CN114653892B - 陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法及陶瓷/铸铁复合锭模 - Google Patents

陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法及陶瓷/铸铁复合锭模 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法及陶瓷/铸铁复合锭模，该制备方法包括S1，将碳化硅颗粒、硅溶胶、呋喃树脂、淀粉、陶瓷纤维混合均匀，制得混合料；S2，将S1中制得的混合料压制、成型，得到厚度为6‑20mm的坯体；其中压制的压力为3‑6MPa，压制的时间为10‑15s；S3，将S2中得到的坯体烘干，烘干温度为120‑180℃，保温时间为2‑3h；S4，将S3中烘干后的坯体放置到V‑法造型的下砂型中，上下箱合箱后，浇注耐热铸铁水，待凝固后减除负压，砂型溃散后制得陶瓷/铸铁复合锭模。该陶瓷/铸铁复合锭模能抵抗高温铁合金液体熔蚀，达到抗热疲劳、延长使用寿命、降低生产成本的目的。

Description

陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法及陶瓷/铸铁复合锭模
技术领域
本发明涉及铁合金锭模铸造技术领域，具体涉及一种陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法及陶瓷/铸铁复合锭模。
背景技术
经过矿热炉冶炼的各种合金液体，需要浇注到锭模中凝固成形。为了节约成本，行业里普遍采用耐热铸铁制作锭模，1500℃以上的铁合金液体对锭模熔蚀严重，大大缩短了锭模的使用寿命。
耐热铸铁具有较高的力学性能、优异的高温抗氧化性能和抗热疲劳性能，因此被广泛应用于铝锭模和铁合金锭模的生产。耐热铸铁主要包括耐热灰铸铁、耐热蠕墨铸铁、耐热球墨铸铁等。耐热灰铸铁和耐热蠕墨铸铁的力学性能、抗氧化性能和抗热疲劳性能较耐热球墨铸铁较差，理论上耐热球墨铸铁应该是生产铁合金锭模的合适材质，但是对生产硅铁而言，由于硅铁液的浇注温度在1480～1530℃之间，甚至偶尔高达1600℃，锭模表面因不耐冲刷熔损成蚀坑。硅铁锭模的失效形式主要以蚀坑为主，多次的应用实践也表明，耐热灰铸铁、耐热蠕墨铸铁、耐热球墨铸铁三者在用作硅铁锭模方面，使用效果没有明显的差别。
因此，研究制造一种能抵抗高温铁合金液体熔蚀、抗热疲劳、使用寿命长、生产成本低的锭模对解决以上问题有着极其重要的意义，对提高合金生产效率，降本增效有着重要的作用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法及陶瓷/铸铁复合锭模，以抵抗高温铁合金液体熔蚀，达到抗热疲劳、延长使用寿命、降低生产成本的目的。
一种陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法，包括以下步骤：
S1，将碳化硅颗粒、硅溶胶、呋喃树脂、淀粉、陶瓷纤维混合均匀，制得混合料；
S2，将S1中制得的混合料压制、成型，得到厚度为6-20mm的坯体；其中压制的压力为3-6MPa，压制的时间为10-15s；
S3，将S2中得到的坯体烘干，烘干温度为120-180℃，保温时间为2-3h；
S4，将S3中烘干后的坯体放置到V-法造型的下砂型中，上下箱合箱后，浇注耐热铸铁水，待凝固后减除负压，砂型溃散后制得陶瓷/铸铁复合锭模，所述陶瓷/铸铁复合锭模的表层为陶瓷预制体/铸铁基复合层，基体为耐热铸铁。
优选的，S3所述坯体的烘干温度为180℃，保温时间为2h。
上述的制备方法中，在S2对S1中制得的混合料进行压制、成型之前还包括如下步骤：
将呋喃树脂用固化剂加入到S1中制得的混合料中，并搅拌均匀。
上述的制备方法中，所述压制的压力为4-5MPa，压制的时间为10s。
采用压制的压力为4-5MPa，压制的时间为10s，所压制的坯体表面平整，抗压、抗折强度较高，有利于造型时装配。
优选的，所述压制的压力为4MPa，压制的时间为10s。
上述的制备方法中，S3中坯体烘干的温度为160-180℃，保温时间为2h。
上述的制备方法中，所述将S3中烘干后的坯体放置于V-法造型的下砂型中，上下箱合箱后，真空度保持在0.05MPa-0.065MPa；浇注耐热铸铁水的温度不小于1450℃。
优选的，V-法铸造的真空度为0.06MPa。
上述的制备方法中，所述碳化硅颗粒的粒度为20-40目或40-60目。
上述的制备方法中，所述硅溶胶、呋喃树脂、淀粉、陶瓷纤维和固化剂为粘结剂，其中硅溶胶的质量分数为6％，呋喃树脂的质量分数为3％-6％，淀粉的质量分数为5％，陶瓷纤维的质量分数为0.3％。
上述的制备方法中，呋喃树脂用固化剂的质量分数为1％-2％。
优选的，所述呋喃树脂用固化剂为对甲苯磺酸。
作为本发明的另一方面，还提供一种采用上述制备方法制备得到的陶瓷/铸铁复合锭模。
本发明的有益效果体现在：耐热铸铁或者金属材料难以抵抗1500℃以上硅铁液体热冲刷的缺点，使得试图通过合金元素或者石墨形态来提高硅铁锭模的寿命变得很无效，而单一的耐火陶瓷材料用作锭模，由于反复冷热循环而破碎。本发明综合了金属材料和陶瓷的各自优点，制得表层为耐高温陶瓷碳化硅或氧化铝颗粒与耐热灰铸铁相间分布的复合材料，陶瓷颗粒体积比为50-70％，锭模本体为耐热灰铸铁，显著提高抗硅铁液冲刷能力，提高锭模使用寿命。
具体实施方式
下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
一种陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法，包括以下步骤：
S1，将碳化硅颗粒、硅溶胶、呋喃树脂、淀粉、陶瓷纤维混合均匀，制得混合料；
S2，将S1中制得的混合料压制、成型，得到厚度为6-20mm的坯体；其中压制的压力为3-6MPa，压制的时间为10-15s；
S3，将S2中得到的坯体烘干，烘干温度为120-180℃，保温时间为2-3h；
S4，将S3中烘干后的坯体放置到V-法造型的下砂型中，上下箱合箱后，浇注耐热铸铁水，待凝固后减除负压，砂型溃散后制得陶瓷/铸铁复合锭模，所述陶瓷/铸铁复合锭模的表层为陶瓷预制体/铸铁基复合层，基体为耐热铸铁。
优选的，S3所述坯体的烘干温度为180℃，保温时间为2h。
上述的制备方法中，在S2对S1中制得的混合料进行压制、成型之前还包括如下步骤：
将呋喃树脂用固化剂加入到S1中制得的混合料中，并搅拌均匀。
上述的制备方法中，所述压制的压力为4-5MPa，压制的时间为10s。
采用压制的压力为4-5MPa，压制的时间为10s，所压制的坯体表面平整，抗压、抗折强度较高，有利于造型时装配。
优选的，所述压制的压力为4MPa，压制的时间为10s。
上述的制备方法中，S3中坯体烘干的温度为160-180℃，保温时间为2h。
上述的制备方法中，所述将S3中烘干后的坯体放置于V-法造型的下砂型中，上下箱合箱后，真空度保持在0.05MPa-0.065MPa；浇注耐热铸铁水的温度不小于1450℃。
优选的，V-法铸造的真空度为0.06MPa。
上述的制备方法中，所述碳化硅颗粒的粒度为20-40目或40-60目。
上述的制备方法中，所述硅溶胶、呋喃树脂、淀粉、陶瓷纤维和固化剂为粘结剂，其中硅溶胶的质量分数为6％，呋喃树脂的质量分数为3％-6％，淀粉的质量分数为5％，陶瓷纤维的质量分数为0.3％。
上述的制备方法中，呋喃树脂用固化剂的质量分数为1％-2％。
优选的，所述呋喃树脂用固化剂为对甲苯磺酸。
作为本发明的另一方面，还提供一种采用上述制备方法制备得到的陶瓷/铸铁复合锭模。
以下将通过调整不同混合料成分和质量分数，及制备工艺，从而比较制得产品的性能。，
实施例1：在本实施例中，以40-60目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶4％，无淀粉，无呋喃树脂加入，无陶瓷纤维加入，混合均匀后，使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度太低，不能进行下一步的烘干。
实施例2：在本实施例中，以40-60目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，无淀粉，无呋喃树脂加入，无陶瓷纤维加入，混合均匀后，使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度偏低，能进行下一步的烘干。坯体烘干的温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体干强度低，转运放置时有碳化硅颗粒脱落。
实施例3：在本实施例中，以40-60目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，淀粉5％，陶瓷纤维0.3％，无呋喃树脂加入，混合均匀后，使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度较高，能将坯体方便移送到下一步的烘干炉。坯体烘干的温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体干强度低，转运放置时有碳化硅颗粒脱落。
实施例4：在本实施例中，以40-60目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，淀粉5％，陶瓷纤维0.3％，呋喃树脂6％，混合均匀后，再加入呋喃树脂的固化剂混合均匀，固化剂加入量为：呋喃树脂∶固化剂＝3∶1。使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度高，将坯体送入烘干炉，烘干温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体表面平整，强度高，在砂箱中安放时无颗粒脱落现象，操作方便。
实施例5：本实施例中降低呋喃树脂含量到3％。在本实施例中，以40-60目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，淀粉5％，陶瓷纤维0.3％，呋喃树脂3％，混合均匀后，再加入固化剂1％混合均匀。使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度高，将坯体送入烘干炉，烘干温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体表面平整，强度高，在砂箱中安放时无颗粒脱落现象，操作方便。
实施例6：在本实施例中，以40-60目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，淀粉5％，陶瓷纤维0.3％，呋喃树脂3％，混合均匀后，再加入固化剂1％混合均匀。使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度高，将坯体送入烘干炉，烘干温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体表面平整，强度高，在砂箱中安放时无颗粒脱落现象，操作方便。
碳化硅颗料为40-60目，陶瓷预制体厚度分别为8mm，10mm，12mm，15mm。将碳化硅预制体放置于砂型中的底层，上下箱合箱后浇注。浇注时真空度0.05MPa；浇注耐热铸铁水的温度为1400℃。解剖铁水在陶瓷预制体的渗入深度，在砂型真空度0.05MPa、铸铁水的温度为1400℃的浇注条件下，渗入深度达到12mm。
实施例7：与实施例6相比，仅改变浇注时砂箱真空度为0.06MPa，其他工艺不变，陶瓷预制体渗入深度达到15mm。
实施例8：在本实施例中，以20-40目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，淀粉5％，陶瓷纤维0.3％，呋喃树脂3％，混合均匀后，再加入固化剂1％混合均匀。使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度高，将坯体送入烘干炉，烘干温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体表面平整，强度高，在砂箱中安放时无颗粒脱落现象，操作方便。陶瓷预制体厚度分别为8mm，10mm，12mm，15mm。将碳化硅预制体放置于砂型中的底层，上下箱合箱后浇注。浇注时真空度0.05MPa；浇注耐热铸铁水的温度为1400℃。解剖铁水在陶瓷预制体的渗入深度，在砂型真空度0.05MPa、铸铁水的温度为1400℃的浇注条件下，渗入深度达到15mm。
实施例9：在本实施例中，以20-40目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，淀粉5％，陶瓷纤维0.3％，呋喃树脂3％，混合均匀后，再加入固化剂1％混合均匀。使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度高，将坯体送入烘干炉，烘干温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体表面平整，强度高，在砂箱中安放时无颗粒脱落现象，操作方便。陶瓷预制体厚度分别为8mm，10mm，12mm，15mm，20mm。将碳化硅预制体放置于砂型中的底层，上下箱合箱后浇注。浇注时真空度0.06MPa；浇注耐热铸铁水的温度为1400℃。解剖铁水在陶瓷预制体的渗入深度，在砂型真空度0.06MPa、铸铁水的温度为1400℃的浇注条件下，渗入深度达到20mm。
实施例10：在本实施例中，以20-40目碳化硅颗料为原料，以100％质量百分比计，硅溶胶6％，淀粉5％，陶瓷纤维0.3％，呋喃树脂3％，混合均匀后，再加入固化剂1％混合均匀。使用模具在压力机压制。压力为4MPa，压制的时间为10s。压块后湿强度高，将坯体送入烘干炉，烘干温度为180℃，保温时间为2h。烘干后的坯体表面平整，强度高，在砂箱中安放时无颗粒脱落现象，操作方便。陶瓷预制体厚度分别为8mm，10mm，12mm，15mm，20mm。将碳化硅预制体放置于砂型中的底层，上下箱合箱后浇注。浇注时真空度0.05MPa；浇注耐热铸铁水的温度为1450℃。解剖铁水在陶瓷预制体的渗入深度，在砂型真空度0.05MPa、铸铁水的温度为1450℃的浇注条件下，渗入深度达到20mm。
综上所述，通过调整碳化硅粒度，真空度，浇注温度，可以获得不同陶瓷/铸铁复合层厚度的复合锭模，以满足铁合金生产对锭模使用寿命的需求。
解决硅铁锭模寿命的关键在于如何提高硅铁锭模抗冲刷能力，防止锭模表面形成热熔损蚀坑。
常规的陶瓷预制体的制备工艺包括800-900℃的高温烧结，本发明预制体不经过高温烧结过程，只是120-180℃的干燥脱水过程，因此粘结剂的配方是关键。形成碳化硅/灰铁复合层作为硅铁锭模的表层，抵抗硅铁液冲刷，具有显著效果。
1、本发明陶瓷预制体经过恰当的粘结剂组分搭配，成型容易，不经高温烧结，充分利用了常温下的有机粘结剂的作用，以及浇铸成型时高温下的硅溶胶的高温粘结强度作用，预制体结构完整，常温和高温强度高，操作简便易行。
2、从耐热铸铁高温下强度非常小的事实出发，提出利用耐热陶瓷层的高熔点作为锭模的表面层，抵抗硅铁液的热流冲刷，同时，将金属和陶瓷颗粒复合，才能克服陶瓷块体经受冷热循环易破碎的缺点。形成的陶瓷/耐热铸铁复合层作为锭模的表层，解决了背景技术中提出的技术问题。
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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种陶瓷/铸铁复合锭模的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将碳化硅颗粒、硅溶胶、呋喃树脂、淀粉、陶瓷纤维混合均匀，制得混合料；
S2，将S1中制得的混合料压制、成型，得到厚度为6-20mm的坯体；其中压制的压力为3-6MPa，压制的时间为10-15s；
S3，将S2中得到的坯体烘干，烘干温度为120-180℃，保温时间为2-3h；
S4，将S3中烘干后的坯体放置到V-法造型的下砂型中，上下箱合箱后，浇注耐热铸铁水，待凝固后减除负压，砂型溃散后制得陶瓷/铸铁复合锭模，所述陶瓷/铸铁复合锭模的表层为陶瓷预制体/铸铁基复合层，基体为耐热铸铁；
在S2对S1中制得的混合料进行压制、成型之前还包括如下步骤：
将呋喃树脂用固化剂加入到S1中制得的混合料中，并搅拌均匀；
所述将S3中烘干后的坯体放置于V-法造型的下砂型中，上下箱合箱后，真空度保持在0.05MPa-0.065MPa；浇注铸铁水的温度不小于1450℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3所述坯体的烘干温度为180℃，保温时间为2h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为4-5MPa，压制的时间为10s。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为4MPa，压制的时间为10s。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中坯体烘干的温度为160-180℃，保温时间为2h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅颗粒的粒度为20-40目或40-60目。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶、呋喃树脂、淀粉、陶瓷纤维和固化剂为粘结剂，其中硅溶胶的质量分数为6％，呋喃树脂的质量分数为3％-6％，淀粉的质量分数为5％，陶瓷纤维的质量分数为0.3％。
8.一种采用权利要求1至7任一制备方法制备得到的陶瓷/铸铁复合锭模。
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