CN110405134A - 一种高强度复合纤维陶瓷型壳及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度复合纤维陶瓷型壳及其制备方法，属于熔模精密铸造领域。本发明通过改变背层浆料成分和使用涂挂、机械喷涂工艺，使得浆料涂挂更加均匀，解决了浆料混合不均匀性问题，节省搅拌时间，同时机械喷涂工艺有效地克服了玻璃纤维发生团聚导致型壳强度降低的问题，大大提高了型壳内玻璃纤维的可添加量，增强了型壳强度和透气性，降低型壳厚度，减少挂浆和干燥时间，缩短生产周期进而提高精密铸造用型壳的强度和散热性，提高了铸件合格率和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及熔模精密铸造技术领域，尤其涉及一种高强度复合纤维陶瓷型壳及其制备方法。
背景技术
型壳制备是熔模精密铸造技术中至关重要的一步，型壳的性能也直接影响着铸件产品的质量。优良的陶瓷型壳需要具备较高的室温和高温强度，以及良好的散热性与溃散性，而传统的型壳材料和制备工艺已经无法满足要求。为了增强陶瓷型壳的结构强度，通常采用增加陶瓷型壳厚度和型壳材料复合改性来实现。但是型壳厚度的增加会使其散热能力下降，同时型壳的生产周期变长，影响型壳的成品率和生产效率。型壳材料改性技术是指在普通熔模精密制造型壳的基体上，通过添加或外附其他添加物，以改变型壳型壳强度、溃散性、导热性等性能的技术手段。型壳改性可以有效提升型壳强度并降低型壳厚度，平衡型壳厚度与散热性之间的约束，提高型壳质量。
目前，型壳制备工艺中，通常采用添加纤维材料来提高型壳性能。纤维材料在型壳焙烧后形成的微孔隙可提高型壳透气性，但是随着纤维含量的增加，型壳内部纤维会发生聚集、缠绕甚至结团，形成极不规则的团聚体，降低了型壳强度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强度复合纤维陶瓷型壳及其制备方法。本发明提供的制备方法在提高玻璃纤维含量的同时，增加了陶瓷型壳的强度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高强度复合纤维陶瓷型壳的制备方法，包括以下步骤：
提供面层浆料；
提供过渡层浆料；
将玻璃纤维与硅溶胶混合，得到玻璃纤维和硅溶胶的混合液，所述玻璃纤维的质量为硅溶胶质量的0.6％～1.0％；
将耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂混合后加入所述混合液，得到背层浆料，所述背层浆料中耐火材料和硅溶胶的质量比为2.5～2.9:1，所述混合液的用量为所述耐火材料和硅溶胶总质量的0.05～0.2％；
用所述面层浆料对蜡模挂浆，得到面层型壳；
用所述过渡层浆料对所述面层型壳挂浆，得到过渡层型壳；
在所述过渡层型壳表面机械喷涂所述背层浆料，形成背层型壳，得到预制体；
将所述预制体依次进行封浆、脱模和焙烧，得到所述高强度复合纤维陶瓷型壳。
优选地，所述面层浆料包括耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂，所述耐火材料和硅溶胶的质量比为2.9～3.5:1。
优选地，所述过渡层浆料包括耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂，所述耐火材料和硅溶胶的质量比为2.2～2.7:1。
优选地，所述耐火材料为电熔刚玉、熔融石英、莫来石或氧化锆。
优选地，所述硅溶胶中SiO2的质量含量均为25～30％。
优选地，所述玻璃纤维的长度为2～5mm。
优选地，所述机械喷涂的喷涂厚度为0.8～1.5mm。
优选地，所述机械喷涂的次数为3～5次。
优选地，所述焙烧的温度为900～1200℃，时间为1～2h。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制得的高强度复合纤维陶瓷型壳，所述高强度复合纤维陶瓷型壳的厚度为6～10mm，烧结强度为5.60～7.09MPa，所述高强度复合纤维陶瓷型壳中玻璃纤维的质量含量为0.6～1.0％，透气率为52.6～74.3％。
本发明提供了一种高强度复合纤维陶瓷型壳的制备方法，包括以下步骤：提供面层浆料；提供过渡层浆料；将玻璃纤维与硅溶胶混合，得到玻璃纤维和硅溶胶的混合液，所述玻璃纤维的质量为硅溶胶质量的0.6％～1.0％；将耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂混合后加入所述混合液，得到背层浆料，所述背层浆料中耐火材料和硅溶胶的质量比为2.5～2.9:1，所述混合液的用量为所述耐火材料和硅溶胶总质量的0.05～0.2％；用所述面层浆料对蜡模挂浆，得到面层型壳；用所述过渡层浆料对所述面层型壳挂浆，得到过渡层型壳；在所述过渡层型壳表面机械喷涂所述背层浆料，形成背层型壳，得到预制体；将所述预制体依次进行封浆、脱模和焙烧，得到所述高强度复合纤维陶瓷型壳。本发明通过改变背层浆料成分和使用涂挂、机械喷涂工艺，使得浆料涂挂更加均匀，解决了浆料混合不均匀性问题，节省搅拌时间，同时机械喷涂工艺有效地克服了玻璃纤维发生团聚导致型壳强度降低的问题，大大提高了型壳内玻璃纤维的可添加量，增强了型壳强度和透气性，降低型壳厚度，减少挂浆和干燥时间，缩短生产周期进而提高精密铸造用型壳的强度和散热性，提高了铸件合格率和生产效率。实施例的数据表明，本发明制得的高强度复合纤维陶瓷型壳的厚度为6～10mm，烧结强度为5.60～7.09MPa，所述高强度复合纤维陶瓷型壳中玻璃纤维的质量含量为0.6～1.0％，透气率为52.6～74.3％。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度复合纤维陶瓷型壳，包括以下步骤：
提供面层浆料；
提供过渡层浆料；
将玻璃纤维与硅溶胶混合，得到玻璃纤维和硅溶胶的混合液，所述玻璃纤维的质量为硅溶胶质量的0.6％～1.0％；
将耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂混合后加入所述混合液，得到背层浆料，所述背层浆料中耐火材料和硅溶胶的质量比为2.5～2.9:1，所述混合液的用量为所述耐火材料和硅溶胶总质量的0.05～0.2％；
用所述对面层浆料蜡模挂浆，得到面层型壳；
用所述过渡层浆料对所述面层型壳挂浆，得到过渡层型壳；
在所述过渡层型壳表面机械喷涂所述背层浆料，形成背层型壳，得到预制体；
将所述预制体依次进行封浆、脱模和焙烧，得到所述高强度复合纤维陶瓷型壳。
本发明提供面层浆料。在本发明中，所述面层浆料优选包括耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂，所述耐火材料和硅溶胶的质量比优选为2.9～3.5:1，更优选为3:1。在本发明中，所述耐火材料优选为电熔刚玉、熔融石英、莫来石或氧化锆。本发明对所述润湿剂和消泡剂的种类以及用量没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可，具体的如采用润湿剂JFC和有机硅消泡剂。
在本发明中，所述硅溶胶中SiO2的质量含量优选为25～30％。
本发明对所述面层浆料的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制得即可。
本发明提供过渡层浆料。在本发明中，所述过渡层浆料优选包括耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂，所述耐火材料和硅溶胶的质量比优选为2.2～2.7:1，更优选为2.5:1。本发明对所述耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂的具体种类与上述方案一致，在此不再赘述；本发明对所述过渡层浆料的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制得即可。
本发明将玻璃纤维与硅溶胶混合，得到玻璃纤维和硅溶胶的混合液，所述玻璃纤维的质量为硅溶胶质量的0.6％～1.0％。在本发明中，所述玻璃纤维的用量为硅溶胶质量的0.8％。在本发明中，所述玻璃纤维的长度优选为2～5mm。本发明对所述硅溶胶没有特殊的限定，优选与上述方案一致。
在本发明中，所述混合优选利用超声振动和电磁振荡混合均匀。
本发明将耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂混合后加入所述混合液，得到背层浆料，所述背层浆料中耐火材料和硅溶胶的质量比为2.5～2.9:1，所述混合液的用量为所述耐火材料和硅溶胶总质量的0.05～0.2％。在本发明中，优选的，所述背层浆料中耐火材料和硅溶胶的质量比为2.7:1，所述混合液的用量为所述耐火材料和硅溶胶总质量的0.1％。本发明对所述耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂的具体种类与上述方案一致，在此不再赘述；本发明对所述背层浆料的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制得即可。
本发明用所述面层浆料对蜡模挂浆，得到面层型壳。在本发明中，所述蜡模优选用蜡模清洗液清洗表面后再使用。本发明对面层涂挂工艺没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制得即可。
挂浆后，本发明优选还包括撒沙和干燥，本发明对所述撒沙和干燥的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
得到面层型壳后，本发明用所述过渡层浆料对所述面层型壳挂浆，得到过渡层型壳。本发明对过渡层涂挂工艺没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制得即可。
挂浆后，本发明优选还包括撒沙和干燥，本发明对所述撒沙和干燥的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
得到过渡层型壳后，本发明在所述过渡层型壳表面机械喷涂所述背层浆料，形成背层型壳，得到预制体。在本发明中，所述机械喷涂的喷涂厚度优选为0.8～1.5mm，更优选为1.2～1.4mm。
在本发明中，所述机械喷涂的次数为优选3～5次，更优选为4次。在本发明中。每次机械喷涂后优选还包括撒沙和干燥，本发明对所述撒沙和干燥的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
得到预制体后，本发明将所述预制体依次进行封浆、脱模和焙烧，得到所述高强度复合纤维陶瓷型壳。本发明对所述封浆和脱模的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，所述焙烧的温度优选为900～1200℃，更优选为1000℃，时间优选为1～2h，更优选为2h。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制得的高强度复合纤维陶瓷型壳，所述高强度复合纤维陶瓷型壳的厚度为6～10mm，高温强度为5.86～7.09MPa，所述高强度复合纤维陶瓷型壳中玻璃纤维的质量含量为0.6～1.0％，透气率为52.6～70.5％。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的高强度复合纤维陶瓷型壳及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
步骤1：面层浆料配制，锆英粉与硅溶胶按照3:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂；
步骤2：过渡层浆料配制，莫来石粉与硅溶胶按照2.5:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂；
步骤3：制备玻璃纤维和硅溶胶的混合液，将长度为2mm的玻璃纤维按照硅溶胶质量的0.8％加入到硅溶胶中，利用超声振动和电磁振荡混合均匀；
步骤4：配制背层浆料，莫来石粉与硅溶胶按照2.7:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂，加入步骤3中制备好的玻璃纤维与硅溶胶的混合液，搅拌均匀，加入量为背层浆料中耐火材料和硅溶胶总质量的0.1％；
步骤5：面层型壳制备，用蜡模清洗液清洗蜡模表面后，使用面层浆料挂浆，均匀后撒沙并干燥，得到面层型壳；
步骤6：过渡层型壳制备，使用步骤5所制的面层型壳，使用过渡层浆料挂浆，均匀后撒沙并干燥，得到过渡层型壳；
步骤7：背层型壳制备，将步骤6所制的过渡层型壳机械喷涂背层浆料，喷涂厚度为1.5mm，均匀后撒沙并干燥，重复喷浆、撒沙、干燥4次，得到背层型壳；
步骤8：封浆，将步骤7所制的背层型壳涂挂背层浆料进行封浆；
步骤9：脱蜡与焙烧，型壳脱蜡后采用真空烧结炉焙烧，烧结温度为1200℃、焙烧1.5h，得到高强度复合纤维陶瓷型壳。
本实施例制得的高强度复合纤维陶瓷型壳的厚度为8mm，烧结强度为6.21MPa，所述高强度复合纤维陶瓷型壳中玻璃纤维的质量含量为0.6％，型壳透气性为60.5％。
实施例2
步骤1：面层浆料配制，锆英粉与硅溶胶按照2.9:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂；
步骤2：过渡层浆料配制，莫来石粉与硅溶胶按照2.2:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂；
步骤3：制备玻璃纤维和硅溶胶的混合液，将长度为4mm的玻璃纤维按照硅溶胶质量分数0.8％加入到硅溶胶中，利用超声振动和电磁振荡混合均匀；
步骤4：配制背层浆料，莫来石粉与硅溶胶按照2.5:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂，加入步骤3中制备好的玻璃纤维与硅溶胶的混合液，搅拌均匀，加入量为背层浆料中耐火材料和硅溶胶总质量的0.05％；
步骤5：面层型壳制备，用蜡模清洗液清洗蜡模表面后，使用面层浆料挂浆，均匀后撒沙并干燥，得到面层型壳；
步骤6：过渡层型壳制备，使用步骤5所制的面层型壳，使用过渡层浆料挂浆，均匀后撒沙并干燥，得到过渡层型壳；
步骤7：背层型壳制备，将步骤6所制的过渡层型壳机械喷涂背层浆料，喷涂厚度为1.2mm，均匀后撒沙并干燥，重复喷浆、撒沙、干燥3次，得到背层型壳；
步骤8：封浆，将步骤7所制的背层型壳涂挂背层浆料进行封浆；
步骤9：脱蜡与焙烧，型壳脱蜡后采用真空烧结炉焙烧，烧结温度为1000℃、焙烧2h，得到高强度复合纤维陶瓷型壳。
本实施例制得的高强度复合纤维陶瓷型壳的厚度为7mm，烧结强度为5.86MPa，玻璃纤维的质量含量为0.6％，型壳透气性为70.5％。
实施例3
步骤1：面层浆料配制，锆英粉与硅溶胶按照3.5:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂；
步骤2：过渡层浆料配制，莫来石粉与硅溶胶按照2.7:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂；
步骤3：制备玻璃纤维和硅溶胶的混合液，将长度为5mm的玻璃纤维按照硅溶胶质量分数0.8％加入到硅溶胶中，利用超声振动和电磁振荡混合均匀；
步骤4：配制背层浆料，莫来石粉与硅溶胶按照2.9:1质量比混合均匀，同时分别加入硅溶胶质量0.2％的润湿剂JFC和有机硅消泡剂，加入步骤3中制备好的玻璃纤维与硅溶胶的混合液，搅拌均匀，加入量为背层浆料中耐火材料和硅溶胶总质量的0.2％；
步骤5：面层型壳制备，用蜡模清洗液清洗蜡模表面后，使用面层浆料挂浆，均匀后撒沙并干燥，得到面层型壳；
步骤6：过渡层型壳制备，使用步骤5所制的面层型壳，使用过渡层浆料挂浆，均匀后撒沙并干燥，得到过渡层型壳；
步骤7：背层型壳制备，将步骤6所制的过渡层型壳机械喷涂背层浆料，喷涂厚度为1.4mm，均匀后撒沙并干燥，重复喷浆、撒沙、干燥5次，得到背层型壳；
步骤8：封浆，将步骤7所制的背层型壳涂挂背层浆料进行封浆；
步骤9：脱蜡与焙烧，型壳脱蜡后采用真空烧结炉焙烧，烧结温度为900℃、焙烧1h，得到高强度复合纤维陶瓷型壳。
本实施例制得的高强度复合纤维陶瓷型壳的厚度为9mm，烧结强度为7.09MPa，玻璃纤维的质量含量为1.0％，型壳透气性为52.6％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高强度复合纤维陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供面层浆料；
提供过渡层浆料；
将玻璃纤维与硅溶胶混合，得到玻璃纤维和硅溶胶的混合液，所述玻璃纤维的质量为硅溶胶质量的0.6％～1.0％；
将耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂混合后加入所述混合液，得到背层浆料，所述背层浆料中耐火材料和硅溶胶的质量比为2.5～2.9:1，所述混合液的用量为所述耐火材料和硅溶胶总质量的0.05～0.2％；
用所述面层浆料对蜡模挂浆，得到面层型壳；
用所述过渡层浆料对所述面层型壳挂浆，得到过渡层型壳；
在所述过渡层型壳表面机械喷涂所述背层浆料，形成背层型壳，得到预制体；
将所述预制体依次进行封浆、脱模和焙烧，得到所述高强度复合纤维陶瓷型壳。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述面层浆料包括耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂，所述耐火材料和硅溶胶的质量比为2.9～3.5:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡层浆料包括耐火材料、硅溶胶、润湿剂和消泡剂，所述耐火材料和硅溶胶的质量比为2.2～2.7:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述耐火材料为电熔刚玉、熔融石英、莫来石或氧化锆。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶中SiO2的质量含量均为25～30％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述玻璃纤维的长度为2～5mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述机械喷涂的喷涂厚度为0.8～1.5mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述机械喷涂的次数为3～5次。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧的温度为900～1200℃，时间为1～2h。
10.权利要求1～9任一项所述的制备方法制得的高强度复合纤维陶瓷型壳，其特征在于，所述高强度复合纤维陶瓷型壳的厚度为6～10mm，烧结强度为5.60～7.09MPa，所述高强度复合纤维陶瓷型壳中玻璃纤维的质量含量为0.6～1.0％，透气率为52.6～74.3％。
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