CN115041629A - 一种复合型壳面层涂料和复合型壳 - Google Patents

一种复合型壳面层涂料和复合型壳 Download PDF

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CN115041629A CN202210750781.0A CN202210750781A CN115041629A CN 115041629 A CN115041629 A CN 115041629A CN 202210750781 A CN202210750781 A CN 202210750781A CN 115041629 A CN115041629 A CN 115041629A
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Abstract

本发明涉及铸造技术领域，尤其是涉及一种复合型壳面层涂料和复合型壳。本发明的复合型壳面层涂料，包括粉料和硅溶胶；所述粉料包括烧结后的锆英粉；所述烧结的温度为1590～1610℃，所述烧结的时间为3～10h。该复合型壳面层涂料具有优异的稳定性和流动性，且在高温下不与合金发生化学反应；可有效降低型壳内壁与高温合金的化学反应，降低了高温合金铸件表面的粘砂程度。

Description

一种复合型壳面层涂料和复合型壳
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，尤其是涉及一种复合型壳面层涂料和复合型壳。
背景技术
定向凝固，又称为定向结晶，是指使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固零件通常先制造陶瓷模壳，再经过浇注金属液、抽拉冷却形成定向凝固组织铸件。其中，型壳材料通常采用刚玉粉、刚玉砂、锆英粉等材料制造；定向浇注工艺中浇注温度高，铸件凝固时间长，高温下金属容易与型壳面层发生化学反应，在铸件表面形成凹凸不平的“粘砂层”，增加后续打磨的工作量，严重的造成尺寸报废。
现有解决表面粘砂技术包括采用酸洗方法去除铝矾土中机械铁，制作模壳面层材料，但是该工艺也不能解决DZ40M这种钴基合金铸件表面粘砂问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种复合型壳面层涂料，该面层涂料具有优异的稳定性和流动性，且在高温下不与合金发生化学反应。
本发明的第二目的在于提供一种复合型壳，该复合型壳可有效降低型壳内壁与高温合金的化学反应，降低高温合金铸件表面的粘砂程度，大幅度提高了铸件的合格率。
本发明的第三目的在于提供一种复合型壳在高温合金定向凝固工艺中的应用，降低了高温合金铸件，例如钴基合金铸件，尤其是DZ40M合金铸件表面的粘砂程度，提高了铸件表面的光滑度。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供来了一种复合型壳面层涂料，包括粉料和硅溶胶；
所述粉料包括烧结后的锆英粉；
所述烧结的温度为1590～1610℃，所述烧结的时间为3～10h。
进一步地，所述粉料，按重量份数计，包括：粒径为1～80μm的烧结后的锆英粉30～40份、粒径为1～60μm的烧结后的锆英粉40～50份和粒径为1～40μm的烧结后的锆英粉10～30份。
进一步地，所述粉料和所述硅溶胶的质量比为4～5：1。
进一步地，所述复合型壳面层涂料的粘度为45～60s。
本发明还提供了一种复合型壳，包括依次连接的面层、第一撒砂层、过渡层、第二撒砂层、加固层和封层；
所述面层包括权利要求1～4任一项所述的复合型壳面层涂料。
进一步地，所述第一撒砂层包括锆英砂。
进一步地，所述过渡层包括刚玉粉；
进一步地，所述第二撒砂层包括刚玉砂。
进一步地，所述加固层包括交替设置的刚玉粉涂料层和刚玉砂层。
优选地，所述刚玉粉涂料层的层数为4～6层。
进一步地，所述封层包括刚玉粉。
本发明还提供了上述复合型壳在高温合金定向凝固工艺中的应用。
优选地，所述高温合金包括钴基合金。
优选地，所述钴基合金包括DZ40M合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的复合型壳面层涂料，具有优异的稳定性和流动性，在高温下不与合金发生化学反应，采用该复合型壳面层涂料制得的复合型壳的面层均匀性好，可有效降低型壳内壁与高温合金的化学反应，降低了高温合金铸件表面的粘砂程度，提高了铸件的表面光洁度和表面质量。
(2)本发明提供的复合型壳，与普通型壳相比，型壳的强度高、高温稳定性好，采用该复合型壳，经定向凝固工艺后制得的铸件表面光亮、无反应层，大大提高了铸件的合格率；尤其提高了钴基合金，例如DZ40M合金的表面光洁度。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种复合型壳面层涂料和复合型壳进行具体说明。
在本发明的一些实施方式中提供了一种复合型壳面层涂料，包括粉料和硅溶胶；
粉料包括烧结后的锆英粉；
烧结的温度为1590～1610℃，烧结的时间为3～10h。
本发明提供的复合型壳面层涂料，具有优异的稳定性，在高温下不与合金发生化学反应，可有效降低型壳内壁与高温合金的化学反应，降低了高温合金铸件表面的粘砂程度，提高了铸件的表面光洁度。
在本发明的一些实施方式中，典型但非限制性的，例如，烧结的温度为1590℃、1595℃、1600℃、1605℃和1610℃；烧结的时间为3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或者10h等等。
在本发明的一些实施方式中，烧结包括将锆英粉加热至1590～1610℃保温3～10h后，炉冷至800℃，空冷；优选地，锆英粉为一级锆英粉，一级锆英粉通常经过650℃煅烧。
本发明将锆英粉在1590～1610℃进行烧结，可以将锆英粉中的杂质充分烧掉，更为重要的是，锆英粉在1300℃附近分解成稳定的氧化锆，将分解出的非稳定SiO2稳定化处理，防止浇注过程中(1450～1500℃)发生分解，与合金发生反应。
在本发明的一些实施方式中，粉料，按重量份数计，包括：粒径为1～80μm的烧结后的锆英粉30～40份、粒径为1～60μm的烧结后的锆英粉40～50份和粒径为1～40μm的烧结后的锆英粉10～30份。
在本发明的一些实施方式中，粒径为1～80μm的烧结后的锆英粉、粒径为1～60μm的烧结后的锆英粉和粒径为1～40μm的烧结后的锆英粉中，烧结的过程均相同。
锆英粉是一种工业材料，用于熔模铸造(精密铸造)业中的铸型涂料及陶芯；化学成分包括：ZrO2>65wt％、SiO2<33wt％、TiO2<0.4wt％、Fe2O3<0.5wt％、P2O5<0.5wt％和Al2O3<0.3wt％；粒度：95％过320目，其余过260目。
在本发明的一些实施方式中，粉料中，粒径为1～80μm的烧结后的锆英粉的用量可以为30份、31份、32份、33份、34份、35份、36份、37份、38份、39份或者40份等等；粒径为1～60μm的烧结后的锆英粉的用量可以为40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份或者50份等等；粒径为1～40μm的烧结后的锆英粉的用量可以为10份、12份、14份、16份、18份、20份、22份、24份、26份、28份或者30份等等。
在本发明的一些实施方式中，粉料的制备方法，包括如下步骤：
锆球、烧结后的锆英粉和水的混合物经球磨后、经筛分和干燥后得到粉料；优选地，筛分包括采用200目筛网对粉料进行过滤；优选地，干燥的温度为100～200℃，干燥的时间为1～3h。
在本发明的一些实施方式中，粉料的制备方法中，锆球、烧结后的锆英粉和水的质量比为1.5～1.7：1：0.5～0.7。
在本发明的一些实施方式中，粉料的制备方法中，锆球、烧结后的锆英粉和水的混合物以1000rpm的速度球磨20～24h后、经筛分和干燥后得到粒径为1～80μm的粉料，该粉料被命名为第一粉料。
在本发明的一些实施方式中，粉料的制备方法中，锆球、烧结后的锆英粉和水的混合物以1000rpm的速度球磨40～48h后、经筛分和干燥后得到粒径为1～60μm的粉料，该粉料被命名为第二粉料。
在本发明的一些实施方式中，粉料的制备方法中，锆球、烧结后的锆英粉和水的混合物以1000rpm的速度球磨55～60h后、经筛分和干燥后得到粒径为1～40μm的粉料，该粉料被命名为第三粉料。
在本发明的一些实施方式中，粉料和硅溶胶的质量比为4～5：1；典型但非限制性的，例如，粉料和硅溶胶的质量比为4：1、4.5：1或者5：1等等。
本发明中，采用上述质量比的粉料和硅溶胶，可使复合型壳面层涂料具有优异的流动性，提高了面层的均匀性。
在本发明的一些实施方式中，复合型壳面层涂料的粘度为45～60s。粘度的测试方法为：在22℃±2℃使用4#蔡恩杯测量。
在本发明的一些实施方式中，复合型壳面层涂料的制备方法，包括如下步骤：
将粉料缓慢加入硅溶胶中得到粘度为45～60s的复合型壳面层涂料。
在复合型壳面层涂料的使用过程中，由于水分挥发造成的粘度改变，可通过添加水来调节复合型壳面层涂料的粘度至45～60s。
在本发明的一些实施方式中还提供了一种复合型壳，包括依次连接的面层、第一撒砂层、过渡层、第二撒砂层、加固层和封层；
面层包括上述的复合型壳面层涂料。
在本发明的一些实施方式中，第一撒砂层包括锆英砂；优选地，锆英砂包括80～100#锆英砂。
在本发明的一些实施方式中，过渡层包括刚玉粉；优选地，刚玉粉包括270～320#刚玉粉。
在本发明的一些实施方式中，第二撒砂层包括刚玉砂；优选地，刚玉砂包括60～80#刚玉砂。
在本发明的一些实施方式中，加固层包括交替设置的刚玉粉涂料层和刚玉砂层；优选地，刚玉粉包括270～320#刚玉粉；刚玉砂包括24～36#刚玉砂。
在本发明的一些实施方式中，第二撒砂层与刚玉粉涂料层相连接。
在本发明的一些实施方式中，加固层中，刚玉粉涂料层的层数为4～6层；刚玉砂层的层数为4～6层；刚玉涂料层的层数与刚玉砂层的层数相同。
在本发明的一些实施方式中，封层包括刚玉粉；优选地，刚玉粉包括270～320#刚玉粉。
本发明提供的复合型壳，采用特定的面层涂料，通过沾浆、挂砂、脱蜡、焙烧等工艺过程，获得的复合型壳定向凝固工艺后，铸件表面光亮，无粘砂反应。
在本发明的一些实施方式中，复合型壳的制备方法，包括如下步骤：
(A)在蜡膜表面涂挂复合型壳面层涂料，涂挂均匀后得到面层；面层表面经撒砂和干燥，得到第一撒砂层；
(B)在上述第一撒砂层表面挂涂过渡层的浆料，涂挂均匀后得到过渡层；过渡层表面经撒砂和干燥，得到第二撒砂层；
(C)在上述第二撒砂层表面挂涂涂料，涂挂均匀后、经撒砂和干燥，得到加固层；
(D)在上述加固层表面挂涂封层的浆料，干燥后得到型壳；
(E)型壳经过脱蜡处理后煅烧得到复合型壳。
在本发明的一些实施方式中，步骤(A)中，干燥的温度为20～30℃，干燥的时间为20～30h；优选地，干燥的湿度为60％～70％。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，过渡层的浆料包括刚玉粉和硅溶胶；优选地，过渡层的浆料的粘度为8～12s。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，干燥的温度为20～30℃，干燥的时间为6～8h。
在本发明的一些实施方式中，步骤(C)中，在上述第二撒砂层表面挂涂涂料，涂挂均匀后，进行撒砂和干燥，然后重复挂涂涂料，涂挂均匀后，进行撒砂和干燥的步骤3～5次。
在本发明的一些实施方式中，步骤(C)中，涂料包括刚玉粉和硅溶胶；优选地，涂料的粘度为12～18s。
在本发明的一些实施方式中，步骤(C)中，干燥包括风干；优选地，干燥的时间为4～6h。
在本发明的一些实施方式中，步骤(D)中，封层的浆料包括刚玉粉和硅溶胶；优选地，封层的浆料的粘度为12～18s。
在本发明的一些实施方式中，步骤(D)中，干燥的时间为20～30h。
在本发明的一些实施方式中，步骤(E)中，脱蜡处理的压力为0.6～0.8MPa，脱蜡的时间为10～15min。
在本发明的一些实施方式中，步骤(E)中，脱蜡处理包括在电热蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡。
在本发明的一些实施方式中，步骤(E)中，煅烧的温度为1000～1100℃，煅烧的时间为2～4h；优选地，煅烧过程中的升温速率为20～30℃/min。
在本发明的一些实施方式中还提供了复合型壳在高温合金定向凝固工艺中的应用。
在本发明的一些实施方式中，高温合金包括钴基合金。
在本发明的一些实施方式中，钴基合金包括DZ40M合金。
DZ40M合金(DZ640M)，以质量分数计包括：C 0.45％～0.55％、Cr 24.5％～26.5％、Ni 9.5％～11.5％、W 7％～8％、Mo 0.1％～0.5％、Al 0.7％～1.2％、Ti 0.05％～0.3％、Ta 0.1％～0.5％、B 0.008％～0.018％、Zr 0.1％～0.3％、Fe≤2％、Si≤1％、Mn≤1％、P≤0.04％、S≤0.04％、Pb≤0.0005％、Sb≤0.001％、As≤0.04％、Sn≤0.001％、Bi≤0.00005％，余量为Co。
采用常规的陶瓷型壳，DZ40M合金在经过1400～1600℃定向凝固工艺后，经常在铸件表面出现一层合金与型壳的反应产物，影响后续的产品质量，严重的会导致铸件报废。
采用本发明的复合型壳经1500℃定向凝固工艺后，制得的DZ40M合金铸件表面光亮，无反应层，可大大提高铸件合格率。
实施例1
本实施例提供的复合型壳面层涂料的制备方法，包括如下步骤
一级锆英粉加热至1600℃保温5h，炉冷至800℃后，空冷，得到烧结后的锆英粉；
将质量比为1.618：1：0.6118的锆球、烧结后的锆英粉和水的混合物以1000rpm的速度分别球磨24h、48h和55h后，经200目筛网过滤，150℃干燥2h后得到粒径为1～80μm的第一粉料、粒径为1～60μm的第二粉料和粒径为1～40μm的第三粉料；
向50kg的硅溶胶中依次加入60kg第三粉料、80kg第二粉料和60kg第一粉料，搅拌24h后得到粘度为50±2s的复合型壳面层涂料。
实施例2
本实施例提供的复合型壳面层涂料的制备方法，包括如下步骤：
一级锆英粉加热至1600℃保温8h，炉冷至800℃后，空冷，得到烧结后的锆英粉；
将质量比为1.618：1：0.6118的锆球、烧结后的锆英粉和水的混合物以1000rpm的速度分别球磨20h、42h和60h后，经200目筛网过滤，150℃干燥2h后得到粒径为1～80μm的第一粉料、粒径为1～60μm的第二粉料和粒径为1～40μm的第三粉料；
向40kg的硅溶胶中依次加入40kg第三粉料、100kg第二粉料和60kg第一粉料，搅拌24h后得到粘度为55±5s的复合型壳面层涂料。
实施例3
本实施例提供的复合型壳的制备方法，包括如下步骤：
(A)在蜡膜表面涂挂复合型壳面层涂料，涂挂均匀后得到面层；面层表面撒砂80～100#的锆英砂后，在22℃±2℃、湿度为65％±5％的环境下自然干燥24h，得到第一撒砂层；其中，复合型壳面层涂料为实施1制得的复合型壳面层涂料；
(B)在上述第一撒砂层表面挂涂过渡层的浆料，涂挂均匀后得到过渡层；过渡层表面撒砂60#刚玉砂，在22℃±2℃、湿度为65％±5％的环境下自然干燥6～8h，得到第二撒砂层；其中，过渡层的浆料的制备方法，包括：将320#刚玉粉缓慢加入硅溶胶中直至过渡层的浆料的粘度为8～12s；
(C)在上述第二撒砂层表面挂涂涂料，涂挂均匀后、撒砂24#刚玉砂，风干4～6h；重复上述挂涂涂料，涂挂均匀后、撒砂24#刚玉砂，风干4～6h的步骤5次得到加固层；其中，涂料的制备方法，包括：将320#刚玉粉缓慢加入硅溶胶中直至涂料的粘度为12～18s；
(D)在上述加固层表面挂涂封层的浆料，干燥24h后得到型壳；其中，封层的浆料的制备方法，包括：将320#刚玉粉缓慢加入硅溶胶中直至封层的浆料的粘度为12～18s；
(E)型壳在电热蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡处理后，放入滑底式电阻炉中，按照20～30℃/min的速率升温至1000℃±20℃，保温3h得到复合型壳；其中，脱蜡参数为压力0.6～0.8MPa，脱蜡时间10～15min。
实施例4
本实施例提供的复合型壳的制备方法参考实施例3，不同之处在于，步骤(A)中，复合型壳面层涂料为实施例2制得的复合型壳面层涂料；步骤(C)中，重复上述挂涂涂料，涂挂均匀后、撒砂24#刚玉砂，风干4～6h的步骤4次得到加固层。
对比例1
本对比例提供的复合型壳的制备方法，包括如下步骤：
(A)在蜡膜表面涂挂复合型壳面层涂料，涂挂均匀后得到面层；面层表面撒砂粒径为80#的锆英砂后，在22℃±2℃、湿度为65％±5％的环境下自然干燥24h，得到第一撒砂层；其中，复合型壳面层涂料的制备方法，包括：向50kg硅溶胶中缓慢加入150kg的325#锆英粉，搅拌24h后得到粘度为45±5s的复合型壳面层涂料；
(B)将上述第一撒砂层表面在硅溶胶中沾湿，取出后挂涂过渡层的浆料，涂挂均匀后得到过渡层；过渡层表面撒砂60#刚玉砂，在22℃±2℃、湿度为65％±5％的环境下自然干燥6～8h，得到第二撒砂层；其中，过渡层的浆料的制备方法，包括：将320#刚玉粉缓慢加入硅溶胶中直至过渡层的浆料的粘度为12～18s；
(C)在上述第二撒砂层表面挂涂涂料，涂挂均匀后、撒砂24#刚玉砂，风干4～6h；重复上述挂涂涂料，涂挂均匀后、撒砂24#刚玉砂，风干4～6h的步骤5次得到加固层；其中，涂料的制备方法，包括：将320#刚玉粉缓慢加入硅溶胶中直至涂料的粘度为12～18s；
(D)在上述加固层表面挂涂封层的浆料，干燥24h后得到型壳；其中，封层的浆料的制备方法，包括：将320#刚玉粉缓慢加入硅溶胶中直至封层的浆料的粘度为12～18s；
(E)型壳在电热蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡处理后，放入滑底式电阻炉中，按照20～30℃/min的速率升温至980℃±20℃，保温3h得到复合型壳；其中，脱蜡参数为压力0.6～0.8MPa，脱蜡时间10～15min。
对比例2
本实施例提供的复合型壳的制备方法参考对比例1，不同之处在于，步骤(A)中复合型壳面层涂料的制备方法包括：向50kg硅溶胶中缓慢加入200kg的320#刚玉粉，搅拌24h后得到粘度为45±5s的复合型壳面层涂料；步骤(C)中，重复上述挂涂涂料，涂挂均匀后、撒砂24#刚玉砂，风干4～6h的步骤4次得到加固层。
试验例1
分别采用实施例3、实施例4、对比例1和对比例2的制得的复合型壳，在定向凝固炉中，1480℃±10℃浇注DZ40M合金，以6mm/min向下抽拉结晶器。
采用实施例3和实施例4的复合型壳浇注DZ40M合金得到的铸件表面光滑，无粘砂反应；而采用对比例1和对比例2的复合型壳浇注DZ40M合金得到的铸件表面有明显的粘砂反应。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种复合型壳面层涂料，其特征在于，包括粉料和硅溶胶；
所述粉料包括烧结后的锆英粉；
所述烧结的温度为1590～1610℃，所述烧结的时间为3～10h。
2.根据权利要求1所述的复合型壳面层涂料，其特征在于，所述粉料，按重量份数计，包括：粒径为1～80μm的烧结后的锆英粉30～40份、粒径为1～60μm的烧结后的锆英粉40～50份和粒径为1～40μm的烧结后的锆英粉10～30份。
3.根据权利要求1所述的复合型壳面层涂料，其特征在于，所述粉料和所述硅溶胶的质量比为4～5：1。
4.根据权利要求1所述的复合型壳面层涂料，其特征在于，所述复合型壳面层涂料的粘度为45～60s。
5.一种复合型壳，其特征在于，包括依次连接的面层、第一撒砂层、过渡层、第二撒砂层、加固层和封层；
所述面层包括权利要求1～4任一项所述的复合型壳面层涂料。
6.根据权利要求5所述的复合型壳，其特征在于，所述第一撒砂层包括锆英砂。
7.根据权利要求5所述的复合型壳，其特征在于，所述过渡层包括刚玉粉；
优选地，所述第二撒砂层包括刚玉砂。
8.根据权利要求5所述的复合型壳，其特征在于，所述加固层包括交替设置的刚玉粉涂料层和刚玉砂层；
优选地，所述刚玉粉涂料层的层数为4～6层。
9.根据权利要求5所述的复合型壳，其特征在于，所述封层包括刚玉粉。
10.如权利要求5～9任一项所述的复合型壳在高温合金定向凝固工艺中的应用；
优选地，所述高温合金包括钴基合金；
优选地，所述钴基合金包括DZ40M合金。
CN202210750781.0A 2022-06-28 2022-06-28 一种复合型壳面层涂料和复合型壳 Pending CN115041629A (zh)

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