CN117753928A - 利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法 - Google Patents

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CN117753928A CN202410196087.8A CN202410196087A CN117753928A CN 117753928 A CN117753928 A CN 117753928A CN 202410196087 A CN202410196087 A CN 202410196087A CN 117753928 A CN117753928 A CN 117753928A
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Abstract

利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，属于金属材料铸造技术领域；所述利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，包括消失模制作、耐火涂料的制备、涂覆耐火涂层、球化孕育铁液的制备、浇注、后处理6个步骤；本发明所得到的球磨机端盖成品，拉伸强度626~644MPa，屈服强度383~398MPa，伸长率3.7~4.2%，布氏硬度283~296，最小冲击功17~20J，石墨球化级别1级，石墨球大小级别7级。

Description

利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法
技术领域
本发明涉及利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，属于金属材料铸造技术领域。
背景技术
球磨机是一种常用的磨料加工设备，球磨机主要由进料口、筒体、出料口、齿轮传动装置、电机等组成。球磨机的端盖是筒体两端的构件，一般分为大端盖和小端盖，大端盖的安装位置在进料口一端，小端盖的安装位置在出料口一端。大端盖和小端盖的作用是用于支撑筒体、承载球磨机筒体的回转以及保护筒体内部组件。为保障球磨机的正常运转，大端盖和小端盖在材质、工艺和加工方面的要求非常严格。在加工上，和球面瓦接触的部分需要磨制处理，保证精度和光洁度；工艺上，其在和球磨机球面瓦接触的颈部和筒体接触的圆弧颈部不得有气孔和砂眼的铸造缺陷，因此对铸造过程的要求非常高；材质上主要采用高强度灰口铸铁、球墨铸铁、低碳铸钢、碳锰钢四类。上述四类材质中，球墨铸铁的制造成本较低且具有强度高、韧性好、抗疲劳性能优异以及耐磨性好等优点，在发达国家，球墨铸铁材质的端盖比例较大，而在国内由于生产条件、技术水平等方面的制约，使用球墨铸铁整体成型铸造球磨机端盖的比例比较低。鉴于球磨机端盖对于铸造工艺的苛刻要求，消失模铸造作为一种近无余量、精确成型的铸造方法，非常适用于球墨铸铁，该方法无需取模、无分型面、无砂芯，因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度，同时也减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。但对于球墨铸铁来说，由于其含碳量高、凝固时存在石墨化膨胀的特性，铸造成型过程中极易产生皱皮、碳黑等表面缺陷，工艺控制精度不够时，很容易出现缩孔、缩松这类大的缺陷，这极大的限制了消失模铸造方法在球墨铸铁领域中的应用，所以运用消失模方法制备球墨铸铁类铸件是金属铸造行业面对的棘手难题之一，不少从业者对这一问题做了深入研究。
消失模铸造方法铸造球墨铸铁件的整个生产流程中，球墨铸件最终的品质，除了与球墨铸铁本身原料的配比组成、球化处理以及孕育处理等工艺过程息息相关外，还与消失模模型的选材加工、耐火涂料以及负压浇注过程的控制等因素有很高的关联关系，尤其耐火涂料，甚为关键。球墨铸铁的浇注温度通常在1380~1480 ℃，比铸钢件略低，球墨铸铁密度为7.3g/cm3，远大于镁、铝合金，因此球墨铸铁液充型过程中对涂层的热、力作用比镁、铝合金更显著。在消失模铸造球墨铸铁环节，由于需要采用真空负压工艺，涂层在工作状态下，一方面涂层内侧需要抵抗高温球墨铸铁液的动压力和静压力，同时涂层内外侧气压差较大，涂层高温强度不足时容易引起铸件表面凹陷甚至铸件变形。另一方面，球墨铸铁浇注温度较高，EPS模样迅速分解，分解产物中气态产物占绝大多数，还包含少量液态产物及固体物。分解产物大量生成并充满整个涂层型腔，为了避免因分解产物无法顺利排出涂层而造成球墨铸铁件气孔、皱皮、积碳等缺陷的发生，涂料应具备良好的透气性。在影响涂层强度和透气性能方面，涂料性能指标应控制在合理的范围内。骨料的耐火度、烧结性以及骨料形状、粒度等都对消失模铸造涂料的强度和透气性能产生直接影响。
中国专利CN110666104A公开了一种球墨铸铁井盖的消失模铸造方法。所述球墨铸铁井盖的消失模铸造方法包括以下步骤：制作球墨铸铁井盖消失模样；将石英粉、铝矾土、钠基膨润土及钙基膨润土混匀后加入水浸泡，制得浆糊状物料；将浆糊状物料倒入水中搅拌，然后加入白乳胶、OP-10活性剂、正丁醇、苯甲酸钠及聚乙烯醇，继续搅拌后静置，制得消失模样涂料；将所述球墨铸铁井盖消失模样置入所述消失模样涂料中浸涂，取出烘干，将烘干后的所述球墨铸铁井盖消失模样埋在干石英砂中造型，在负压状态下浇注。该专利所设计的耐火涂料中，起粘接作用的胶粘剂白乳胶、聚乙烯醇这两种物质，高温下残碳很低，涂层高温强度很差，球墨铸铁浇注过程中的石墨化膨胀作用形成的压差，很容易使涂层发生变形，难以得到尺寸精度较为精准的铸件。
中国专利CN108907093A公开了一种结合热喷涂的消失模铸造球墨铸铁管件的制造工艺，包括以下步骤：a.消失模制作：将泡沫塑料制成与球墨铸铁管件的零件结构、尺寸对应的实型模具；b.涂刷涂料：将实型模具拼装组合并进行干燥，对组合后的实型模具涂刷防高温涂料，然后对实型模具的涂料进行烘干；c.热喷涂处理：在涂料表层进行热喷涂处理，热喷涂的温度为50～250℃，所述热喷涂材料的厚度不超过1mm；d.埋箱造型：将热喷涂作业完成后的实型模具在砂箱中埋箱造型；e.铸造、清理：在砂箱中负压浇注金属液，经冷却、抛丸、打磨清理、耐压试验后得成品。该专利在消失模泡沫塑料模型涂覆耐火涂料后，再进行50~250℃的热喷涂，来加强涂料涂层的强度，这一操作虽然能实现涂料涂层的增强固化，但100℃甚至200℃以上的热喷涂，难免引起消失模泡沫塑料模型的轻微形变，对铸造精度有相当程度的负面影响。
以上可以看到，目前消失模铸造球墨铸铁材质的铸件，仍存在尺寸精度差，表面容易出现皱皮、积碳，进而引起铸件的力学性能变差，铸造良率显著降低等问题，因此需要专门开发针对球墨铸铁材质的消失模铸造工艺和方法，以满足像球磨机端盖这种对材质和铸造工艺要求极为严苛的零部件。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，实现以下发明目的：用球墨铸铁材质经消失模铸造方法制备出尺寸精度高、表面无积碳无皱皮且光滑度高、力学性能优异的球磨机端盖。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，所述利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，包括消失模制作、耐火涂料的制备、涂覆耐火涂层、球化孕育铁液的制备、浇注、后处理6个步骤；
以下是对上述技术方案的进一步改进：
步骤1、消失模制作
按照球磨机端盖的结构尺寸，用数控编程和电脑自动化切割技术制备出与球磨机端盖一致的塑料泡沫模型，然后将塑料泡沫模型在40~60℃下干燥12~20小时，得到球磨机端盖模型；
所述塑料泡沫的材质为可发性聚苯乙烯、可发性聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物中的一种；
所述塑料泡沫的密度为0.015~0.020g/cm3。
步骤2、耐火涂料的制备
所述耐火涂料的具体配方为，以重量份计：
水溶性酚醛树脂 20~45份、
六亚甲基四胺 0.5~1.2份、
改性石墨粉 8~13份、
高模数硅酸钾水溶液 15~25份、
硼砂 1~3份、
二硼化锆 2~5份、
二硅化钼 2~6份、
锂辉石粉 0.5~1.5份、
海泡石 3~6份、
硅酸镁铝 1~3份、
铝矾土 35~55份、
木质素磺酸钠 1.0~3.0份、
聚氧丙烯乙二醇醚 0.5~1.0份、
去离子水 20~45份；
所述水溶性酚醛树脂的粘度为12~30mPa·s，固含量为35~50wt%；
所述改性石墨粉，其制备方法为：将石墨粉、单宁酸加入去离子水中，用高速分散均质机在5000~9000转/分下均质分散3~5小时后转移至反应釜中，控制搅拌速率500~850转/分下升温并恒温在60~85℃，然后加入三氟乙酸，冷凝回流状态下，恒温搅拌反应4~8小时后，停止搅拌，降至室温，静置沉降20~30小时后，排出上清液，对底部富含石墨粉体的液态物进行离心处理，离心得到的固体用去离子水洗涤至pH值为6.5~7.0后，放入70~90℃烘箱中干燥5~9小时后得到改性石墨粉；
所述石墨粉的粒径为30~1500nm；
所述石墨粉、单宁酸、去离子水、三氟乙酸的投料质量比为30~55:5~13:130~160:5~10；
所述高模数硅酸钾水溶液中高模数硅酸钾的质量浓度为10~20wt%；
所述高模数硅酸钾的模数为1.3~2.5；
所述二硼化锆的粒径为10~500nm；
所述二硅化钼的粒径为10~800nm；
所述锂辉石粉的粒径为500~6000nm；
所述海泡石的粒径为50~2000nm；
所述硅酸镁铝的粒径为0.5~9μm；
所述铝矾土的粒径为3~30μm；
所述耐火涂料的制备方法为：按所述耐火涂料以重量份计的具体配方，先将去离子水、木质素磺酸钠、聚氧丙烯乙二醇醚、六亚甲基四胺、硼砂、水溶性酚醛树脂放入高速搅拌混料釜中，在5000~8500转/分下搅拌15~25分钟后，再加入改性石墨粉，搅拌20~35分钟后再加二硼化锆、二硅化钼、锂辉石粉，持续搅拌2~3小时后，再加入铝矾土和高模数硅酸钾水溶液，然后持续搅拌2~4小时，再加入海泡石、硅酸镁铝，继续搅拌2~5小时后出料，得到耐火涂料。
步骤3、涂覆耐火涂层
将球磨机端盖模型全部浸没入耐火涂料中，浸渍30~50秒后，提出，置于室温环境中在30~50%的相对空气湿度下干燥5~10小时，然后再刷涂第二遍耐火涂料，再于室温环境中在30~50%的相对空气湿度下干燥2~3小时后，再进行第三遍刷涂，刷涂完毕后，放入烘箱中，在35~50℃下干燥1~3小时后，以每分钟2~4℃的升温速率升温至65~80℃下，恒温干燥15~24小时后，得到涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型。
步骤4、球化孕育铁液的制备
铁液的熔炼球化孕育在中频感应电炉中进行，以高纯生铁和碳素废钢为原料，球化剂选用稀土镁球化剂；先将高纯生铁加入感应电炉内，升温至1420~1460℃，熔化成液体后，再升温至1500~1540℃，加入碳素废钢，待碳素废钢完全熔化成铁液后出炉，采用包内冲入法进行球化孕育处理，铁液冲入前，先将球化剂置于堤坝式包的底坑中，然后覆盖上孕育剂，捣实，再将铁液冲入堤坝式包内，球化孕育处理过程中，维持堤坝式包内铁液的温度在1440~1480℃，球化孕育处理时间控制在铁液全部冲入堤坝式包内后2~4分钟以内，球化孕育完成后将球化孕育铁液迅速转移至浇注工段，准备浇注；
所述高纯生铁、碳素废钢、球化剂、孕育剂的投料量，依据球墨铸铁牌号QT600-3的成分要求而定，即球化孕育完成后得到的球化孕育铁液中，各元素成分的含量应满足QT600-3的成分要求；
所述QT600-3的成分要求为C3.6～3.7wt%、Si2.1～2.2wt%、Mn0.42～0.45wt%、Cu0.25～0.5wt%、Mg0.05～0.08wt%、P＜0.02wt%、S＜0.02wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述高纯生铁的成分要求为C4.0~5.0wt%、Si1.3~2.0%、P≤0.04wt%、S≤0.025wt%、Mn≤0.3wt%、Sn≤0.0006wt%、Sb≤0.005wt%、Ti≤0.06wt%、Al≤0.004wt%、As≤0.0012wt%、Bi≤0.0003wt%、Pb≤0.0005wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述碳素废钢的成分要求为C0.06~0.22wt%、Mn≤0.35wt%、Si≤0.30wt%、S≤0.015wt%、P≤0.030wt%、Cr≤0.050wt%、Mo≤0.050wt%、Cu≤0.050wt%、Ti≤0.050wt%、Pb≤0.001wt%、Sb≤0.010wt%、As≤0.020wt%、Al≤0.20wt%、V≤0.01wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述稀土镁球化剂的成分为 Si40～45wt%、Mg6～7wt%、RE1～2wt%、Ba1～2wt%、Ca0.8～2wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述孕育剂的成分为Si70~75wt%、Ba4~6wt%、Ca0.8~1.5wt%、
Al≤1.5wt%、纳米硼化钛5~10wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述纳米硼化钛的粒径为10~80nm。
步骤5、浇注
先将砂箱底部铺满铸造用石英砂，然后放入涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型，采用雨淋式加砂方式将铸造用的石英砂填充至砂箱中，预留好浇注口后，在振动台上振实，振动频率50~85Hz，振动幅度在0.5~2.5mm，开启真空系统，将砂箱内压力抽至-0.085~-0.070MPa，然后将转移至浇注工段的球化孕育铁液从预留的浇注口注入砂箱的球磨机端盖模型中，浇注过程中保持浇注口处球化孕育铁液的温度在1380~1420℃，浇注完成后，抽真空继续保持负压6~11分钟后，停止抽真空，待冷却至室温后，取出固化铸件，得到球磨机端盖粗品。
步骤6、后处理
将球磨机端盖粗品放入退火炉中，通氮气保护下，以1~2℃/min的升温速率将球磨机端盖粗品加热至890～960℃，恒温2~6h后，停止加热，随炉缓慢冷却至400~450℃后，出炉置于空气中冷却至室温，然后将表面打磨至球磨机设备所需粗糙度，即得到球磨机端盖成品。
与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：
1、本发明中以单宁酸为分散剂，用三氟乙酸对石墨粉做了表面改性，增强了石墨粉的表面极性，使石墨粉能够充分分散在耐火涂料的水性体系中，另外，表面极性较高的石墨粉容易被水溶性酚醛树脂吸附，这样酚醛树脂在高温浇注过程中的碳化反应中，石墨粉能够更容易进入酚醛树脂碳化形成的石墨晶层中，这样能够极大抑制石墨向铸件的渗碳现象，避免了球磨机端盖成品表层石墨球化度过高而引起的力学性能损伤；
2、本发明通过在耐火涂层中掺入二硼化锆和二硅化钼来提高耐火涂层的高温稳定性，二硼化锆和二硅化钼熔点高，热稳定性强，同时有很容易在水性体系中得到较好的分散程度，因此这两种物质的加入能够提升高温浇注过程中耐火涂料的强度，能够支撑耐火涂层在高温下承受的负压，进而对铸件的尺寸精度的控制有着非常积极有益的作用和效果；
3、本发明在孕育剂中加入的纳米硼化钛，对提高铸造过程中铸铁的球墨化率和石墨的球形度起到十分显著的作用，纳米硼化钛具有降低石墨球化温度和催化石墨球化的功能，它的掺入能够促进孕育剂中硅元素更快速的产生更多的石墨晶核，因而会得到密度更高的球形石墨，同时也促进了石墨球形度的提高，这从附图中的金相显微镜照片中得到了充分印证；
4、本发明所得到的球磨机端盖成品，拉伸强度626~644MPa，屈服强度383~398MPa，伸长率3.7~4.2%，布氏硬度283~296，最小冲击功17~20J，石墨球化级别1级，石墨球大小级别7级。
附图说明
图1为实施例1所得球磨机端盖成品断面放大300倍的金相显微镜照片；
图2为对比例3所得球磨机端盖成品断面放大300倍的金相显微镜照片。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法
步骤1、消失模制作
按照球磨机端盖的结构尺寸，用数控编程和电脑自动化切割技术制备出与球磨机端盖一致的塑料泡沫模型，然后将塑料泡沫模型在55℃下干燥18小时，得到球磨机端盖模型；
所述塑料泡沫的材质为可发性聚苯乙烯；
所述塑料泡沫的密度为0.016g/cm3。
步骤2、耐火涂料的制备
所述耐火涂料的具体配方为，以重量份计：
水溶性酚醛树脂 30份、
六亚甲基四胺 0.9份、
改性石墨粉 11份、
高模数硅酸钾水溶液 19份、
硼砂 2份、
二硼化锆 4份、
二硅化钼 5份、
锂辉石粉 1.2份、
海泡石 5份、
硅酸镁铝 2份、
铝矾土 40份、
木质素磺酸钠 2份、
聚氧丙烯乙二醇醚 0.7份、
去离子水 35份；
所述水溶性酚醛树脂的粘度为20mPa·s，固含量为45wt%；
所述改性石墨粉，其制备方法为：将石墨粉、单宁酸加入去离子水中，用高速分散均质机在8500转/分下均质分散4小时后转移至反应釜中，控制搅拌速率800转/分下升温并恒温在80℃，然后加入三氟乙酸，冷凝回流状态下，恒温搅拌反应5小时后，停止搅拌，降至室温，静置沉降26小时后，排出上清液，对底部富含石墨粉体的液态物进行离心处理，离心得到的固体用去离子水洗涤至pH值为6.7后，放入85℃烘箱中干燥8小时后得到改性石墨粉；
所述石墨粉的粒径为500nm；
所述石墨粉、单宁酸、去离子水、三氟乙酸的投料质量比为40:11:145:8；
所述高模数硅酸钾水溶液中高模数硅酸钾的质量浓度为16wt%；
所述高模数硅酸钾的模数为2.0；
所述二硼化锆的粒径为300nm；
所述二硅化钼的粒径为400nm；
所述锂辉石粉的粒径为1000nm；
所述海泡石的粒径为1500nm；
所述硅酸镁铝的粒径为4μm；
所述铝矾土的粒径为12μm；
所述耐火涂料的制备方法为：按所述耐火涂料以重量份计的具体配方，先将去离子水、木质素磺酸钠、聚氧丙烯乙二醇醚、六亚甲基四胺、硼砂、水溶性酚醛树脂放入高速搅拌混料釜中，在7200转/分下搅拌22分钟后，再加入改性石墨粉，搅拌32分钟后再加二硼化锆、二硅化钼、锂辉石粉，持续搅拌2.4小时后，再加入铝矾土和高模数硅酸钾水溶液，然后持续搅拌2.6小时，再加入海泡石、硅酸镁铝，继续搅拌4小时后出料，得到耐火涂料。
步骤3、涂覆耐火涂层
将球磨机端盖模型全部浸没入耐火涂料中，浸渍45秒后，提出，置于室温环境中在40%的相对空气湿度下干燥8小时，然后再刷涂第二遍耐火涂料，再于室温环境中在45%的相对空气湿度下干燥2.6小时后，再进行第三遍刷涂，刷涂完毕后，放入烘箱中，在40℃下干燥2小时后，以每分钟3℃的升温速率升温至70℃下，恒温干燥20小时后，得到涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型。
步骤4、球化孕育铁液的制备
铁液的熔炼球化孕育在中频感应电炉中进行，以高纯生铁和碳素废钢为原料，球化剂选用稀土镁球化剂；先将高纯生铁加入感应电炉内，升温至1440℃，熔化成液体后，再升温至1510℃，加入碳素废钢，待碳素废钢完全熔化成铁液后出炉，采用包内冲入法进行球化孕育处理，铁液冲入前，先将球化剂置于堤坝式包的底坑中，然后覆盖上孕育剂，捣实，再将铁液冲入堤坝式包内，球化孕育处理过程中，维持堤坝式包内铁液的温度在1450℃，球化孕育处理时间控制在铁液全部冲入堤坝式包内后3分钟以内，球化孕育完成后将球化孕育铁液迅速转移至浇注工段，准备浇注；
所述高纯生铁、碳素废钢、球化剂、孕育剂的投料量，依据球墨铸铁牌号QT600-3的成分要求而定，即球化孕育完成后得到的球化孕育铁液中，各元素成分的含量应满足QT600-3的成分要求；
所述QT600-3的成分要求为C3.64wt%、Si2.16wt%、Mn0.44wt%、Cu0.29wt%、Mg0.07wt%、P0.02wt%、S0.02wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述高纯生铁的成分要求为C4.6wt%、Si1.6%、P0.04wt%、S0.025wt%、Mn0.3wt%、Sn0.0006wt%、Sb0.005wt%、Ti0.06wt%、Al0.004wt%、As0.0012wt%、Bi0.0003wt%、Pb0.0005wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述碳素废钢的成分要求为C0.20wt%、Mn0.35wt%、Si0.30wt%、S0.015wt%、P0.030wt%、Cr0.050wt%、Mo0.050wt%、Cu0.050wt%、Ti0.050wt%、Pb0.001wt%、Sb0.010wt%、As0.020wt%、Al0.20wt%、V0.01wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述稀土镁球化剂的成分为 Si43wt%、Mg6.6wt%、RE1.4 wt%、Ba1.6wt%、Ca0.9wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述孕育剂的成分为Si74wt%、Ba5wt%、Ca 1.1wt%、Al1.5wt%、纳米硼化钛8wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述纳米硼化钛的粒径为65nm。
步骤5、浇注
先将砂箱底部铺满铸造用石英砂，然后放入涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型，采用雨淋式加砂方式将铸造用的石英砂填充至砂箱中，预留好浇注口后，在振动台上振实，振动频率65Hz，振动幅度在2.0mm，开启真空系统，将砂箱内压力抽至-0.080MPa，然后将转移至浇注工段的球化孕育铁液从预留的浇注口注入砂箱的球磨机端盖模型中，浇注过程中保持浇注口处球化孕育铁液的温度在1390℃，浇注完成后，抽真空继续保持负压9分钟后，停止抽真空，待冷却至室温后，取出固化铸件，得到球磨机端盖粗品。
步骤6、后处理
将球磨机端盖粗品放入退火炉中，通氮气保护下，以1.6℃/min的升温速率将球磨机端盖粗品加热至930℃，恒温5h后，停止加热，随炉缓慢冷却至430℃后，出炉置于空气中冷却至室温，然后将表面打磨至球磨机设备所需粗糙度，即得到球磨机端盖成品。
实施例2：利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法
步骤1、消失模制作
按照球磨机端盖的结构尺寸，用数控编程和电脑自动化切割技术制备出与球磨机端盖一致的塑料泡沫模型，然后将塑料泡沫模型在40℃下干燥12小时，得到球磨机端盖模型；
所述塑料泡沫的材质为可发性聚甲基丙烯酸甲酯；
所述塑料泡沫的密度为0.015g/cm3。
步骤2、耐火涂料的制备
所述耐火涂料的具体配方为，以重量份计：
水溶性酚醛树脂 20份、
六亚甲基四胺 0.5份、
改性石墨粉 8份、
高模数硅酸钾水溶液 15份、
硼砂 1份、
二硼化锆 2份、
二硅化钼 2份、
锂辉石粉 0.5份、
海泡石 3份、
硅酸镁铝 1份、
铝矾土 35份、
木质素磺酸钠 1.0份、
聚氧丙烯乙二醇醚 0.5份、
去离子水 20份；
所述水溶性酚醛树脂的粘度为12mPa·s，固含量为35wt%；
所述改性石墨粉，其制备方法为：将石墨粉、单宁酸加入去离子水中，用高速分散均质机在5000转/分下均质分散3小时后转移至反应釜中，控制搅拌速率500转/分下升温并恒温在60℃，然后加入三氟乙酸，冷凝回流状态下，恒温搅拌反应4小时后，停止搅拌，降至室温，静置沉降20小时后，排出上清液，对底部富含石墨粉体的液态物进行离心处理，离心得到的固体用去离子水洗涤至pH值为6.5后，放入70℃烘箱中干燥5小时后得到改性石墨粉；
所述石墨粉的粒径为30nm；
所述石墨粉、单宁酸、去离子水、三氟乙酸的投料质量比为30:5:130:5；
所述高模数硅酸钾水溶液中高模数硅酸钾的质量浓度为10wt%；
所述高模数硅酸钾的模数为1.3；
所述二硼化锆的粒径为10nm；
所述二硅化钼的粒径为10nm；
所述锂辉石粉的粒径为500nm；
所述海泡石的粒径为50nm；
所述硅酸镁铝的粒径为0.5μm；
所述铝矾土的粒径为3μm；
所述耐火涂料的制备方法为：按所述耐火涂料以重量份计的具体配方，先将去离子水、木质素磺酸钠、聚氧丙烯乙二醇醚、六亚甲基四胺、硼砂、水溶性酚醛树脂放入高速搅拌混料釜中，在5000转/分下搅拌15分钟后，再加入改性石墨粉，搅拌20分钟后再加二硼化锆、二硅化钼、锂辉石粉，持续搅拌2小时后，再加入铝矾土和高模数硅酸钾水溶液，然后持续搅拌2小时，再加入海泡石、硅酸镁铝，继续搅拌2小时后出料，得到耐火涂料。
步骤3、涂覆耐火涂层
将球磨机端盖模型全部浸没入耐火涂料中，浸渍30秒后，提出，置于室温环境中在30%的相对空气湿度下干燥5小时，然后再刷涂第二遍耐火涂料，再于室温环境中在30%的相对空气湿度下干燥2小时后，再进行第三遍刷涂，刷涂完毕后，放入烘箱中，在35℃下干燥1小时后，以每分钟2℃的升温速率升温至65℃下，恒温干燥15小时后，得到涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型。
步骤4、球化孕育铁液的制备
铁液的熔炼球化孕育在中频感应电炉中进行，以高纯生铁和碳素废钢为原料，球化剂选用稀土镁球化剂；先将高纯生铁加入感应电炉内，升温至1420℃，熔化成液体后，再升温至1500℃，加入碳素废钢，待碳素废钢完全熔化成铁液后出炉，采用包内冲入法进行球化孕育处理，铁液冲入前，先将球化剂置于堤坝式包的底坑中，然后覆盖上孕育剂，捣实，再将铁液冲入堤坝式包内，球化孕育处理过程中，维持堤坝式包内铁液的温度在1440℃，球化孕育处理时间控制在铁液全部冲入堤坝式包内后2分钟以内，球化孕育完成后将球化孕育铁液迅速转移至浇注工段，准备浇注；
所述高纯生铁、碳素废钢、球化剂、孕育剂的投料量，依据球墨铸铁牌号QT600-3的成分要求而定，即球化孕育完成后得到的球化孕育铁液中，各元素成分的含量应满足QT600-3的成分要求；
所述QT600-3的成分要求为C3.6wt%、Si2.1wt%、Mn0.42wt%、Cu0.25wt%、Mg0.05wt%、P0.01wt%、S0.01wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述高纯生铁的成分要求为C4.0wt%、Si1.3%、P0.03wt%、S0.022wt%、Mn0.2wt%、Sn0.0003wt%、Sb0.004wt%、Ti0.03wt%、Al0.003wt%、As0.001wt%、Bi0.0002wt%、Pb0.0004wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述碳素废钢的成分要求为C0.06wt%、Mn0.33wt%、Si0.28wt%、S0.011wt%、P0.020wt%、Cr0.030wt%、Mo0.040wt%、Cu0.040wt%、Ti0.020wt%、Pb0.0008wt%、Sb0.006wt%、As0.010wt%、Al0.10wt%、V0.009wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述稀土镁球化剂的成分为 Si40wt%、Mg6wt%、RE1wt%、Ba1wt%、Ca0.8wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述孕育剂的成分为Si70wt%、Ba4wt%、Ca0.8wt%、Al1.2wt%、纳米硼化钛5wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述纳米硼化钛的粒径为10nm。
步骤5、浇注
先将砂箱底部铺满铸造用石英砂，然后放入涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型，采用雨淋式加砂方式将铸造用的石英砂填充至砂箱中，预留好浇注口后，在振动台上振实，振动频率50Hz，振动幅度在0.5mm，开启真空系统，将砂箱内压力抽至-0.085MPa，然后将转移至浇注工段的球化孕育铁液从预留的浇注口注入砂箱的球磨机端盖模型中，浇注过程中保持浇注口处球化孕育铁液的温度在1380℃，浇注完成后，抽真空继续保持负压6分钟后，停止抽真空，待冷却至室温后，取出固化铸件，得到球磨机端盖粗品。
步骤6、后处理
将球磨机端盖粗品放入退火炉中，通氮气保护下，以1℃/min的升温速率将球磨机端盖粗品加热至890℃，恒温2h后，停止加热，随炉缓慢冷却至400℃后，出炉置于空气中冷却至室温，然后将表面打磨至球磨机设备所需粗糙度，即得到球磨机端盖成品。
实施例3：利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法
步骤1、消失模制作
按照球磨机端盖的结构尺寸，用数控编程和电脑自动化切割技术制备出与球磨机端盖一致的塑料泡沫模型，然后将塑料泡沫模型在60℃下干燥20小时，得到球磨机端盖模型；
所述塑料泡沫的材质为苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物；
所述塑料泡沫的密度为0.020g/cm3。
步骤2、耐火涂料的制备
所述耐火涂料的具体配方为，以重量份计：
水溶性酚醛树脂 45份、
六亚甲基四胺 1.2份、
改性石墨粉 13份、
高模数硅酸钾水溶液 25份、
硼砂 3份、
二硼化锆 5份、
二硅化钼 6份、
锂辉石粉 1.5份、
海泡石 6份、
硅酸镁铝 3份、
铝矾土 55份、
木质素磺酸钠 3.0份、
聚氧丙烯乙二醇醚 1.0份、
去离子水 45份；
所述水溶性酚醛树脂的粘度为30mPa·s，固含量为50wt%；
所述改性石墨粉，其制备方法为：将石墨粉、单宁酸加入去离子水中，用高速分散均质机在9000转/分下均质分散5小时后转移至反应釜中，控制搅拌速率850转/分下升温并恒温在85℃，然后加入三氟乙酸，冷凝回流状态下，恒温搅拌反应8小时后，停止搅拌，降至室温，静置沉降30小时后，排出上清液，对底部富含石墨粉体的液态物进行离心处理，离心得到的固体用去离子水洗涤至pH值为7.0后，放入90℃烘箱中干燥9小时后得到改性石墨粉；
所述石墨粉的粒径为1500nm；
所述石墨粉、单宁酸、去离子水、三氟乙酸的投料质量比为55:13:160:10；
所述高模数硅酸钾水溶液中高模数硅酸钾的质量浓度为20wt%；
所述高模数硅酸钾的模数为2.5；
所述二硼化锆的粒径为500nm；
所述二硅化钼的粒径为800nm；
所述锂辉石粉的粒径为6000nm；
所述海泡石的粒径为2000nm；
所述硅酸镁铝的粒径为9μm；
所述铝矾土的粒径为30μm；
所述耐火涂料的制备方法为：按所述耐火涂料以重量份计的具体配方，先将去离子水、木质素磺酸钠、聚氧丙烯乙二醇醚、六亚甲基四胺、硼砂、水溶性酚醛树脂放入高速搅拌混料釜中，在8500转/分下搅拌25分钟后，再加入改性石墨粉，搅拌35分钟后再加二硼化锆、二硅化钼、锂辉石粉，持续搅拌3小时后，再加入铝矾土和高模数硅酸钾水溶液，然后持续搅拌4小时，再加入海泡石、硅酸镁铝，继续搅拌5小时后出料，得到耐火涂料。
步骤3、涂覆耐火涂层
将球磨机端盖模型全部浸没入耐火涂料中，浸渍50秒后，提出，置于室温环境中在50%的相对空气湿度下干燥10小时，然后再刷涂第二遍耐火涂料，再于室温环境中在50%的相对空气湿度下干燥3小时后，再进行第三遍刷涂，刷涂完毕后，放入烘箱中，在50℃下干燥3小时后，以每分钟4℃的升温速率升温至80℃下，恒温干燥24小时后，得到涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型。
步骤4、球化孕育铁液的制备
铁液的熔炼球化孕育在中频感应电炉中进行，以高纯生铁和碳素废钢为原料，球化剂选用稀土镁球化剂；先将高纯生铁加入感应电炉内，升温至1460℃，熔化成液体后，再升温至1540℃，加入碳素废钢，待碳素废钢完全熔化成铁液后出炉，采用包内冲入法进行球化孕育处理，铁液冲入前，先将球化剂置于堤坝式包的底坑中，然后覆盖上孕育剂，捣实，再将铁液冲入堤坝式包内，球化孕育处理过程中，维持堤坝式包内铁液的温度在1480℃，球化孕育处理时间控制在铁液全部冲入堤坝式包内后4分钟以内，球化孕育完成后将球化孕育铁液迅速转移至浇注工段，准备浇注；
所述高纯生铁、碳素废钢、球化剂、孕育剂的投料量，依据球墨铸铁牌号QT600-3的成分要求而定，即球化孕育完成后得到的球化孕育铁液中，各元素成分的含量应满足QT600-3的成分要求；
所述QT600-3的成分要求为C3.7wt%、Si2.2wt%、Mn0.45wt%、Cu0.5wt%、Mg0.08wt%、P0.02wt%、S0.02wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述高纯生铁的成分要求为C5.0wt%、Si2.0%、P0.04wt%、S0.025wt%、Mn0.3wt%、Sn0.0006wt%、Sb0.005wt%、Ti0.06wt%、Al0.004wt%、As0.0012wt%、Bi0.0003wt%、Pb0.0005wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述碳素废钢的成分要求为C0.22wt%、Mn0.35wt%、Si0.30wt%、S0.015wt%、P0.030wt%、Cr0.050wt%、Mo0.050wt%、Cu0.050wt%、Ti0.050wt%、Pb0.001wt%、Sb0.010wt%、As0.020wt%、Al0.20wt%、V0.01wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述稀土镁球化剂的成分为 Si45wt%、Mg7wt%、RE2wt%、Ba2wt%、Ca2wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述孕育剂的成分为Si75wt%、Ba6wt%、Ca1.5wt%、
Al1.5wt%、纳米硼化钛10wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述纳米硼化钛的粒径为80nm。
步骤5、浇注
先将砂箱底部铺满铸造用石英砂，然后放入涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型，采用雨淋式加砂方式将铸造用的石英砂填充至砂箱中，预留好浇注口后，在振动台上振实，振动频率85Hz，振动幅度在2.5mm，开启真空系统，将砂箱内压力抽至-0.070MPa，然后将转移至浇注工段的球化孕育铁液从预留的浇注口注入砂箱的球磨机端盖模型中，浇注过程中保持浇注口处球化孕育铁液的温度在1420℃，浇注完成后，抽真空继续保持负压11分钟后，停止抽真空，待冷却至室温后，取出固化铸件，得到球磨机端盖粗品。
步骤6、后处理
将球磨机端盖粗品放入退火炉中，通氮气保护下，以2℃/min的升温速率将球磨机端盖粗品加热至960℃，恒温6h后，停止加热，随炉缓慢冷却至450℃后，出炉置于空气中冷却至室温，然后将表面打磨至球磨机设备所需粗糙度，即得到球磨机端盖成品。
对比例1：实施例1基础上，步骤2、耐火涂料的制备中，石墨粉不进行改性，11份改性石墨粉等量替换为11份石墨粉，具体操作如下：
步骤1操作同于实施例1；
步骤2、耐火涂料的制备中，将耐火涂料配方中的11份改性石墨粉等量替换为11份石墨粉，其它不变；
所述石墨粉的粒径为500nm；
步骤3、4、5、6操作同于实施例1。
对比例2：实施例1基础上，步骤2、耐火涂料的制备中，将4份二硼化锆和5份二硅化钼等量替换为9份铝矾土，其它不变，具体操作如下：
步骤1操作同于实施例1；
步骤2、耐火涂料的制备中，将耐火涂料配方中的4份二硼化锆和5份二硅化钼等量替换为9份铝矾土，其它不变；
步骤3、4、5、6操作同于实施例1。
对比例3：实施例1基础上，步骤4、球化孕育铁液的制备中，孕育剂的成分中不加入纳米硼化钛，具体操作如下：
步骤1、2、3操作同于实施例1；
步骤4、球化孕育铁液的制备
所述孕育剂的成分为Si74wt%、Ba5wt%、Ca 1.1wt%、Al1.5wt%，其余不足100wt%的部分为Fe，其它操作同于实施例1；
步骤5、6操作同于实施例1。
性能测试：
参照《GB/T 1348-2009 球墨铸铁件》、《GB/T 9441-2009 球墨铸铁金相检验》对实施例1、2、3和对比例1、2、3所得球磨机端盖成品，进行相关性能指标的测试，其中石墨球化级别越大，球化率越低，性能越差，而石墨球大小级别刚好相反，级别越大，性能越好，测试结果见表1：
表1
由表1测试结果可以看到，石墨粉不做改性的对比例1，力学强度远低于三个实施例，而且石墨球化级别和石墨球大小级别也严重变差，这可能是因为石墨粉不做改性，石墨粉与涂层结合不够牢固，高温浇筑时渗碳严重，导致球墨铸铁内部碳含量上升而引起整体综合性能的下降；对比例2中，耐火涂料配方中不加二硼化锆和二硅化钼，力学性能显著低于三个实施例，而且金相组织方面，石墨球化级别和石墨球大小级别也变差，这说明二硼化锆和二硅化钼对涂层的高温稳定性起到重要的支撑作用，能够防止涂层高温环境下向铸件内部的渗碳效应；对比例3中，孕育剂的成分中不加入纳米硼化钛，对比例3所得球磨机端盖成品的力学性能降幅最为严重，而且石墨球化级别和石墨球大小级别也降至最差，这表明纳米硼化钛对球墨铸铁的石墨球化有积极的催化作用，能够显著提高球墨铸铁金相组织结构的规整度，进而赋予铸件优异的力学性能，从附图中的两张金相显微镜照片也可以明显看出，实施例1的截面中，石墨小球的形状更为圆润且密度也远高于对比例3。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，其特征在于：
所述利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，包括消失模制作、耐火涂料的制备、涂覆耐火涂层、球化孕育铁液的制备、浇注、后处理6个步骤；
所述耐火涂料的制备，其方法为：按所述耐火涂料以重量份计的具体配方，先将去离子水、木质素磺酸钠、聚氧丙烯乙二醇醚、六亚甲基四胺、硼砂、水溶性酚醛树脂放入高速搅拌混料釜中，在5000~8500转/分下搅拌15~25分钟后，再加入改性石墨粉，搅拌20~35分钟后再加二硼化锆、二硅化钼、锂辉石粉，持续搅拌2~3小时后，再加入铝矾土和高模数硅酸钾水溶液，然后持续搅拌2~4小时，再加入海泡石、硅酸镁铝，继续搅拌2~5小时后出料，得到耐火涂料；
所述耐火涂料的具体配方为，以重量份计：
水溶性酚醛树脂 20~45份、
六亚甲基四胺 0.5~1.2份、
改性石墨粉 8~13份、
高模数硅酸钾水溶液 15~25份、
硼砂 1~3份、
二硼化锆 2~5份、
二硅化钼 2~6份、
锂辉石粉 0.5~1.5份、
海泡石 3~6份、
硅酸镁铝 1~3份、
铝矾土 35~55份、
木质素磺酸钠 1.0~3.0份、
聚氧丙烯乙二醇醚 0.5~1.0份、
去离子水 20~45份；
所述水溶性酚醛树脂的粘度为12~30mPa·s，固含量为35~50wt%；
所述改性石墨粉，其制备方法为：将石墨粉、单宁酸加入去离子水中，用高速分散均质机在5000~9000转/分下均质分散3~5小时后转移至反应釜中，控制搅拌速率500~850转/分下升温并恒温在60~85℃，然后加入三氟乙酸，冷凝回流状态下，恒温搅拌反应4~8小时后，停止搅拌，降至室温，静置沉降20~30小时后，排出上清液，对底部富含石墨粉体的液态物进行离心处理，离心得到的固体用去离子水洗涤至pH值为6.5~7.0后，放入70~90℃烘箱中干燥5~9小时后得到改性石墨粉；
所述石墨粉的粒径为30~1500nm；
所述石墨粉、单宁酸、去离子水、三氟乙酸的投料质量比为30~55:5~13:130~160:5~10；
所述高模数硅酸钾水溶液中高模数硅酸钾的质量浓度为10~20wt%；
所述高模数硅酸钾的模数为1.3~2.5；
所述二硼化锆的粒径为10~500nm；
所述二硅化钼的粒径为10~800nm；
所述锂辉石粉的粒径为500~6000nm；
所述海泡石的粒径为50~2000nm；
所述硅酸镁铝的粒径为0.5~9μm；
所述铝矾土的粒径为3~30μm；
所述球化孕育铁液的制备，其方法为：铁液的熔炼球化孕育在中频感应电炉中进行，以高纯生铁和碳素废钢为原料，球化剂选用稀土镁球化剂；先将高纯生铁加入感应电炉内，升温至1420~1460℃，熔化成液体后，再升温至1500~1540℃，加入碳素废钢，待碳素废钢完全熔化成铁液后出炉，采用包内冲入法进行球化孕育处理，铁液冲入前，先将球化剂置于堤坝式包的底坑中，然后覆盖上孕育剂，捣实，再将铁液冲入堤坝式包内，球化孕育处理过程中，维持堤坝式包内铁液的温度在1440~1480℃，球化孕育处理时间控制在铁液全部冲入堤坝式包内后2~4分钟以内，球化孕育完成后将球化孕育铁液迅速转移至浇注工段，准备浇注；
所述高纯生铁、碳素废钢、球化剂、孕育剂的投料量，依据球墨铸铁牌号QT600-3的成分要求而定，即球化孕育完成后得到的球化孕育铁液中，各元素成分的含量应满足QT600-3的成分要求；
所述QT600-3的成分要求为C3.6～3.7wt%、Si2.1～2.2wt%、Mn0.42～0.45wt%、Cu0.25～0.5wt%、Mg0.05～0.08wt%、P＜0.02wt%、S＜0.02wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述高纯生铁的成分要求为C4.0~5.0wt%、Si1.3~2.0%、P≤0.04wt%、S≤0.025wt%、Mn≤0.3wt%、Sn≤0.0006wt%、Sb≤0.005wt%、Ti≤0.06wt%、Al≤0.004wt%、As≤0.0012wt%、Bi≤0.0003wt%、Pb≤0.0005wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述碳素废钢的成分要求为C0.06~0.22wt%、Mn≤0.35wt%、Si≤0.30wt%、S≤0.015wt%、P≤0.030wt%、Cr≤0.050wt%、Mo≤0.050wt%、Cu≤0.050wt%、Ti≤0.050wt%、Pb≤0.001wt%、Sb≤0.010wt%、As≤0.020wt%、Al≤0.20wt%、V≤0.01wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述稀土镁球化剂的成分为 Si40～45wt%、Mg6～7wt%、RE1～2wt%、Ba1～2wt%、Ca0.8～2wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述孕育剂的成分为Si70~75wt%、Ba4~6wt%、Ca0.8~1.5wt%、
Al≤1.5wt%、纳米硼化钛5~10wt%，其余不足100wt%的部分为Fe；
所述纳米硼化钛的粒径为10~80nm。
2.根据权利要求1所述的利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，其特征在于：
所述消失模制作，其方法为：按照球磨机端盖的结构尺寸，用数控编程和电脑自动化切割技术制备出与球磨机端盖一致的塑料泡沫模型，然后将塑料泡沫模型在40~60℃下干燥12~20小时，得到球磨机端盖模型；
所述塑料泡沫的材质为可发性聚苯乙烯、可发性聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物中的一种；
所述塑料泡沫的密度为0.015~0.020g/cm3。
3.根据权利要求2所述的利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，其特征在于：
所述涂覆耐火涂层，其方法为：将球磨机端盖模型全部浸没入耐火涂料中，浸渍30~50秒后，提出，置于室温环境中在30~50%的相对空气湿度下干燥5~10小时，然后再刷涂第二遍耐火涂料，再于室温环境中在30~50%的相对空气湿度下干燥2~3小时后，再进行第三遍刷涂，刷涂完毕后，放入烘箱中，在35~50℃下干燥1~3小时后，以每分钟2~4℃的升温速率升温至65~80℃下，恒温干燥15~24小时后，得到涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型。
4.根据权利要求3所述的利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，其特征在于：
所述浇注，其方法为：先将砂箱底部铺满铸造用石英砂，然后放入涂覆耐火涂层的球磨机端盖模型，采用雨淋式加砂方式将铸造用的石英砂填充至砂箱中，预留好浇注口后，在振动台上振实，振动频率50~85Hz，振动幅度在0.5~2.5mm，开启真空系统，将砂箱内压力抽至-0.085~-0.070MPa，然后将转移至浇注工段的球化孕育铁液从预留的浇注口注入砂箱的球磨机端盖模型中，浇注过程中保持浇注口处球化孕育铁液的温度在1380~1420℃，浇注完成后，抽真空继续保持负压6~11分钟后，停止抽真空，待冷却至室温后，取出固化铸件，得到球磨机端盖粗品。
5.根据权利要求4所述的利用球墨铸铁制造球磨机端盖的消失模铸造方法，其特征在于：
所述后处理，其方法为：将球磨机端盖粗品放入退火炉中，通氮气保护下，以1~2℃/min的升温速率将球磨机端盖粗品加热至890～960℃，恒温2~6h后，停止加热，随炉缓慢冷却至400~450℃后，出炉置于空气中冷却至室温，然后将表面打磨至球磨机设备所需粗糙度，即得到球磨机端盖成品。
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