CN102786295B - 一种水溶性陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷芯，特指一种水溶性陶瓷型芯及其制备方法，可用于浇注温度不超过900^◦C的内腔结构复杂或中空铸件的熔模铸造中。本项发明具体以电熔刚玉粉末、锆英砂、氯化钠颗粒为主体材料，NaCl溶液和聚乙二醇为粘结剂，通过特定的混配工艺，采用低温烘干，高温焙烧的工艺获得水溶芯陶瓷型芯。本发明的水溶性陶瓷型芯，既保证了型芯的强度，又有良好的成型性，具有操作方便快捷（只需用清水冲洗，短时间内就可轻易脱除型芯）、无污染、无需专用设备、对铸件无损坏等优点。

Description

一种水溶性陶瓷型芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷芯，特指一种水溶性陶瓷型芯及其制备方法，可用于浇注温度不超过900^?C的内腔结构复杂或中空铸件的熔模铸造中。

背景技术

2011年是我国零部件行业的发展开启年，《产业结构调整指导目录（2011年本）》中曾明确指出发展零部件的重要性，而汽车工业、船舶、兵器及航天航空工业的迅猛发展催生了市场对带有复杂内腔及弯曲孔道铝合金铸造零部件的需求，致使具有高强度的树脂砂芯被大量应用于此类铸件的生产，却造成了严重的环境污染；且树脂砂芯发气量偏大，易产生气孔类缺陷。 

一般的陶瓷型芯采用混合碱法、碱溶液法、压力脱芯法（需用专用的设备）、氢氟酸法来脱除型芯；这些方法中，有的对铸件有腐蚀性，有的在应用过程中产生有毒物质对环境造成污染，有的脱除工艺复杂还需要专用设备，从而这些都造成了型芯脱除时的一定难度，在实际生产应用当中，不仅费时，而且费力，费工，给企业生产造成诸多不便。 

水溶性陶瓷型芯能够很好地解决上述的这些问题，而且在铸件浇注时不产生有害气体，清理时方便快捷，无振动与噪音，铸件成形后通过用水力清理可将型芯溶解或高度溃散，使型芯易于清除，并使铸件具有洁净光滑的内表面和良好的尺寸精度，同时节省劳力并改善铸造车间的环境卫生。

水溶芯技术随着现代工业技术的发展，特别是航空工业的发展而出现的，主要用来解决飞行器部件中的复杂内腔及细孔的成形问题，该技术在我国的应用尚不普及；据报道，合肥工业大学等单位研制成功了电熔刚玉可溶芯；成都东方电机厂研制成功了碳酸钾硅砂可溶芯；孟爽芬等人研制成功用于汽轮机铸钢件生产的水溶芯；国外此项技术的开发应用中也有部分报道，如日本的小池敬一用氧化铝和碳酸钾制成的水溶芯，成功地生产出了水泵叶轮及大型机械冷却用铝合金水冷板，这种水冷板的外形尺寸为740×480mm，厚度为20 mm，壁内设计有冷却水管道；Miller及Charles等人用以MgO或CaO为基材烧结成的陶瓷芯，成功地浇注出了镍基及钻基超合金涡轮叶片、导向叶片等多种复杂铸件，但通常水溶性陶瓷型芯以可溶性无机盐为粘结剂，造成型芯耐热性差、强度低，成型时需要较高压力、凝固收缩时容易开裂、易对铸件造成腐蚀等亟需改进或克服的问题。

发明内容

本项发明的目的就是为了克服传统陶瓷型芯铸造在实际生产和应用中的缺点，研发出了一种水溶性陶瓷型芯，既保证了型芯的强度，又有良好的成型性，具有操作方便快捷（只需用清水冲洗，短时间内就可轻易脱除型芯）、无污染、无需专用设备、对铸件无损坏等优点，可用于浇注温度不超过900^?C的合金铸件。

本项发明具体以电熔刚玉粉末、锆英砂、氯化钠颗粒为主体材料， NaCl溶液和聚乙二醇为粘结剂，通过特定的混配工艺，采用低温烘干，高温焙烧的工艺获得水溶芯陶瓷型芯。

一种水溶性陶瓷型芯，其配料组成按质量份数计算： 40%的锆英砂，30%的电熔刚玉粉末，15%的氯化钠粉末，10%的饱和氯化钠溶液和5%的分子量不大于1000的聚乙二醇。

所述水溶性陶瓷型芯所需的原料，其规格技术要求在于：锆英砂320目，电熔刚玉粉末200目，氯化钠为工业氯化钠，优选600分子量的聚乙二醇，氯化钠饱和水溶液。

所述的水溶性陶瓷型芯的制备方法，其特征在于按照如下步骤进行：对氯化钠粉末使用球磨机球磨处理，使其粒度达到120目，然后将其与锆英砂、电熔刚玉粉末放入桶式混料机中，干混10~15分钟；然后加入饱和氯化钠溶液、聚乙二醇进行湿混20~30分钟得到混合料；混合料通过捣实或射芯制备出湿态型芯后进行烘干、烧结，具体为：在200℃~250℃烘干0.5~1小时，而后再在920℃烧结30分钟。

附图说明

图1为水溶陶瓷型芯工艺流程图。

具体实施方式

原材料

1.1 型芯基体材料

本发明采用电熔刚玉粉末和锆英砂粉末，其化学成分应分别符合表1和表2的要求，即电熔刚玉中α-Al₂O₃含量不少于98.5%，锆英砂中ZrO₂含量不少于66.0%。

表1 电熔刚玉粉化学成分

                        

 表2 锆英砂粉的化学成分

电熔刚玉熔点高（2030℃），密度大（3.99～4.00g/cm³），结构致密，导热性好，热膨胀系数小（86×10^-71/℃）且均匀，它属于两性氧化物，在高温下常呈弱碱性或中性，有良好的化学稳定性；抗酸碱能力强，在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下不发生变化。

     锆英砂，是天然存在的矿物材料。其分子式为ZrO₂·SiO₂或Zr SiO₄，理论组成（质量分数）为ZrO₂67.63%、SiO₂32.77%，锆英砂属四方晶系，密度变动范围较大，在3.9～4.9g/㎝³之间，莫氏硬度7～8，导热系数较大，热膨胀系数较小（46×10^-71/℃），高纯度时其热化学稳定性好，是一种优质的制壳耐火材料。

    1.2型芯粘结剂

本发明中采用氯化钠和聚乙二醇作为粘结剂。

   氯化钠（NaCl），具有高温稳定性及在清理时具有好的水溶性；对粘结剂的要求是保证足够的耐热度（熔点高于800℃），满足这一要求的水溶性盐有NaCl , K₂CO₃ , Na₂SO₄ 等；从水溶能力、价格、资源、对人体无害及熔点等几方面来看，选择氯化钠作为水溶性陶瓷型芯的粘结剂最适宜，氯化钠采用粗粒度的工业氯化钠，其中NaCl含量不少于99%。

聚乙二醇，是一种高分子聚合物。低分子量的聚乙二醇呈液体状态，高分子量的聚乙二醇呈白色颗粒状，分子式为HOCH₂(CH₂OCH₂)nCH₂OH，在它的分子链上有羟基和醚基；聚乙二醇的性能极大程度上取决于这两个基团的数量，它们都是亲水的基团，羟基比醚基亲水性更强，其溶解性和吸潮性主要取决于羟基的数目，醚基主要具有柔顺性（即韧性）；本发明中加入聚乙二醇能提高型芯成形性及湿态强度，选用的聚乙二醇分子量应不超过1000，其中600分子量的聚乙二醇加入具有最佳的成型性和湿态强度，600分子量的聚乙二醇性能如表3所列。

表3   600分子量聚乙二醇的性能

2. 制备工艺

本发明涉及的水溶性陶瓷型芯的制备流程如图1所示。

配比

配料组成为：质量分数40%的锆英粉，质量分数30%电熔刚玉粉末，质量分数15%的氯化钠粉末，质量分数10%的饱和氯化钠溶液、5%的聚乙二醇。

组分规格为：锆英粉末（320目），电熔刚玉粉末（200目），氯化钠（120目），聚乙二醇（600分子量），氯化钠饱和水溶液。

由于电熔刚玉粉末具有较大的表面活性，在混合料的配制过程中，粘结剂NaCl的水溶液能被强烈地吸附在Al₂O₃粒子的表面上，形成粘结膜，使电熔刚玉颗粒、锆砂颗粒及氯化钠颗粒能以较致密的网状结构聚合，使混合料具备了较高的湿态强度；聚乙二醇的加入进一步改善其混合砂料的流动性，方便其制芯成型，也提高了湿态强度；通过制备三次锤试样，加入聚乙二醇后的湿态抗压强度由0.019 MPa提高到0.025MPa。

混合料中，电熔刚玉颗粒、锆砂颗粒是型芯承受高温金属液的主要耐火材料，同时其配比及粒度的要求也保证了型芯强度及所形成铸件内腔的表面质量，氯化钠颗粒在结构中，一方面满足了型芯所需的耐火度及强度的要求；另一方面是在铸件冷却后水力清理时能溶解，能保证型芯骨架的迅速溃散。

混料

氯化钠粉末需经过球磨机球磨处理，使其粒度达到120目，然后将其与锆英粉末（320目)、电熔刚玉（α-Al₂O₃）粉末(200目）放入桶式混料机中，干混10~15分钟；再加入饱和氯化钠溶液、聚乙二醇进行湿混20~30分钟。

混料中，干混工艺能保证粉料的混合均匀，然后加入饱和氯化钠溶液和聚乙二醇湿混则易形成均匀粘结膜，保证了混合料的均匀性、流动性，可适应捣实制芯或射芯的场合，避免了先加入氯化钠溶液和聚乙二醇等组分所形成的团聚结块、混合不均等现象。

烘干及烧结

将混制好的混合料，利用芯盒人工捣实制得湿态型芯。

将该湿态型芯放入干燥箱中，随炉加热至温度为200℃~250℃，并保温烘干0.5~1小时。

    取出上述型芯，在空气中冷却，然后将该型芯再放入电阻炉中，随炉加热至920℃，在该温度下保温30分钟，取出，冷却至室温。

烘干后再进行焙烧工艺，与直接焙烧工艺相比，型芯不变形、不开裂，保证了尺寸精度及表面质量；这是由于当型芯被烘干时，随着水分的蒸发，包裹在砂粒表面上的水溶性粘结剂（NaCl）便以架桥的形式在砂粒间结晶析出，并使这些砂粒粘结起来，从而使型芯获得一定的干强度，在型芯烘干过程中，随着粘结剂的结晶析出，便在砂粒间形成了许多细小的空隙。

型芯在烘干之后进行烧结，其过程可分为两个阶段；第一阶段是聚乙二醇的燃烧，加热时型芯内聚乙二醇能完全分解成，其主要产物为二氧化碳和水，此过程加热至600^?C完成；分解产物以气体形式可通过型芯失去结晶水后形成的空隙及骨架原有的空隙排出；第二阶段是增强型芯致密度，通过高温加热至920℃并保温30分钟，使型芯产生固态烧结作用，进一步提高其颗粒间结合强度及致密度。

通过制取“8”字形试样，在干燥、焙烧后测得的抗拉强度可达0.8~1.0 MPa，能够满足型芯在制备蜡模、化蜡及浇注过程中受到的压力、金属液冲击等工艺环节的要求。

水溶性测试

当烘干、烧结后的型芯经过浇注后，在水力清理中，由于毛细现象的作用，水便通过这些空隙向砂粒之间渗透，从而使粘结层（NaCl）重新溶解，型芯也随之溃散。

将按上述工艺制备的陶瓷型芯试样，烘干、烧结后放入适量的水中5分钟后，大部分溶解溃散，30分钟后，经轻轻搅拌完全溶解溃散。

Claims (3)

1.一种水溶性陶瓷型芯的制备方法，所述水溶性陶瓷型芯，其配料组成按质量百分数计算为： 40%的锆英砂，30%的电熔刚玉粉末，15%的氯化钠粉末，10%的饱和氯化钠溶液和5%的分子量不大于1000的聚乙二醇，其特征在于制备方法按照如下步骤进行：对氯化钠粉末使用球磨机球磨处理，使其粒度达到120目，然后将其与锆英砂、电熔刚玉粉末放入桶式混料机中，干混10~15分钟；然后加入饱和氯化钠溶液、聚乙二醇进行湿混20~30分钟得到混合料；混合料通过捣实或射芯制备出湿态型芯后进行烘干、烧结，具体为：在200℃~250℃烘干0.5~1小时，而后再在920℃烧结30分钟。

2.如权利要求1所述的一种水溶性陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：锆英砂320目，电熔刚玉粉末200目，聚乙二醇的分子量为600。

3.如权利要求1所述的一种水溶性陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：电熔刚玉中α-Al₂O₃含量不少于98.5%，锆英砂中ZrO₂含量不少于66.0%，氯化钠为工业氯化钠，其中NaCl含量不少于99%。

Images