一種用於易氧化金屬的熔模精密鑄造型殼的製備方法與流程
2023-07-26 10:09:51
本發明涉及一種用於易氧化金屬的熔模精密鑄造型殼製備工藝方法。
背景技術：
易氧化金屬(鈦、鋯等)具有密度低、比強高、耐腐蝕等特點，目前已廣泛應用於航空、航天、核能、化工和醫療等行業。易氧化金屬在熔融狀態下具有較高的活性，能與一般常用耐火材料發生不同程度的化學反應，並且還能與o2、n2、h2及co2等氣體發生化學反應，影響鑄件的質量。因此，易氧化金屬鑄造技術對鑄型材料及鑄造設備要求較高，必須選擇合適的鑄型材料和鑄造工藝方法，保證鑄件的質量。
目前，易氧化金屬鑄造技術主要採用機加工石墨型和陶瓷型熔模精密鑄造工藝。機加工石墨型工藝特點為鑄型加工相對方便簡單，單件產品生產周期較短，但由於石墨鑄型表面較為粗糙，並且熱導率較高，導致澆注的鑄件表面易出現冷隔、流痕、微裂紋等缺陷。陶瓷型熔模精密鑄造工藝是採用氧化釔惰性陶瓷材料作為面層粉料，採用釔溶膠或醋酸鋯作為面層粘結劑，並採用熔模精密鑄造技術製備而成，其特點為鑄件表面質量較高，尤其適用於複雜薄壁鑄件。但該工藝技術存在一定問題，一方面氧化釔材料較為昂貴，導致生產成本較高，另一方面釔溶膠粘結劑在製備過程中穩定性較差，很容易發生膠凝，醋酸鋯粘結劑在制殼過程中膠凝速度較慢，且是可逆的，膠凝後遇水會發生「回溶」現象，從蠟模上脫落，因此型殼需要較長的乾燥時間，導致鑄型製備周期較長。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提供了一種採用鋯酸鈣-氧化釔複合陶瓷型殼的易氧化金屬熔模精密鑄造技術。採用該方法生產出的鑄件尺寸精準，鑄件最小壁厚≤1.0mm，表面粗糙度≤6.3μm，表面汙染層≤0.03mm，表面無冷隔、流痕、微裂紋等缺陷，並且生產成本降低，生產周期縮短。
本發明技術方案如下：
(1)型殼面層製備：將耐火粉料加入到粘結劑中混勻，粉液質量比為2︰1～4︰1，並加入0～0.05wt％潤溼劑和0～0.05wt％消泡劑，均勻攪拌2～6小時，製備成面層塗料；把該塗料塗掛在蠟模上，撒砂採用鋯酸鈣砂，粒度控制在80～150目，乾燥時間控制在6～18小時，環境溫度控制在18～26℃，溼度控制在45～65％；重複上述操作2～3次形成一定厚度的面層型殼；所述耐火粉料的組分變化範圍如下：鋯酸鈣60～90％，氧化釔10～40％；粘結劑的組分變化範圍如下：納米氧化鋁分散液50～70％，醋酸鋯50～30％；
(2)型殼加固層製備：將鋁礬土粉料加入到矽溶膠粘結劑中混勻，粉液質量比控制在2︰1～5︰1，撒砂採用鋁礬土砂，粒度控制在20～100目，乾燥時間控制在12～24小時，環境溫度控制在18～26℃，溼度控制在30～50％；重複上述操作8～10次形成一定厚度的加固層型殼；
(3)型殼脫蠟與焙燒：型殼脫蠟採用紅外脫蠟工藝，加熱溫度在220～260℃；型殼焙燒的升溫速度控制在100～150℃/h，在1000～1400℃保溫2～4小時，爐冷到100～200℃出爐備用；
(4)熔煉澆註：採用真空自耗凝殼熔煉方法，首先將易氧化金屬自耗電極放入真空自耗電極凝殼爐中，啟動真空泵，抽至真空度≤10-2pa後，進行熔煉，金屬全部熔化後，採用離心澆鑄工藝向鑄型內澆鑄合金液，離心轉速為150～400轉/分，冷卻，即得。
作為優選的技術方案：
步驟(1)中所述耐火粉料粒度為270～650目，納米氧化鋁分散液濃度為15％～30wt％，醋酸鋯濃度為30～45wt％；所述潤溼劑為jfc，消泡劑為正丁醇。
步驟(2)中所述鋁礬土粉料的粒度控制在220～540目，矽溶膠濃度為30～40wt％。
步驟(3)中型殼焙燒在箱式電阻爐中進行。
步驟(4)中真空自耗凝殼熔煉的電壓控制在38～40v，電流控制在16000～20000a。
本發明的優點如下：
本發明採用鋯酸鈣和氧化釔混合作為型殼面層粉料，採用納米氧化鋁分散液和醋酸鋯作為面層粘結劑，一方面鋯酸鈣材料來源廣泛，價格低廉，極大降低了制殼成本，進而使得易氧化金屬鑄件的生產成本也得到了降低。另一方面，納米氧化鋁分散液乾燥速度快，穩定性較好，極大地避免了醋酸鋯粘結劑的回溶，制殼效率得到提高，與單獨採用醋酸鋯粘結劑相比，制殼周期減少了20％。另外，該制殼工藝中，面層粉料粒度控制在270～650目，形成粒度級配，小粒子鑲嵌於大粒子的間隙中，改善了粉料的緊密堆積能力，型殼緻密性提高。同時，面層漿料配置方法簡單，易於塗掛，製備的型殼強度高，澆注的易氧化金屬鑄件汙染層小，適合批量生產。該發明可廣泛應用於高質量高性能易氧化金屬精密鑄件的研製和生產中。
具體實施方式
實施例1
一種用於易氧化金屬的熔模精密鑄造方法，以生產材料牌號為zta15的鈦合金泵體為例，工藝步驟如下：
(1)型殼面層製備：將耐火粉料加入到粘結劑中混勻，粉液質量比為3︰1，並加入0.02wt％潤溼劑jfc和0.02wt％消泡劑正丁醇，均勻攪拌6小時，製備成面層塗料；其中耐火粉料的組成為鋯酸鈣80％、氧化釔20％，粒度為270～650目，粘結劑的組成為納米氧化鋁分散液50％，醋酸鋯50％，納米氧化鋁分散液濃度為20wt％，醋酸鋯濃度為40wt％。把該塗料塗掛在蠟模上，撒砂採用鋯酸鈣砂，粒度控制在80目，乾燥時間控制在12小時，環境溫度控制在26℃，溼度控制在50％。重複上述操作3次形成一定厚度的面層型殼。
(2)型殼加固層製備：將鋁礬土粉料加入到矽溶膠粘結劑中混勻，粉液質量比控制在4︰1，其中鋁礬土粒度控制在220～540目，矽溶膠濃度為30wt％，撒砂採用鋁礬土砂，粒度控制在20～100目，乾燥時間控制在24小時，環境溫度控制在26℃，溼度控制在40％。重複上述操作10次形成一定厚度的加固層型殼。
(3)型殼脫蠟與焙燒：型殼脫蠟採用紅外脫蠟工藝，加熱溫度在260℃。型殼焙燒在箱式電阻爐中進行，升溫速度控制在100℃/h，在1000℃保溫4小時，爐冷到100℃出爐備用。
(4)熔煉澆註：採用真空自耗凝殼熔煉方法，首先將鈦合金自耗電極放入真空自耗電極凝殼爐中，啟動真空泵，抽至真空度≤10-2pa後，進行熔煉，電壓控制在38v，電流控制在18000a。鈦合金全部熔化後，採用離心澆鑄工藝向鑄型內澆鑄鈦合金液，離心轉速為400轉/分，冷卻，即得。
澆注出的鑄件最小壁厚≤1.0mm，表面光潔，粗糙度≤6.3μm，表面汙染層≤0.01mm。
實施例2
一種用於易氧化金屬的熔模精密鑄造方法，以生產材料牌號為702c的鋯合金旋塞閥為例，工藝步驟如下：
(1)型殼面層製備：將耐火粉料加入到粘結劑中混勻，粉液質量比為2︰1，並加入0.02wt％潤溼劑jfc和0.02wt％消泡劑正丁醇，均勻攪拌6小時，製備成面層塗料；其中耐火粉料的組成為鋯酸鈣60％、氧化釔40％，粒度為270～650目，粘結劑的組成為納米氧化鋁分散液60％，醋酸鋯40％；納米氧化鋁分散液濃度為20wt％，醋酸鋯濃度為40wt％。把該塗料塗掛在蠟模上，撒砂採用鋯酸鈣砂，粒度為80目，乾燥時間12小時，環境溫度控制在26℃，溼度控制在50％。重複上述操作3次形成一定厚度的面層型殼。
(2)型殼加固層製備：將鋁礬土粉料加入到矽溶膠粘結劑中混勻，粉液質量比控制在3︰1，其中鋁礬土粒度控制在220～540目，矽溶膠濃度為30wt％，撒砂採用鋁礬土砂，粒度控制在20～100目，乾燥時間控制在12小時，環境溫度控制在26℃，溼度控制在40％。重複上述操作8次形成一定厚度的加固層型殼。
(3)型殼脫蠟與焙燒：型殼脫蠟採用紅外脫蠟工藝，加熱溫度在260℃。型殼焙燒在箱式電阻爐中進行，升溫速度控制在100℃/h，在1000℃保溫2小時，爐冷到100℃出爐備用。
(4)熔煉澆註：採用真空自耗凝殼熔煉方法，首先將鋯合金自耗電極放入真空自耗電極凝殼爐中，啟動真空泵，抽至真空度≤10-2pa後，進行熔煉，電壓控制在40v，電流控制在20000a。鋯合金全部熔化後，採用離心澆鑄工藝向鑄型內澆鑄鋯合金液，離心轉速為220轉/分，冷卻，即得。
澆注出的鑄件最小壁厚≤1.0mm，表面光潔，粗糙度≤6.3μm，表面汙染層≤0.03mm。
上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。