CN106083005A - 高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯制备方法，通过依次将石英玻璃粉、电熔莫来石粉、煅烧海绵焦粉和硅溶胶混合得到陶瓷型芯粉体浆料，经固化成型后埋入氧化镁粉体中进行烘干，最后经烧结得到高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯，本发明能够在兼顾陶瓷型芯力学性能的同时，提高陶瓷型芯的孔隙率至46％以上，易提高其脱除性能。

Description

高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种不锈钢、镍基高温合金熔模精密铸造领域的技术，具体是一种孔隙率大于46％的易脱除硅基陶瓷型芯制备方法。
背景技术
近年来，熔模精密铸造技术越来越多地应用于不锈钢、镍基高温合金等零部件的制造，而随着航天航空、船舶、汽车、能源、机械等领域对耐高温零部件要求的提高，结构-功能一体化已经成为耐高温零部件设计和制造的发展趋势。由于兼顾减重、降低生产成本和提高性能，很多铸件的设计都由实心改为空心结构，因此对于作为形成精铸件空心内腔结构转接件的陶瓷型芯提供了巨大的市场。陶瓷型芯可形成精铸件的内腔形状，且与外形模壳共同保证这精铸件壁厚的尺寸精度，同时在铸件浇注、凝固和冷却之后，需要通过机械或化学溶蚀等方式将其从铸件内腔中清除出来，得到空心铸件，因此，陶瓷型芯的高温力学性能、型芯的脱除性能就成为衡量型芯综合性能的主要指标。如陶瓷型芯在金属熔体浇注时发生高温蠕变或断裂，以及脱芯难度大，均会影响到铸件的质量、成品率和生产效率。一般来说，对于同一材质的陶瓷制品，其孔隙率越大，强度往往越低，因此在保证陶瓷型芯常温与高温强度满足要求的同时，尽可能提高型芯的孔隙率，尤其是开放的孔隙率，调节孔径分布，是提高型芯脱除性能的重要方法。
发明内容
本发明针对现有技术中陶瓷型芯孔隙率不高或脱芯困难等缺陷，提出一种高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯制备方法，能够在兼顾陶瓷型芯力学性能的同时，提高陶瓷型芯的孔隙率，易提高其脱除性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过依次将石英玻璃粉、电熔莫来石粉、煅烧海绵焦粉和硅溶胶混合得到陶瓷型芯粉体浆料，经固化成型后埋入轻质氧化镁粉体中进行烘干，最后经烧结得到高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯。
所述的石英玻璃粉为市售产品，其粒度为200目-325目，纯度大于99.9％。
所述的电熔莫来石粉为市售产品，其粒度为70目-200目，其中氧化铝含量为72.6wt.％。
所述的煅烧海绵焦粉为市售产品，其粒度为70目-120目，灰分含量低于0.5wt.％。
所述的硅溶胶为市售产品，其固含量为30％，pH值为8-9。
所述的氧化镁粉体为市售轻质氧化镁，粒度为1500目，纯度大于99wt％。
所述的混合，优选将70-90重量份的200目-325目石英玻璃粉、5-20重量份的70目-200目电熔莫来石粉、5-10重量份的70-120目的煅烧海绵焦粉先在V型混料机中进行强制搅拌混合2h，然后加入占总质量20-50％的硅溶胶，在搅拌条件下加入到搅拌机中，在搅拌速度200转/min的条件下搅拌2h，获得陶瓷型芯浆料。
所述的陶瓷型芯粉体浆料中优选加入氯化铵水溶液。
所述的固化成型，具体为：称取质量份数98-99.5的陶瓷型芯浆料，置于陶瓷型芯压注机的料罐中，搅拌真空除气30min，将质量浓度10％的氯化铵水溶液按照质量份数0.5-2的比例加入到料罐中，继续真空搅拌约1min，再将陶瓷型芯浆料压注到金属模具中，将模具移开静置，直至陶瓷型芯浆料在模具模腔中成型。
所述的烘干，具体为：40℃下保温2-10h，80℃保温2-10h，150℃保温2-10h，获得质地坚硬的陶瓷型芯素坯；
所述的烧结，优选将存放陶瓷型芯素坯的陶瓷匣钵置于烧结炉中在空气下进行烧结；
所述的烧结，具体为：1180℃下烧结3-10h，获得陶瓷型芯成品。
本发明涉及上述方法制备得到的硅基陶瓷型芯，其主要化学成分为Si、Al、O，其孔隙率大于46％，力学性能超过32MPa，均优于现有的硅基陶瓷型芯的技术指标。
本发明涉及上述硅基陶瓷型芯的应用，将其用于不锈钢空心铸件、镍基高温合金空心叶片等具有复杂空腔结构的铸件的熔模铸造成型。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
第一，采用的硅溶胶粘结剂在陶瓷型芯烧结后，转变成二氧化硅，与陶瓷型芯基体材料化学成分相同，未引入其它杂质元素，同时氯化铵固化剂在高温下会发生分解而不会残留在陶瓷型芯中，对型芯不会造成污染；
第二，通过控制固化剂的加入量，可以控制浆料固化所需的时间，即固化时间随着固化剂加入量的增加而缩短，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注浆过程，同时浆料固化可在常温下进行，简化了操作工艺；
第三，素坯经固化后即具有一定的硬度，且在干燥和烧结过程中均处于粉体包埋的状态中，因此抗变形能力有所增强；
第四，煅烧海绵焦在陶瓷型芯烧结过程中会完全分解，从而使烧结后的陶瓷型芯呈现开孔结构，且可通过调整煅烧海绵焦的添加比例，而实现孔隙率大小的控制，也为型芯的顺利脱除提供了有力的保障；
第五，陶瓷型芯中添加的电熔莫来石呈条状结构，对陶瓷型芯素坯和烧结后的型芯起到了增强的作用，从而保证了型芯在铸造过程中的高温强度。
具体实施方式
实施例1
本实施例通过以下步骤实现高孔隙率易脱除陶瓷型芯的制备：
步骤1)选用质量份数为70的200目-325目石英玻璃粉、质量份数为20的70目-200目电熔莫来石粉、质量份数为10的70-120目的煅烧海绵焦粉在V型混料机中进行强制搅拌混合2h，获得陶瓷型芯粉体原料；称取质量份数50的硅溶胶置于搅拌机中，将质量份数50的陶瓷型芯粉体原料的陶瓷型芯粉体原料在搅拌条件下加入到搅拌机中，在搅拌速度200转/min的条件下搅拌2h，获得陶瓷型芯浆料。
步骤2)称取质量份数98的陶瓷型芯浆料，置于陶瓷型芯压注机的料罐中，搅拌真空除气30min，将质量浓度10％的氯化铵水溶液按照质量份数2的比例加入到料罐中，继续真空搅拌约1min，再将陶瓷型芯浆料压注到金属模具中，将模具移开静置，直至陶瓷型芯浆料在模具模腔中固化成型，再将陶瓷型芯素坯取出，埋入置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉体中，在烘箱里进行烘干，烘干制度为：40℃下保温2-10h，80℃保温2-10h，150℃保温2-10h，获得质地坚硬的陶瓷型芯素坯；将存放陶瓷型芯素坯的陶瓷匣钵置于烧结炉中在空气下进行烧结，烧结制度为：1180℃下烧结3-10h，获得陶瓷型芯成品。通过阿基米德法对陶瓷型芯样品进行测定，其孔隙率达到52.8％，1000℃下抗折强度为32.5MPa。
实施例2
本实施例通过以下步骤实现高孔隙率易脱除陶瓷型芯的制备：
步骤1)选用质量份数为80的200目-325目石英玻璃粉、质量份数为12.5的70目-200目电熔莫来石粉、质量份数为5的70-120目的煅烧海绵焦粉在V型混料机中进行强制搅拌混合2h，获得陶瓷型芯粉体原料；称取质量份数30的硅溶胶置于搅拌机中，将质量份数70的陶瓷型芯粉体原料的陶瓷型芯粉体原料在搅拌条件下加入到搅拌机中，在搅拌速度200转/min的条件下搅拌2h，获得陶瓷型芯浆料。
步骤2)称取质量份数99的陶瓷型芯浆料，置于陶瓷型芯压注机的料罐中，搅拌真空除气30min，将质量浓度10％的氯化铵水溶液按照质量份数1的比例加入到料罐中，继续真空搅拌约1min，再将陶瓷型芯浆料压注到金属模具中，将模具移开静置，直至陶瓷型芯浆料在模具模腔中固化成型，再将陶瓷型芯素坯取出，埋入置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉体中，在烘箱里进行烘干，烘干制度为：40℃下保温2-10h，80℃保温2-10h，150℃保温2-10h，获得质地坚硬的陶瓷型芯素坯；将存放陶瓷型芯素坯的陶瓷匣钵置于烧结炉中在空气下进行烧结，烧结制度为：1180℃下烧结3-10h，获得陶瓷型芯成品。通过阿基米德法对陶瓷型芯样品进行测定，其孔隙率达到49.2％，1000℃下抗折强度为34.8MPa。
实施例3
本实施例通过以下步骤实现高孔隙率易脱除陶瓷型芯的制备：
步骤1)选用质量份数为90的200目-325目石英玻璃粉、质量份数为5的70目-200目电熔莫来石粉、质量份数为5的70-120目的煅烧海绵焦粉在V型混料机中进行强制搅拌混合2h，获得陶瓷型芯粉体原料；称取质量份数70的硅溶胶置于搅拌机中，将质量份数30的陶瓷型芯粉体原料的陶瓷型芯粉体原料在搅拌条件下加入到搅拌机中，在搅拌速度200转/min的条件下搅拌2h，获得陶瓷型芯浆料。
步骤2)称取质量份数99.5的陶瓷型芯浆料，置于陶瓷型芯压注机的料罐中，搅拌真空除气30min，将质量浓度10％的氯化铵水溶液按照质量份数0.5的比例加入到料罐中，继续真空搅拌约1min，再将陶瓷型芯浆料压注到金属模具中，将模具移开静置，直至陶瓷型芯浆料在模具模腔中固化成型，再将陶瓷型芯素坯取出，埋入置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉体中，在烘箱里进行烘干，烘干制度为：40℃下保温2-10h，80℃保温2-10h，150℃保温2-10h，获得质地坚硬的陶瓷型芯素坯；将存放陶瓷型芯素坯的陶瓷匣钵置于烧结炉中在空气下进行烧结，烧结制度为：1180℃下烧结3-10h，获得陶瓷型芯成品。通过阿基米德法对陶瓷型芯样品进行测定，其孔隙率达到46.3％，1000℃下抗折强度为35.2MPa。
将上述实施例的陶瓷型芯用于熔模精密铸造，铸件浇注完毕后冷却至室温后，放入质量百分数为20％的氢氧化钠水溶液中，碱煮3-5h，即可实现型芯的完全脱除；与之相对比的，采用以半精炼石蜡作为主要增塑粘结剂热压铸制备的硅基陶瓷型芯，其孔隙率仅为25-30％，1000℃下抗折强度27-30MPa，经同样的碱煮处理，在15-20h才能实现型芯的完全脱除。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯制备方法，其特征在于，通过依次将石英玻璃粉、电熔莫来石粉、煅烧海绵焦粉和硅溶胶混合得到陶瓷型芯粉体浆料，经固化成型后埋入氧化镁粉体中进行进行烘干，最后经烧结得到高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的混合，将70-90重量份的200目-325目石英玻璃粉、5-20重量份的70目-200目电熔莫来石粉、5-10重量份的70-120目的煅烧海绵焦粉先在V型混料机中进行强制搅拌混合2h，然后加入占总质量20-50％的硅溶胶，在搅拌条件下加入到搅拌机中，在搅拌速度200转/min的条件下搅拌2h，获得陶瓷型芯浆料。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是，所述的陶瓷型芯粉体浆料中加入氯化铵水溶液。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的固化成型，具体为：称取质量份数98-99.5的陶瓷型芯浆料，置于陶瓷型芯压注机的料罐中，搅拌真空除气30min，将质量浓度10％的氯化铵水溶液按照质量份数0.5-2的比例加入到料罐中，继续真空搅拌约1min，再将陶瓷型芯浆料压注到金属模具中，将模具移开静置，直至陶瓷型芯浆料在模具模腔中成型。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的烘干，具体为：40℃下保温2-10h，80℃保温2-10h，150℃保温2-10h，获得质地坚硬的陶瓷型芯素坯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的烧结，将存放陶瓷型芯素坯的陶瓷匣钵置于烧结炉中在空气下进行烧结。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征是，所述的烧结，具体为：1180℃下烧结3-10h，获得陶瓷型芯成品。
8.一种根据权利要求1～7中任一所述方法制备得到的高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯，其特征在于，孔隙率大于46％。
9.种根据权利要求1～7中任一所述的高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯的应用，其特征在于，用于不锈钢空心铸件、镍基高温合金空心叶片的铸件的熔模铸造成型。
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