CN109665849B - 碳化硅转子及制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅转子，该转子具有以下指标：气孔率＜0.1%；弹性模量为250‑300 Gpa；抗弯强度≥280Mpa；耐高温1300‑1380℃；密度2.95‑3.1g/cm3。同时本发明还公开了一种碳化硅转子的制造工艺，包括前期制模和注浆成型步骤、中期机加工步骤、后期处理步骤，所述前期制模和注浆成型步骤中使用的浆料按重量份包括以下组份：碳化硅微粉75‑85份、软化水58‑62份、炭黑3.6‑4.4份、碳纤维2.7‑3.3份、氮化硅微粉2.7‑3.3份、金属钨微粉2.7‑3.3份、二氧化锰粉2.7‑3.3份、氧化钛粉2.7‑3.3份、分散剂3.6‑4.4份、粘结剂6.5‑7.5份。

Description

碳化硅转子及制造工艺
技术领域
本发明涉及一种铝合金熔炼过程中熔炼炉搅拌转子及制造工艺，具体涉及一种铝合金熔炼净化处理过程中碳化硅转子及新型制造工艺，属于金属铸造技术领域。
背景技术
液态铝合金净化处理工艺是提高铝合金综合性能的主要手段。在净化处理工艺中，将净化气体和溶剂混合，利用转子的旋转喷吹至铝熔体进行除气、除杂净化处理的方法是目前国际上较为先进的处理方法。搅拌转子工作原理为:旋转的转子将吹入铝熔体中的氮气（或氩气）破碎成大量的弥散气泡，并使其分散在金属液中。气泡在熔体中靠气体分压差和表面吸附原理，吸收熔体中的氢，吸附氧化夹渣，并随气泡上升而被带出熔体表面，使熔体得以净化。由于气泡细小弥散，与旋转熔体均匀混合，并随之转动呈螺旋形缓慢上浮，与熔体接触时间长，不会形成连续直线上升产生气流，从而降低和去除铝熔体中的有害氢含量，显著提高了净化效果。搅拌转子主要由搅拌轴和搅拌桨组成。
搅拌转子的选择应注意以下几点：
l 、搅拌转子材质是否耐高温、耐氧化、耐熔液腐蚀等特殊环境；
2、 搅拌转子是否具有一定强度，承受一定的搅拌扭矩和耐熔液冲刷磨损；
3 、搅拌转子应有较光滑的外壁，减少熔液摩擦；
4、搅拌转子膨胀系数低，抗急冷急热性好；
5、搅拌转子是否易于更换，成本较低；
6、搅拌转子应不被铝液润湿、不污染铝液。
所以由于搅拌转子使用环境复杂，目前可供其选择的材质很少或成本非常高。当前主要材质有石墨、氮化硅等。石墨和氮化硅转子在使用过程中，在铝液液体表面部位会逐渐产生缩劲，直至报废；并且石墨和氮化硅转子在使用过程中需要一直与高温空气阻隔开来，避免石墨和氮化硅转子的高温氧化；石墨转子结构强度较低，需要避免较大的扭矩力；石墨转子的体积相对较大，且加工方式较为简单。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足，提供一种铝合金熔炼过程中熔炼炉搅拌用碳化硅转子，以解决现有材质易氧化、气孔率高、强度低、使用寿命低、成本较高等技术缺陷。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：碳化硅转子，该转子具有以下指标：
气孔率＜0.1%；
弹性模量为250-300 GPa ；
抗弯强度≥280MPa；
耐高温1300-1380℃；
密度2.95-3.1g/cm3。
本发明选用碳化硅材质制造搅拌转子，具有优良的耐高温性能（最高温可达1380℃）；即使在高温和腐蚀性强的金属溶液中，也具有非常好的耐氧化、耐腐蚀性能；可广泛应用于铝合金冶炼行业中，是实现铝熔体净化过程中的重要部件，就其重量而言，碳化硅搅拌转子气孔率小于0.1%，远低于氮化硅气孔率12%，耐腐蚀性能极佳；耐氧化性能是石墨产品的10倍以上；弹性模量300GPa(1200℃)，抗弯强度280MPa(1200℃)，比石墨材质强度高5-10倍。
本发明还提供了一种碳化硅转子的制造工艺，包括前期制模和注浆成型步骤、中期机加工步骤、后期处理步骤，所述前期制模和注浆成型步骤中使用的浆料按重量份包括以下组份：
碳化硅微粉75-85份、软化水58-62份、炭黑3.6-4.4份、碳纤维2.7-3.3份、氮化硅微粉2.7-3.3份、金属钨微粉2.7-3.3份、二氧化锰粉2.7-3.3份、氧化钛粉2.7-3.3份、分散剂3.6-4.4份、粘结剂6.5-7.5份。
以下是本发明对上述方案的进一步优化：所述中期机加工步骤包括以下步骤：①、用机床精加工搅拌桨内螺纹；②、用机床加工搅拌轴的外形、内孔和外螺纹；③、最后进行表面修整。
进一步优化：所述步骤 ①中采用机床加工搅拌桨内螺纹至公差范围±0.3mm。
进一步优化：所述步骤②是采用机床加工出搅拌轴的外形至公差范围±0.5mm。
进一步优化：所述步骤②是采用机床加工搅拌轴的内孔至公差范围±0.5mm。
进一步优化：所述步骤②是采用机床加工搅拌轴外螺纹至公差范围±0.3mm。
进一步优化：所述后期处理步骤包括以下步骤：a、成型坯体先在高温烘干室内干燥，然后装炉烧结；b、喷砂处理。
进一步优化：所述步骤a中，高温烘干室内温度为82-97℃，需干燥8-10小时。
进一步优化：所述喷砂处理使产品表面粗糙度为Ra0.2-1.6。
本发明采用注浆成型和机加工工艺相结合，可成型精度高，能准确完成搅拌转子的内、外结构形式的制造，可生产出异型、齿状、弧状等搅拌转子；且产品工艺简单，成品率高。
以下是本发明与现有技术的对比：
Figure 216438DEST_PATH_IMAGE001
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明在实施例中搅拌桨的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明在实施例中搅拌轴的结构示意图；
图4为图3的侧视图。
具体实施方式
实施例1，如图1-4所示，碳化硅转子，包括采用碳化硅材料制作的搅拌转子，该搅拌转子包括搅拌桨，搅拌桨上连接有搅拌轴。
本发明选用碳化硅材质制造搅拌转子，具有其优良的耐高温性能（最高温可达1380℃）；即使在高温和腐蚀性强的金属溶液中，也具有非常好的耐氧化、耐腐蚀性能；可广泛应用于铝合金冶炼行业中，是实现铝熔体净化过程中的重要部件，就其重量而言，碳化硅搅拌转子气孔率小于0.1%，远低于氮化硅气孔率12%，耐腐蚀性能极佳；耐氧化性能是石墨产品的10倍以上；弹性模量300GPa(1200℃)，抗弯强度280MPa(1200℃)，比石墨材质强度高5-10倍。
本发明还提供了上述碳化硅转子的制造工艺，包括以下步骤：
（1）制作内底模和外底模：以根据转子搅拌轴和搅拌桨的结构设计的内、外底模的结构尺寸为依据，采用机加工、手工工艺粘接方法，完成搅拌轴和搅拌桨内、外底模的制作，外底模材料选用铝合金、石膏、环氧树脂中的一种，所述内底模材料选用铝合金、石膏中的一种。
（2）用外底模制作生产外模：生产外模采用石膏模，先将外底模均匀的擦上适量软皂水，将外底模放置于石膏模外形模具内并固定好，按照石膏粉与水3:2的比例配比制成石膏浆，石膏与水充分混合后进行真空搅拌2-3分钟，搅拌均匀后筛除杂质，将石膏浆注入模型内，轻微振荡排除气泡，并使石膏浆流入各细小棱角处，要保证石膏浆一次性的注满模具模腔，待石膏浆固化后，拆除外底模，取出生产外模，石膏生产外模制成后在温度为35-55℃之间的干燥室内烘干3-4天，使用电子秤称重，测算出模具水分含量低于10%时从干燥室内取出，并进一步用量具测量模具尺寸，模具公差小于1mm情况下，即可投入使用。
（3）制作型芯：用内底模制造生产内模，再由生产内模制造型芯；
分别采用搅拌桨和搅拌轴的内底模制造搅拌桨和搅拌轴的生产内模，再采用搅拌桨和搅拌轴的生产内模分别制造搅拌桨和搅拌轴的型芯；根据搅拌桨和搅拌轴的内部结构，制造与搅拌桨和搅拌轴的内部结构相匹配的型芯。
（4）调浆和注浆成型：开机前，检查配料用搅拌机的离合器、制动器等是否良好，搅拌机筒内一定清理干净不得有异物，检查电气设备的绝缘和接地保持完好；
开机使用时，应先启动搅拌机进行空载试运转，待机械运转正常后再加原料搅拌制作浆料，该浆料按重量份包括以下组份：软化水60份、碳化硅微粉80份、炭黑4份、碳纤维3份、氮化硅微粉3份、金属钨微粉3份、二氧化锰粉3份、氧化钛粉3份、分散剂4份、粘结剂7份；
其中：原料中的软化水在脱模和烘干时大部分挥发，分散剂和粘结剂在烧结至1000±10℃左右时挥发彻底，金属硅在高温反应中渗入到坯体内反应并填补所有气孔。
所述原料在加入搅拌机中需要在转速为850-900r/min的工况下高速搅拌，搅拌时间需32小时以上，使所有原料充分混合制得浆料，待浆料配置好后，将浆料盛取出，过滤备用；
将干燥好的模具，放置到注浆区，采用实心注浆法，将过滤好的浆料注入模具中，注浆操作时，必须根据搅拌桨和搅拌轴的结构在生产模上确定注浆孔的位置、数量及大小，然后将型芯固定于生产外模中，一定要保持两者中心线重合，再合模注浆，注浆过程中要合理掌握注浆速度，注浆速度大约为25-40s/L,确保浆液注入时不会产生气泡、激溅等现象，并不时振动生产模，使浆料流动均匀。
（5）干燥：将注浆后的模具静置40-50小时，将模具打开，取出碳化硅坯体，脱模后得到搅拌桨和搅拌轴的成型毛坯，如室外温度在15℃以上，且空气湿度小于70％RH时，可将坯体在室外进行自然干燥5-8小时，干燥后再将型芯与坯体（毛坯）脱离，然后送入电加热烘干室低温烘干，电加热烘干室设置温度在20-30℃之间，干燥50-65小时，再将毛坯用电子秤称重，计算水分含量，待水分含量少于5%时取出。
（6）素坯机加工、修整：
主要分为三个步骤：
第一步，用机床加工搅拌桨的内螺纹
搅拌桨的毛坯体干燥后，将毛坯体装夹在机床的卡盘上并校正，用机加工和螺纹丝加工的配套工具，根据螺纹丝或卡槽的尺寸要求，对搅拌桨内螺旋部位（内螺纹）进行精加工，在加工过程中不断用量具测量毛坯尺寸，保证螺纹部分或卡槽公差范围在±0.3mm之内，并使用表面粗糙度比较样块（简称样块）根据视觉和触觉与毛坯被测表面比较，确保表面粗糙度在Ra1.6-3.2之间，且目视检验毛坯表面无暗纹、破损、气孔等。
第二步，用机床加工搅拌轴
根据要加工搅拌轴的长度、直径等尺寸参数，设置好立式或卧式机床的车刀行程，将干燥后的毛坯装夹于机床的卡盘上，并通过装夹、量具对毛坯进行校正，然后将刀具安装在刀架上并对刀，然后根据搅拌轴内孔尺寸加工出搅拌轴内孔，在加工过程中不断用量具测量搅拌轴尺寸，保证其尺寸公差范围在±0.5mm之内，且目视检验毛坯表面无暗纹、破损、气孔等；
重新调整车刀角度和行程，根据搅拌轴外形的尺寸要求，用卡尺和角度尺（量具）进一步修正车刀与毛坯轴线的角度后，启动机床，通过车刀精加工出搅拌轴外形，在加工过程中不断用量具测量搅拌轴尺寸，保证其尺寸公差范围在±0.5mm之内，并使用表面粗糙度比较样块（简称样块）根据视觉和触觉与毛坯被测表面比较，确保表面粗糙度在Ra1.6-3.2之间，且目视检验毛坯表面无暗纹、破损、气孔等；
然后通过机加工和螺纹丝加工配套工具，根据螺纹丝或卡槽的尺寸要求，对搅拌轴连接部位进行外螺纹加工，在加工过程中不断用量具测量外螺纹的尺寸，保证螺纹部分公差范围在±0.3mm之内，且目视检验螺纹表面无暗纹、破损、气孔等。
第三步，毛坯整体经过机加工完成后，即为成型坯体，然后再对表面有缺陷的成型干燥坯（素坯）进行修整。
（7）烧结：将修整好的成型坯体送入高温烘干室，在82-97℃之间干燥8-10小时，通过坯体重量变化，测算出坯体水分含量要小于2%，完成后即可装入真空烧结炉中，将金属硅倒入产品间隙和底部，分散放置的金属硅（金属硅纯度99.5%以上）重量大约为产品毛坯重量的1倍，重量差异上下浮动不超过25%。
真空烧结炉烧结开机前，先接通冷却水，冷却水水压应保持0.1～0.2 MPa之间，出水温度≤45℃，把真空烧结炉上的各个水阀流量调到合适位置，然后向真空烧结炉内充压缩空气，使真空烧结炉内压力达到0.3-0.5MPa，然后通过真空烧结炉上的温度控制器(FP23)设定好加热工艺曲线，然后真空烧结炉吸真空，使炉内真空度下降到10-50Pa之间。
然后进行加热，并运行FP23加热程序，加热开始之后向真空烧结炉内冲入工业用氮气（纯度99.6%以上），充气到设定上限（1±0.05KPa）时，打开真空烧结炉上的排风机和微冲阀，调节微冲阀上转子流量计的进气量为400±5L/h，当温度升高到800℃时报警器发出报警，同时微冲阀和排风阀自动关闭，在报警界面解除报警并在监控界面关闭排风机，并继续升温到1710±5℃，同时抽真空到50-200Pa之间，操作人员通过炉体上的观察窗，随时观测热区内红外测温仪显示的温度变化情况；
其中，在真空烧结炉内温度升至1410℃时，金属硅开始融化，随着温度继续升高，金属硅继续融化和产生蒸汽，吸附和渗入碳化硅毛坯体中，坯体中的碳与渗入的Si反应，生成β-SiC，并与α-SiC（碳化硅微粉）相结合，游离Si填充了气孔，成为高致密性的陶瓷材料；
在温度到1700±5℃时，加热程序运行结束，真空炉（真空烧结炉）加热系统自动关闭停止，恒温等待0.5-1.5小时后，充氮气（纯度99.6%以上）至1±0.05KPa并冷却，当温度低于600-700℃之后，可打开真空烧结炉上的风冷系统协助冷却，达到出炉温度（约120℃以下）后，关闭风冷系统，准备出炉。
（8）喷砂处理：出炉烧结好的产品降至常温（约10-45℃）后，将其从硅砂中分离取出，再将产品置入喷砂机中，通过喷砂机中空压机产生的气体吹动金刚砂运动，金刚砂与产品表面接触摩擦，去除产品表面粘连的硅金属，使产品表面圆滑光洁，使用表面粗糙度比较样块（简称样块）根据视觉和触觉与产品被测表面比较，确保产品表面粗糙度在Ra0.2-1.6之间，即产品表面无粘连金属硅和其他可视异物，之后取出，将搅拌桨和搅拌轴进行拼接、存放、包装。
上述步骤（1）-（5）为前期制模和注浆成型步骤，步骤（6）为中期机加工步骤，步骤（7）、（8）为后期处理步骤。
实施例2，在实施例1的步骤（4）中，所述浆料按重量份包括以下组份：软化水58份、碳化硅微粉75份、炭黑3.6份、碳纤维2.7份、氮化硅微粉2.7份、金属钨微粉2.7份、二氧化锰粉2.7份、氧化钛粉2.7份、分散剂3.6份、粘结剂6.5份；并采用实施例1中所记载的工艺制作碳化硅转子。
实施例3，在实施例1的步骤（4）中，所述浆料按重量份包括以下组份：软化水62份、碳化硅微粉85份、炭黑4.4份、碳纤维3.3份、氮化硅微粉3.3份、金属钨微粉3.3份、二氧化锰粉3.3份、氧化钛粉3.3份、分散剂4.4份、粘结剂7.5份；并采用实施例1中所记载的工艺制作碳化硅转子。
本发明采用注浆成型和机加工工艺相结合，可成型精度高，能准确完成搅拌转子的内、外结构形式的制造，可生产出异型、齿状、弧状等搅拌转子；且产品工艺简单，成品率高。
以下是本发明与现有技术的对比：
Figure 261754DEST_PATH_IMAGE001
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.碳化硅转子的制造工艺，其特征在于：该碳化硅转子具有以下指标：
气孔率＜0.1%；
弹性模量为250-300 GPa ；
抗弯强度≥280MPa；
耐高温1300-1380℃；
密度3.1g/cm3；
该工艺包括前期制模和注浆成型步骤、中期机加工步骤、后期处理步骤，所述前期制模和注浆成型步骤中使用的浆料按重量份包括以下组份：
碳化硅微粉75-85份、软化水58-62份、炭黑3.6-4.4份、碳纤维2.7-3.3份、氮化硅微粉2.7-3.3份、金属钨微粉2.7-3.3份、二氧化锰粉2.7-3.3份、氧化钛粉2.7-3.3份、分散剂3.6-4.4份、粘结剂6.5-7.5份；
所述中期机加工步骤包括以下步骤：①、用机床精加工搅拌桨内螺纹：根据螺纹丝的尺寸要求进行精加工，加工过程中不断用量具测量毛坯尺寸，使搅拌桨内螺纹至公差范围±0.3mm；
②、用机床加工搅拌轴的外形、内孔和外螺纹：根据搅拌轴内孔尺寸加工出搅拌轴内孔，加工过程中不断用量具测量，使搅拌轴的内孔至公差范围±0.5mm；根据搅拌轴外形的尺寸加工出搅拌轴外形，加工过程中不断用量具测量，使搅拌轴的外形至公差范围±0.5mm；根据螺纹丝的尺寸对搅拌轴连接部位进行外螺纹加工，加工过程中不断用量具测量，使搅拌轴外螺纹至公差范围±0.3mm；③、最后进行表面修整。
2.根据权利要求1所述的碳化硅转子的制造工艺，其特征在于：所述后期处理步骤包括以下步骤：a、成型坯体先在高温烘干室内干燥，然后装炉烧结；b、喷砂处理。
3.据权利要求2所述的碳化硅转子的制造工艺，其特征在于：所述步骤a中，高温烘干室内温度为82-97℃，需干燥8-10小时。
4.根据权利要求3所述的碳化硅转子的制造工艺，其特征在于：所述喷砂处理使产品表面粗糙度为Ra0.2-1.6。
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