CN102351519A - 一种浇注陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浇注陶瓷型芯及其制备方法，其材料包括：不同粒度的熔融石英粉、针状石墨粉、氯化铵和硅溶胶。其制备方法包括：第一步，配制粉体原料：将不同粒度的熔融石英粉、针状石墨粉和氯化铵粉体加入到V型混料机中，进行强制干混，在各种粉体混合后，即得到制备陶瓷型芯的粉体原料；第二步，配制陶瓷型芯浇注成型用浆料：将上述第一步中得到的粉体原料加入到硅溶胶中，用强力搅拌机混合，粉体原料与硅溶胶混合成为陶瓷型芯浇注成型用浆料；第三步，型芯浇注成型：将上述第二步中获得的浆料浇注到铸件熔模铸造用蜡模的支板空腔中，经一定时间后浆料固化，获得具有一定强度的固体型芯。

Description

一种浇注陶瓷型芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种带有空心支板的大型铸件的熔模铸造技术，特别是一种用于航空发动机中介机匣、后机匣等环形铸件空心支板成型用型芯材料及制备方法。

背景技术

增加航空发动机涡轮前进气温度和减重是提高其推重比的主要途径。构成航空发动机的主要承力部件，如高温合金后机匣、钛合金中介机匣等部件的结构设计也日趋复杂，因此对其金属基体材料及其加工技术提出了更加苛刻的要求。从世界航空发达国家发展的历程和未来趋势看，在发动机推力一定的情况下，通过机匣类铸件薄壁化设计和采用整体精铸技术，使发动机本身减重并且提高可靠性，大大提升了发动机性能，也是提高推重比的有效途径之一。

近净形熔模精密铸造技术是国内外制备发动机机匣类结构件最重要的技术。该技术通过采用可熔失的蜡料压制蜡模，然后制作陶瓷型壳，脱蜡后对陶瓷型壳进行焙烧，最后将熔融的金属浇注到型壳中，待金属凝固、冷却后清壳，即得到所需的铸件。通过对铸型材料以及对铸件成型过程中各工艺环节和工艺因素的严格控制，可获得工作面无需机械加工或只进行局部打磨的近净形铸件。因此熔模精密铸造技术具有铸造尺寸精度高、表面粗糙度低、可用于铸造形状复杂(特别是内腔复杂)的大型薄壁件和整体件的优点。

航空发动机机匣类部件通常有若干空心支板，为了获得其空心结构，须在陶瓷型壳中的斜支板部位增加陶瓷型芯，待铸件浇注完毕后，首先脱除型壳，然后将陶瓷型芯从支板中用机械或化学方法清除，即获得支板具有空心结构的机匣铸件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适于满足航空发动机机匣类铸件的熔模精密铸造技术的需求的支板成型用浇注陶瓷型芯及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的浇注陶瓷型芯包括：不同粒度的熔融石英粉、针状石墨粉、氯化铵以及硅溶胶。

所述的不同粒度的熔融石英粉中的二氧化硅的含量≥99wt.％，不同粒度的熔融石英粉的粒度分别为20-40目、50-100目和200-325目，其中粒度为20-40目的熔融石英粉的质量百分比为10％-30％，粒度为50-100目的熔融石英粉的质量百分比为20％-40％，粒度为200-325目的熔融石英粉的质量百分比为30％-70％；所述的针状石墨粉，是由针状石油焦经由2600-2800℃高温煅烧，并发生石墨化而获得，其中碳含量≥99wt.％，粒度分布在40-120目之间，针状石墨粉加入量为熔融石英粉质量的1-5％；所述的氯化铵，为分析纯，粒度分布在200-325目之间，氯化铵的加入量为熔融石英粉的0.08-0.12wt.％；所述的硅溶胶中的二氧化硅含量≥28wt.％。

本发明涉及的支板成型用陶瓷型芯的制作方法是：将不同粒度的熔融石英粉、针状石墨粉和氯化铵按照一定比例混合，获得粉体原料；将一定量的硅溶胶加入到该粉体原料中，采用强力搅拌方式混合一定的时间，配成陶瓷浆料，将陶瓷浆料浇注到铸件熔模铸造用蜡模的支板空腔中，经过一定时间后，氯化铵引发硅溶胶发生固化反应，使陶瓷浆料成为具有一定强度的固体，即支板成型用陶瓷型芯。该陶瓷型芯的作用是使铸件浇注后，经型芯清除，使铸件的支板具有一定尺寸和形状的空心结构。

本发明的浇注陶瓷型芯的制备方法，包括如下步骤：

第一步，配制粉体原料。配制过程是：将不同粒度的熔融石英粉、针状石墨粉和氯化铵粉体加入到V型混料机中，进行强制干混，V型混料机的转速为120转/min，混合时间为12-24h。各种粉体混合后，即得到制备陶瓷型芯的粉体原料。

第二步，配制陶瓷型芯浇注成型用浆料。配制过程是：将第一步中得到的粉体原料加入到一定量的硅溶胶中，用强力搅拌机混合约1min，粉体原料和硅溶胶混合成为陶瓷型芯浇注成型用浆料。

第三步，型芯浇注成型。将第二步中获得的浆料浇注到铸件熔模铸造用蜡模的支板空腔中，经一定时间后浆料固化，获得具有一定强度的固体型芯。该型芯可在铸件浇注后清除，使铸件的支板具有一定尺寸和形状的空心结构。

上述方法中，所述的不同粒度的熔融石英粉中的二氧化硅的含量≥99wt.％，该熔融石英粉的粒度分别为20-40目、50-100目和200-325目，其中粒度为20-40目的熔融石英粉的质量百分比为10％-30％，粒度为50-100目的熔融石英粉的质量百分比为20％-40％，粒度为200-325目的熔融石英粉的质量百分比为30％-70％。所述的针状石墨粉是由针状石油焦经由2600-2800℃高温煅烧并发生石墨化而获得，其中碳的含量≥99wt.％，粒度分布在40-120目之间，针状石墨粉加入量为熔融石英粉质量的1-5％。所述的氯化铵，为分析纯，粒度分布在200-325目之间，氯化铵的加入量为熔融石英粉的0.08-0.12wt.％.。所述的硅溶胶中的二氧化硅含量≥28wt.％，硅溶胶与采用的粉体原料的质量比为1∶1.3-1∶1.7。

下面对本发明作进一步的说明：

本发明中所采用的熔融石英粉，是构成陶瓷型芯的主体材料，其烧结温度在1000-1200℃，烧结后热膨胀系数很低，所以作为支板中的陶瓷型芯，在焙烧和铸件浇注过程中基本没有尺寸变化，有利于支板空腔尺寸精度的控制。

本发明所采用的针状石墨粉，其作用是对陶瓷型芯湿坯体提供一定的增强作用，同时避免型芯因焙烧时水分蒸发造成开裂现象的发生；同时，针状石墨粉在型壳焙烧过程中，因氧化而烧除，使陶瓷型芯在焙烧后产生一定的孔隙，利于型芯的清除。本发明所采用的氯化铵，是硅溶胶的固化剂，其作用是使硅溶胶在常温下即发生凝胶化，使陶瓷粉体原料粘结在一起，成为具有一定强度的陶瓷型芯。通过调整氯化铵与硅溶胶的比例，可以精确控制陶瓷型芯固化的时间。

本发明所采用的硅溶胶，其作用是作为陶瓷粉体的粘结剂，经与氯化铵发生反应而凝胶化，赋予陶瓷型芯一定的强度；同时在型壳焙烧过程中，型芯中的硅溶胶粘结剂因其含有纳米二氧化硅粒子，化学成分与熔融石英相同，因此易于烧结在一起，提高陶瓷型芯材料的烧结强度。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1)本发明制备陶瓷芯所用的陶瓷材料主要成分为不同粒度的熔融石英，而型壳背层的主要的陶瓷材料也为熔融石英，所以在型壳焙烧与熔体浇注过程中，陶瓷型芯与陶瓷型壳的热膨胀系数相近，所以较好地防止了机匣类铸件的支板大面积薄壁处的变形和厚薄不均。

2)本发明所采用的陶瓷型芯材料，其固化时间可以通过调整固化剂氯化铵的加入量来调整，即陶瓷型芯的固化时间随着固化剂加入量的增加而缩短。陶瓷型芯固化时间的可控性保证了操作者能够预留出充分的时间来完成蜡模支板型芯浇注的过程。

3)本发明所采用的针状石墨粉，对陶瓷型芯湿坯体能够提供显著的增强作用，并可以避免型芯在焙烧过程中的开裂；同时针状石墨粉因高温氧化烧除，还可以使陶瓷型芯具有一定的孔隙，利于型芯在浇注之后从铸件支板中清除。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

实施例1：

称取粒度为20-40目的熔融石英粉1kg，粒度为50-100目的熔融石英粉20g，粒度为200-325目的熔融石英粉7kg，针状石墨粉0.1kg，氯化铵0.08kg，放入到V型混料机中，在转速为120转/min的条件下干混12h，获得陶瓷型芯原料粉体，备用。

称取硅溶胶400g，放入到1000ml的烧杯中，然后称取上述原料粉体600g，加入到烧杯中，在强力搅拌的条件下使原料粉体与硅溶胶混合1min，获得流动性能优良的浆料；将浆料浇注到铸件蜡模支板的空腔中，约10min后，浆料固化，即得到具有一定强度的固体陶瓷型芯。

通过机匣实际件的浇注试验，表明机匣支板的壁厚均匀，未出现变形，且尺寸精度合格，浇注结束后，型芯较易从支板空腔中清除。

实施例2：

称取粒度为20-40目的熔融石英粉2kg，粒度为50-100目的熔融石英粉3kg，粒度为200-325目的熔融石英粉3kg，针状石墨粉0.25kg，氯化铵0.10kg，放入放入到V型混料机中，在转速为120转/min的条件下干混18h，获得陶瓷型芯原料粉体，备用。

称取硅溶胶400g，放入到1000ml的烧杯中，然后称取上述原料粉体600g，加入到烧杯中，在强力搅拌的条件下使原料粉体与硅溶胶混合1min，获得流动性能优良的浆料；将浆料浇注到铸件蜡模支板的空腔中，约8min后，浆料固化，即得到具有一定强度的固体陶瓷型芯。

通过机匣实际件的浇注试验，表明机匣支板的壁厚均匀，未出现变形，且尺寸精度合格，浇注结束后，型芯易从支板空腔中清除。

实施例3：

称取粒度为20-40目的熔融石英粉3kg，粒度为50-100目的熔融石英粉3kg，粒度为200-325目的熔融石英粉3kg，针状石墨粉0.5kg，氯化铵0.12kg，放入放入到V型混料机中，在转速为120转/min的条件下干混24h，获得陶瓷型芯原料粉体，备用。

称取硅溶胶400g，放入到1000ml的烧杯中，然后称取上述原料粉体600g，加入到烧杯中，在强力搅拌的条件下使原料粉体与硅溶胶混合1min，获得流动性能优良的浆料；将浆料浇注到铸件蜡模支板的空腔中，约5min后，浆料固化，即得到具有一定强度的固体陶瓷型芯。

通过机匣实际件的浇注试验，表明机匣支板的壁厚均匀，未出现变形，且尺寸精度合格，浇注结束后，型芯自行溃散，易于清除。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种浇注陶瓷型芯，其特征在于包括：不同粒度的熔融石英粉、针状石墨粉、氯化铵和硅溶胶。

2.根据权利要求1所述的浇注陶瓷型芯，其特征在于：所述的不同粒度的熔融石英粉中的二氧化硅的含量≥99wt.％，所述熔融石英粉的粒度分别为20-40目、50-100目和200-325目，其中粒度为20-40目的熔融石英粉的质量百分比为10％-30％，粒度为50-100目的熔融石英粉的质量百分比为20％-40％，粒度为200-325目的熔融石英粉的质量百分比为30％-70％。

3.根据权利要求2所述的浇注陶瓷型芯，其特征在于：所述的针状石墨粉是由针状石油焦经由2600-2800℃高温煅烧，并发生石墨化而获得，其中碳含量≥99wt.％，粒度分布在40-120目之间，针状石墨粉的含量为熔融石英粉质量的1-5％。

4.根据权利要求3所述的浇注陶瓷型芯，其特征在于：所述的氯化铵，为分析纯，粒度分布在200-325目之间，氯化铵的加入量为熔融石英粉的0.08-0.12wt.％。

5.根据权利要求1-4之一所述的浇注陶瓷型芯，其特征在于：所述的硅溶胶中的二氧化硅含量≥28wt.％，硅溶胶与采用的粉体原料的质量比为1∶1.3-1∶1.7。

6.一种浇注陶瓷型芯的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，配制粉体原料：将不同粒度的熔融石英粉、针状石墨粉和氯化铵粉体加入到V型混料机中，进行强制干混，在各种粉体混合后，即得到制备陶瓷型芯的粉体原料；

第二步，配制陶瓷型芯浇注成型用浆料：将上述第一步中得到的粉体原料加入到硅溶胶中，用强力搅拌机混合，粉体原料与硅溶胶混合成为陶瓷型芯浇注成型用浆料；

第三步，型芯浇注成型：将上述第二步中获得的浆料浇注到铸件熔模铸造用蜡模的支板空腔中，经一定时间后浆料固化，获得具有一定强度的固体型芯。

7.根据权利要求6所述的浇注陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：所述的不同粒度的熔融石英粉中的二氧化硅的含量≥99wt.％，该熔融石英粉的粒度分别为20-40目、50-100目和200-325目，其中粒度为20-40目的熔融石英粉的质量百分比为10％-30％，粒度为50-100目的熔融石英粉的质量百分比为20％-40％，粒度为200-325目的熔融石英粉的质量百分比为30％-70％。

8.根据权利要求7所述的浇注陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：所述的针状石墨粉是由针状石油焦经由2600-2800℃高温煅烧并发生石墨化而获得，其中碳的含量≥99wt.％，粒度分布在40-120目之间，针状石墨粉加入量为熔融石英粉质量的1-5％。

9.根据权利要求8所述的浇注陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：所述的氯化铵，为分析纯，粒度分布在200-325目之间，氯化铵的加入量为熔融石英粉的0.08-0.12wt.％。

10.根据权利要求9所述的浇注陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：所述的硅溶胶中的二氧化硅含量≥28wt.％，硅溶胶与采用的粉体原料的质量比为1∶1.3-1∶1.7。