CN104399865B - 一种水溶性石墨复合盐芯材料、石墨复合盐芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水溶性石墨复合盐芯材料，包括：水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉；所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(1.6～4.8)。本发明还提供了由所述材料制备的石墨复合盐芯及其制备方法。本发明中，石墨粉具有良好的润滑作用，其与水溶性金属卤化物均匀混合后，得到具有一定自润滑功能的石墨盐芯复合材料，无需向模具型腔内喷涂脱模剂也可以实现压制的盐芯顺利脱模，从而简化了制备步骤，提高了生产效率；其制得的水溶性石墨复合盐芯强度高，线膨胀率小，水溶性好，满足铝活塞内冷油道重力铸造要求。

Description

一种水溶性石墨复合盐芯材料、石墨复合盐芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种水溶性石墨复合盐芯材料、石墨复合盐芯及其制备方法。

背景技术

在内燃机运行过程中，铝合金材质的活塞顶部直接接触高温燃气，工作环境恶劣。由于铝合金的耐热性能较差，温度超过360℃后，将出现不同程度的软化，因此为了降低铝合金活塞头部的工作温度，保障铝合金活塞在发动机内的正常运行，通常会在活塞顶部靠近第一和第二环槽附近用水溶性盐芯铸造出内冷却油腔，通过不断向油腔内喷洒冷却油来降低铝合金活塞头部的工作温度。

盐芯在铸造技术中的应用方法为：将水溶性的盐芯置于模具型腔内部，液态金属注入型腔内，盐芯随合金溶液在型腔中凝固；冷却后，用高压水流冲击掉铸件内的盐芯，形成内环形空腔。

现有的盐芯材料主要有两种：一种是具有一定颗粒度的纯盐(NaCl)或者食盐材料；另一种是通过向纯盐或食盐中加入一定比例特殊种类的粘接剂及补强剂，并均匀混合而成的复合材料。公开号为CN1792600的中国专利文献介绍了注射成形的水溶性盐芯制造技术。它是以水溶性无机盐为基体，热固性树脂为粘合剂，再加上其他辅助试剂制造的型芯材料。该技术在制造过程中，经历包括烘烤、研磨混，在200℃以下完成的成形。

在现有的盐芯毛坯压制过程中，由于压制成型的大部分盐芯形状及尺寸精密成型，不需要再加工修正，因此，模具型腔脱模角度会设计的很小，一般只有0.5°。在如此小的拔模角度的情况下，而且又是粉末挤压成型，因此在盐芯毛坯的压制过程中，操作者需要不断的向模具型腔中喷涂脱模剂，来实现盐芯毛坯的顺利脱模和保护压制模具。

目前，对于一个熟练的操作工来讲，每9-10秒钟能完成一件纯盐盐芯毛坯的压制循环，其中喷涂脱模剂的时间每次平均花费2-3秒， 每天的产量在2200-2500件盐芯毛坯。因此在实际生产中，向模具型腔内喷涂脱模剂，增加了操作步骤，降低了盐芯毛坯的生产效率。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种水溶性石墨复合盐芯材料及盐芯，其制备过程中无需喷涂脱模剂，简化了制备步骤，提高了生产效率；其制得的石墨复合盐芯强度高，线膨胀率小，水溶性好，满足铝活塞内冷油道重力铸造要求。

本发明公开了一种水溶性石墨复合盐芯材料，包括：水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉；

所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(1.6～4.8)。

优选的，所述石墨粉的粒度为32～200目。

优选的，所述石墨粉为鳞片石墨粉、胶体石墨粉或高纯石墨粉。这里的优选范围中已经提到了鳞片状石墨粉，不需要再另外强调一次了。不然就重复了。

优选的，所述水溶性金属卤化物为氯化钠、氯化钾、氯化钙和氯化镁中的一种或多种。

优选的，所述水溶性金属卤化物的粒度为32～200目。

优选的，所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(2.8～3.6)。

本发明公开了一种由上述技术方案所述的水溶性石墨复合盐芯材料制备得到的石墨复合盐芯。

本发明还公开了一种石墨复合盐芯的制备方法，包括以下步骤：

(A)将水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉除水后，混合均匀，得到混合物；所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(1.6～4.8)；

(B)将所述混合物依次经过压制，车削，烧结，得到石墨复合盐芯。

优选的，所述烧结温度为650～750℃，所述烧结时间为6～9小时。

与现有技术相比，本发明的水溶性石墨复合盐芯材料及盐芯，包 括：水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉；所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(1.6～4.8)。本发明中，石墨粉具有良好的润滑作用，其与水溶性金属卤化物混合后，得到具有一定自润滑功能的石墨复合盐芯材料，无需向模具型腔内喷涂脱模剂也可以实现制得的盐芯顺利脱模，从而简化了制备步骤，提高了生产效率；其制得石墨复合盐芯强度高，线膨胀率小，水溶性好，满足铝活塞内冷油道重力铸造要求。特别是鳞片状石墨粉的鳞片结晶完整，片薄且韧性好，具有良好的耐高温性、自润滑性、耐腐蚀性等，而且可塑性比其它石墨优越；在压制盐芯毛坯的过程中，鳞片石墨粉的可塑性决定了它将很好的填充在水溶性金属卤化物颗粒之间，而不影响它们之间相互镶嵌作用，还能起到一定程度的粘接效果，这样既保障了盐芯的强度较高，又简化了制作步骤，提高了生产效率。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种水溶性石墨复合盐芯材料，包括：水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉；

所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(1.6～4.8)。

在本发明中，以水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉为原料。

本发明对所述水溶性金属卤化物没有特殊限制，可以为本领域技术人员常用的金属卤化物。所述水溶性金属卤化物可以为单一的金属卤化物，也可以为多种金属卤化物的混合物，优选为氯化钠、氯化钾、氯化钙和氯化镁中一种或多种。

所述石墨粉可以为鳞片石墨粉，也可以是胶体石墨粉或高纯石墨粉，优选为鳞片石墨粉。所述鳞片石墨粉价格最低，有利于降低石墨复合盐芯材料的成本。所述石墨粉具有良好的润滑效果，其与水溶性 金属卤化物混合后，得到具有一定自润滑功能的水溶性石墨复合盐芯材料，无需向模具型腔内喷涂脱模剂也可以实现制得的盐芯顺利脱模，从而简化了制备步骤，提高了生产效率。特别是鳞片状石墨粉的鳞片结晶完整，片薄且韧性好，具有良好的耐高温性、自润滑性、耐腐蚀性等，而且可塑性比其它石墨优越；在压制盐芯毛坯的过程中，鳞片石墨粉的可塑性决定了它将很好的填充在水溶性金属卤化物颗粒之间，而不影响它们之间相互镶嵌作用，还能起到一定程度的粘接效果，这样既保障了盐芯的强度较高，又简化了制作步骤，提高了生产效率。

所述石墨粉的粒度为16～1000目，更优选为32～200目。所述石墨粉与水溶性金属卤化物需要混合后形成性能均一的混合物，石墨粉的粒度太大或者粒度太小，加入水溶性金属卤化物中，均不能混合均匀。当石墨粉的与水溶性金属卤化物的粒度有较大差别是，两者在混合过程中容易出现分层现象，例如石墨粉的颗粒过小，会在搅拌过程中顺着水溶性金属卤化物之间的间隙大量沉积于底部，形成底部石墨粉含量高而上部石墨粉含量低的分层现象；如果石墨粉的粒径过大，混合后，则结果相反，形成底部石墨粉含量少，而上不石墨粉含量高的分层现象。这样分层后的混合物性能不均匀，压制出来的盐芯性能也相差较大，稳定性不佳。因此，优选的，所述石墨粉和水溶性金属卤化物的粒径保持一致，均为32～200目。

32～200目的石墨粉与水溶性金属卤化物混合形成的混合物，在压制成型时不容易出现裂纹、掉块等问题，特别是压制形成石墨复合盐芯与纯盐盐芯相当。石墨粉的粒度与32～200目的范围相差越大达到的效果越差；如果颗粒度小于16目(粒径在1mm以上)或者大于1000目(粒径在0.015mm以下)时，由于石墨粉与水溶性金属卤化物的混合物均匀性太差，将不能有效保障盐芯的顺利脱模，从而丧失自润滑性，不能实现不喷涂脱模剂而顺利脱模的效果。

在本发明的水溶性石墨复合盐芯材料中，所述石墨粉最优选的为32～200目的鳞片石墨粉。

按照本发明，所述水溶性金属卤化物与石墨粉的质量比为100： (1.6～4.8)，优选为100：(2.8～3.6)。

本发明提供了一种由上述技术方案所述的水溶性石墨复合盐芯材料制得的石墨复合盐芯。该水溶性石墨复合盐芯的抗拉强度大于25MPa；加热到500℃时，热膨胀率小于1％；在水中的溃散时间小于30分钟；满足铝活塞内冷油道重力铸造要求。

本发明还提供了一种石墨复合盐芯的制备方法，包括以下步骤：

(A)将水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉除水后，混合均匀，得到混合物；所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(1.6～4.8)；

(B)将所述混合物依次经过压制，成形，烧结，得到石墨复合盐芯。

按照本发明，以水溶性金属卤化物和粒度为16～1000目的石墨粉为原料。

本发明对所述水溶性金属卤化物没有特殊限制，可以为本领域技术人员常用的金属卤化物。所述水溶性金属卤化物可以为单一的金属卤化物，也可以为多种金属卤化物的混合物，优选为氯化钠、氯化钾、氯化钙和氯化镁中一种或多种。

所述石墨粉可以为鳞片石墨粉，也可以是胶体石墨粉或高纯石墨粉，优选为鳞片石墨粉。所述鳞片石墨粉价格最低，有利于降低石墨复合盐芯的成本。所述石墨粉具有良好的润滑效果，其与水溶性金属卤化物混合后，得到具有一定自润滑功能的水溶性石墨复合盐芯材料，无需向模具型腔内喷涂脱模剂也可以实现制得的石墨复合盐芯顺利脱模，从而简化了制备步骤，提高了生产效率。特别是鳞片状石墨粉的鳞片结晶完整，片薄且韧性好，具有良好的耐高温性、自润滑性、耐腐蚀性等，而且可塑性比其它石墨优越；在压制盐芯毛坯的过程中，鳞片石墨粉的可塑性决定了它将很好的填充在水溶性金属卤化物颗粒之间，而不影响它们之间相互镶嵌作用，还能起到一定程度的粘接效果，这样既保障了盐芯的强度较高，又简化了制作步骤，提高了生产效率。

所述石墨粉的粒度为16～1000目，更优选为32～200目。所述石墨粉与水溶性金属卤化物需要混合后形成性能均一的混合物，石墨粉的粒度太大或者粒度太小，加入水溶性金属卤化物中，均不能混合均匀。当石墨粉的与水溶性金属卤化物的粒度有较大差别时，两者在混合过程中容易出现分层现象，例如石墨粉的颗粒过小，就会在搅拌过程中顺着水溶性金属卤化物之间的间隙大量沉积于底部，形成底部石墨粉含量高而上部石墨粉含量低的分层现象；如果石墨粉的粒径过大，混合后，则结果相反，形成底部石墨粉含量少，而上不石墨粉含量高的分层现象。这样分层后的混合物性能不均匀，压制出来的盐芯性能也相差较大，稳定性不佳。因此，优选的，所述石墨粉和水溶性金属卤化物的粒径保持一致，均为32～200目。

32～200目的石墨粉与水溶性金属卤化物混合形成的混合物，在压制成型时不容易出现裂纹、掉块等问题，特别是压制形成石墨复合盐芯与纯盐盐芯相当。石墨粉的粒度与32～200目的范围相差越大达到的效果越差；如果颗粒度小于16目(粒径在1mm以上)或者大于1000目(粒径在0.015mm以下)时，由于石墨粉与水溶性金属卤化物的混合物均匀性太差，将不能有效保障盐芯的顺利脱模，从而丧失自润滑性，不能实现不喷涂脱模剂而顺利脱模的效果。

在本发明的石墨复合盐芯材料中，所述石墨粉最优选的为32～200目的鳞片石墨粉。

按照本发明，首先将水溶性金属卤化物和石墨粉除水后，混合均匀，得到混合物。所述除水优选为用干燥箱进行干燥。所述干燥温度优选为120～130℃。所述除水后还优选的进行破碎过筛，以保证水溶性金属卤化物和石墨粉的粒径相当，以便于混合均匀。本发明对于混合的方式没有特殊限制，能够混合均匀即可。

得到混合物后，将所述混合物依次经过压制，车削、烧结，得到石墨复合盐芯。所述混合物制备成水溶性石墨复合盐芯具体经过以下步骤：压制后，取出毛坯，车削加工成型，进行烧结。所述烧结温度优选为650～750℃，更优选为700～720℃；所述烧结时间为优选为6～9 小时。

经过实验证明，按照本发明的制备方法，每7～8秒能完成一件外径在Ф80～Ф100的水溶性石墨复合盐芯毛坯的压制，每天的产量能达到3100～3300件盐芯毛坯。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的水溶性石墨复合盐芯材料、石墨复合盐芯及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

NaCl和鳞片石墨粉在125℃±5℃条件下烤干，筛取32～200目NaCl5Kg，32～200目鳞片石墨粉0.16Kg，倒入不锈钢盆中搅拌3分钟，待混合均匀后取出，在室温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结6小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度29.6MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.86％；溃散时间不大于20分钟。

实施例2：

CaCl₂和鳞片石墨粉在125℃±5℃条件下烤干，筛取32～200目CaCl₂5Kg，32～200目鳞片石墨粉0.16Kg，倒入不锈钢盆中搅拌4分钟，待混合均匀后取出，在室温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结7小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度30.2MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.90％；溃散时间不大于25分钟。

实施例3：

KCl和鳞片石墨粉在125℃±5℃条件下烤干，筛取32-200目KCl5Kg，32-200目鳞片石墨粉0.16Kg，倒入不锈钢盆中搅拌5分钟，待混合均匀后取出，在室温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结8小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度29.5MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.85％；溃散时间不大于18分钟。

实施例4：

KCl和鳞片石墨粉在125℃±5℃条件下烤干，筛取32-200目KCl5Kg，32-200目鳞片石墨粉0.24Kg，倒入不锈钢盆中搅拌5分钟，待混合均匀后取出，在室温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结9小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度28.2MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.92％；溃散时间不大于21分钟。

实施例5：

NaCl和鳞片石墨粉在125℃±5℃条件下烤干，筛取32-200目NaCl5Kg，32-200目鳞片石墨粉0.24Kg，倒入不锈钢盆中搅拌3分钟，待混合均匀后取出，在室温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结7小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度28.7MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.95％；溃散时间不大于23分钟。

实施例6：

CaCl₂和鳞片石墨粉在125℃±5℃条件下烤干，筛取32-200目CaCl₂5Kg，32-200目鳞片石墨粉0.24Kg，倒入不锈钢盆中搅拌3分钟，待混合均匀后取出，在室温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结6.5小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度29.1MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.94％；溃散时间不大于30分钟。

实施例7：

NaCl和鳞片石墨粉在125℃±5℃条件下烤干，筛取32-200目NaCl5Kg，32-200目鳞片石墨粉0.08Kg，倒入不锈钢盆中搅拌5分钟，待混合均匀后取出，在室温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结6小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度27.6MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.82％；溃散时间不大于18分钟。

实施例7：

NaCl在125℃±5℃条件下烤干，筛取32-200目NaCl 5Kg，在室 温下将其定量放入金属型模中，加压压制，取出毛坯，车削加工成形后，置于烧结炉中，在680℃条件下烧结8小时，得到盐芯。常温下，盐芯的抗拉强度26.3MPa；加热到500℃时，线膨胀率0.80％；溃散时间不大于15分钟。

每7～8秒能完成一件石墨复合材料盐芯毛坯的压制，每天的产量能达到3100～3300件盐芯毛坯。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种水溶性石墨复合盐芯材料，由粒度为32～200目的水溶性金属卤化物和粒度为32～200目的石墨粉组成；

所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(2.8～3.6)。

2.根据权利要求1所述的水溶性石墨复合盐芯材料，其特征在于，所述石墨粉为鳞片石墨粉、胶体石墨粉或高纯石墨粉。

3.根据权利要求1～2任意一项所述的水溶性石墨复合盐芯材料，其特征在于，所述水溶性金属卤化物为氯化钠、氯化钾、氯化钙和氯化镁中的一种或多种。

4.一种由权利要求1～3任意一项所述的水溶性石墨复合盐芯材料制得的石墨复合盐芯。

5.一种石墨复合盐芯的制备方法，包括以下步骤：

(A)将粒度为32～200目的水溶性金属卤化物和粒度为32～200目的石墨粉除水后，混合均匀，得到混合物；所述水溶性金属卤化物和石墨粉的质量比为100：(2.8～3.6)；

(B)将所述混合物依次经过压制，车削，烧结，得到石墨复合盐芯。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为650～750℃，所述烧结时间为6～9小时。