CN109226677A - 一种砂型铸造模具及利用该砂型铸造模具制备斗齿齿座的方法 - Google Patents

一种砂型铸造模具及利用该砂型铸造模具制备斗齿齿座的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种砂型铸造模具及利用该砂型铸造模具制备斗齿齿座的方法，属于机械技术领域。本发明的砂型铸造模具由基体和基体内表面涂覆的一层修饰层组成，所述修饰层的组分中包括粒径分布为20nm‑50nm的α‑Al2O3。本发明的砂型铸造模具能够提供金属液以良好流动性、降低铸件表层缺陷，使用该铸造模具斗齿齿座可有效提高其力学性能。

Description

一种砂型铸造模具及利用该砂型铸造模具制备斗齿齿座的 方法
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种砂型铸造模具及利用该砂型铸造模具制备斗齿齿座的方法。
背景技术
挖掘机斗齿是挖掘机上的重要易耗部件，类似于人的牙齿，是由齿座和齿尖组成的组合斗齿，二者靠销轴连接。挖掘机斗齿在矿山采掘、地质勘探和基础建设过程中，直接与岩土、矿石等接触，不仅承受岩土、矿石等的摩擦磨损，而且还会承受一定的冲击载荷，因此它成了挖掘机的最易磨损件，每台挖掘机每年会消耗大量的斗齿配件。斗齿齿座是挖掘机中重要的部件，它是连接斗齿和铲斗的重要构件，斗齿齿座设置在挖掘机铲斗的底板上，斗齿齿座的使用可以减少对底板的损伤，使得挖掘中的大部分磨损集中在斗齿上，降低了挖掘机的损耗成本。齿座要求有较高的韧性和硬度，同时要有良好的焊接性，以保证焊口强度和焊接的可靠性。现有技术中的的齿座寿命很短，很容易发生断裂或者裂纹，其原因是齿座的焊接性和耐磨性差，冲击韧性和抗拉强度也较低。
齿座一般采用铸铁或合金钢制成，为了保证齿座的韧性和硬度，需要铸铁中具有较高的碳含量和合金含量，然而较高的碳含量和合金含量则难以保证较好的焊接性能，同时也会导致铸造过程中熔融铁水的流动性降低，铸件易产生缩松缺陷，而难以得到致密度高、外形完整、力学性能好的产品。在实际生产中，为了提高铁水的流动性，往往采用提高温度的方法，然而采用过高的温度浇注时，会引起砂型涨大，铸件废品率大幅提高，也提高了制造成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种透气性好、能够提供金属液以良好流动性、降低铸件表层缺陷的砂型铸造模具。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种砂型铸造模具，所述砂型铸造模具由基体和基体内表面涂覆的一层修饰层组成，所述修饰层的组分中包括粒径分布为20nm-50nm的α-Al2O3。
本发明通过在石英砂表面形成一层具有纳米α-Al2O3的修饰层，并控制纳米α-Al2O3尺寸大小，由于纳米α-Al2O3特定的结构和性质，使得砂型模具表面具有特定的表面性能，可有效降低模具表面的表面张力，在金属液与模具表面接触时，由于金属液表层与模具表面的表面张力差较大，能够降低金属液与模具表面的界面张力，从而提高金属液在砂型型腔内的流动性，并减缓金属液在接触砂型模具后结膜的时间，使金属液表层下形成的气泡有时间也因表面张力差而更易于析出，从而减少了铸件皮下气孔的生成，进而可提高铸件的力学性能。
作为优选，所述修饰层由修饰液涂覆在砂型铸造模具内表面后经激光扫描加热形成。
作为优选，所述修饰液的制备方法为，按照以下组分及其重量百分比准备原料：
Al(NO3)3 1.5％-3.8％、
水性丙烯酸乳液2.3％-4.0％、
聚丙烯酸酯7.6％-9.5％、
余量为水，
将上述原料混合，加入NaOH溶液调节至pH值为7.5-8.0，搅拌处理后即得修饰液。
作为优选，所述修饰液的原料中还包括有质量百分比为2.0％-5.0％的高岭土。
本发明在修饰液中加入有适量高岭土，由于其比表面积大、表面能低，收缩率大，可促进修饰层形成微小孔道，避免因仅含有α-Al2O3易形成过于致密的修饰层易造成模具气孔通道堵塞而降低模具透气性。
作为优选，所述激光扫描的扫描功率为1.5kw-2.0kw，扫描速度为150mm/min-200mm/min，光斑尺寸为5.0mm×4.5mm。
本发明在Al(NO3)3溶液中后加入NaOH溶液，生成Al(OH)3，Al(OH)3在激光扫面的高温作用下，生成Al2O3。
溶液中Al(NO3)3的浓度会影响生成的Al(OH)3尺寸，进而影响生成Al2O3的尺寸。而激光扫面的扫描功率、扫描速度、光斑尺寸是影响Al2O3生成质量的重要因素，激光扫描功率过小或者扫描速度过大，会造成局部热量不足，不足以生成α-Al2O3，激光扫描功率过大或者扫描速度过小，会在局部产生过多热量，造成修饰层过度燃烧，烧损大，模具表面粗糙，影响金属液流动。扫描功率、扫描速度、光斑尺寸大小还会直接影响Al2O3的生长速度、尺寸等性能，本发明通过控制Al(NO3)3浆液中的含量及激光扫描参数，将生成α-Al2O3的尺寸控制在20nm-50nm之间。
作为优选，所述砂型铸造模具基体由包括以下重量份数的原料制成：
本发明通过在常规的砂型原料中添加适量硅灰石，可利用其特殊的板柱状、束状或放射状等结构在砂型铸造模具中与石英砂形成细小稳定的孔隙，从而增加模具的透气性。并且还可提高模具的强度和韧性，以及模具的耐热、耐腐蚀和耐候性。另一方面能够有效减少模具的热膨胀收缩率，降低模具的吸湿膨胀性，防止在使用过程中模具受到金属液高温发生龟裂影响铸件性能。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述砂型铸造模具制备斗齿齿座的方法，所述制备方法包括以下步骤：
将合金钢的组分原料加热熔融为金属液，将金属液浇注到如权利要求1-6任一权利要求所述的砂型铸造模具中，静置后形成生坯，对生坯进行热处理，即制得斗齿齿座。
作为优选，所述合金钢的组分原料加热熔融为金属液的温度为1430℃-1460℃。
作为优选，所述金属液浇注的温度为1310℃-1340℃，
作为优选，所述热处理为将制成的生坯以8℃/min-12℃/min的速度快速降温至920℃-960℃保温2h-3h，然后以5℃/min-6℃/min的速度缓慢降温至490℃-530℃，保温3h-5h，最后降温至250℃-300℃保温3-4h。
本发明热处理时先快速降温至高温区保温，然后缓慢降温至中温区保温，最后再于低温处保温处理，有利于合金钢中晶粒的细化尤其是碳化物的细化，避免晶粒尺寸过大，影响最终产品的韧性，同时有利于晶体的充分生成和应力的释放，减少合金钢内部应力，从而减少形变。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：砂型铸造模具表面可提供金属液以较好的流动性能和良好的金属液表层气体逸出效果，从而使使用该砂型铸造模具制备的斗齿齿座减少铸造缺陷，提高力学性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1-3为砂型铸造模具修饰层的实施例。
实施例1
本实施例中的砂型铸造模具修饰层的制备方法包括以下步骤：
(1)按重量百分比计，将1.5％Al(NO3)3、2.0％高岭土、2.3％水性丙烯酸乳液、7.6％聚丙烯酸酯和86.60％水混合均匀，加入NaOH溶液调节至pH值为7.5，搅拌30min后得到修饰液；
(2)将修饰液涂覆在砂型铸造模具内表面，对模具内表面进行激光扫描加热，形成修饰层，激光扫描的扫描功率为1.5kw，扫描速度为150mm/min，光斑尺寸为5.0mm×4.5mm，修饰层中形成粒径分布为38nm-50nm的α-Al2O3。
实施例2
本实施例中的砂型铸造模具修饰层的制备方法包括以下步骤：
(1)按重量百分比计，将2.6％Al(NO3)3、3.7％高岭土、3.0％水性丙烯酸乳液、8.3％聚丙烯酸酯和78.90％水混合均匀，加入NaOH溶液调节至pH值为7.8，搅拌30min后得到修饰液；
(2)将修饰液涂覆在砂型铸造模具内表面，对模具内表面进行激光扫描加热，形成修饰层，激光扫描的扫描功率为1.8kw，扫描速度为170mm/min，光斑尺寸为5.0mm×4.5mm，修饰层中形成粒径分布为33nm-43nm的α-Al2O3。
实施例3
本实施例中的砂型铸造模具修饰层的制备方法包括以下步骤：
(1)按重量百分比计，将3.8％Al(NO3)3、5.0％高岭土、4.0％水性丙烯酸乳液、9.5％聚丙烯酸酯和水混合均匀，加入NaOH溶液调节至pH值为8.0，搅拌30min后得到修饰液；
(2)将修饰液涂覆在砂型铸造模具内表面，对模具内表面进行激光扫描加热，形成修饰层，激光扫描的扫描功率为2.0kw，扫描速度为200mm/min，光斑尺寸为5.0mm×4.5mm，修饰层中形成粒径分布为20nm-35nm的α-Al2O3。
实施例4-6为砂型铸造模具基体的实施例。
实施例4-6中砂型铸造模具基体由如下表1所示重量份数的原料制成：
表1：实施例4-6中砂型铸造模具基体的原料配方
实施例4 实施例5 实施例6
石英砂 100份 100份 100份
硅灰石 12份 20份 30份
钙膨润土 4份 5份 6份
煤粉 1份 2份 4份
水 6份 7份 9份
实施例4-6中的砂型铸造模具基体采用常规砂型铸造模具方法制备而成即可。
实施例7-9为制备斗齿齿座的方法实施例
实施例7
本实施例中制备斗齿齿座的方法包括以下步骤：
(1)按照以下合金钢组分准备原料：0.25％C、1.6％Si、0.7％Mn、1.3％Ni、0.2％Mo、0.1％Ti、0.03％RE，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)将合金钢的组分原料在1430℃温度下熔融为金属液，将金属液在1310℃温度下浇注到具有实施例2修饰层和实施例5基体的砂型铸造模具中，静置后形成生坯；
(3)将制成的生坯以8℃/min的速度快速降温至920℃保温3h，然后以5℃/min的速度缓慢降温至490℃，保温5h，最后降温至250℃保温4h，随后空冷至室温，即制得斗齿齿座。
实施例8
本实施例中制备斗齿齿座的方法包括以下步骤：
(1)按照以下合金钢组分准备原料：0.25％C、1.6％Si、0.7％Mn、1.3％Ni、0.2％Mo、0.1％Ti、0.03％RE，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)将合金钢的组分原料在1440℃温度下熔融为金属液，将金属液在1330℃温度下浇注到具有实施例2修饰层和实施例5基体的砂型铸造模具中，静置后形成生坯；
(3)将制成的生坯以10℃/min的速度快速降温至950℃保温2.5h，然后以5.5℃/min的速度缓慢降温至500℃，保温4h，最后降温至280℃保温3.5h，随后空冷至室温，即制得斗齿齿座。
实施例9
本实施例中制备斗齿齿座的方法包括以下步骤：
(1)按照以下合金钢组分准备原料：0.25％C、1.6％Si、0.7％Mn、1.3％Ni、0.2％Mo、0.1％Ti、0.03％RE，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)将合金钢的组分原料在1460℃温度下熔融为金属液，将金属液在1340℃温度下浇注到具有实施例2修饰层和实施例5基体的砂型铸造模具中，静置后形成生坯；
(3)将制成的生坯以12℃/min的速度快速降温至960℃保温2h，然后以6℃/min的速度缓慢降温至530℃，保温3h，最后降温至300℃保温3h，随后空冷至室温，即制得斗齿齿座。
实施例10
浇注使用的砂型铸造模具具有实施例1的修饰层和实施例4的基体，其它与实施例8相同。
实施例11
浇注使用的砂型铸造模具具有实施例3的修饰层和实施例6的基体，其它与实施例8相同。
对比例1
浇注使用的砂型铸造模具没有修饰层，其他与实施例8相同。
对比例2
修饰液中，Al(NO3)3的重量百分比为4.0％，其他与实施例8相同。
对比例3
修饰液中不含高岭土，其他与实施例8相同。
对比例4
修饰层的激光扫描功率为1.5kw，其他与实施例8相同。
将本发明实施例7-11、对比例1-4中制得的斗齿齿座的性能进行比较，结果如下表2所示。
表2：实施例7-11、对比例1-4中热处理后铸件性能的比较
综上所述，本发明通过对制备斗齿齿座所用的型砂铸造模具的进行改进，在模具内表面设置一层修饰层，并合理配伍修饰层配方，有效提高了铸造过程中熔融金属液的流动性，并减少了铸件表层缺陷，同时通过合理配伍模具基体配方，进一步提高了模具基体的力学性能和透气性，使模具更加耐用，同时提高了斗齿齿座的力学性能，
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种砂型铸造模具，其特征在于，所述砂型铸造模具由基体和基体内表面涂覆的一层修饰层组成，所述修饰层的组分中包括粒径分布为20nm-50nm的α-Al2O3。
2.根据权利要求1所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述修饰层由修饰液涂覆在砂型铸造模具内表面后经激光扫描加热形成。
3.根据权利要求2所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述修饰液的制备方法为，按照以下组分及其重量百分比准备原料：
Al(NO3)3 1.5％-3.8％、
水性丙烯酸乳液 2.3％-4.0％、
聚丙烯酸酯 7.6％-9.5％、
余量为水，
将上述原料混合，加入NaOH溶液调节至pH值为7.5-8.0，搅拌处理后即得修饰液。
4.根据权利要求3所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述修饰液的原料中还包括有质量百分比为2.0％-5.0％的高岭土。
5.根据权利要求2所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述激光扫描的扫描功率为1.5kw-2.0kw，扫描速度为150mm/min-200mm/min，光斑尺寸为5.0mm×4.5mm。
6.根据权利要求2所述的一种砂型铸造模具，其特征在于，所述砂型铸造模具由包括以下重量份数的原料制成：
7.一种利用如权利要求1-6任一权利要求所述的砂型铸造模具制备斗齿齿座的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将合金钢的组分原料加热熔融为金属液，将金属液浇注到如权利要求1-6任一权利要求所述的砂型铸造模具中，静置后形成生坯，对生坯进行热处理，即制得斗齿齿座。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20200626

Termination date: 20210930