一种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法
【专利摘要】本发明涉及石墨材料领域，具体讲，涉及一种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法。所述的制备方法包括以下步骤：煅烧焦的破碎、筛分、配料、混合，然后加入中温沥青进行湿混、成型、一次焙烧、浸渍、二次焙烧、石墨化得到成品；加入中温沥青进行湿混的条件为：先将中温沥青边抽真空边进行加热，加热的温度为180～210℃，真空度500～5000pa，在该条件下搅拌10～40分钟。本发明提供的石墨材料孔隙率适中、孔洞的尺寸小，晶粒均匀，灰分低，热膨胀系数较小，还具有优良的机械性能、抗氧化性，是一种非常优异的制备底吹式铸造火车车轮石墨模具的石墨材料。
【专利说明】_种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石墨材料领域，具体讲，涉及一种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制 备方法。
【背景技术】
[0002] 模具是工业生产中使用极为广泛的基础工艺装备，模具工业是国民经济的基础工 业。在现代工业生产中，产品零件广泛采用冲压、锻压成形、压铸成形、挤压成形、塑料注射 或其它成形加工方法，与成形模具相配套，使坯料成形加工成符合产品要求的零件。我们 日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，大到机床的底座、机身外壳，小到一个胚头 螺丝、纽扣以及各种家用电器的外壳，无不与模具有着密切的关系。模具的形状决定着这 些产品的外形，模具的加工质量与精度也就决定着这些产品的质量。近年模具行业飞速发 展，石墨材料、新工艺和不断增加的模具工厂不断冲击着模具市场，石墨以其良好的物理和 化学性能逐渐成为模具制作的首选材料。石墨模具的优良性能有：1.优良的导热及导电性 能；2.线膨胀系数低等很好的热稳定性能及抗加热冲击性；3.耐化学腐蚀与多数金属不易 发生反应；4.在高温下（在多数铜基胎体烧结温度800°C以上）强度随温度升高而增大； 5.具有良好的润滑和抗磨性；6.易于加工，机械加工性能好，可以制作成形状复杂、精度高 的模具。
[0003] 底吹式铸造火车车轮石墨模具，较传统浇铸法具有大幅提高材料实收率和铸坯质 量、节约能源的显著优势。铸造火车车轮模具的铸造条件：（1)铸造温度1200- 1600°C，要 求石墨材料有很好的抗氧化性；（2)纯度的高低决定产品的质量，要求铸造用石墨材料灰 份越低越好；(3)铸造用石墨材料因在高温下使用，要求材料有较小的热膨胀系数，保证模 具降温时不开裂。（4)产品的渗透率适中，体积密度低，否则影响石墨模具的使用寿命及产 品质量。
[0004] 现有技术中已经公开很多关于石墨材料的专利，如：
[0005] 专利申请201310520332. 8涉及连铸模具用石墨材料的制备方法，制备方法包括 以下步骤：煅烧焦的破碎、筛分、配料、加入中温沥青进行混合、成型、一次焙烧、一次浸渍、 二次焙烧、二次浸渍、三次焙烧、以及石墨化得到成品；所述煅烧焦的粒径范围与含量为： 0. 8mm <粒径< I. Omm 占 1 % -2 %，0· 5mm <粒径< 0· 8mm 占 31 % -36 %，0· 075mm <粒径 < 0. 5mm占28% -32 %，粒径< 0. 075mm占34% -38% ;所述混合分为干混和湿混，所述湿 混为将中温沥青先加热至180_230°C，保温并搅拌30-60min，再将中温沥青分两次加入骨 料中进行混捏，混捏的温度为140?150°C。
[0006] 而现有技术中的石墨材料不能满足底吹式铸造火车车轮石墨模具制备的要求，鉴 于此，特提出本发明。
【发明内容】
[0007] 本发明的发明目的在于提出了一种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法。
[0008] 为了实现本发明的目的，采用的技术方案为：
[0009] 本发明提出了一种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，该制备方法包括以 下步骤：煅烧焦的破碎、筛分、配料、混合，然后加入中温沥青进行湿混、成型、一次焙烧、浸 渍、二次焙烧、石墨化得到成品；
[0010] 其中，煅烧焦与中温沥青的质量比为80?82 :18?20 ;
[0011] 煅烧焦的粒径范围与含量为：
[0012] 0. 75臟<粒径<1. Omm 1%?3%， 0· 5 mm<粒径彡0, 75ram 27%?32%， 0· 15 mm<粒径在0· 5mm 17%?21%， 0· 075 腿<粒径彡0· 15mm 18%?21%， 粒径<0. 075mm 27%?30%;
[0013] 其中，加入中温沥青进行湿混的条件为：先将中温沥青边抽真空边进行加热，加热 的温度为180?210°C，真空度500?5000pa，在该条件下搅拌10?40分钟；然后将中温 沥青加入煅烧焦中进行混捏，混捏的温度为130?138°C。
[0014] 本发明的第一优选技术方案为：湿混的条件为：加热的温度为200?210°C，真空 度1000?5000pa，搅拌15?25分钟。
[0015] 本发明的第二优选技术方案为：中温沥青加入煅烧焦进行混捏的同时加入煅烧焦 重量0. 1?1%的超临界二氧化碳，优选煅烧焦重量的0. 2?0. 6%。
[0016] 本发明的第三优选技术方案为：所述的中温沥青为软化点为85?90°C、结焦值 彡51 %、喹啉不融物< 0. 2%。
[0017] 本发明的第四优选技术方案为：所述一次焙烧的条件为：在160?650°C时，升温 速率为L 5?I. 9°C /h ;在650?1250°C时，升温速率为L 9?2. 3°C /h ;优选为：在160? 650°C时，升温速率为L 5?L 8°C /h ;在650?1250°C时，升温速率为L 9?2. 1°C /h。
[0018] 本发明的第五优选技术方案为：浸渍步骤中采用中温煤沥青，所述中温煤沥青为： 喹啉不融物< 0. 2%、结焦值彡48%、软化点80?84°C。
[0019] 本发明的第六优选技术方案为：浸渍的条件为：将浸渍沥青加热到210?250°C， 保温并搅拌1?2小时，再将浸渍沥青回温到180?200°C，进行浸渍；浸渍时浸渍品的预 热温度为360?380 °C ;
[0020] 本发明的第七优选技术方案为：二次焙烧的条件为：焙烧时间为495?535小时， 二次焙烧的最高温度为805?875°C ;焙烧时间优选为495?530小时，二次焙烧的最高温 度优选为825?875 °C。
[0021] 本发明的第八优选技术方案为：石墨化的时间为125?138h，石墨化的最高温度 为2800?3000°C ;石墨化的时间优选为125?135h。
[0022] 下面对本发明的内容做进一步的解释和说明。
[0023] 本发明提供了一种底吹式铸造火车车轮石墨模具制备方法，该方法制备的石墨材 料的孔隙率低、孔洞的尺寸小，结构均匀，热膨胀系数较小，具有非常好的抗压强度。
[0024] 本发明底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法包括以下步骤：煅烧焦的破碎、 筛分、配料、混合，然后加入中温沥青进行湿混、成型、一次焙烧、浸渍、二次焙烧、石墨化得 到成品；
[0025] 其中，煅烧焦与中温沥青的质量比为80?82 :18?20 ;煅烧焦的粒径范围与含量 为：0· 75mm <粒径彡 I. Omm :1%?3% ;0· 5mm <粒径彡 0· 75mm :27%?32% ;0· 15mm <粒 径彡 0· 5mm :17% ?21 % ;0· 075mm < 粒径彡 0· 15mm :18% ?21 %;粒径 <0· 075mm :27% ? 30%〇
[0026] 在石墨制品的制备工艺中，配方对石墨制品的性能参数影响较大，特别是对体积 密度、空隙数量和热膨胀系数的影响。一般来说，采用细颗粒配方振动成型得到产品的体积 密度大、空隙率低、电阻率、热膨胀系数低，但颗粒越细小，石墨的强度会下降。因此，本发明 在配料时，既考虑到石墨制品的体积密度、空隙率、孔洞尺寸、电阻率、热膨胀系数，又考虑 到石墨制品的强度，采用了五个梯度的粒度范围的精细配料，从而准确控制了产品的密度 和强度。本发明选用的骨料的配方能使不同粒径的颗粒紧密地、有规律地堆积在一起，制备 的石墨材料具有较好的综合性能，特别是空隙率低、孔洞的尺寸小、强度高、抗氧性强，是一 种性能非常优异的连铸模具用石墨材料。
[0027] 将上述煅烧焦骨料按比例混合在一起，并将骨料温度加热至90?120°C。加热骨 料一方面可以增加其流动性，方便进行搅拌混合，另一方面，也可以避免在湿混时，粘合剂 的降温速度过快，降低粘合剂的流动性。而本发明选用的温度不仅可以恰好满足上述要求， 又避免了加热温度过高引起的粉尘，减少了对环境的污染。
[0028] 加入中温沥青进行湿混的条件为：先将中温沥青边抽真空边进行加热，加热的温 度为180?210°C，真空度500?5000pa，在该条件下搅拌10?40分钟；然后将中温沥青 加入煅烧焦中进行混捏，混捏的温度为130?138°C。并进一步优选，湿混的条件为：加热 的温度为200?210°C，真空度1000?5000pa，搅拌15?25分钟。并进一步优选，中温沥 青加入煅烧焦中进行混捏同时加入煅烧焦重量0. 1?1%的超临界二氧化碳，优选煅烧焦 重量的〇. 2?0. 6%。
[0029] 本发明在对中温沥青进行湿混前，对中温沥青进行了处理。本发明在湿混时，先将 中温沥青边抽真空边进行加热，加热的温度为180?210°C，真空度500?5000pa，在该条 件下搅拌10?40分钟。通过中度真空环境，从而可以将中温沥青内的轻质挥发份的彻底挥 发，从而避免了在焙烧过程中由于气体挥发从而在炭料中形成空隙。因为，在挥发性成分挥 发过程中形成的空隙或气泡是非常不规则的，会使炭料形成不规则的、较大的裂隙或空泡， 降低成品的机械性能，使模具的不良率增加。同时，本发明中加热的时间较短，加热的温度 较低，从而避免了中温沥青加热而造成的流动性下降。本发明在实践过程中发现，中温沥青 经较高温度、较长的时间加热后其流动性会大大降低，因此需要分批次加入到骨料中进行 混捏。而通过本发明的预处理办法，中温沥青的流动性较好，因此，无需分批加入就可以混 合均匀。本发明选用的中度真空条件，不仅可以完全满足本发明的要求，并且在工业上很容 易实现，适合大规模的推广应用。
[0030] 湿混后糊料的均勾性对最终的石墨制品的理化性能有着非常大的影响，如果糊料 中不同粒度的骨料颗粒分布均匀，既有利于提高石墨制品的体积密度，降低其电阻率，又有 利于获得结构更均匀的石墨，表现在晶粒的大小、形状和分布都较为均匀。本发明制备的石 墨制品孔隙率低、孔洞的尺寸小，结构均匀，灰分低，热膨胀系数较小，具有非常好的抗氧化 性和抗压强度。
[0031] 本发明还优选，中温沥青加入煅烧焦中进行混捏同时加入煅烧焦重量0. 1?1% 的超临界二氧化碳。本发明加入超临界二氧化碳的目的之一是为了在石墨制品内部形成均 匀、粒径一直的空泡，从而可在保证材料的抗压性及抗氧化性的同时降低石墨模具的密度。
[0032] 本发明的中温沥青为软化点为85?90°C、结焦值彡51 %、喹啉不融物< 0. 2%。 本发明使用结焦值较高、喹啉不融物含量低的中温沥青为黏结剂，并通过将中温沥青加热 至140?150°C以降低其粘度，既保证不影响湿混的进行，又有利于得到体积密度较高的焙 烧品，且中温浙青在石墨化工序容易石墨化，其最终的石墨制品具有好的综合性能。
[0033] 本发明根据所选用骨料的粒径以及比例，以及对最终石墨制品性质的要求，经过 反复试验，得到了本发明的焙烧的升温曲线。不合适的升温曲线既可能会导致焙烧后炭块 出现裂纹，成品率低，又可能会导致焙烧后炭块的微观结构不均匀，性能差。由于本发明通 过对骨料颗粒的优化选择以及对中温沥青进行了真空加热处理，因此，对焙烧的升温曲线 仅需要简单的两步，就可满足对石墨模具性能的要求。即：在160?650°C时，升温速率为 L 5?I. 9°C /h ;在650?1250°C时，升温速率为1. 9?2. 3°C /h ;优选为：在160?650°C 时，升温速率为1. 5?L 8°C /h ;在650?1250°C时，升温速率为L 9?2. 1°C /h。
[0034] 焙烧的目的是使粘结剂中温沥青炭化，在骨料颗粒间形成焦炭网格，将不同粒度 的骨料牢固地粘结成一个整体。小颗粒配料在制备石墨材料时，在后续焙烧及石墨化过程 中出现裂纹的机会多，成品率可能偏低，本发明通过优化及改进焙烧时的升温曲线、加热持 续时间等因素，既提高了黏结剂的结焦率，又克服了小颗粒带来的出现裂纹、成品率低的问 题，以保证产品综合指标和成品率。
[0035] 所述一次浸渍采用中温煤沥青，所述中温煤沥青为：喹啉不融物< 0. 2%、结焦值 多48%、软化点80-84?。浸渍剂的特性对浸渍效果有重要的影响，主要表现在浸渍剂的粘 度、喹啉不溶物含量、结焦值上。结焦值越高，焙烧后产品的体积密度和机械强度越大，而结 焦值随软化点上升而增加，因此采用软化点较高的中温煤沥青作为浸渍剂，有利于提高石 墨材料的体积密度、热性能和机械强度，但浸渍剂的软化点越高，相对粘度就越大，难于渗 透到浸渍品的孔隙中去，浸渍效果差，范围不利于提高石墨的体积密度、热性能和热性能。 本发明采用喹啉不融物< 〇. 2%、结焦值多48%、软化点80-84°C的中温煤沥青为浸渍剂， 中温煤沥青中的喹啉不熔物是一种微小的颗粒，浸渍时喹啉不熔物会在多孔材料表面形成 一层薄膜，阻碍浸渍剂对多孔材料的渗透，本发明选用的浸渍剂的特点是结焦值不是很高， 但喹啉不融物含量低、粘度低，有利于提高浸渍效果，从而保证增重率。
[0036] 本发明中浸渍的条件为：将浸渍沥青加热到210?250°C，保温并搅拌1?2小时， 再将浸渍沥青回温到180?200°C，进行浸渍；浸渍时浸渍品的预热温度为360?380°C。 由于本发明对产品要求较低的密度，因此采用一次浸渍的方案。石墨模具的增重为30%。
[0037] 浸渍后进行二次焙烧，条件为：焙烧时间为495?535h，二次焙烧的最高温度为 805?875°C ;焙烧时间优选为495?530h，二次焙烧的最高温度优选为825?875°C。二 次焙烧采用较长的焙烧时间进行精细的焙烧，焙烧品中的碳氢化合物有比较充分的时间进 行分解和聚合反应，有利于提高结焦率，并让焙烧品的组织结构缓慢发生重排、调整，得到 焦化结构均匀致密的焙烧品，避免焙烧品产生裂纹。
[0038] 本发明的底吹式铸造火车车轮石墨模具材料的体积密度多1.65g/cm3,优选 多I. 60g/cm3;电阻率< 11. O μ Ωηι，优选< 9· O μ Ωηι ;抗压强度多20Mpa，优选多25Mpa ; 气孔率彡18%，优选彡20% ;孔洞的最大直径彡I. 5mm，优选彡I. 2mm ;灰分彡0· 2%，优选 彡0. 1% ;热膨胀系数彡2X10_6/°C。
[0039] 本发明提供的石墨材料孔隙率适中、孔洞的尺寸小，晶粒均匀，灰分低，热膨胀系 数较小，还具有优良的机械性能、抗氧化性，是一种非常优异的制备底吹式铸造火车车轮石 墨模具的石墨材料。
[0040] 本发明的【具体实施方式】仅限于进一步解释和说明本发明，并不对本发明的内容构 成限制。
【具体实施方式】
[0041] 实施例1
[0042] 一种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，包括以下步骤：煅烧焦的破碎、筛 分、配料、混合，然后加入中温沥青进行湿混、成型、一次焙烧、浸渍、二次焙烧、石墨化得到 成品；
[0043] 1.煅烧焦的破碎、筛分、配料、混合：将下列煅烧焦骨料按比例混合在一起，并将 骨料温度加热至90?120°C进行干混；
[0044] 煅烧焦的粒径范围与含量为：
[0045] 0· 75_<粒径s￡l. Omm 2%， 0· 5 111111<粒径<0· 75mm 30%， 0. 15 111111<粒径在0· 5mm 21%， 0· 075 mm<粒径彡0. 15mm 20%, 粒径<0. 075mm 27%;
[0046] 2.加入中温沥青进行湿混：煅烧焦与中温沥青的质量比为80 :20 ;先将中温沥青 边抽真空边进行加热，加热的温度为180?185°C，真空度2000pa，搅拌30分钟；然后将 中温沥青加入煅烧焦中进行混捏，混捏的温度为136?138°C ;中温沥青为软化点为88? 90°C、结焦值彡51%、喹啉不融物彡0. 2% ;
[0047] 3. -次焙烧：在160?650°C时，升温速率为L 7?L 8°C/h ;在650?1250°C时， 升温速率为1. 9?2. 0°C /h ;-次焙烧的填充料的粒径为0?5mm ;
[0048] 4.浸渍：将浸渍沥青加热到240°C，保温并搅拌1小时，再将浸渍沥青回温到 180°C，进行浸渍；浸渍时浸渍品的预热温度为380°C ;浸渍中采用中温煤沥青，中温煤沥青 为：喹啉不融物彡0. 2%、结焦值彡48%、软化点80-84°C ;
[0049] 5.二次焙烧：焙烧时间为535h，二次焙烧的最高温度为825?830°C;二次焙烧的 填充料的粒径为〇?5mm ;
[0050] 6.石墨化：时间为135小时，石墨化的最高温度为3000°C。
[0051] 制备得到的底吹式铸造火车车轮石墨模具材料的体积密度多I. 65g/cm3,电阻率 彡ΙΙ.Ομ Ωπι，抗压强度彡20Mpa，气孔率彡18%，孔洞的最大直径彡1.5_，灰分彡0. 1% ; 热膨胀系数彡2X10_6/°C，渗透率为3?8。
[0052] 实施例2
[0053] -种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，包括以下步骤：煅烧焦的破碎、筛 分、配料、混合，然后加入中温沥青进行湿混、成型、一次焙烧、浸渍、二次焙烧、石墨化得到 成品；具体为：
[0054] 1.煅烧焦的破碎、筛分、配料、混合：将下列煅烧焦骨料按比例混合在一起，并将 骨料温度加热至90?120°C进行干混；
[0055] 煅烧焦的粒径范围与含量为：
[0056]
【权利要求】
1. 一种底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括 以下步骤：煅烧焦的破碎、筛分、配料、混合，然后加入中温沥青进行湿混、成型、一次焙烧、 浸渍、二次焙烧、石墨化得到成品； 其中，煅烧焦与中温沥青的质量比为80?82 :18?20 ; 煅烧焦的粒径范围与含量为：
加入中温沥青进行湿混的条件为：先将中温沥青边抽真空边进行加热，加热的温度为 180?210°C，真空度500?5000pa，在该条件下搅拌10?40分钟；然后将中温沥青加入 煅烧焦中进行混捏，混捏的温度为130?138°C。
2. 根据权利要求1所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，湿 混的条件为：加热的温度为200?210°C，真空度1000?5000pa，搅拌15?25分钟。
3. 根据权利要求1所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，中 温沥青加入煅烧焦进行混捏的同时加入煅烧焦重量0. 1?1%的超临界二氧化碳，优选煅 烧焦重量的0.2?0.6%。
4. 根据权利要求1?3任一权利要求所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备 方法，其特征在于，所述的中温沥青为软化点为85?90°C、结焦值多51 %、喹啉不融物 < 0? 2%〇
5. 根据权利要求1所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，所 述一次焙烧的条件为：在160?650°C时，升温速率为1. 5?I. 9°C /h ;在650?1250°C时， 升温速率为1. 9?2. 3°C /h ;优选为：在160?650°C时，升温速率为1. 5?I. 8°C /h ;在 650?1250°C时，升温速率为L 9?2. 1°C /h。
6. 根据权利要求1所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，所 述浸渍步骤中采用中温煤沥青，所述中温煤沥青为：喹啉不融物< 〇. 2%、结焦值多48%、 软化点80-84 °C。
7. 根据权利要求1所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，所 述浸渍的条件为：将浸渍沥青加热到210?250°C，保温并搅拌1?2小时，再将浸渍沥青 回温到180?200°C，进行浸渍；浸渍时浸渍品的预热温度为360?380°C。
8. 根据权利要求1所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，所 述二次焙烧的条件为：焙烧时间为495?535h，二次焙烧的最高温度为805?875°C ;焙烧 时间优选为495?530h，二次焙烧的最高温度优选为825?875°C。
9. 根据权利要求1所述的底吹式铸造火车车轮石墨模具的制备方法，其特征在于，所 述石墨化的时间为125?138h，石墨化的最高温度为2800?3000°C;石墨化的时间优选为 125 ?135h。
【文档编号】C04B35/66GK104496498SQ201410782630
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】张培模, 张培林, 赤九林, 张日清, 阮明礼, 纪永良, 杨晓峰 申请人:大同新成新材料股份有限公司