区别仅在于制备方法不同：

所有原料在混砂机中混合5分钟；把混好的湿砂用热芯盒射芯机成型，模具温度70℃，保温10分钟后脱模；用马弗炉以4℃/min的升温速度加热至550℃烧结，保温30分钟。进行浇注试验，浇注温度1650±5℃。

对比例1

与实施例1的区别仅在于原料不同：

对比例2

与实施例1的区别仅在于原料不同：

对比例3

与实施例1的区别仅在于原料的配比不同，如下：

100-140目陶粒砂 95％

水玻璃(模数2) 5％。

对比例4

与实施例1的区别仅在于原料不同，如下：

粒度为200目～300目的莫来石 95％，

硅溶胶 5％。

产品测试结果如表1，经过对比可发现，骨料粒径及其含量对材料的性能影响显著，只有采用本发明的粒径和占比才能经受1600℃以上的浇注温度，而且孔隙率、抗拉强度和热震性也处于较高水平。

表1

注：表1中数据的测试方法采用以下方法：

一、浇注试验

1操作步骤

1.1根据浇注试验要求确定金属液材质；

1.2事先准备好需要浇注的过滤节，用工装固定；

1.3浇铸前用测温枪测试金属液温度，测试结果符合要求后马上进行浇注；浇注过程中用金属液冲击过滤节侧壁，每次浇注时间必须大于2min；

1.4记录浇注温度

2、结果判定

浇注过程中肉眼观察过滤节开裂情况，如浇注过程中金属液没有从侧面泄露，视为过滤节通过测试，可继续提高浇注温度进行试验，如过滤节破坏，需要降低浇注试验，找到最佳浇注温度。

二、孔隙率

1操作步骤

1.1称量干燥试样的质量(m₁)。

1.2将试样置于盛有蒸馏水的加热器中，水要完全浸没试样，将水加热至沸腾保持沸腾20min，然后关闭电源将试样冷却至室温。

1.3称量试样悬挂在水中的质量(m₂)。

2结果计算

孔隙率(％)：

式中：

K---孔隙率；

m₁---干燥质量；

m₂---悬浮质量；

ρ---悬浮液密度；

v---试块外形体积。

测定7块试样，去掉最大值和最小值，其余5个值取算数平均值作为最终试验结果。

三、体积密度

1操作步骤

1.1将试样置于电热干燥箱内，升温至105℃±5℃，恒温1小时至恒重，并于干燥器内自然冷却至室温。

1.2用数显标尺测量试样的长、宽(或直径)，用数显游标卡尺测量一条对角线上两个角的厚度，精确至0.01mm，求其平均值作为试样厚度。

1.3称量试样，精确至0.01g。

2结果计算

2.1按式(1)计算试样的长方体体积V₁，以“cm³”为单位:

V₁＝l×b×h×10^-3—————————(1)

式中：

l—试样长度，mm；

b—试样宽度，mm；

h—试样厚度，mm。

2.2按式(2)计算试样的圆柱体体积V₂，以“cm³”为单位:

V₂＝3.14×d²×g×10^-3————————-(2)

式中：d—试样的半径，mm；

g—试样厚度，mm。

2.3按式(3)计算试样的体积密度P，以“g/cm³”为单位。

或

式中：m—试样的干燥质量，g；

V₁或V₂—试样的几何体积，cm³。

2.4测定7片试样，然后去掉最大值和最小值，将剩下5块取其平均值，作为体积密度测定值。

四、常温抗拉强度

1.操作步骤

1.1试验条件：标准环境条件下；

1.2混合料的配制：按照配比称取各种物料，放入搅拌机里搅拌2-5min后即可出料；

1.3制样：射芯机安装好“8”字试块模具，设定模具温度、热空气温度等机器参数，等实际数值达到要求后，将混合料加入到射芯机料斗中射砂成型“8”字试块。

1.4工艺试样抗拉强度的测定，按要求测定1h、4h、24h的强度，试样放在强度试验机夹具中，并使夹具中四个滚柱的平面贴在试样腰部，转动手轮逐渐加载，直至试样断裂，其抗拉强度值可直接从压力表中读出。

2.计算

按模具分组，测定三块试样强度值平均为初强度；四块试样强度值平均为4h强度值；测定五块试样强度值平均值为24h强度。

五、热震性能

1试验步骤

1.1加热电阻炉至1100℃。

1.2将试样放入炉膛。保温15min后，打开炉门，把试样用坩埚钳取出，在常温下以0.1MPa±0.02MPa压缩空气流作为冷却介质急剧冷却2分钟。

1.3用放大镜或者肉眼检测试样表面裂纹；如未发现裂纹，重复上述两步，如发现裂纹，热震试验结束。

2结果判定

试样抗热震次数＝(做热震试验次数-1)次。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (22)

1.一种耐高温材料，其特征在于，主要由以下成分混合烧结而成：按重量百分含量计，

所述粒度为140目以下的耐火骨料为陶粒砂、宝珠砂和漂珠中的一种或者多种；

所述粒度为200目以上的耐火骨料为莫来石和/或粘土；

所述耐火骨料为球形和/或类球形；

所述粘结剂为无机粘结剂，包括水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、磷酸铝和磷酸二氢铝中的一种或几种；

所述耐高温材料的制备方法，包括下列步骤：

按照配方，将所有原料混匀后加入模具中，在干燥后脱模，之后烧结；

所述烧结的条件为：在600-1150℃保温10-30分钟。

2.根据权利要求1所述的耐高温材料，其特征在于，按重量百分含量计，

3.根据权利要求2所述的耐高温材料，其特征在于，按重量百分含量计，

4.根据权利要求3所述的耐高温材料，其特征在于，按重量百分含量计，

5.根据权利要求1所述的耐高温材料，其特征在于，还含有水和/或醇。

6.根据权利要求5所述的耐高温材料，其特征在于，所述的水和/或醇的总重量与所述粘结剂的重量比为0.1-10:10。

7.根据权利要求6所述的耐高温材料，其特征在于，所述的水和/或醇的总重量与所述粘结剂的重量比为2-7:10。

8.根据权利要求5所述的耐高温材料，其特征在于，所述无机粘结剂为水玻璃和/或硅溶胶。

9.根据权利要求8所述的耐高温材料，其特征在于，所述水玻璃模数≥2。

10.根据权利要求1所述的耐高温材料，其特征在于，所述粘结剂还包含有机粘结剂，所述有机粘结剂包括呋喃树脂、酚醛树脂、冷芯盒树脂、碱性酚醛树脂中的一种或几种。

11.根据权利要求10所述的耐高温材料，其特征在于，无机粘结剂和有机粘结剂的重量比为1-2:1。

12.根据权利要求1所述的耐高温材料，其特征在于，所述耐火骨料均为陶粒砂和粘土，所述粘结剂为硅溶胶，所述耐火骨料和所述粘结剂的重量比为3～4:1。

13.根据权利要求1～12任一项所述的耐高温材料，其特征在于，所述耐高温材料的浇注温度≥1600℃。

14.根据权利要求13所述的耐高温材料，其特征在于，所述耐高温材料的体积密度≤1.5g/cm³。

15.根据权利要求13所述的耐高温材料，其特征在于，所述耐高温材料的孔隙率≥30％。

16.根据权利要求13所述的耐高温材料，其特征在于，所述耐高温材料的常温抗拉强度≥1.0MPa。

17.根据权利要求1所述的耐高温材料，其特征在于，脱模后其内表面涂覆一层耐火涂料，烘干后烧结。

18.根据权利要求1所述的耐高温材料，其特征在于，所述烧结的方法为：

用电窑、燃气窑或者微波炉以2～4℃/min的升温速度加热至600～1150℃，然后保温10～30分钟。

19.根据权利要求1所述的耐高温材料，其特征在于，所述干燥的方法为：在200-300℃下保温，或吹入热空气，或吹入二氧化碳固化。

20.权利要求1-19任一项所述的耐高温材料的应用，其特征在于，所述耐高温材料在铸铁设备、铸铝设备和铸钢设备上的应用。

21.根据权利要求20所述的耐高温材料的应用，其特征在于，用于制作浇铸系统的元件。

22.根据权利要求21所述的耐高温材料的应用，其特征在于，所述元件为过滤节、浇道管、浇口杯或三通。