CN108723302A - 一种球墨铸铁用发热保温冒口及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球墨铸铁用发热保温冒口，属于铸造冒口的制备技术领域。所述发热保温冒口包括A、B两种组分，其中，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉20％‑30％、石墨粉10％‑18％、氧化铁粉6％‑12％、钾盐4％‑8％、二氧化锰0.5％‑2％、漂珠40％‑45％、氟铝酸钠3％‑5％、硅砂2％‑5％；所述B组分为水玻璃，所述水玻璃的含量为A组分总重量的14％‑17％。本发明的发热保温冒口的发热和保温性能均优于现有商品化冒口，不仅能够节省补缩所需的铁水量，节约成本，而且利用本发明制造的铸件性能明显优于现有发热保温冒口所浇铸件，有效提升了铸件的铸造质量。

Description

一种球墨铸铁用发热保温冒口及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸造冒口的制备技术领域，尤其涉及一种球墨铸铁用发热保温冒口及其制备 方法。

背景技术

在铸造生产过程中，缩孔和缩松是常见缺陷，它会给铸件带来很多问题，降低铸件性 能。所以在实际铸造中，通常要使用冒口来进行补缩。目前，主要有两种方法提高冒口的性 能：一是抑制金属液的快速凝固，即让冒口具有保温效果；二是人为制造化学反应，用放出 的热来缓解金属液凝固的速度。

冒口中倒入金属液之后，在高温下，发热材料发生氧化还原反应，放出大量热，在此期 间，金属液处在沸腾状态。反应完全结束后，发热保温冒口的保温作用能保证金属液短时间 内不凝固。最终，冒口内的金属液会比铸件内部的金属液凝固时间长，及时弥补铸件的体积 收缩，缩孔缩松缺陷大量减少。实践表明，发热保温冒口的补缩效率可高达60％。

发热保温冒口理论上比老式冒口具有市场优势，但实际情况恰恰相反，主要原因有：

(1)发热保温冒口质量不合格。国内发热保温冒口的发热剂燃烧不完全，发热能力没 有完全发挥；经常伴有大量热量损失，成分配比不恰当的情况时有发生。

(2)冒口浇注时易产生气体，且不能及时排出，气扑现象经常发生，过程中容易发生 人身事故。

(3)发热保温冒口的生产成本偏高。相比较，高铝热剂的发热材料比起老式冒口的保 温材料，其原料成本要高的多，这阻碍了它的大批量生产。

(4)冒口开发研究的厂家不多，产品数量少，不能满足市场上如此之大的供应需求。

可以看出，目前的商品化发热保温冒口因为存在保温不良和发热不足的缺点，经常不能 满足生产要求，所以改良现有发热保温冒口的成分设计十分必要。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种球墨铸铁用发热保温冒口及其制 备方法。本发明的发热保温冒口的发热和保温性能均优于现有商品化冒口，不仅能够节省补 缩所需的铁水量，节约成本，而且利用本发明制造的铸件性能明显优于现有发热保温冒口所 浇铸件，有效提升了铸件的铸造质量。

本发明的目的之一是提供一种球墨铸铁用发热保温冒口。

本发明的目的之二是提供一种球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法。

本发明的目的之三是提供球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法制备的发热保温冒口。

本发明的目的之四是提供上述球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法制备的发热保温冒口 的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种球墨铸铁用发热保温冒口，包括A、B两种组分，其中，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉20％-30％、石墨粉10％-18％、氧化铁粉6％-12％、钾盐4％-8％、二氧化锰0.5％-2％、漂珠40％-45％、氟铝酸钠3％-5％、硅砂2％-5％；所述B组分为水玻璃，水玻璃的含量为A组分总重量的14％-17％。

优选的，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉20％-28％、石墨粉10％- 18％、氧化铁粉6％-8％、钾盐4％-7％、二氧化锰0.5％-2％、漂珠40％-45％、氟铝酸钠3％- 5％、硅砂2％-5％；所述B组分为A组分总重量的14％-17％的水玻璃。

优选的，所述钾盐为硝酸钾。

最优选的，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉28％、石墨粉10％、氧化铁粉8％、硝酸钾7％、二氧化锰2％、漂珠40％、氟铝酸钠3％、硅砂2％；所述B组分 为A组分总重量的16％的水玻璃。

优选的，所示水玻璃的波美度为50°。

随着铝粉加入量的增加，冒口的点火时间一直减小，在加入量为25％时点火时间缩短幅 度最大。生产实践中，起爆时间一般要求在35s，因为这段时间内冒口内金属液开始有凝固 的趋势，起爆时间需配合金属液凝固速度，过长和过短都会产生负面作用。但另外，铝量增 加，冒口成本也在不断增加。因此，铝粉的加入量在20-25％之间较合适。

各原料的选取依据：铝粉的选取：(1)当铝含量大于20％时，铝含量的增多会让反应持 续时间增加，增加反应整体的放热量，但铝加入量增加，势必会影响保温材料的加入量，从 而影响保温效果，而且铝含量的增加会导致冒口成本增加；(2)由本发明进行的铝热反应曲 线图可知，温度达到峰值时的铝含量为30％左右，然后发热量曲线缓慢下降，因此，铝粉含 量在大约30％时效果最佳；综合考虑，将铝粉加入量控制在20-30％之间。

石墨粉的选择：本发明的冒口中，石墨粉是一种发热剂，由于铝和氧化铁的反应速率很 快，过快的反应会导致冒口中金属液凝固速度太快，如果不同时使用反应速率较慢的发热剂 对反应速度进行缓和，冒口补缩效果反而会受影响，随着石墨粉量的增加，点火时间和二次 点火后发热反应持续时间都变长，在12％-18％时二次放热时间上升幅度较大，点火时间也 较长；综合考虑，石墨粉的加入量适宜控制在12％-18％之间。

氧化铁粉的选取：由本发明试验的氧化铁粉含量与冒口点火时间和二次点火后放热反应 持续时间之间的关系可知，当氧化铁粉含量在4％-10％时，点火时间较短呈下降趋势，二次 放热时间较高呈上升趋势，在8％时，点火时间和二次放热时间都在最佳，综合考虑，氧化 铁粉加入量适宜控制在6％-12％之间。

钾盐的选取：由本发明试验的硝酸钾含量与冒口点火时间和二次点火后放热反应持续时 间之间的关系可知：点火所需时间随着硝酸钾含量的增加快速减少，由110s减少到20s。而 根据生产需要，冒口点火时间应该控制在25s-40s，综合考虑，钾盐的加入量适宜控制在 4％-8％之间。另外，为了氧化剂量能够充分，本发明还加入了0.5-2％的二氧化锰，补充担 当氧化剂的作用。钾盐使用硝酸钾，为强氧化剂，二氧化锰为一般氧化剂，通过加入少量二 氧化锰微调整个原料中的氧化效果，更加经济实惠。若仅用硝酸钾，会导致氧化效果过强， 虽然点燃时间会更短，但由于反应速率过快导致持续发热时间太短，发热温度不能达到很理 想的高度；反之若只采用二氧化锰，则因反应速率过慢，持续发热时间一样较短，因此，本 配方在选取钾盐时采用与二氧化锰互补使用。

保温材料的选取：首先，保温材料应具备以下几点要求：

(1)有良好的保温性能。蓄热系数是衡量材料保温性能的指标，具体取决于：①材料 的容重，②导热系数。冒口制作中，应选用容重低和导热系数低的保温材料。

(2)成型良好且方便。在一般生产条件下都应能成型，且强度达标。

(3)耐高温、化学性质稳定、能抵抗高温金属液的强度和耐熔融腐蚀。

(4)原料来源广泛易获取，绿色环保，成本低廉。

漂珠保温冒口的组织结构能有效地减少热传导、热对流和热辐射引起的三种热量损失： 1)漂珠冒口为多孔组织，减少了热传导的有效面积，并且孔洞中的空气能够良好绝热，这 很好地降低了漂珠冒口的导热系数，热量不易损失。2)漂珠表面的孔洞被粘结剂薄膜封 闭，形成相互封闭隔离的几块区域，减少了热对流造成的能量损失。3)漂珠冒口具有较大 的反射率，反射率随温度升高而不断增加；当铁水进入保温冒口后，保温冒口壁反射了大量 的辐射热量，辐射热量的损耗大大减少。漂珠的化学成分和物理性能分别如表1和表2所 示，漂珠的蓄热系数低，其在高温下会膨胀，产生的大间隙减少了热传导造成的热量损耗， 具有良好的保温性能。

表1漂珠的化学成分

表2漂珠的物理性能

氟铝酸钠的选择：为了更好的发生铝热反应，本发明采用氟铝酸钠作为助熔剂，因为铝 粉、氧化铁粉和钾盐在正常条件下不发生反的，少量氟铝酸钠会缩短点火时间，并延长二次 放热时间，这对冒口是有利的，但加入过多会起到反作用。由于氟铝酸钠本身也是一种催化 剂，能保证二次放热反应发生，让本不发生反应的组元加速反应，所以氟铝酸钠的加入量适 宜控制在3％-5％之间。

粘结剂的选用：其需要满足的条件是：(1)粘结剂可给予冒口一定强度；(2)绿色环保，无刺激性气体产生，不损害金属液和铸型；(3)原材料来源广，价格低廉，制作成本 低。随着粘结剂加入量的增加，冒口的抗拉强度也同时增加，呈比较明显的线性关系。水玻 璃越多，冒口强度会越高，但水玻璃过多会对铝热反应产生一定的阻碍作用，因为水玻璃以硅酸凝胶薄膜覆盖于发热材料表面，阻碍了反应物的接触，降低了扩散速度，使得反应迟缓，因此，将水玻璃的含量控制在14-17％之间，不仅能够起到良好的粘结作用，而且使冒口抗拉强度会超过1MPa，完全满足铸铁的浇注标准。

本发明配方选择思路为：氧化剂与发热剂发生反应生成氧化物的同时放出大量的热从而 引燃冒口中的金属液，其中发热剂由铝粉与石墨粉共同组成，一是考虑铝粉量的增加会导致 冒口成本的增加，二是过多的铝粉量会对球墨铸铁件的球化有阻碍作用，三是若仅使用铝粉 会导致氧化放热反应过快影响补缩效果，因此选用铝粉与石墨粉两者联合作为发热剂以控制 冒口的成本和保证补缩效果及球墨铸铁件的质量；氧化剂由氧化铁、硝酸钾和二氧化锰组 成，其中氧化铁主要与铝反生氧化反应进行放热，硝酸钾与石墨发生反应而放热，二氧化锰 与铝、石墨均可发生反应进行放热，配方中加入二氧化锰的主要原因是因为硝酸钾作为强氧 化剂会使反应速度过快导致持续发热时间过短，而加入少量的一般氧化剂二氧化锰后会较好 地控制反应速度从而更好地达到发热的理想效果，而且二氧化锰成本较低，购买渠道较简 便；助熔剂选用氟铝酸钠以降低熔化温度并与燃烧产物发生反应生成低熔点熔渣，漂珠因其 保温性能好、成本低、来源广泛、绿色环保而被选定为保温材料，选择硅砂作为耐火骨料以 保证冒口的高温强度和耐火度。

其次，本发明公开了一种球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法，包括如下步骤：

(1)将各原料分别破碎后烘干，然后按照A组分比例称取各原料，然后与B组分混合均匀、粘结，置于模具中成型，即得冒口坯料；

(2)对步骤(1)中成型的冒口坯料烘干硬化或通二氧化碳气体自硬化，脱模取出，即 得发热保温冒口。粘结剂为水玻璃，水玻璃与二氧化碳会发生反应，俗称二氧化碳自硬法， Na₂SiO₃+CO₂+H₂O＝H₂SiO₃↓+Na₂CO₃，形成硅酸胶体，进而形成硅酸凝胶将粉末都结 合在一起。此种方法凝固速率极快，数分钟以内就可以硬化成型，比加热烘干硬化效率高的 多，但需要提前准备二氧化碳气瓶。

优选的，步骤(1)中，所述混料的方法为：首先，对B组分水玻璃进行稀释，将漂珠与稀释后的水玻璃进行混合，使漂珠的表面被水玻璃湿润后完全覆盖水玻璃，然后，加入其余混合粉末，使其依附在漂珠上，最后再次加入稀释水玻璃，充分混匀即得冒口坯料。通过分两次添加水玻璃使得混合粉末的最内层为漂珠，漂珠的表面包覆着第一次添加的水玻璃作 为第二层，第三层为其余粉末，最外层是第二次添加的水玻璃，这样通过分两次添加水玻璃 使得粘结剂有效地将漂珠与其他粉末均匀结合在一起，然后使漂珠与漂珠均匀结合，有效地 提高颗粒之间的结合，保证了发热反应的进行，提高了冒口的强度。

进一步优选的，将水玻璃稀释至50％。

进一步优选的，将水玻璃均分为两份后，分次加入。

优选的，步骤(2)中，所述烘干方法为在190℃干燥1-3小时，然后在室温下晾干，即可。

再次，本发明公开了球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法制备的发热保温冒口。

最后，本发明公开了球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法制备的发热保温冒口在铸造中 的应用。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明的发热保温冒口的发热和保温性能均优于现有商品化冒口，能不仅够节省 补缩所需的铁水量，节约成本，而且利用本发明制造的铸件性能明显优于现有发热保温冒口 所浇铸件，有效提升了铸件的铸造质量。

(2)为了氧化剂量能够充分，本发明还加入了0.5％-2％的二氧化锰，补充担当氧化剂 的作用。钾盐使用硝酸钾，为强氧化剂，二氧化锰为一般氧化剂。加入少量二氧化锰微调整 个原料中的氧化效果，如果只加硝酸钾，要么会导致氧化效果过强，点燃时间确实会更快， 但反应速率太快，持续发热时间太短，发热温度并未达到很理想的高度；反之，则因反应速 率过慢，持续发热时间一样较短。

(3)本发明选用铝和石墨粉联合作为发热剂，控制了反应速率，有效避免了单纯使用 铝作为发热剂对球墨铸铁件的球化过程的阻碍，降低了冒口成本。采用本发明制备的保温冒 口浇注的球铁铸件球化率高，组织更细小，具有良好的冒口补缩能力，更适合球墨铸铁使 用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实 施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1制备的保温冒口的实物图；其中，序号1-5分别对应A-E组。

图2为利用实施例1制备的冒口浇注凝固后的QT450的显微组织。

图3为利用实施例1制备的冒口浇注凝固后的QT450的探伤结果。

图4为残余冒口切割称重结果，其中，A图为实施例1的步骤(1)中浇注凝固后的A 组的残余冒口，F图为原冒口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的 相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申 请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图 包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括” 时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，目前的商品化发热保温冒口因为存在保温不良和发热不足的缺点， 经常不能满足生产要求，所以改良现有发热保温冒口的成分设计十分必要，因此，本发明提 出了一种球墨铸铁用发热保温冒口及其制备方法，现结合附图及具体实施方式对本发明进一 步进行说明。

实施例1

一种球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法，包括如下步骤：

(1)将各原料分别破碎后烘干，然后按照A组分比例称取各原料，然后与B组分混合均匀、粘结，置于模具中成型，即得冒口坯料；所述A、B组分的具体含量如表3所示，分 别记为A-F组。底板长180mm，宽140mm，对称销间距122mm；中心椭圆柱体的长边为 77mm，短边为52.5mm；两瓣长为142mm，宽为74mm。

步骤(1)中，所述混料的方法为：

1)首先，将波美度为50°的水玻璃稀释至50％，将水玻璃均分为两份后备用；

2)将漂珠与一份步骤(1)中稀释后的水玻璃进行混合，使漂珠的表面被水玻璃湿润后 完全覆盖水玻璃，然后，加入其余混合粉末，使其依附在漂珠上，最后加入另一份稀释水玻 璃，充分混匀，即得冒口坯料。

(2)将步骤(1)中成型的冒口坯料放入干燥箱中在190℃干燥2小时，脱模取出，在室温晾干，即得发热保温冒口。

性能测试：

(1)进行QT450铁水浇注试验，用秒表测起爆时间，用铁棒测算保温时间；结果如表4所示。得到原冒口初始数据：起爆时间，保温时间6min。

(2)对(1)中浇注凝固后的QT450的显微组织进行观察，结果如图2所示，可以看出：经过金相显微镜放大100倍后，采用本发明制备的保温冒口所浇铸件的冒口区金相组织较细小，球化率较高，而原冒口所浇铸件的冒口区金相组织较粗大，球化率较低。

(3)对(1)中浇注凝固后的QT450采用X射线进行探伤，结果如图4所示，从图中 可以看出：采用本发明制备的保温冒口所浇铸件的探伤结果为无明显缺陷，原冒口所浇铸件有明显缺陷(图F中圆圈处)。

(4)对(1)中浇注凝固后的A组的残余冒口进行切割称重，结果如图4所示，从图中可以看出：采用本发明制备的保温冒口所浇铸件的冒口残余重量平均值：1487.8g，原冒口残余重量：1502.1g，前者小了14.3g左右，说明本发明制备的保温冒口浇注后冒口区的空腔体积更大，补缩效果更优于原冒口。

表3(质量％)

表4

实施例2

一种球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法，同实施例1，区别在于：步骤(1)中，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉20％、石墨粉14.5％、氧化铁粉6％、钾 盐4％、二氧化锰0.5％、漂珠45％、氟铝酸钠5％、硅砂5％；所述B组分为水玻璃，所述 水玻璃的含量为A组分总重量的17％。步骤(2)中，通入二氧化碳气体使成型的冒口坯料 自硬化。

实施例3

一种球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法，同实施例1，区别在于：步骤(1)中，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉20％、石墨粉14.5％、氧化铁粉12％、 钾盐8％、二氧化锰0.5％、漂珠40％、氟铝酸钠3％、硅砂2％；所述B组分为水玻璃，所 述水玻璃的含量为A组分总重量的14％。步骤(2)中的干燥时间为3h。

实施例4

一种球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法，同实施例1，区别在于：步骤(1)中，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉30％、石墨粉14.5％、氧化铁粉6％、钾 盐4％、二氧化锰0.5％、漂珠40％、氟铝酸钠3％、硅砂2％；所述B组分为水玻璃，所述 水玻璃的含量为A组分总重量的17％。步骤(2)中的干燥时间为1h。

实施例5

一种球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法，同实施例1，区别在于：步骤(1)中，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉26％、石墨粉18％、氧化铁粉6％、钾盐4％、二氧化锰1％、漂珠40％、氟铝酸钠3％、硅砂2％；所述B组分为水玻璃，所述水玻 璃的含量为A组分总重量的15％。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来 说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种球墨铸铁用发热保温冒口，其特征在于：所述发热保温冒口包括A、B两种组分，按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉20％-30％、石墨粉10％-18％、氧化铁粉6％-12％、钾盐4％-8％、二氧化锰0.5％-2％，漂珠40％-45％、氟铝酸钠3％-5％、硅砂2％-5％；所述B组分为水玻璃，所述水玻璃的含量为A组分总重量的14％-17％。

2.如权利要求1所述的球墨铸铁用发热保温冒口，其特征在于：按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉20％-28％、石墨粉10％-18％、氧化铁粉6％-8％、钾盐4％-7％、二氧化锰0.5％-2％、漂珠40％-45％、氟铝酸钠3％-5％、硅砂2-5％；所述B组分为A组分总重量的14％-17％的水玻璃。

3.如权利要求1所述的球墨铸铁用发热保温冒口，其特征在于：按质量百分比计，所述A组分由以下组分构成：铝粉28％、石墨粉10％、氧化铁粉8％、硝酸钾7％、二氧化锰2％、漂珠40％、氟铝酸钠3％、硅砂2％；所述B组分为A组分总重量的16％的水玻璃。

4.如权利要求1或2所述的球墨铸铁用发热保温冒口，其特征在于：所述钾盐为硝酸钾；所示水玻璃的波美度为50°。

5.如权利要求1-4任一项所述的球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将各原料分别破碎后烘干，然后按照A组分比例称取各原料，然后与B组分混合均匀、粘结，置于模具中成型，即得冒口坯料；

(2)对步骤(1)中成型的冒口坯料烘干硬化或通二氧化碳气体自硬化，脱模取出，即得发热保温冒口。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述混料的方法为：首先，对B组分水玻璃进行稀释，将漂珠与稀释后的水玻璃进行混合，使漂珠的表面被水玻璃湿润后完全覆盖水玻璃，然后加入其余混合粉末，使其依附在漂珠上，最后再次加入稀释水玻璃，充分混匀，使冒口具有较高的强度，即得冒口坯料。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：将水玻璃稀释至50％，将水玻璃均分为两份后，分次加入。

8.如权利要求5-8任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述烘干方法为在190℃干燥1-3小时，然后在室温下晾干，即可。

9.如权利要求5-8任一项所述的球墨铸铁用发热保温冒口的制备方法制备的发热保温冒口。

10.如权利要求9所述的发热保温冒口在铸造中的应用。