用于铝合金熔化的碳化物颗粒强化铁基铸造坩埚及制造方法

摘要

一种用于铝合金熔化的碳化物颗粒强化铁基铸造坩埚及制造方法,其坩埚材料是铁基体上密集分布着碳化物颗粒第二相,碳化物颗粒尺寸为0.5μm～1μm,碳化物颗粒的间隙≤0.5μm,该坩埚的制造方法是使铸造坩埚的钢液中含有重量1.1%～1.4%C,0.8%～2%Cr,0.01%～0.1%Ti或0.02%～0.2%Nb,向钢液中加入0.05%～0.3%wt La或/和Ce,加铝脱氧除渣后浇注,铸型砂芯内层用粘土砂,表层用树脂砂,砂芯中间堆积焦炭,砂芯表面不刷涂料,底注式浇注,坩埚清砂后用涂料涂刷内外表面,在730～750℃电阻炉中保温2～4小时,取出即可。该坩埚耐铝熔液侵蚀性比普通球铁高7倍,比铬13不锈钢高5倍,比灰口铸铁高5倍。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于铝合金熔化的碳钢铸造坩埚及制造方法，特别涉及一种耐铝合金熔液熔蚀的碳化物颗粒强化铁基铸造坩埚及制造方法。

背景技术

坩埚是机械工业、汽车工业中铸造铝合金制品必备的消耗性设备。作为熔化铝合金的器皿，随着铝合金铸件产量的增加而得到广泛应用，长期以来多采用铸铁坩埚，寿命短。灰口铸铁在高温下工作时易出现体积膨胀，导致失效；球墨铸铁坩埚因球状石墨之间的铁基体易受到铝液侵蚀而形成凹坑直至穿孔而失效。为此人们在材质上进行了改进，如对铸铁加Cr、Si形成氧化物保护层，加Si、Al、Re提高基体耐热性。铸造技术1991年第一期所述的熔铝坩埚新材料——低合金铸铁的研究一文中的新材料可提高耐铝熔蚀性较灰口铸铁高1.5倍。中国专利96229381提出采用铸造方法生产具有化学粘砂层表面的Z_G4Cr9Si2合金坩埚，然后在粘砂层的粗糙表面填充SiC或石墨材料加氧化铝或氧化镁，即“复合耐腐蚀熔铝坩埚”，该方法的缺点是利用化学粘砂会导致表面生成大块疤痕，清理困难，而且填充碳质材料加氧化物工序较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供易于生产，坩埚铸件表面容易清理，坩埚内表面涂料附着性好，抗铝合金熔液能力强，坩埚外壁在高温下氧化起皮量少的用于铝合金熔化的碳化物颗粒强化铁基铸造坩埚及其制造方法。

本发明目的是这样实现的，用于铝合金熔化的碳钢铸造坩埚，特点是在其铁基体上密集分布着碳化物颗粒第二相。

所述的碳化物颗粒尺寸为0.5μm～1μm，碳化物颗粒的间隙≤0.5μm。

所述的坩埚含有1.1％～1.4％wt碳。

所述的坩埚含有0.8％～2％wt Cr和0.01％～0.1％wt Ti或0.02％～0.2％wt Nb。

所述的坩埚含有0.05％～0.08％wt Ti或0.1％～0.16％wt Nb。

上述坩埚的制造方法，是使铸造坩埚的钢液中含1.1％～1.4％wt碳，0.8％～2％wt Cr，0.01％～0.1％wt Ti或0.02％～0.2％wt Nb，向钢液中加入0.05％～0.3％wt Ce或/和La，加铝脱氧除渣后浇注，铸型砂芯内层用粘土砂，表层用树脂砂，砂芯中间堆积焦炭，砂芯表面不刷涂料，底注式浇注，坩埚清砂后用涂料涂刷内、外表面，在730～750℃电阻炉中保温2～4小时，取出即可。

铸造砂芯所用的树脂砂由市售KJN-3型中氮呋喃树脂粘结剂和对甲苯磺酸硬化剂、石英砂成分组成，其成分重量百分数为粘结剂2％～3％、硬化剂占粘结剂30％～40％，余为石英砂，总和为重量百分之百。

坩埚清砂后的涂刷用的涂料为含重量15％氧化锌、3％水玻璃和82％水的溶液。

Ce、La以单金属或合金形式加入。

本发明利用高碳钢加入Cr、Ti或Nb及稀土Ce或/和La形成合金，在温度的作用下，金属液体中铁基材料的晶粒及碳化物颗粒细小，液体中碳化物由于合金和稀土作用具有较高的表面能，形态变得弯曲，将浇注形成的坩埚在730～750℃区间保温2～4小时，使材料中碳化物形成颗粒状，颗粒尺寸为0.5μm～1μm，对基体有强化作用，颗粒之间铁基体间隙≤0.5μm。含有合金的碳化物颗粒帮助坩埚提高了耐铝熔蚀能力和提高了抵抗坩埚炉气氧化的能力。

坩埚材料是在铁基体上高度密集分布着碳化物颗粒第二相。由于基体连续，所以具有一定的韧性，可经受炉料加入时的冲击；由于碳化物颗粒密集分布，具有满足运输、吊装所需的强度；金属碳化物比金属具有更高的熔点和化学稳定性，大量颗粒状碳化物的存在，使材料在高温下不会全部被奥氏体化，碳化物之间间隙因颗粒多而变得狭窄，结果颗粒之间铁基组织被铝合金液体熔蚀的可能性变小。利用造型工艺，使浇注后的坩埚具有粗糙内表面，保护涂料易涂刷，且不易脱落，所以该坩埚具有耐氧化和耐熔蚀的综合性能。

铸型砂芯采用树脂砂和粘土砂复合制成，砂芯中间堆积焦碳，以利于砂中气体排放，焦碳周围采用粘土砂，砂芯表面采用树脂砂，树脂砂因砂粒之间空隙大，有助于浇注时形成坩埚内表面机械粘砂，形成无疤痕但粗糙的表面，方便涂料涂刷和附着。砂芯内层用粘土砂是为了降低成本。

具体实施方式

实施例1

在中频炉中加入低碳废钢熔化后，再加入铸造生铁，熔化至高温，调整金属熔液碳含量为1.1％wt获得高碳金属液体，加入熔液重量1％的Cr和0.02％Ti，0.05％Ce，Ce用混合稀土形式加入，混合稀土中Re24.8％、Mn3.21％、Si38％(重量)，加铝脱氧，除渣浇注。采用底注式浇注法，坩埚底部朝上，内浇口连接坩埚的顶部，坩埚底部放置冒口，砂芯采用树脂砂和粘土砂复合制成，砂芯中间堆积焦碳，树脂砂采用前述树脂砂，浇注后的坩埚清砂后，采用乙炔——氧气火焰切割浇注系统和冒口，残留根部用砂轮打磨。坩埚清除掉浇冒口后，用涂料(15％氧化锌+3％水玻璃+82％水wt)涂刷内表面和外表面，在730～750℃电阻炉中保温3小时，促使坩埚材料中碳化物全部颗粒化，金相显微观察测定碳化物颗粒尺寸0.5μm～1μm，颗粒间隙≤0.5μm。本实例所获材质的耐蚀试验数据见表1。

实施例2

在电弧炉中加入低碳废钢熔化后，再加入铸造生铁，熔化至1520～1550℃，调整金属熔液碳含量为1.4％wt获得高碳金属液体，加入熔液重量2％的Cr和0.08％Nb，0.1％La，用混合稀土形式加入，混合稀土中Re24.8％、Mn3.21％、Si38％，然后按实施例1的后续工序进行，金相显微观察测定碳化物颗粒尺寸0.5μm～1μm，碳化物颗粒间隙≤0.5μm。本实例所获材质的耐蚀试验数据见表1。

从表1可以看出，本发明坩埚材质抗铝熔蚀性与普通珠光体球铁相比提高了7倍，与13不锈钢相比提高了5倍，与普通灰口铸铁相比提高了5倍，该发明可由铸钢厂生产，浇注后的坩埚，可由铸钢厂作热处理，也可由坩埚使用部门在使用前完成。

表1本发明所获材质与其它材质在ZL108液体中耐蚀试验数据(φ14×20试样置于740℃铝液中24小时)

试样材质Cr₁₃普通灰口铸铁珠光体球铁本坩埚材质实施例1本坩埚材质实施例2重量损耗率％20.95 19.68 28.63 3.22 3.04