CN112439874A - 高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料及制备方法，通过将洁净干燥的叶片蜡模模组浸入面层涂料，待涂料均匀涂挂于蜡模表面后，均匀撒上作为耐火填料的锆英砂或电熔刚玉砂，在室温下待其干燥；然后将模组背层涂料沾浆后，均匀撒上作为耐火填料的烧结莫来石砂，充分干燥，重复背层涂料沾浆直至型壳达到所需厚度，再用背层涂料进行封浆和干燥；将干燥好的型壳置于高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，在空气中于850～1100℃下焙烧2～6h，空冷至室温，即得到陶瓷型壳。本发明制作的型壳具有高的湿强度和高温强度、以及低的残余强度，且透气性、退让性、溃散性优良；与普通的型壳相比，背层涂挂次数减少，厚度降低，利于增加铸件凝固冷却时的散热速度，提升铸件冶金质量。

Description

高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料及制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种熔模铸造领域的技术，具体是一种高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料及制备方法。
背景技术
陶瓷型壳的制备是熔模精密铸造过程中的主要工序之一，型壳的性能对于铸件的冶金质量、表面质量和尺寸精度有着重要的影响。湿强度、高温强度和浇注后的残余强度是评价型壳性能的主要技术指标。对于具有复杂、薄壁结构的高温合金铸件而言，要求型壳的强度具有高的湿强度、高的温强度和低的残余强度，这样既可保证型壳在脱蜡和金属液浇注时不发生溃裂，也可保证型壳在浇注后具有良好的退让性和溃散性，从而获得充型完整且没有裂纹缺陷的优质铸件。在保证强度的前提下，还需要尽量降低型壳的厚度，以提高铸件在凝固、冷却过程中的散热速度，减少铸件的疏松、缩孔等冶金缺陷，降低晶粒尺寸，使铸件具有较高的拉伸强度、持久强度和疲劳强度，提升铸件的成品率和应用可靠性。现有技术未能实现对型壳的湿强度、高温强度、残余强度，以及透气性、退让性和溃散性进行综合改进。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料及制备方法，所制备的陶瓷型壳具有高的湿强度和高温强度，以及低的残余强度，此外具有优良的透气性、退让性和溃散性，能够减少背层涂挂次数并降低厚度，有利于增加铸件凝固冷却时的散热速度，提升铸件冶金质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料的制备方法，通过将洁净干燥的叶片蜡模模组浸入面层涂料，待涂料均匀涂挂于蜡模表面后，均匀撒上作为耐火填料的锆英砂或电熔刚玉砂，在室温下待其干燥；然后将模组背层涂料沾浆后，均匀撒上作为耐火填料的烧结莫来石砂，充分干燥，重复背层涂料沾浆直至型壳达到所需厚度，再用背层涂料进行封浆和干燥；将干燥好的型壳置于高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，在空气中于850～1100℃下焙烧2～6h，空冷至室温，即得到陶瓷型壳。
所述的面层涂料，由作为面层粘结剂的碱性硅溶胶、作为耐火填料的锆英砂或电熔刚玉砂、作为表面晶粒细化剂的铝酸钴、作为流变改性剂的聚醋酸乙烯乳液以及润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂组成。
所述的面层涂料，通过以下方式制备得到：将面层粘结剂加入到配浆桶中，在搅拌的条件下加入电熔刚玉粉或锆英粉、铝酸钴、聚醋酸乙烯乳液、润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂到配浆桶中，搅拌时间为2h，即得。
所述的面层涂料中：面层粘结剂的占比为20～30wt.％，电熔刚玉或锆英粉的占比为60～75wt.％，铝酸钴的占比为3～5wt.％，聚醋酸乙烯乳液的占比为1～4wt.％；润湿剂、消泡剂、分散剂和杀菌剂的重量比例为1:1:1:1，总和占面层涂料的比例为1wt.％。
所述的面层涂料采用4号察恩杯测量所得粘度为18～40s。
所述的背层涂料，由作为背层粘结剂的碱性硅溶胶、作为耐火填料的烧结莫来石砂、作为抗裂剂的木质纤维素、作为矿化剂的高岭土、作为高温增强剂的钛酸钾晶须、作为流变改性剂的聚醋酸乙烯乳液以及消泡剂、分散剂和防腐剂组成。
所述的背层涂料，通过以下方式制备得到：将背层粘结剂加入到配浆桶中，在搅拌的条件下加入木质纤维素、高岭土和以钛酸钾晶须，待完全分散后加入烧结莫来石粉、聚醋酸乙烯乳液、消泡剂和防腐剂，搅拌时间为2h，即得。
所述的背层涂料中：背层粘结剂的占比为30～40wt.％，烧结莫来石粉的占比为47～65wt.％，木质纤维素的占比为1～3wt.％，高岭土的占比为1～3wt.％，钛酸钾晶须的占比为1～3wt.％，聚醋酸乙烯乳液的占比为1～3wt.％；消泡剂和杀菌剂的重量比例为1:1，总和占背层涂料的比例为1wt.％。
所述的背层涂料采用5号察恩杯测量所得粘度为9～30s。
所述的陶瓷型壳采用的面层用电熔刚玉砂或锆英砂的粒度为80-100目；背层第一层的烧结莫来石砂的粒度为30-46目；背层第二层之后的烧结莫来石砂的粒度为16-30目。
本发明涉及上述方法制备得到的高温合金精密铸造用陶瓷型壳，其湿坯的室温抗折强度为8.50～11.25MPa；经1000℃焙烧后型壳的高温(1500℃)抗折强度为5.22～6.89MPa；浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为1.48～2.55MPa；透气性为21.50～26.44m4/N·min。
技术效果
本发明整体解决了现有大型陶瓷型壳的强度、透气性和退让性等关键性能综合调控的技术难题。采用木质纤维素作为陶瓷型壳浆料中的添加物，明显提高型壳背层的粘结强度和表面强度，提高型壳脱蜡时的湿强度，抑制型壳开裂，提高型壳透气性、退让性；具有增加背层涂料悬浮稳定性，提高型壳湿强度的作用；钛酸钾晶须对于型壳的补强作用明显，可保证型壳在高温下不溃裂。与现有技术相比，本发明制备的陶瓷型壳，具有高的湿强度和高温强度、以及低的残余强度，且透气性、退让性、溃散性优良，与普通的烧结莫来石型壳相比，背层涂挂次数减少，厚度降低，利于增加铸件凝固冷却时的散热速度，提升铸件冶金质量。
具体实施方式
实施例1
本实施例通过以下步骤实现高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料的制备：
1、型壳面层涂料的制备：将20kg碱性硅溶胶置于配浆桶中并搅拌，分批将75kg锆英粉和3kg铝酸钴加入配浆桶中，在搅拌的条件下，向配浆桶中加入1kg聚醋酸乙烯乳液，搅拌1h后，再缓慢加入润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂各0.25kg，继续搅拌1h，即得到面层涂料。
2、型壳背层涂料的制备：将30kg碱性硅溶胶置于配浆桶中并搅拌，分批将65kg烧结莫来石粉、1kg木质纤维素、1kg高岭土、1kg钛酸钾晶须加入到配浆桶中，在搅拌的条件下，向配浆桶中加入1kg聚醋酸乙烯乳液，搅拌1h后，再缓慢加入消泡剂和防腐剂各0.5kg，继续搅拌1h，即得到背层涂料。
3、将清洗好并用压缩空气吹干的叶片蜡模模组浸入到上述配制好的面层涂料中，待涂料均匀地涂挂在蜡模上后，再将面层均匀撒上80～100目的锆英砂并在室温下进行自然干燥；然后将模组进行背层涂料的沾浆，再将背层均匀撒上烧结莫来石砂，其中第一层背层砂为30～46目，第二层之后的背层砂为16～30目，并在通风条件下进行充分干燥，背层总计6层，最后应用背层涂料进行封浆，再进行干燥；将干燥好的陶瓷型壳置于高压蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡，再在空气中于1100℃下焙烧2h，空冷至室温，即得到陶瓷型壳。
本实施例通过上述方法制备得到的大型陶瓷型壳，其湿坯室温抗折强度为8.50MPa；经1000℃焙烧后型壳的高温(1500℃)抗折强度为5.22MPa；浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为1.48MPa；透气性为21.50m4/N·min。与之相比，现有的石英陶瓷型壳湿坯的室温抗折强度为4.86MPa，浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为2.57MPa；透气性仅为12.45m4/N·min。
实施例2
本实施例通过以下步骤实现高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料的制备，与实施例1相比，本实施例的调整为：改变了型壳面层与背层材料的组成。
本实施例具体包括以下步骤：
1、型壳面层涂料的制备：将25kg碱性硅溶胶置于配浆桶中并搅拌，分批将68kg锆英粉和4kg铝酸钴加入配浆桶中，在搅拌的条件下，向配浆桶中加入2kg聚醋酸乙烯乳液，搅拌1h后，再缓慢加入润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂各0.25kg，继续搅拌1h，即得到面层涂料。
2、型壳背层涂料的制备：将35kg碱性硅溶胶置于配浆桶中并搅拌，分批将56kg烧结莫来石粉、2kg木质纤维素、2kg高岭土、2kg钛酸钾晶须加入到配浆桶中，在搅拌的条件下，向配浆桶中加入2kg聚醋酸乙烯乳液，搅拌1h后，再缓慢加入消泡剂和防腐剂各0.5kg，继续搅拌1h，即得到背层涂料。
3、将清洗好并用压缩空气吹干的叶片蜡模模组浸入到上述配制好的面层涂料中，待涂料均匀地涂挂在蜡模上后，再将面层均匀撒上80～100目的锆英砂并在室温下进行自然干燥；然后将模组进行背层涂料的沾浆，再将背层均匀撒上烧结莫来石砂，其中第一层背层砂为30～46目，第二层之后的背层砂为16～30目，并在通风条件下进行充分干燥，背层总计5层，最后应用背层涂料进行封浆，再进行干燥；将干燥好的陶瓷型壳置于高压蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡，再在空气中于1000℃下焙烧4h，空冷至室温，即得到陶瓷型壳。
本实施例通过上述方法制备得到的大型陶瓷型壳，其湿坯室温抗折强度为10.04MPa；经1000℃焙烧后型壳的高温(1500℃)抗折强度为6.18MPa；浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为2.14MPa；透气性为23.67m4/N·min。与之相比，现有的石英陶瓷型壳湿坯的室温抗折强度为4.86MPa，浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为2.57MPa；透气性仅为12.45m4/N·min。
实施例3
本实施例通过以下步骤实现高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料的制备，与实施例1相比，本实施例的调整为：改变了型壳面层与背层材料的组成。
本实施例具体包括以下步骤：
1、型壳面层涂料的制备：将30kg碱性硅溶胶置于配浆桶中并搅拌，分批将60kg电熔刚玉粉和5kg铝酸钴加入配浆桶中，在搅拌的条件下，向配浆桶中加入4kg聚醋酸乙烯乳液，搅拌1h后，再缓慢加入润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂各0.25kg，继续搅拌1h，即得到面层涂料。
2、型壳背层涂料的制备：将40kg碱性硅溶胶置于配浆桶中并搅拌，分批将47kg烧结莫来石粉、3kg木质纤维素、3kg高岭土、3kg钛酸钾晶须加入到配浆桶中，在搅拌的条件下，向配浆桶中加入3kg的聚醋酸乙烯乳液，搅拌1h后，再缓慢加入消泡剂和防腐剂各0.5kg，继续搅拌1h，即得到背层涂料。
3、将清洗好并用压缩空气吹干的叶片蜡模模组浸入到上述配制好的面层涂料中，待涂料均匀地涂挂在蜡模上后，再将面层均匀撒上80～100目的电熔石英砂并在室温下进行自然干燥；然后将模组进行背层涂料的沾浆，再将背层均匀撒上烧结莫来石砂，其中第一层背层砂为30～46目，第二层之后的背层砂为16～30目，并在通风条件下进行充分干燥，背层总计4层，最后应用背层涂料进行封浆，再进行干燥；将干燥好的陶瓷型壳置于高压蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡，再在空气中于850℃下焙烧6h，空冷至室温，即得到陶瓷型壳。
本实施例通过上述方法制备得到的大型陶瓷型壳，其湿坯室温抗折强度为11.25MPa；经1000℃焙烧后型壳的高温(1500℃)抗折强度为6.89MPa；浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为2.55MPa；透气性为26.44m4/N·min。与之相比，现有的石英陶瓷型壳湿坯的室温抗折强度为4.86MPa，浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为2.57MPa；透气性仅为12.45m4/N·min。
上述实施例中所采用的原料来自：碱性硅溶胶为市售产品，其中二氧化硅胶体颗粒含量为26～31wt.％；电熔刚玉粉的粒度分布为10～70μm，锆英粉的粒度分布为10～70μm，铝酸钴的粒度分布为1～38μm，聚醋酸乙烯乳液为白色液体，固含量30wt.％；润湿剂、消泡剂、分散剂和杀菌剂均为熔模铸造市售的添加剂。烧结莫来石粉的粒度分布为10～100μm，木质纤维素的纤维长度为100～500μm，高岭土须经1300℃以上煅烧处理，其粒度分布为0.5～10μm，钛酸钾晶须的直径为0.1～0.6μm，长度为3～20μm；聚醋酸乙烯乳液为白色液体，固含量30wt.％。
与现有技术相比本发明的优势在于：本发明方法中采用木质纤维素作为陶瓷型壳浆料中的添加物，以提升陶瓷型壳的湿坯抗折强度以及型壳透气性，同时还降低了陶瓷型壳的残余强度，使其退让性得到提高。采用煅烧高岭土作为矿化剂，具有增加背层涂料悬浮的稳定性和提高型壳湿强度的作用，可替代成本较高的Al2O3-SiO2-CaO类矿化剂。采用钛酸钾晶须作为高温增强剂，对于型壳的补强作用明显。具体说明如下：
1)本发明选用的木质纤维素是天然可再生木材经过化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质，无毒、无味、无污染、无放射性，易在水中分散；由于木质纤维素纤维结构的毛细管作用，能够将系统内部的水分迅速地传输到背层涂料的表面和界面，使得涂料内部的水分均匀分布明显减少结皮现象，并使得型壳背层的粘结强度和表面强度明显提高，这个机理也由于干燥过程中张力的减少而明显起到抗裂的作用，同时也可显著提高型壳脱蜡时的湿强度，抑制型壳开裂；在型壳高温焙烧过程中，木质纤维素完全被烧除，无残留，使型壳背层内部形成细小的孔隙，有利于型壳透气性、退让性和溃散性的提高。
2)煅烧高岭土具有增加背层涂料悬浮的稳定性和提高型壳湿强度的作用，同时在型壳高温焙烧及浇注过程中，能够转化为莫来石相，增加型壳的高温强度，且其价格极其低廉，可替代成本较高的Al2O3-SiO2-CaO类矿化剂。
3)钛酸钾晶须是多晶无机晶须，熔点不低于1300℃，高温下的强度较高且刚性好，优于玻璃纤维与石墨纤维，同时还易分散在背层涂料中而不会团聚；高温合金的浇注温度一般为1500℃左右，浇注时型壳的温度会上升至1300℃左右，由于铸件从浇注至凝固的时间很短，因此钛酸钾晶须对于型壳的补强作用明显，可保证型壳在高温下不溃裂，而在铸件冷却至室温后，由于钛酸钾不会生成低熔点玻璃相，因此不会显著造成型壳的残余强度的增加。
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 (8)

1.一种高温合金铸件精密铸造用陶瓷型壳材料的制备方法，其特征在于，通过将洁净干燥的叶片蜡模模组浸入面层涂料，待涂料均匀涂挂于蜡模表面后，均匀撒上作为耐火填料的锆英砂或电熔刚玉砂，在室温下待其干燥；然后将模组背层涂料沾浆后，均匀撒上作为耐火填料的烧结莫来石砂，充分干燥，重复背层涂料沾浆直至型壳达到所需厚度，再用背层涂料进行封浆和干燥；将干燥好的型壳置于高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，在空气中于850～1100℃下焙烧2～6h，空冷至室温，即得到陶瓷型壳。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的面层涂料，由作为面层粘结剂的碱性硅溶胶、作为耐火填料的锆英砂或电熔刚玉砂、作为表面晶粒细化剂的铝酸钴、作为流变改性剂的聚醋酸乙烯乳液以及润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂组成，其中：面层粘结剂的占比为20～30wt.％，电熔刚玉或锆英粉的占比为60～75wt.％，铝酸钴的占比为3～5wt.％，聚醋酸乙烯乳液的占比为1～4wt.％；润湿剂、消泡剂、分散剂和杀菌剂的重量比例为1:1:1:1，总和占面层涂料的比例为1wt.％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的面层涂料，通过以下方式制备得到：将面层粘结剂加入到配浆桶中，在搅拌的条件下加入电熔刚玉粉或锆英粉、铝酸钴、聚醋酸乙烯乳液、润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂到配浆桶中，搅拌时间为2h，即得。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的背层涂料，由作为背层粘结剂的碱性硅溶胶、作为耐火填料的烧结莫来石砂、作为抗裂剂的木质纤维素、作为矿化剂的高岭土、作为高温增强剂的钛酸钾晶须、作为流变改性剂的聚醋酸乙烯乳液以及消泡剂、分散剂和防腐剂组成，其中：背层粘结剂的占比为30～40wt.％，烧结莫来石粉的占比为47～65wt.％，木质纤维素的占比为1～3wt.％，高岭土的占比为1～3wt.％，钛酸钾晶须的占比为1～3wt.％，聚醋酸乙烯乳液的占比为1～3wt.％；消泡剂和杀菌剂的重量比例为1:1，总和占背层涂料的比例为1wt.％。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的背层涂料，通过以下方式制备得到：将背层粘结剂加入到配浆桶中，在搅拌的条件下加入木质纤维素、高岭土和以钛酸钾晶须，待完全分散后加入烧结莫来石粉、聚醋酸乙烯乳液、消泡剂和防腐剂，搅拌时间为2h，即得。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的面层涂料采用4号察恩杯测量所得粘度为18～40s；所述的背层涂料采用5号察恩杯测量所得粘度为9～30s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的陶瓷型壳采用的面层用电熔刚玉砂或锆英砂的粒度为80-100目；背层第一层的烧结莫来石砂的粒度为30-46目；背层第二层之后的烧结莫来石砂的粒度为16-30目。
8.根据上述任一权利要求所述方法制备得到的高温合金精密铸造用陶瓷型壳，其特征在于，湿坯的室温抗折强度为8.50～11.25MPa；经1000℃焙烧后型壳的高温(1500℃)抗折强度为5.22～6.89MPa；浇注后的陶瓷型壳的室温残余抗折强度为1.48～2.55MPa；透气性为21.50～26.44m4/N·min。
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