CN103332926A - 一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料、制备工艺及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料、制备工艺及评价方法，陶土材料由以下组分按其重量百分比组成：氧化镁15～25%，二氧化硅35～45%，磷酸二氢铵20～30%，氯化铵10～15%，硅烷偶联剂2～5%。其制备工艺包括：将上述物质称好，磨粉、筛分；将氧化镁在1000-1400℃煅烧1-3小时；进行混料球磨12～24小时；筛分；封装、打包。评价方法包括：分析水固比和温度对陶土浆料凝固时间的影响；测定陶土块体的体积收缩率、失重率，评价陶土块体的高温强度；评价陶土粉体的急冷溃散性。本发明对于指导优良性能陶土内层材料的配制，实现高质高效、低成本的PDC钻头烧结和金属陶瓷耐磨部件制备具有重要意义。

Description

一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料、制备工艺及评价方法

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金、金属陶瓷烧结制品成型模具内层材料、其制备工艺及评价方法，特别适用于石油、探矿和机械制造行业中聚晶金刚石复合片钻头成型模具以及烧结金属陶瓷耐磨零件的制造。

背景技术

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头属于一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力。它以其长寿命、高效率、钻进平稳等优点越来越广泛地被应用于石油钻探、煤田地质钻探等领域，但是PDC钻头形状结构复杂，精度要求高，致使其胎体烧结用模具制造难度大。

目前，PDC钻头生产普遍采用粉末冶金制作钻头体，再将PDC切削齿镶焊在钻头体上。用这种方法制作的钻头体，冠部是由预先制作好的模具来成型的。因此，钻头体的冠部形状和尺寸完全取决于粉末冶金成型模具。传统的模具是采用石墨棒料经机械加工、划线，再经手工雕刻修磨PDC支撑体凹坑和水口塞等复杂部位的工序来完成的。这种方法虽然能加工各种形状、规格及大小的模具，但生产效率低，经济成本高，精度难以满足设计要求。

先进的PDC钻头制造工艺，采用无压浸渍法制造钻头的软模具技术，降低了工作强度和生产成本。软模具制造钻头与常规制造钻头方法相比，增加了橡胶模具和陶土模具2个环节，其步骤为：在石墨壳体内部放置橡胶模型，然后注入陶土浆料，待浆料固化后，取出橡胶模型，即可形成石墨壳体内的陶土成型内衬。

陶土粉原材料丰富廉价，可进行大规模生产。陶土浆料硬化速度快，湿强度高，并可在石墨壳体中通过注浆后快速凝固制成陶土内模具。陶土内模具耐高温、抗腐蚀、不粘模、化学性能稳定，在PDC钻头胎体高温烧成后脱模容易，因此为高效率，低成本生产PDC钻头提供了可靠的技术途径。

注浆成型过程中陶土浆料的流动性、悬浮性、固化时间，以及陶土内模层材料在钻头胎体高温烧结过程中的强度和烧结后的溃散性，决定着生产的可操作性，影响着钻头质量的好坏。

烧结金属陶瓷耐磨零件成型模具也多采用石墨为制造材料，在采用陶土作内层材料时，使用情况和性能也与前述类似。

目前相关的专利主要围绕在陶土配方的组成及优化，陶土的煅烧制备及使用性能的改进方面。

专利CN101805159公开了一种液态浇铸快速固化成型耐高温陶土及其制备工艺和制模工艺，该陶土由8种原料组成，具有较好的耐高温能力和良好的冷却溃散性。不过，在陶土工艺及性能方面缺乏有效的评价方法。

专利CN101737011公开了一种石油、地质、煤炭钻井用钻头的烧结模具，在模具的烧结底模上采用石墨替代齿，通过调整石墨替代齿控制PDC钻头的制备。该专利未涉及陶土模具方面的内容。

专利CN101880480公开了一种煅烧陶土的制备方法，主要从配方、煅烧工艺及添加剂方面进行了研究，该陶土主要用来作为橡胶填料使用。

专利CN12220247公开了一种超细活性陶土制备方法，通过该方法可以获取具有良好功能特性且能有效补强橡胶的陶土填料。这两个专利主要是制备橡胶填料用陶土粉体材料。

在实际生产中，无论使用国内还是国外生产的作为模具内层材料的陶土粉体，经常出现脱橡胶模时陶土内层开裂，加热到高温时，模具烧结成瓷，脱模困难，烧结好的钻头损坏的现象。因此，优选及制备作为模具的陶土内层材料极其重要。

本发明针对粉末冶金、金属陶瓷成型模具内层材料的结构特点及生产实际，提供一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料、制备工艺及评价方法，这对于指导优良性能陶土内层材料的配制，成功实现高质量、高效率、低成本的PDC钻头烧结和金属陶瓷耐磨部件制备具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料，该陶土原料组成简单，具有较好的高温强度（1100～1250℃）和急冷溃散性，便于进行脱模处理,克服现有成型模具内层材料性能的缺陷与不足。

本发明的另一目的在于提供该陶土材料的制备工艺，该工艺原理可靠，操作简便，对于指导优良性能陶土内层材料的配制，成功实现高质量、高效率、低成本的PDC钻头烧结和金属陶瓷耐磨部件的制备具有非常重要的意义。

本发明的另一目的还在于提供该陶土材料的评价方法，该方法从浆料及块体制备两方面对陶土性能进行评价，首先评价陶土浆料凝固时间的影响因素，通过测定水固比和环境温度两方面进行，其次分析陶土块体试样的失重率、体积收缩率和强度随温度变化的规律以及形貌变化，评价烧结模具用陶土内层材料的高温强度和急冷溃散性。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料，由以下组分按其重量百分比组成：氧化镁15～25%，二氧化硅35～45%，磷酸二氢铵20～30%，氯化铵10～15%，硅烷偶联剂2～5%。

上述物质均为市售。

一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料的制备工艺，主要包括以下步骤：

（1）将氧化镁、二氧化硅、磷酸二氢铵、氯化铵、硅烷偶联剂按照上述比例用电子天平称好，进行磨粉、筛分；

（2）煅烧处理：将氧化镁放置于马弗炉内，在1000-1400℃煅烧1-3小时；

（3）将煅烧后的氧化镁、二氧化硅、磷酸二氢铵、氯化铵和硅烷偶联剂进行混料球磨12～24小时；

（4）筛分，粉体粒度(μm)按体积百分比的分布为：

（5）封装、打包。

一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料的评价方法，主要包括以下步骤：

（1）用电子天平分别称量不同重量百分比的陶土粉和水，将称量好的粉体和水充分混拌均匀成为浆料，所述浆料中水固的重量百分比控制在1:2～1:6的范围内，分析水固比和温度对陶土浆料凝固时间的影响；

（2）使用不锈钢圆柱体试模，底板和盖板采用玻璃板，在模具内表面和底板、盖板接触面均匀涂抹一薄层脱模剂，将浆料倒入模具中适当振动除气泡，盖上盖板放置15分钟后脱模，将坯体在烘箱中100℃以下保温30分钟，然后分别在箱式电炉中不同温度下保温30分钟，随炉冷却后测定陶土块体在温度950℃-1250℃之间的体积收缩率、在温度100℃-1250℃之间的失重率，评价陶土块体的高温强度（950℃-1250℃之间）；

（3）将陶土块体试样加热至1250℃保温30分钟，然后水冷，用手锤轻敲，评价陶土粉体的急冷溃散性。

所述评价方法中步骤（3）是通过外观观察和体视显微镜相结合的方法来分析所述陶土块体在1250℃高温水冷后的急冷溃散性。

该方法从浆体、块体两部分对陶土内层材料进行性能评价。首先，根据水固比和环境温度对浆料凝固时间的影响对陶土材料的性能进一步优选。然后，通过测试块体的失重率、收缩率、抗压强度与温度的关系来评价陶土材料的高温强度，通过肉眼结合体视显微镜观察评价陶土块体材料的急冷溃散性，从而对模具内层用陶土材料的工程适应性进行综合评估和分析。

与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的模具内层用氯氧镁硅陶土粉体配方的组成原料简单，仅为5种，具有液态浇铸时的成型速度快特点；

（2）本发明提供的陶土材料可耐1250℃的高温，具有良好的高温强度和急冷溃散性等特点，能够实现高质量、高效率、低成本的PDC钻头和金属陶瓷耐磨部件的生产；

（3）本发明提供的陶土材料评价方法，该方法操作方便，可对对模具内层用陶土材料的工程适应性进行综合评估和分析，以便能更好指导优良陶土粉的配制，实现高质量、高效率、低成本的PDC钻头和金属陶瓷耐磨部件的生产。

附图说明

图1是模具内层用氯氧镁硅陶土材料的评价方法技术路线图；

图2是环境温度对凝固时间的影响；

图3是陶土块体试样被轻敲后的外观形貌（经100℃烘干）；

图4是陶土块体试样被轻敲后的外观形貌（经1250℃高温急冷）；

图5是陶土块体试样断面的体视显微形貌(×120)。

具体实施方式

下面根据附图和实施例进一步说明本发明。

一、模具内层用氯氧镁硅陶土材料的制备

实施例1

一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料，由以下组分按照其重量百分比组成：氧化镁23%，二氧化硅45%，磷酸二氢铵20%，氯化铵10%，硅烷偶联剂2%。其

制备如下：

（1）用电子天平分别将各组成材料称好，进行破碎、磨粉、筛分；

（2）煅烧处理：将氧化镁放置于马弗炉内，在1200℃煅烧2小时；

（3）将煅烧后的氧化镁、二氧化硅、磷酸二氢铵、氯化铵和硅烷偶联剂进行球磨混料，球磨时间20小时；

（4）混料均匀后进行筛分，筛分后的粉体粒度(μm)按体积百分比的分布为：

（5）封装，打包待用。

实施例2

一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料，由以下组分按照其重量百分比组成：氧化镁20%，二氧化硅40%%，磷酸二氢铵25%，氯化铵12%，硅烷偶联剂3%。

其制备如下：

（1）用电子天平分别将各组成材料称好，进行破碎、磨粉、筛分；

（2）煅烧处理：将氧化镁放置于马弗炉内，在1200℃煅烧2小时；

（3）将煅烧后的氧化镁、二氧化硅、磷酸二氢铵、氯化铵和硅烷偶联剂进行球磨混料，球磨时间18小时；

（4）混料均匀后进行筛分，筛分后的粉体粒度(μm)按体积百分比的分布为：

（5）封装，打包待用。

实施例3

一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料，由以下组分按照其重量百分比组成：氧化镁18%，二氧化硅38%%，磷酸二氢铵25%，氯化铵14%，硅烷偶联剂5%。其制备如下：

（1）用电子天平分别将各组成材料称好，进行破碎、磨粉、筛分；

（2）煅烧处理：将氧化镁放置于马弗炉内，在1200℃煅烧2小时；

（3）将煅烧后的氧化镁、二氧化硅、磷酸二氢铵、氯化铵和硅烷偶联剂进行球磨混料，球磨时间12小时；

（4）混料均匀后进行筛分，筛分后的粉体粒度(μm)按体积百分比的分布为：

（5）封装，打包待用。

二、模具内层用氯氧镁硅陶土材料的评价方法（仅对实施例1试样进行评价）

用图1所示的技术路线评价本发明提供的模具内层用氯氧镁硅陶土材料。

（a）用电子天平称量一定量的陶土混合粉，加入适量水，将其充分混拌均匀成为浆体。首先测试水固比大小对陶土浆料凝固时间的影响规律，确定较佳的水固比范围为1:2～1:6，以下实验采用了1:3的重量水固比。其次测试环境温度对陶土浆料凝固时间的影响，测定结果见图2，可知温度控制在15～25℃之间有利于浆料的凝固。

（b）将上述步骤中的陶土浆料，用圆柱体模具注浆成型规格为Φ25x30(mm)的圆柱试样，在室温（25℃）下固化10分钟后脱模制成陶土块体，称量其质量记录为m(25)，接着将陶土块体试样放入100℃烘箱保温15分钟，冷却后称量其干强度质量记录为m(100)，然后再用电炉加热到200℃，300℃，400℃，1250℃，分别保温30分钟后冷却，称量记录其质量为m(200)，m(300)，m(400)，m(1250)，具体测试结果见表1。

表1陶土块体试样的质量变化

由表1的数据可以看出：三个平行试样的质量变化主要发生在300℃以前，在300-1250℃之间试样质量几乎没有变化。而其他陶土模具材料一般在500-600℃才能完成这个过程，说明本发明陶土模具材料在较低的温度下（300℃），已基本失去自由水、结晶水以及可挥发物质，有利于钻头、金属陶瓷部件的烧结。

（c）通过对陶土块体收缩率的测试，结合钻头的实际烧结工艺，分析陶土材料作为PDC钻头胎体烧结用模具内层材料的适应性。按照烧结失重制样法制得湿的试样。试样分为六组，每组三个试样。第一组试样为湿样（25℃）；第二、三、四、五、六组试样分别加热到950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1250℃，保温30分钟，然后随炉冷却到常温。试样的其体积变化如表2所示：

表2陶土块体试样的体积测试结果

注：表中R-x和h-x（x为1、2、3，表示试样编号）分别代表每个试样的直径和高；符号“平”代表测试结果的平均值。

由表2中数据，可以看出，试样直径、高和体积在1000℃以前变化甚微，在1000℃到1250℃之间收缩很大。

（d）接下来对陶土块体试样的湿强度（25℃），干强度（100℃）和高温强度进行评价。制作七组陶土块体试样，每组三个。第一组为湿样（25℃）；第二组在100℃烘箱里烘15分钟；第三、四、五、六组分别加热到1000℃、1050℃、1100℃、1250℃，保温30分钟，然后随炉冷却到常温；第七组加热到1250℃，保温30分钟，然后水冷。试样都用电子液压式压力试验机测试抗压强度，测试结果如表3所示：

表3陶土块体试样抗压强度测试结果

注：表中S_平均值表示每组中三个试样的底表面面积平均值；N_平均值表示每组中三个试样所受压力的平均值。

由表3显示：固化后的试样（25℃）有一定的强度；经烘干后（100℃）强度有所增大；加热到1000℃时强度很小，仅为3.31MPa；在1000℃到1250℃之间强度急剧增大，试样的干强度和急冷强度在数值上差不多，但用手锤轻敲后的试样外观却迥然不同，外观形貌分别如图3、图4所示。

由图3可观察到，经烘干的试样被敲后只是破裂损坏，而急冷处理的试样被敲后是粉碎型损坏（图4）。为了便于研究微观结构对强度的影响，用体视显微镜对试样断面作了观察，如图5所示。对比体视显微分析，可看出陶土块体试样在1000℃以前，结构很疏松：但随着温度继续的升高，试样的气孔逐渐减少，疏松结构变得密实，这种微观变化规律有利于钻头和金属陶瓷部件的烧结。

本实施例在以发明方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例，对于其他粉末冶金胎体烧结用陶土内层材料的制备及性能评价也有一定的指导意义。

Claims (4)

1.一种模具内层用氯氧镁硅陶土材料，由以下组分按其重量百分比组成：氧化镁15～25%，二氧化硅35～45%，磷酸二氢铵20～30%，氯化铵10～15%，硅烷偶联剂2～5%。

2.如权利要求1所述的氯氧镁硅陶土材料的制备工艺，主要包括以下步骤：

（1）将氧化镁、二氧化硅、磷酸二氢铵、氯化铵、硅烷偶联剂用电子天平称好，进行磨粉、筛分；

（2）煅烧处理：将氧化镁放置于马弗炉内，在1000-1400℃煅烧1-3小时；

（3）将煅烧后的氧化镁、二氧化硅、磷酸二氢铵、氯化铵和硅烷偶联剂进行混料球磨12～24小时；

（4）筛分，粉体粒度(μm)按体积百分比的分布为：

+2        小于1%

-2+30     30～40%

-30+70    45～55%

-70+240   12～20%

-240     小于1%； 

（5）封装、打包。

3.如权利要求1所述的氯氧镁硅陶土材料的评价方法，主要包括以下步骤：

（1）用电子天平分别称量不同重量百分比的陶土粉和水，将称量好的粉体和水充分混拌均匀成为浆料，所述浆料中水固的重量百分比控制在1:2～1:6的范围内，分析水固比和温度对陶土浆料凝固时间的影响；

（2）使用不锈钢圆柱体试模，底板和盖板采用玻璃板，在模具内表面和底板、盖板接触面均匀涂抹一薄层脱模剂，将浆料倒入模具中适当振动除气泡，盖上盖板放置15分钟后脱模，将坯体在烘箱中100℃以下保温30分钟，然后分别在箱式电炉中不同温度下保温30分钟，随炉冷却后测定陶土块体在温度950℃-1250℃之间的体积收缩率、在温度100℃-1250℃之间的失重率，评价陶土块体的高温强度；

（3）将陶土块体试样加热至1250℃保温30分钟，然后水冷，用手锤轻敲，评价陶土粉体的急冷溃散性。

4.如权利要求3所述的评价方法，其特征在于，所述步骤（3）是通过外观观察和体视显微镜相结合的方法来分析所述陶土块体在1250℃高温水冷后的急冷溃散性。

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