CN117779202B - 一种铸造用多晶粉、铸造面层材料及其制备方法与在精铸制壳工艺中应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸造用多晶粉、铸造面层材料及其制备方法与在精铸制壳工艺中应用，属于熔模精密铸造技术领域。该多晶粉，其由以下质量百分比的成分组成：Zr4‑6％，Al 75‑80％，Si 15‑20％；其中质量百分比＞99％的多晶粉的粒度≤0.075mm。有益效果：本发明针对现有技术生产工艺中存在的不足，把活性游离材料，经过2200℃以上的高温熔融，把活性晶体变为稳定的刚玉相、莫来石相及少量玻璃相等。制得的材料对酸和碱的抵抗能力强，在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下，不发生变化，因此制得的型壳，其尺寸稳定、热稳定性及高温下化学稳定性好。锰铁、硅锡、锆镍等都不与它发生反应。因此铸造出的铸件表面无粘砂，无麻坑，光洁度好。
Description
技术领域
本发明涉及熔模精密铸造技术领域，具体涉及一种铸造用多晶粉、铸造面层材料及其制备方法与在精铸制壳工艺中应用。
背景技术
随着人们生活日常的不断提高，熔模精密铸造对锆英粉需求量不断增加。
熔模铸造面层材料多晶粉替代锆英粉，要求多晶材料需要有良好的高温和湿温强度，耐火度高，分散性、流平性、涂挂性好；不与钢水中的金属元素发生反应，且不能产生铸件表面任何缺陷，例如粘砂、毛刺、漏孔、欠铸、凹陷等。
现有锆英粉用于铸造行业，不但价格是多晶粉的一倍(锆粉2万元、多晶粉1万元)，在生产201、40Cr等铸造，由于锆英粉中游离SiO2易与钢水中锰等金属元素发生反应，表面产生麻坑、裂纹等缺陷，形成化学粘砂，脱壳性能差，给后道清砂带来很多工作不便。
公布号为CN110803943A的中国专利申请文献，公开了一种低杂质的铸造多晶和铸锭单晶用免喷坩埚及其制备方法，在基体内表面对应液线以上区域涂覆有氮化硅涂层Ⅰ，对应硅液线以下区域及坩埚底部涂覆有氮化硅涂层Ⅱ。氮化硅涂层Ⅰ为四层结构，其基底层为硬质强化氮化硅涂层，中间为缓冲层，表面为硬质保护层。缓冲层的存在，使得硅液线区域可以更好的抵御坩埚的收缩。表面光滑硬质层可提供抵御硅液冲刷的能力，保证隔绝强度，中间缓冲层可减少坩埚收缩对表面硬质涂层的影响、最大限度减少表面涂层开裂情况，底部基体层提供了良好的涂层附着力。该专利侧重氮化硅涂层硬质技术，以此实现更少的粉底材料、减少硅锭杂质含量及减少硅锭位错等缺陷，大幅度改善硅锭脱模效果，减少硅锭粘埚现象。但该专利并未公开本申请的多晶粉配方以及将其用于精铸制壳工艺中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种新的多晶粉材料来替代现有的锆英粉用于铸造行业。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
本发明的第一方面提出一种铸造用多晶粉，其由以下质量百分比的成分组成：Zr4-6％，Al 75-80％，Si 15-20％；其中质量百分比＞99％的多晶粉的粒度≤0.075mm。
有益效果：本发明针对现有技术生产工艺中存在的不足，把活性游离材料，经过2200℃以上的高温熔融，把活性晶体变为稳定的刚玉相、莫来石相及少量玻璃相等。
制得的材料对酸和碱的抵抗能力强，在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下，不发生变化，因此制得的型壳，其尺寸稳定、热稳定性及高温下化学稳定性好。锰铁、硅锡、锆镍等都不与它发生反应。因此铸造出的铸件表面无粘砂，无麻坑，光洁度好。
优选的，其由以下质量百分比的成分组成：Zr 5％，Al 78％，Si 17％。
优选的，多晶粉中铁含量杂质控制在≤0.05％。
优选的，该多晶粉的粒度分布质量占比如下：
| 粒度(μm) | ＜5 | 5～40 | 41～75 | ＞75 |
| 含量(％) | ＜10 | ≥68 | ＜22 | ＜1 |
本发明的第二方面提出上述铸造用多晶粉的制备方法，包括以下步骤：
按上述质量百分比将Zr、Al、Si三种原料进行配比，熔融，冷却，破碎，研磨，粒度配比，即得。
优选的，所述熔融的温度大于等于2200℃，时间为10-18h。
优选的，所述熔融的温度为2200℃，时间为15h。
优选的，所述研磨采用球磨机进行研磨。
本发明的第三方面提出一种铸造面层材料，其含有上述铸造用多晶粉。
本发明的第四方面提出上述铸造面层材料的制备方法，包括以下步骤：
将上述多晶粉和硅溶胶按质量比1：3.2-3.5配料，再加入0.4-0.5％润湿剂和0.2-0.4％消泡剂，搅拌30h以上，沾浆后撒80-120目多晶砂，浆液粘度控制在50±2(Pa·s)，搅拌12小时以上，面层浆车间湿度60-75％，温度25℃±2℃，干燥时间6-8小时，即得；所述润湿剂、消泡剂的添加量是指占硅溶胶的质量比例。
本发明的第五方面提出上述多晶粉、铸造面层材料在精铸制壳工艺中应用。
本发明的优点在于：
1、本发明针对现有技术生产工艺中存在的不足，把活性游离材料，经过2200℃以上的高温熔融，把活性晶体变为稳定的刚玉相、莫来石相及少量玻璃相等。
制得的材料对酸和碱的抵抗能力强，在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下，不发生变化，因此制得的型壳，其尺寸稳定、热稳定性及高温下化学稳定性好。锰铁、硅锡、锆镍等都不与它发生反应。因此铸造出的铸件表面无粘砂，无麻坑，光洁度好。
2、本专利针对熔模铸造针对铸件产品精度高，表面要求光洁度好等特点，多晶粉克服了锆粉针对部分铸件产品，易产生化学粘砂形成麻坑，裂纹等缺陷，提高稳定产品质量。
3、此外，材料还具有以下优点：
①耐火度高，＞1900℃，热化学稳定性好；
②能承受高温钢水冲击和蓄热要求；浇注温度达到1680℃，重量240克的叶轮产品。浇注300千克大型泵体，壁厚10mm以上特大件，无粘砂。
③重烧线性变化稳定，膨胀系数小；膨胀系数5.4x10-6(100～1100℃)。散热10小时以上，冷却外壳45℃以下。
④粒度分布好，浆液比配制后粉液比高；
⑤残余强度低，便于清砂；
⑥表面光洁度好，无化学粘砂现象。
附图说明
图1为本发明的多晶粉的制备工艺流程图；
图2为本发明实施例1和对比例1制得的铸件的表面对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1：
一种铸造用多晶粉的制备方法，包括以下步骤：
按质量百分比的Zr 5％，Al 78％、Si 17％将三种原料进行配比，原料的粒度不要太细，粒度5～20mm质量占比＞90％。(原料必须充分干燥，料层不要太厚，增加透气性，均匀加料)。经电弧炉在2200℃还原气氛下熔融15小时，经冷却，先通过粗破碎后，除铁杂质，再进入细破碎，再次除铁杂质，确保杂质铁含量在0.05％以下(质量百分比)。将细破碎后的粉料置于球磨机进行研磨，研磨之后，用选粉机筛选，对于粒度＞75um的粉体回到上一步骤继续研磨，直至粒度0.045mm通过率＞95％的粉体，停止研磨和筛选，经配料器对不同粒度的粉体进行一定的比例配比(具体比例如下表1所示)，得到精铸面层铸造用多晶粉。
表1：多晶粉粒度比例分布表
| 粒度(um) | ＜5 | 5～40 | 41～75 | ＞75 |
| 含量(％) | 9.5 | 68 | 21.6 | 0.9 |
将该铸造用多晶粉在精铸制壳工艺中的应用：
一种铸造面层材料，其含有上述铸造用多晶粉，具体制备方法，包括以下步骤：
在制浆桶中按粉液质量比1:3.2加入上述铸造用多晶粉和硅溶胶，再加入0.5％润湿剂WE2410和0.3％消泡剂CHE-3002，(润湿剂、消泡剂的添加量是指占硅溶胶的质量比例，此处润湿剂、消泡剂的种类只是举例，而不是限定，采用其他种类的润湿剂、消泡剂也可以)充分搅拌33小时(初次开浆)，沾浆后撒80-120目多晶砂，浆液粘度控制在48(Pa·s)，搅拌12小时，面层浆车间湿度60％，温度23℃，干燥时间6小时，即得。
将该含有多晶粉的铸造面层材料用于产品的精铸制壳，铸件如图2中B所示，铸造出的铸件表面无粘砂，无麻坑，光洁度好。
并对含有多晶粉的铸造面层材料进行性能测试，发现其耐火度高，＞1900℃，热化学稳定性好；能承受高温钢水冲击和蓄热要求；浇注温度达到1680℃，重量240克的叶轮产品。浇注300千克大型泵体，壁厚10mm以上特大件，无粘砂。重烧线性变化稳定，膨胀系数小；膨胀系数5.4x10-6(100～1100℃)。散热10小时以上，冷却外壳45℃以下。
实施例2：
一种铸造用多晶粉的制备方法，包括以下步骤：
按质量百分比的Zr 4％，Al 80％、Si 16％将三种原料进行配比，原料的粒度不要太细，粒度5～20mm质量占比为92％。(原料必须充分干燥，料层不要太厚，增加透气性，均匀加料)。经电弧炉在2400℃还原气氛下熔融12小时，经冷却，先通过粗破碎后，除铁杂质，再进入细破碎，再次除铁杂质，杂质铁含量在0.04％(质量百分比)。将细破碎后的粉料置于球磨机进行研磨，研磨之后，用选粉机筛选，对于粒度＞75um的粉体回到上一步骤继续研磨，直至粒度0.045mm通过率为96％的粉体，停止研磨和筛选，经配料器对不同粒度的粉体进行一定的比例配比(具体比例如下表2所示)，得到精铸面层铸造用多晶粉。
表2：多晶粉粒度比例分布表
| 粒度(um) | ＜5 | 5～40 | 41～75 | ＞75 |
| 含量(％) | 6.5 | 73 | 20 | 0.5 |
将该铸造用多晶粉在精铸制壳工艺中的应用：
一种铸造面层材料，其含有上述铸造用多晶粉，具体制备方法，包括以下步骤：
在制浆桶中按粉液质量比1:3.5加入上述铸造用多晶粉和硅溶胶，再加入0.4％润湿剂WE2410和0.2％消泡剂CHE-3002，(润湿剂、消泡剂的添加量是指占硅溶胶的质量比例，此处润湿剂、消泡剂的种类只是举例，而不是限定，采用其他种类的润湿剂、消泡剂也可以)充分搅拌32小时(初次开浆)，沾浆后撒80-120目多晶砂，浆液粘度控制在50(Pa·s)，搅拌13小时，面层浆车间湿度65％，温度25℃，干燥时间8小时，即得。
将该含有多晶粉的铸造面层材料用于产品的精铸制壳，铸件性能与实施例1相似。
实施例3：
一种铸造用多晶粉的制备方法，包括以下步骤：
按质量百分比的Zr 6％，Al 75％、Si 19％将三种原料进行配比，原料的粒度不要太细，粒度5～20mm质量占比为93％。(原料必须充分干燥，料层不要太厚，增加透气性，均匀加料)。经电弧炉在2300℃还原气氛下熔融16小时，经冷却，先通过粗破碎后，除铁杂质，再进入细破碎，再次除铁杂质，确保杂质铁含量在0.045％(质量百分比)。将细破碎后的粉料置于球磨机进行研磨，研磨之后，用选粉机筛选，对于粒度＞75um的粉体回到上一步骤继续研磨，直至粒度0.045mm通过率为96％的粉体，停止研磨和筛选，经配料器对不同粒度的粉体进行一定的比例配比(具体比例如下表3所示)，得到精铸面层铸造用多晶粉。
表3：多晶粉粒度比例分布表
| 粒度(um) | ＜5 | 5～40 | 41～75 | ＞75 |
| 含量(％) | 5 | 73.6 | 21 | 0.4 |
将该铸造用多晶粉在精铸制壳工艺中的应用：
一种铸造面层材料，其含有上述铸造用多晶粉，具体制备方法，包括以下步骤：
在制浆桶中按粉液质量比1:3.3加入上述铸造用多晶粉和硅溶胶，再加入0.6％润湿剂WE2410和0.4％消泡剂CHE-3002，(润湿剂、消泡剂的添加量是指占硅溶胶的质量比例，此处润湿剂、消泡剂的种类只是举例，而不是限定，采用其他种类的润湿剂、消泡剂也可以)充分搅拌30小时(初次开浆)，沾浆后撒80-120目多晶砂，浆液粘度控制在52(Pa·s)，搅拌14小时，面层浆车间湿度75％，温度27℃，干燥时间6小时，即得。
将该含有多晶粉的铸造面层材料用于产品的精铸制壳，铸件性能与实施例1相似。
对比例1：
现有的锆英粉铸造面层材料用于产品的精铸制壳，铸件如图2中A所示，铸造出的铸件表面无粘砂，有少许麻坑，光洁度较好。
对采用实施例1、对比例1的铸造面层材料生产的多批次铸件进行304玻璃夹试验和316酒杯试验测试，测试结果如下表4和表5所示：
表4：304玻璃夹试验结果对比表
表5：316酒杯试验结果对比表
从表4和表5，可知实验结果多晶粉替代锆砂粉在304、316两种材质使用，质量和锆粉材料做出产品接近，完全可以替代使用。
经济效益评估：
生产厂原每月用锆粉4吨，现用多晶砂后每月使用3吨，锆英粉目前市场售价19000元/吨；多晶粉目前市场售价9800元/吨；19000*4-9800*3＝46600元，故生产厂共节约费用46600元。
以上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精神和范围。
Claims (10)
1.一种铸造用多晶粉，其特征在于，包括以下步骤：其由以下质量百分比的成分组成：Zr 4-6%，Al 75-80%，Si 15-20%；其中质量百分比＞99%的多晶粉的粒度≤0.075mm；
该多晶粉中铁杂质含量控制在≤0.05%；该多晶粉的粒度分布质量占比如下：粒度＜5μm的多晶粉质量占比＜10%，粒度5~40μm的多晶粉质量占比≥68%，粒度41~75μm的多晶粉质量占比＜22%，粒度＞75μm的多晶粉质量占比＜1%。
2.根据权利要求1所述的铸造用多晶粉，其特征在于，其由以下质量百分比的成分组成：Zr 5%，Al 78%，Si 17%。
3.根据权利要求1所述的铸造用多晶粉，其特征在于，该多晶粉中铁杂质含量控制在0.04%。
4.根据权利要求1所述的铸造用多晶粉，其特征在于，该多晶粉的粒度分布质量占比如下：粒度＜5μm的多晶粉质量占比9.5%，粒度5~40μm的多晶粉质量占比68%，粒度41~75μm的多晶粉质量占比21.6%，粒度＞75μm的多晶粉质量占比0.9%。
5.权利要求1-4任一项所述的铸造用多晶粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按质量百分比将Zr、Al、Si三种原料进行配比，熔融，冷却，破碎，研磨，粒度配比，即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔融的温度大于等于2200℃，时间为10-18h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔融的温度为2200℃，时间为15h。
8.一种铸造面层材料，其特征在于，其含有权利要求1-4任一项所述的铸造用多晶粉。
9.权利要求8所述的铸造面层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1-4任一项所述的铸造用多晶粉和硅溶胶按质量比1：3.2-3.5配料，再加入0.4-0.5%润湿剂和0.2-0.4%消泡剂，搅拌30h以上，沾浆后撒80-120目多晶砂，浆液粘度控制在50±2（Pa·s），搅拌12小时以上，面层浆车间湿度60-75%，温度25℃±2℃，干燥时间6-8小时，即得；所述润湿剂、消泡剂的添加量是指占硅溶胶的质量比例。
10.权利要求1-4任一项所述的铸造用多晶粉、权利要求8所述的铸造面层材料在精铸制壳工艺中应用。
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Denomination of invention: A polycrystalline powder for casting, casting surface layer material and its preparation method, and its application in precision casting shell making process Granted publication date: 20240806 Pledgee: Bank of China Limited Huaibei branch Pledgor: Anhui Jingnai New Material Co.,Ltd. Registration number: Y2025980009513 |