CN109047645B - 一种砂型铸造模具及利用该模具制备斗齿齿尖的方法 - Google Patents

一种砂型铸造模具及利用该模具制备斗齿齿尖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种砂型铸造模具及利用该砂型铸造模具制备斗齿齿尖的方法，属于机械技术领域。本发明的砂型铸造模具由包括以下重量份数的原料制成：100份改性石英砂、12份‑30份硅灰石、4份‑6份钙膨润土、1份‑4份煤粉、6份‑9份水。本发明的砂型铸造模具透气性好、性能好、能够提供金属液以良好流动性、降低铸件表层缺陷，使用该铸造模具斗齿齿尖可有效提高其力学性能。

Description

一种砂型铸造模具及利用该模具制备斗齿齿尖的方法
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种砂型铸造模具及利用该砂型铸造模具制备斗齿齿尖的方法。
背景技术
挖掘机斗齿是挖掘机上的重要易耗部件，类似于人的牙齿，是由齿座和齿尖组成的组合斗齿，二者靠销轴连接。挖掘机斗齿在矿山采掘、地质勘探和基础建设过程中，直接与岩土、矿石等接触，不仅承受岩土、矿石等的摩擦磨损，而且还会承受一定的冲击载荷，因此它成了挖掘机的最易磨损件，每台挖掘机每年会消耗大量的斗齿配件。尤其是斗齿齿尖为岩土、矿石等首当其冲的部件，挖掘中的大部分磨损集中在斗齿上，这就要求齿尖有优异的力学性能。
现有技术中齿尖一般采用合金钢制成，为了保证齿尖的力学性能和机械性能，现有技术中往往采用优化齿尖所用材料的配方来提高其韧性、硬度、耐磨性、抗冲击性等性能。为了提高合金钢的强度，需要合金钢中具有较高的碳含量，然而较高的碳含量和合金含量会导致铸造过程中熔融铁水的流动性降低，铸件易产生缩松缺陷，而难以得到致密度高、外形完整、力学性能好的产品。在实际生产中，为了提高铁水的流动性，往往采用提高温度的方法，然而采用过高的温度浇注时，会引起砂型涨大，铸件废品率大幅提高，也提高了制造成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种透气性好、性能好、能够提供金属液以良好流动性、降低铸件表层缺陷的砂型铸造模具。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种砂型铸造模具，所述砂型铸造模具由包括以下重量份数的原料制成：
Figure BDA0001819637850000021
本发明通过在常规的砂型原料中添加适量硅灰石，可利用其特殊的板柱状、束状或放射状等结构在砂型铸造模具中与石英砂形成细小稳定的孔隙，从而增加模具的透气性。并且还可提高模具的强度和韧性，以及模具的耐热、耐腐蚀和耐候性。另一方面能够有效减少模具的热膨胀收缩率，降低模具的吸湿膨胀性，防止在使用过程中模具受到金属液高温发生龟裂影响铸件性能。
作为优选，所述改性石英砂为表面包覆有一层Al2O3的石英砂。
作为优选，所述Al2O3的粒径分布为20nm-50nm。
本发明通过在石英砂表面形成一层纳米Al2O3，并控制其尺寸大小，可有效降低模具表面的表面张力，在金属液与模具表面接触时，由于金属液表层与模具表面的表面张力差较大，能够降低金属液与模具表面的界面张力，从而提高金属液在砂型型腔内的流动性，并减缓金属液在接触砂型模具后结膜的时间，使金属液表层下形成的气泡有时间也因表面张力差而更易于析出，从而减少了铸件皮下气孔的生成，进而可提高铸件的力学性能。
作为优选，所述改性石英砂的制备方法为，将石英砂浸泡于 Al(NO3)3溶液中，加入NaOH溶液调节至pH值为7.5-8.0，静置过滤后将石英砂加热到900℃-1000℃进行高温煅烧，即得改性石英砂。
本发明将石英砂浸泡于Al(NO3)3溶液中后加入NaOH溶液，可在石英砂表面原位生成一层Al(OH)3，Al(OH)3在高温作用下，生成Al2O3，本发明生成的Al2O3为α-Al2O3，由于其特定的结构和性质，使得砂型模具表面具有特定的表面性能。由于石英砂表面的活性基团有类似晶种的作用，可将形成α-Al2O3的温度降至 900℃-1000℃。
作为优选，所述Al(NO3)3溶液中，Al(NO3)3的重量百分比为 1.5％-3.8％。
作为优选，所述高温煅烧为将石英砂以13℃/min-20℃/min 的加热速度，加热到900℃-1000℃，保温1h-2h。
溶液中Al(NO3)3的浓度会影响生成的Al(OH)3尺寸，进而影响生成Al2O3的尺寸。而煅烧的加热速度会直接影响Al2O3的生长速度、尺寸等性能，本发明通过控制Al(NO3)3浆液中的含量及加热速度，将生成Al2O3的尺寸控制在20nm-50nm之间。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述砂型铸造模具制备斗齿齿尖的方法，所述制备方法包括以下步骤：
将合金钢的组分原料加热熔融为金属液，将金属液浇注到上述 的砂型铸造模具中，静置后形成生坯，对生坯进行热处理，即制得斗齿齿尖。
作为优选，所述合金钢的组分原料加热熔融为金属液的温度为1450℃-1520℃。
作为优选，所述金属液浇注的温度为1320℃-1350℃，
作为优选，所述热处理为将制成的生坯以8℃/min-12℃/min 的速度快速降温至940℃-980℃保温2h-3h，然后以5℃/min-6℃ /min的速度缓慢降温至510℃-550℃，保温3h-4h，最后降温至 250℃-310℃保温3h-4h。
本发明热处理时先快速降温至高温区保温，然后缓慢降温至中温区保温，最后再于低温处保温处理，有利于合金钢中晶粒的细化尤其是碳化物的细化，避免晶粒尺寸过大，影响最终产品的韧性，同时有利于晶体的充分生成和应力的释放，减少合金钢内部应力，从而减少形变。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：砂型铸造模具表面可提供金属液以较好的流动性能和良好的金属液表层气体逸出效果，从而使使用该砂型铸造模具制备的斗齿齿尖减少铸造缺陷，提高力学性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1～3为砂型铸造模具的配方实施例。
实施例1
本实施例中的砂型铸造模具由以下重量份数的原料制成：
Figure BDA0001819637850000041
所述改性石英砂的制备方法为，将Al(NO3)3溶于水中制成重量百分浓度为2.6％的Al(NO3)3溶液，将石英砂浸泡于Al(NO3)3溶液中，加入NaOH溶液调节至pH值为7.7，搅拌均匀后静置30min，然后过滤，将得到的石英砂以16℃/min的加热速度加热到950℃进行高温煅烧，保温1.5h，得到表面包覆有一层纳米Al2O3的石英砂，纳米Al2O3的粒径分布为30nm-40nm，即改性石英砂。
实施例2
本实施例中的砂型铸造模具由以下重量份数的原料制成：
Figure BDA0001819637850000051
所述改性石英砂的制备方法为，将Al(NO3)3溶于水中制成重量百分浓度为1.5％的Al(NO3)3溶液，将石英砂浸泡于Al(NO3)3溶液中，加入NaOH溶液调节至pH值为7.5，搅拌均匀后静置 30min，然后过滤，将得到的石英砂以13℃/min的加热速度加热到900℃进行高温煅烧，保温2h，得到表面包覆有一层纳米Al2O3的石英砂，纳米Al2O3的粒径分布为20nm-30nm，即改性石英砂。
实施例3
本实施例中的砂型铸造模具由以下重量份数的原料制成：
Figure BDA0001819637850000052
所述改性石英砂的制备方法为，将Al(NO3)3溶于水中制成重量百分浓度为3.8％的Al(NO3)3溶液，将石英砂浸泡于Al(NO3)3溶液中，加入NaOH溶液调节至pH值为8.0，搅拌均匀后静置 30min，然后过滤，将得到的石英砂以20℃/min的加热速度加热到1000℃进行高温煅烧，保温1h，得到表面包覆有一层纳米Al2O3的石英砂，纳米Al2O3的粒径分布为40nm-50nm，即改性石英砂。
实施例4-6为制备斗齿齿尖的方法实施例
实施例4
本实施例中制备斗齿齿尖的方法包括以下步骤：
(1)按照以下合金钢组分准备原料：1.5％C、2.6％Si、 1.5％Mn、0.7％Ni、0.35％Mo、0.13％V、0.09％B、0.13％Al，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)将合金钢的组分原料在1490℃温度下熔融为金属液，将金属液在1330℃温度下浇注到实施例1中的砂型铸造模具中，静置后形成生坯；
(3)将制成的生坯以10℃/min的速度快速降温至960℃保温2.5h，然后以5.5℃/min的速度缓慢降温至530℃，保温3.5h，最后降温至280℃保温3.5h，即制得斗齿齿尖。
实施例5
本实施例中制备斗齿齿尖的方法包括以下步骤：
(1)按照以下合金钢组分准备原料：1.5％C、2.6％Si、 1.5％Mn、0.7％Ni、0.35％Mo、0.13％V、0.09％B、0.13％Al，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)将合金钢的组分原料在1450℃温度下熔融为金属液，将金属液在1320℃温度下浇注到实施例1中的砂型铸造模具中，静置后形成生坯；
(3)将制成的生坯以8℃/min的速度快速降温至940℃保温 3h，然后以5℃/min的速度缓慢降温至510℃，保温4h，最后降温至250℃保温4h，即制得斗齿齿尖。
实施例6
本实施例中制备斗齿齿尖的方法包括以下步骤：
(1)按照以下合金钢组分准备原料：1.5％C、2.6％Si、 1.5％Mn、0.7％Ni、0.35％Mo、0.13％V、0.09％B、0.13％Al，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)将合金钢的组分原料在1520℃温度下熔融为金属液，将金属液在1350℃温度下浇注到实施例1中的砂型铸造模具中，静置后形成生坯；
(3)将制成的生坯以12℃/min的速度快速降温至980℃保温2h，然后以6℃/min的速度缓慢降温至550℃，保温3h，最后降温至310℃保温3h，即制得斗齿齿尖。
实施例7～8
分别使用实施例2和3中的砂型铸造模具进行斗齿齿尖的制备，其它与实施例4相同。
对比例1
砂型铸造模具的原料没有硅灰石，其他与实施例4相同。
对比例2
石英砂为常规石英砂，其他与实施例4相同。
对比例3
Al(NO3)3溶液中，Al(NO3)3的重量百分比为4.0％，其他与实施例4相同。
对比例4
石英砂高温煅烧的加热速度为12℃/min，其他与实施例4相同。
对比例5
石英砂高温煅烧的温度为880℃，其他与实施例4相同。
将本发明实施例4-8、对比例1-5中制得的斗齿齿尖的性能进行比较，结果如下表1所示。
表1：实施例4-8、对比例1-5中热处理后铸件性能的比较
Figure BDA0001819637850000071
Figure BDA0001819637850000081
综上所述，本发明通过对制备斗齿齿尖所用的型砂铸造模具的配方进行改进，有效提高了铸造过程中熔融金属液的流动性，并减少了铸件表层缺陷，提高了斗齿齿尖的力学性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种砂型铸造模具，其特征在于，所述砂型铸造模具由包括以下重量份数的原料制成：
改性石英砂 100份、
硅灰石 12份-30份、
钙膨润土 4份-6份、
煤粉 1份-4份、
水 6份-9份；
所述改性石英砂为表面包覆有一层Al2O3的石英砂，所述Al2O3的粒径分布为20nm-50nm。
2.根据权利要求1所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述改性石英砂的制备方法为，将石英砂浸泡于Al(NO3)3溶液中，加入NaOH溶液调节至pH值为7.5-8.0，静置过滤后将石英砂加热到900℃-1000℃进行高温煅烧，即得改性石英砂。
3.根据权利要求2所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述Al(NO3)3溶液中，Al(NO3)3的重量百分比为1.5%-3.8%。
4.根据权利要求2所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述高温煅烧为将石英砂以13℃/min-20℃/min的加热速度，加热到900℃-1000℃，保温1h-2h。
5.一种利用如权利要求1-4任一权利要求所述的砂型铸造模具制备斗齿齿尖的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将合金钢的组分原料加热熔融为金属液，将金属液浇注到如权利要求1-4任一权利要求所述的砂型铸造模具中，静置后形成生坯，对生坯进行热处理，即制得斗齿齿尖。
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