精密铸造用易溃散陶瓷型芯及其制备方法与流程

  本发明涉及的是一种熔模铸造领域的技术，具体是一种精密铸造用易溃散陶瓷型芯及其制备方法。

  作为熔模铸造中制备中空铸件转接件的陶瓷型芯，其作用是形成空心铸件的内腔形状，并与型壳或外形模共同保证铸件壁厚的尺寸精度。随着现代工业装备的发展，对具有复杂薄壁空心结构的零部件的需求日益增加，其中典型的代表为航空发动机、燃气轮机使用的空心涡轮叶片。空心涡轮叶片的复杂内腔结构一般会用价格高昂的硅基或铝基预制陶瓷型芯来成型，但对于具有简单空腔结构的铸件的精密铸造，则可考虑应用可靠性高、制备工艺简单且成本低廉的原位浇注固化陶瓷型芯来代替昂贵的预制型芯。

  通过陶瓷浆料填充已经涂挂若干层陶瓷型壳的空腔，通过浆料的固化形成型芯，是一种非常简便而实用的制作流程与工艺，现有工艺的浇注陶瓷型芯往往以磷酸二氢铵、石英、氧化镁为主要组分，但这些材料浇注型芯时会出现发热现象，如直接浇注到已经制备若干层型壳后的空腔内，其固化产生的热量极有可能会造成内部蜡模的变形，因此在使用的过程中受到了一定的限制。

  本发明针对现存技术存在的上述不足，提出一种精密铸造用易溃散陶瓷型芯及其制备方法，固化成型的过程中无放热反应，高温强度高，溃散性好，且成本低廉，能够完全满足多种金属材料的空心铸件熔模铸造成型需求。

  本发明涉及一种精密铸造用易溃散陶瓷型芯的制备方法，通过配制熔融石英粉、钠基膨润土、作为添加物的木质素纤维和钛酸钾晶须、水溶性铵盐的原料并进行干混后加入硅溶胶，经强力搅拌得到混合浆料并注入到已经涂挂了面层和至少一层背层的型壳空腔中，待静置固化后完成。

  所述的强力搅拌，优选采用强力搅拌器并控制硅溶胶的加入量和搅拌时间小于或等于2min。

  所述的熔融石英粉具体是指：200-325目熔融石英粉、50-100目熔融石英粉和20-50目熔融石英粉。

  所述的混合浆料的组分含量具体为：200-325目熔融石英粉：20-30％、50-100目熔融石英粉：10-15％、20-50目熔融石英粉：5-10％、钠基膨润土：2-5％、木质素纤维：5-10％、钛酸钾晶须：2-5％、水溶性铵盐：1-3％；硅溶胶：37-40％。

  所述的熔融石英粉具体是指：质量百分比纯度≥99.5％的200-325目熔融石英粉，质量百分比纯度≥99.5％的50-100目熔融石英粉，质量百分比纯度≥99.5％的20-50目熔融石英粉。

  本发明涉及上述方法制备得到的精密铸造用易溃散陶瓷型芯，其干燥后的抗弯强度为8.5-10.2mpa，1000℃下的高温抗弯强度为5.8-6.9mpa，经过1500℃焙烧2h并降到室温后，其残余抗弯强度0.8-1.0mpa，表明该型芯良好的溃散性，易于从铸件空腔内部清除。

  本发明整体解决了现有形成铸件空腔结构的型芯原位浇注固化成型及其铸造后从铸件空腔内部清除的问题。与现存技术相比，本发明技术效果包括：

  (1)本发明选用的木质素纤维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，成本非常低廉，无毒、无味、无污染、无放射性，极易在水中分散而不团聚；木质素纤维具有优良的柔韧性，可在固化的型芯湿坯中形成三维网状结构，增强了型芯湿坯的支撑力和耐久力，提高了型芯湿坯的稳定性、强度、密实度和均匀度，可以在型壳脱蜡过程中，保证未干透的型芯不开裂；在高温焙烧过程中，型芯中的木质素纤维完全被烧除，无残留，使型芯内部形成细小的孔隙，使其退让性和溃散性显著提高。

  (2)钠基膨润土在水中易于吸水溶胀，对浆料拥有非常良好的悬浮作用，能够减缓大颗粒熔融石英在浆料固化前的沉降，提高型芯整体的材质均匀性。

  (3)钛酸钾晶须是一种价格低的陶瓷增强材料，能大大的提升焙烧之后的型芯的抗弯强度，使型芯可承受金属液的压力而不破裂。

  (4)本发明中选取的主体陶瓷型芯材料为熔融石英，其热膨胀系数小，尺寸稳定，与大多数型壳均能很好地匹配，残余强度低，易于溶于碱液中而清除。

  (5)本发明采用氯化铵粉体作为固化剂，不引入外来溶剂，氯化铵在高温下完全分解成氯化氢和氨气并排出，不影响芯料的高温成分。同时，氯化铵是通过改变硅溶胶的ph值而使硅溶胶发生凝胶化来建立型芯的强度，在该过程中无放热现象产生，不会对型壳包覆的蜡模造成变形影响。

  步骤1)称取200-325目熔融石英粉3000g、50-100目熔融石英粉1000g、20-50目熔融石英粉500g、钠基膨润土200g、木质素纤维1000g、钛酸钾晶须500g、氯化铵100g，置于v型混料机中，进行强制搅拌干混，混合时间为30min，得到预混料，备用。

  步骤2)称取预混料630g，倒入装有370g硅溶胶的容器中，采用强力搅拌器进行混合，时间为2min，得到型芯浆料。

  步骤3)把混合好的浆料直接倒入或用注射器等工具充入已经涂挂了面层和至少一层背层的型壳空腔中，待浆料充满空腔后，静置15分钟，浆料固化。之后，即可接着来进行下一层型壳的制备，直至完成制壳过程。

  本实施例采用上述配方制备的陶瓷型芯，其干燥后的抗弯强度为10.2mpa，1000℃下的高温抗弯强度为6.9mpa，经过1500℃焙烧2h并降到室温后，其残余抗弯强度1.0mpa，表明该型芯良好的溃散性。

  步骤1)称取200-325目熔融石英粉2500g、50-100目熔融石英粉1250g、20-50目熔融石英粉750g、钠基膨润土350g、木质素纤维750g、钛酸钾晶须350g、氯化铵200g，置于v型混料机中，进行强制搅拌干混，混合时间为20min，得到预混料，备用。

  步骤2)称取预混料615g，倒入装有385g硅溶胶的容器中，采用强力搅拌器进行混合，时间为2min，得到型芯浆料。

  步骤3)把混合好的浆料直接倒入或用注射器等工具充入已经涂挂了面层和至少一层背层的型壳空腔中，待浆料充满空腔后，静置10分钟，浆料固化。之后，即可接着来进行下一层型壳的制备，直至完成制壳过程。

  本实施例采用上述配方制备的陶瓷型芯，其干燥后的抗弯强度为9.4mpa，1000℃下的高温抗弯强度为6.2mpa，经过1500℃焙烧2h并降到室温后，其残余抗弯强度0.9mpa，表明该型芯良好的溃散性。

  步骤1)称取200-325目熔融石英粉2000g、50-100目熔融石英粉1500g、20-50目熔融石英粉1000g、钠基膨润土500g、木质素纤维500g、钛酸钾晶须200g、氯化铵300g，置于v型混料机中，进行强制搅拌干混，混合时间为10min，得到预混料，备用。

  步骤2)称取预混料600g，倒入装有400g硅溶胶的容器中，采用强力搅拌器进行混合，时间为2min，得到型芯浆料。

  步骤3)把混合好的浆料直接倒入或用注射器等工具充入已经涂挂了面层和至少一层背层的型壳空腔中，待浆料充满空腔后，静置5分钟，浆料固化。之后，即可接着来进行下一层型壳的制备，直至完成制壳过程。

  本实施例采用上述配方制备的陶瓷型芯，其干燥后的抗弯强度为8.5mpa，1000℃下的高温抗弯强度为5.8mpa，经过1500℃焙烧2h并降到室温后，其残余抗弯强度0.8mpa，表明该型芯良好的溃散性。

  上述实施例分别在高温合金涡轮后机匣空心斜支板成型、航空发动机高温合金过渡段之间窄槽结构成型和钛合金中介机匣空心支板成型的过程中进行应用，所得铸件在其相应位置厚度符合图纸要求，未观察到因型芯开裂而导致的欠铸缺陷发生，表明本发明具备比较好的应用价值。

  与现有技术相比，本发明制备得到的精密铸造用易溃散陶瓷型芯，其干燥后的抗弯强度为8.5-10.2mpa，1000℃下的高温抗弯强度为5.8-6.9mpa，经过1500℃焙烧2h并降到室温后，其残余抗弯强度0.8-1.0mpa；而由熔融石英、硅溶胶和氯化铵配制的型芯材料固化后所得陶瓷型芯，其干燥后的抗弯强度为4.5mpa，1000℃下的高温抗弯强度为3.7mpa，经过1500℃焙烧2h并降到室温后，其残余抗弯强度1.2mpa。上述性能指标对比表明，本发明的陶瓷型芯拥有非常良好的溃散性，更易于从铸件空腔内部清除。

  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。

  技术研发人员：李飞;李振锋;马鑫;易出山;张海龙;赵辉;汪东红;孙宝德

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