一種水溶性陶瓷型芯材料和制備水溶性陶瓷型芯的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于精密鑄造技術，涉及一種用于鋁合金鑄件的水溶性陶瓷型芯材料和制備水溶性陶瓷型芯的方法。
【背景技術】
[0002]航空裝備性能的不斷提升對復雜內腔結構、高質量和高精度的輕合金鑄件的需求量越來越大。鋁合金質量輕同時具有優異的力學性能，因此在航空、航天、兵器及交通運輸等領域有廣泛的應用。含復雜內腔結構的鋁合金鑄件近凈成型的關鍵是研制適用于鑄件整體無余量成型的型芯材料，且型芯的性能(力學性能、熱穩定性能、化學穩定性、表面質量、脫模容易程度等)優劣及工程可靠性高低直接影響到精鑄件的合格率、鑄造成本和產品質量。目前，一般采用的高溫耐火陶瓷型芯，雖然具有高表面光潔度、高穩定性和高強度等優點，但其在鑄件中脫除時需要在強堿溶液或氫氟酸中浸泡，或借助壓力脫芯，一方面會造成嚴重的環境污染，另一方面也會對鋁合金鑄件產生損害，影響表面質量和尺寸精度。水溶性型芯遇水后強度顯著降低或高度潰散，使其很容易從鑄件中無殘余地脫除而不需要專門的設備，因此備受復雜結構件精密鑄造的青睞。目前廣泛采用的尿素型芯和樹脂砂芯，耐熱性差、發氣量大、強度低，導致鑄件表面質量差、氣孔缺陷多、變形及尺寸精度低，嚴重影響復雜鑄件的成品合格率。為進一步提高精密鑄件的生產效率，減少能耗，降低成本，急需開發一種更高性能的型芯。
[0003]我國有關水溶性型芯產品及其應用的文獻和專利非常少，且該項技術在精密鑄件生產中應用的普及率非常低，已報道的水溶性型芯主要有水溶性鹽芯和水溶性陶瓷型芯。前者存在表面質量差，強度低，脫芯困難，需要大量的水沖洗，回收困難等缺點(陶瓷技術有限責任公司.基于鹽的型芯及其制備方法:中國，CN200980136389.X[P] ,2011-8-17;湖南江濱機器(集團)有限責任公司.鑄造用水溶性復合鹽芯材料、鹽芯制備方法及制得的鹽芯:中國，CN201010218306.6[P].2010-10-27);而以耐火材料為主體的水溶性陶瓷型芯，有望獲得較高的機械強度、耐火度和化學穩定性，以及較好的水溶性。這類水溶性陶瓷型芯主要以難溶耐火材料如氧化鋁、硅酸鋯、二氧化硅等為基材，可溶性無機鹽(堿金屬或堿土金屬的氯化物、碳酸鹽或硫酸鹽等)為粘結劑，通過相應的成型工藝制成。然而就目前文獻中的報道和實際的應用情況來看(江蘇大學.一種水溶性陶瓷型芯及其制備方法，CN201210276204.9,2012-11-21.該專利得到的型芯的濕抗壓強度為0.025MPa，干抗壓強度為1.2MPa左右，強度偏低)，該類型芯仍然存在表面光潔度差、強度低等問題，很難在實際生產中推廣。未檢索到兼顧型芯的表面質量、發氣水平、力學強度、耐熱性、水溶性等性能的水溶性陶瓷型芯材料的公開文獻。
【發明內容】
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[0004]本發明的目的是:提出一種高性能的水溶性陶瓷型芯材料和制備水溶性陶瓷型芯的方法，以便兼顧型芯的表面質量、尺寸精度、發氣水平、力學強度、耐熱性、水溶性、環保性等性能，滿足鋁合金科研生產的需要。
[0005]本發明的技術方案是:一種水溶性陶瓷型芯材料，其特征在于:它由耐高溫陶瓷材料、水溶性無機鹽和金屬氧化物，以及至少一種非晶陶瓷材料組成;水溶性無機鹽所占的質量分數為10 %?50 % ;水溶性金屬氧化物所占的質量分數為2%?50 % ;非晶陶瓷材料所占的質量分數為0.1%?30%;余量為耐高溫陶瓷材料;所述的耐高溫陶瓷材料包括氧化鋁、氧化硅、氧化鋯、氧化鎂、氧化鋅、尖晶石、莫來石、鋯英石、硅灰石、氮化鋁、氮化硅其中之一或幾種材料的混合物，耐高溫陶瓷材料的粉末粒度為50目?8000目；所述的水溶性無機鹽為氯化鈉、氯化鉀、碳酸鉀、碳酸鈉、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉、硫酸鎂;所述的水溶性金屬氧化物為氧化鈣;所述的非晶陶瓷材料包括無定形氧化硅、蒙脫土或硅藻土其中之一或幾種材料的混合物，非晶陶瓷材料的粉末粒度為50目?8000目。
[0006]如上面所述的水溶性陶瓷型芯的制備方法，其特征在于:制備的步驟如下:
[0007]1、原料預處理:
[0008]1.1、將耐高溫陶瓷材料放入馬弗爐中加熱到800°C?1000°C，保溫2h?5h;
[0009]1.2、將水溶性無機鹽在轉速300r/min?600r/min條件下球磨Ih?5h，選取通過120目篩網后的粉末；
[0010]1.3、將水溶性金屬氧化物放入研缽中研磨，選取通過120目篩網后的粉末，放入馬弗爐中加熱到800 °C?1000 °C，保溫Ih?5h;
[0011]1.4、將非晶陶瓷材料放入馬弗爐中加熱到5000C?800 V，保溫2h?5h ；
[0012]2、原料稱量:按比例稱取預處理后的耐高溫陶瓷材料、水溶性無機鹽、水溶性金屬氧化物及非晶陶瓷材料，配制固體粉末混合物；
[0013]3、混料:
[0014]3.1、將按比例稱取預處理后的耐高溫陶瓷材料、水溶性無機鹽、水溶性金屬氧化物、非晶陶瓷材料放入球磨機，并放入可膨脹石墨，可膨脹石墨的質量分數是上述原料固體粉末混合物的0.005%?0.05%，可膨脹石墨的粒徑為100目?200目；在轉速200r/min?400r/min條件下球磨Ih?5h直至均勾混合，得到固體粉末混合物；
[0015]3.2、配制增塑劑:增塑劑由石蠟、蜂蠟、聚乙烯及硬脂酸組成，其質量分數比為88:5:2:5;將稱量好的石蠟放入油浴鍋在80 °C熔化，然后加入稱量好的聚乙烯在120 °C機械攪拌至完全溶解，隨后依次加入稱量好的蜂蠟及硬脂酸，攪拌5min?1min;
[0016]3.3、將固體粉末混合物加入熔融的增塑劑中，在120°C溫度條件下機械攪拌Ih?8h得到均勻混合的漿料，其中增塑劑在漿料中所占的質量分數為1 %?30 % ;
[0017]4、型芯成型:
[0018]4.1、將清潔后的模具放入烘箱中20 0C?30 °C加熱0.5h?2h;
[0019]4.2、通過壓蠟機將漿料壓入模具中壓注成型，壓力為0.2MPa?IMPa，開模得到型芯坯體；
[0020]5、脫脂與燒結:
[0021]5.1、將型芯坯體埋入裝有氧化鋁填料的坩禍中，放入馬弗爐中以TC/min?5°C/min的升溫速率依次加熱至200°C保溫2h，加熱至300°C保溫2h，加熱至400°C保溫2h，加熱至500°C 保溫 2h;
[0022]5.2、以1°(:/11^11?10°(:/1^11的升溫速率繼續升溫至700°(:?900°(:保溫111?311，之后隨爐冷卻至室溫；
[0023]6、二次燒結:從埋粉中取出經過燒結之后的型芯，并用毛刷清理表面，將清理后的型芯放入馬弗爐中以5°C/min?10°C/min的升溫速率升溫至750°C?950°C保溫0.5h?2h，之后隨爐冷卻至室溫。
[0024]本發明的優點是:提出了一種高性能的水溶性陶瓷型芯材料和制備水溶性陶瓷型芯的方法，能夠兼顧型芯的表面質量、尺寸精度、發氣水平、力學強度、耐熱性、水溶性、環保性等性能，滿足了科研生產的需要。
【具體實施方式】
[0025]下面對本發明做進一步詳細說明。一種水溶性陶瓷型芯材料，其特征在于:它由耐高溫陶瓷材料、水溶性無機鹽和金屬氧化物，以及至少一種非晶陶瓷材料組成;水溶性無機鹽所占的質量分數為10%?50% ;水溶性金屬氧化物所占的質量分數為2%?50% ;非晶陶瓷材料所占的質量分數為0.1 %?30% ;余量為耐高溫陶瓷材料;所述的耐高溫陶瓷材料包括氧化鋁、氧化硅、氧化鋯、氧化鎂、氧化鋅、尖晶石、莫來石、鋯英石、硅灰石、氮化鋁、氮化硅其中之一或幾種材料的混合物，耐高溫陶瓷材料的粉末粒度為50目?8000目；所述的水溶性無機鹽為氯化鈉、氯化鉀、碳酸鉀、碳酸鈉、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉、硫酸鎂;所述的水溶性金屬氧化物為氧化鈣;所述的非晶陶瓷材料包括無定形氧化硅、蒙脫土或硅藻土其中之一或幾種材料的混合物，非晶陶瓷材料的粉末粒度為50目?8000目。
[0026]如上面所述的水溶性陶瓷型芯的制備方法，其特征在于:制備的步驟如下:
[0027]1、原料預處理:
[0028]1.1、將耐高溫陶瓷材料放入馬弗爐中加熱到800°C?1000°C，保溫2h?5h;
[0029]1.2、將水溶性無機鹽在轉速300r/min?600r/min條件下球磨Ih?5h，選取通過120目篩網后的粉末；
[0030]1.3、將水溶性金屬氧化物放入研缽中研磨，選取通過120目篩網后的粉末，放入馬弗爐中加熱到800 °C?1000 °C，保溫Ih?5h;
[0031]1.4、將非晶陶瓷材料放入馬弗爐中加熱到5000C?800 V，保溫2h?5h ；
[0032]2、原料稱量:按比例稱取預處理后的耐高溫陶瓷材料、水溶性無機鹽、水溶性金屬氧化物及非晶陶瓷材料，配制固體粉末混合物；
[0033]3、混料:
[0034]3.1、將按比例稱取預處理后的耐高溫陶瓷材料、水溶性無機鹽、水溶性金屬氧化物、非晶陶瓷材料放入球磨機，并放入可膨脹石墨，可膨脹石墨的質量分數是上述原料固體粉末混合物的0.005%?0.05%，可膨脹石墨的粒徑為100目?200目；在轉速200r/min?400r/min條件下球磨Ih?5h直至均勾混合，得到固體粉末混合物；
[0035]3.2、配制增塑劑:增塑劑由石蠟、蜂蠟、聚乙烯及硬脂酸組成，其質量分數比為88:5:2:5;