CN113088801A - 一种高强度低硬度的合金铸铁及其制备方法 - Google Patents

一种高强度低硬度的合金铸铁及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度低硬度的合金铸铁及其制备方法，属于合金铸铁领域，其制备方法为将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁，本发明采用在制备型砂时，加入旧砂作为原料，在保证性能合格的情况下能够减少成本，变废为宝，减少了原料的排放，环保性高。

Description

一种高强度低硬度的合金铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金铸铁，具体涉及一种高强度低硬度的合金铸铁及其制备方法。
背景技术
制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势制动力的部件。汽车制动器除各种缓速装置以外，几乎都是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦产生制动力矩的摩擦制动器。目前，各类汽车广泛采用的摩擦制动器根据旋转元件的不同可分为鼓式和盘式两大类。它们之间的区别在于：鼓式制动器摩擦副中的旋转元件为制动鼓，以其圆柱内表面为工作表面；盘式制动器摩擦副中的旋转元件为圆盘状的制动盘，以其两端面为工作表面。制动鼓是鼓式制动器的摩擦偶件。汽车制动鼓为间歇工作，汽车制动鼓在工作过程中温度会大大升高，但在停止工作时，汽车制动鼓的温度将快速降低，由于温度变化频繁，现有的汽车制动鼓在长期使用过程中容易产生疲劳，导致制动鼓容易损坏，影响制动鼓的使用寿命，传统使用的合金铸铁在砂处理时，型坯上容易出现许多砂眼，影响浇铸工序。
粘砂严重，型砂的防粘性能较弱，铸件的废品率升高，大大降低了劳动生产率，因此，需要改进。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种高强度低硬度的合金铸铁及其制备方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
优选地，所述辅料包括膨润土和/或煤粉和/或松香和/或石蜡和/或石墨粉和/或纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在季胺盐中浸渍，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍，同时膨润土的颗粒包括质量比为3-8:1的纳米级颗粒和微米级颗粒。
优选地，所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为50-90:1-20:1-5:5-15。
优选地，所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为80-100N/cm2。
优选地，所述型坯的表面硬度至少90GF，内腔硬度至少80GF。
优选地，所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1370-1420℃范围内。
优选地，所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.5-2h。
优选地，所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入铁屑、废钢、增碳剂、合金、废钢、增碳剂以及废钢进行熔炼。
优选地，所述合金为硅、锰、铬和铜的至少一种。
本发明还公开了一种高强度低硬度的合金铸铁，采用如上所述的制备方法制得。
本发明至少具有以下有益效果之一：
(1)本发明的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，采用在制备型砂时，加入旧砂作为原料，在保证性能合格的情况下能够减少成本，变废为宝。
(2)本发明中膨润土中主要的矿物构成为蒙脱石，蒙脱石是三层片状结构，在两层Si-O四面体层的中间夹杂着一层Al-O-OH八面体层，两层四面体顶端的O都指向结构单位层的中央，与八面体层共有，这种结构单位层沿α轴和b轴方向无线延伸，沿c轴方向以一定的间距重叠起来，由于相邻结构单位层的表面都是四面体底层的氧层，都带有负电，为了平衡负电荷，水或其他极性分子易进入结构单位层，并引起晶格沿c轴方向明显膨胀，因此蒙脱石单位层之间结合不牢固，容易分离，在某些场合下能分离成几个单位层，因而蒙脱石的晶体颗粒特别细小，比表面积大，吸附能力强，则吸湿量大，在加热过程中被蒸发成水蒸气的量多，相应，发气量大，但是发气量会使得铸件在冷凝时大量的气体进入铸件，使得铸件内部含有气孔，从而影响其抗拉强度。
因此本发明对膨润土进行改性，通过在先在季胺盐中浸渍，使得其层间带上有机基团，更利于后续的聚四氟乙烯乳液的附着，另外减少了膨润土吸湿量，从而减少发气量对铸件的影响，另外包覆有聚四氟乙烯乳液的膨润土，由于颗粒级别的分配，每个大颗粒周围会附着小颗粒，使得其比表面积加大，更利于型砂的成型，保证一定的强度，在减少水附着的基础上还延长了水发气时的路径，一定程度上减少发气速率，发气速率变慢，铸件表面已经形成凝固体，能够减少气体再次进入铸件，减少铸件内部气孔率，从而提高其抗拉强度；又由于加了松香和石蜡，同时提高了其溃散性，利于后续对型砂的回收利用，避免粘附在砂箱中。
附图说明
图1是实施例2的微观金相图。
具体实施方式
以下以具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
需要说明的是，下述实施例中所述冷却道采用冷风通道进行。
新砂：采用人造砂，例如可以列举的氧化铝砂、莫来石砂，人造砂可以单独使用或并用2种以上。以下实施例中采用质量比1:1的氧化铝砂和莫来石砂的混合砂；
旧砂：按照对比例1的方法即第一次全部采用新砂制备合金铸铁后，砂箱回收后的砂，作为以下实施例所用的旧砂。
实施例1
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒包括质量比为3:1的纳米级颗粒和微米级颗粒；
所述旧砂在使用之前进行磁选和破碎。
所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为50:1:1:7。
所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为80N/cm2。
所述型坯的表面硬度90GF，内腔硬度80GF。
所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1370℃。
所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.5h。
所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入占总质量的1％铁屑、20％废钢、0.86％增碳剂、0.13％合金、30％废钢、增0.86％碳剂以及47.15％废钢进行熔炼。
所述合金为质量比为1:1:1：1的硅、锰、铬和铜。
实施例2
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒包括质量比为4:1的纳米级颗粒和微米级颗粒；
所述旧砂在使用之前进行磁选和破碎。
所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为51：18:3:11。
所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为90N/cm2。
所述型坯的表面硬度90GF，内腔硬度80GF。
所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1398℃范围内。
所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.8h。
所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入占总质量的1％铁屑、20％废钢、0.86％增碳剂、0.13％合金、30％废钢、增0.86％碳剂以及47.15％废钢进行熔炼。
所述合金为质量比为1:1:1：1的硅、锰、铬和铜。
实施例3
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒包括质量比为5:1的纳米级颗粒和微米级颗粒；
所述旧砂在使用之前进行磁选和破碎。
所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为90:17:4:13。
所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为100N/cm2。
所述型坯的表面硬度90GF，内腔硬度80GF。
所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1420℃范围内。
所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为2h。
所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入占总质量的1％铁屑、20％废钢、0.86％增碳剂、0.13％合金、30％废钢、增0.86％碳剂以及47.15％废钢进行熔炼。
所述合金为质量比为1:1:1：1的硅、锰、铬和铜。
实施例4
本实施例是在实施例2的基础上作出的变化，具体是所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒包括质量比为7:1的纳米级颗粒和微米级颗粒。
实施例5
本实施例是在实施例2的基础上做出的变化，具体是所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒包括质量比为8:1的纳米级颗粒和微米级颗粒。
对比例1(无旧砂)
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，将新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒包括质量比为4:1的纳米级颗粒和微米级颗粒；
所述旧砂在使用之前进行磁选和破碎。
所述新砂、水以及辅料的添加质量比为69:3:11。
所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为90N/cm2。
所述型坯的表面硬度90GF，内腔硬度80GF。
所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1398℃范围内。
所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.8h。
所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入占总质量的1％铁屑、20％废钢、0.86％增碳剂、0.13％合金、30％废钢、增0.86％碳剂以及47.15％废钢进行熔炼。
所述合金为质量比为1:1:1:1的硅、锰、铬和铜。
对比例2(膨润土无改性)
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝；所述旧砂在使用之前进行磁选和破碎。
所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为51：18:3:11。
所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为90N/cm2。
所述型坯的表面硬度90GF，内腔硬度80GF。
所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1398℃范围内。
所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.8h。
所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入占总质量的1％铁屑、20％废钢、0.86％增碳剂、0.13％合金、30％废钢、增0.86％碳剂以及47.15废钢进行熔炼。
所述合金为质量比为1:1:1：1的硅、锰、铬和铜。
对比例3(膨润土的颗粒全为微米级)
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.003:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、石墨粉、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒为微米级颗粒；
所述旧砂在使用之前进行磁选和破碎。
所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为51：18:3:11。
所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为90N/cm2。
所述型坯的表面硬度90GF，内腔硬度80GF。
所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1398℃范围内。
所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.8h。
所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入占总质量的1％铁屑、20％废钢、0.86％增碳剂、0.13％合金、30％废钢、增0.86％碳剂以及47.15废钢进行熔炼。
所述合金为质量比为1:1:1：1的硅、锰、铬和铜。
对比例4(无添加石墨)
一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
所述辅料包括质量比为1:2:0.05:0.002:0.02的膨润土、煤粉、松香、石蜡、纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在十六烷基三甲基溴化铵溶液中浸渍1h，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍0.5h，同时膨润土的颗粒包括质量比为4:1的纳米级颗粒和微米级颗粒；
所述旧砂在使用之前进行磁选和破碎。
所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为51：18:3:11。
所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为90N/cm2。
所述型坯的表面硬度90GF，内腔硬度80GF。
所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1398℃范围内。
所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.8h。
所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入占总质量的1％铁屑、20％废钢、0.86％增碳剂、0.13％合金、30％废钢、增0.86％碳剂以及47.15废钢进行熔炼。
所述合金为质量比为1:1:1：1的硅、锰、铬和铜。
对上述实施例和对比例的铸件进行以下性能测试，测试值见表1。
热导率测试：采用标准号QJ 1402-1988进行测试；
抗拉强度测试：采用φ10单肩金属拉伸长试样，在HENGSHAN(HS)600千牛顿液压万能试验机检验；
硬度测试：采用HB-3000B-I布氏硬度计检验3点，取平均值；
溃散率：采用SUZ型振动式溃散性试验仪对其测试，测量溃散量占总量的比值。
取实施例2的试样进行观看金相组织：金相组织采用XJP-300金相显微镜检验石墨形态。
表1实施例和对比例的性能测试值
Figure BDA0003003838570000111
从上表可以看出，实施例的试样的性能优于对比例2-5，其中性能和对比例1中采用的新砂相比，实施例中部分采用旧砂后制得的性能能够达到对比例1试样的性能，因此，能够实现物料循环，减少环境压力，环保性高；通过对比例2的分析可知，实施例中对膨润土进行改性，改性之后的膨润土减少了水在其层间的附着，减少了后续浇注时产生的发气量，另外通过对比例3的对比分析可知，由于实施例中采用对膨润土的颗粒进行粒度分级，使得每个大颗粒周围会附着小颗粒，使得其比表面积加大，更利于型砂的成型，保证一定的强度的同时，在减少水附着的基础上还延长了水发气时的路径，一定程度上减少发气速率，发气速率变慢，铸件表面已经形成凝固体，能够减少气体再次进入铸件，减少铸件内部气孔率，从而提高其性能；通过对比例4的分析可知，实施例的溃散率差别较大，主要是由于实施例中添加了松香和石蜡，石蜡具有成型凝固作用，也还具有一定的润滑作用，因此提高其溃散率，便于循环利用，减少在砂箱上的粘结；通过对比例5的对比分析，由于实施例中添加了石墨，石墨本身具有良好的导热性能，因此，减少了型砂的膨胀率，因此，对铸件的精度大大提高，从而相应提高其性能。同时从图1中还可以看出，本发明实施例2制得的试样晶相组织分布均匀，晶粒大小均匀，因此不易产生缺陷，性能得到保证。
在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如：“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：将旧砂、新砂、水按比例混碾，然后加入辅料混碾，制得型砂，以型砂为原料进行射砂造型，制得型坯，将熔融的液态金属往型坯内浇注，冷却，制得合金铸铁。
2.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述辅料包括膨润土和/或煤粉和/或松香和/或石蜡和/或石墨粉和/或纳米α-氧化铝，所述膨润土在使用之前进行改性，具体方法为将膨润土先在季胺盐中浸渍，然后放入聚四氟乙烯乳液超声浸渍，同时膨润土的颗粒包括质量比为3-8:1的纳米级颗粒和微米级颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述旧砂、新砂、水以及辅料的添加质量比为50-90:1-20:1-5:5-15。
4.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述射砂造型的具体工艺为，用射砂机在砂箱内进行射砂，射砂压力为80-100N/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述型坯的表面硬度至少90GF，内腔硬度至少80GF。
6.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述浇注之前还包括以下步骤：准备浇包，对浇包进行预热；倒入部分液态金属到浇包后，加入孕育剂，将浇包内渣子扒干净后测温，浇注温度控制1370-1420℃范围内。
7.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述冷却的具体工艺：将浇注后的砂箱进入三道冷却道冷却，每道冷却时间为0.5-2h。
8.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述液态金属的制备方法为：在熔炼炉内依序加入铁屑、废钢、增碳剂、合金、废钢、增碳剂以及废钢进行熔炼。
9.根据权利要求1所述的一种高强度低硬度的合金铸铁的制备方法，其特征在于：所述合金为硅、锰、铬和铜的至少一种。
10.一种高强度低硬度的合金铸铁，其特征在于：采用如权利要求1-9任意一项所述的制备方法制得。
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