一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法
【专利摘要】一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法，它采用陶瓷和尼龙复合纤维强化熔模精铸型壳，不仅可以增强型壳强度，提高型壳透气性，而且解决了传统工艺制备型壳为了保证其强度而增加型壳厚度导致的通气性差的问题；用于生产高熔点复杂结构整体精铸件，尼龙有机纤维在型壳焙烧后形成的微孔隙可以提高型壳透气性，而陶瓷无机纤维保留在型壳中强化型壳强度；它解决了复合纤维浆料分散性问题，使复合纤维能够良好的交织并均匀的分散在浆料中，从而有利于浆料均匀的涂挂型壳，步骤简单易于操作；本发明在保证型壳一定壁厚的基础上增强了型壳强度和提高了型壳透气性，从而对熔模精铸型壳的金属浇注奠定了良好的基础。
【专利说明】一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种特种铸造的领域，尤其涉及一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法。
【背景技术】
[0002]熔模精铸作为一种材料近净成形技术，不仅能铸出形状十分复杂的零件，还可以铸造组合的、整体的铸件，常用于复杂航空、航天、汽车工业耐热构件的成形。随着技术发展，熔模精铸已可以生产更大、更精、更薄、更强的产品，但是熔模精铸型壳存在强度与透气性相互制约的关系，为了保证精铸型壳强度，往往采用增加型壳厚度，导致散热困难，晶粒粗大，而且透气性差，充型困难，必须提高金属液浇注温度，使得型壳与金属发生反应的程度加剧，大大影响了产品的表面质量，同时金属液的高温使得型壳变形严重，从而影响精铸件质量。陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点，尼龙纤维也有质轻、透气、耐磨、强韧、高强力或高张力的性能。采用陶瓷和尼龙复合纤维强化精铸型壳，复合纤维在精铸型壳中形成立体网状结构，可以提高脱蜡时型壳湿强度，型壳焙烧后，尼龙有机纤维被燃烧，在型壳内部形成微孔隙，从而提高精铸型壳透气性，而陶瓷无机纤维仍将在型壳内强化型壳，复合纤维增强型壳同时保证了型壳的透气性和强度。因此本发明旨在用陶瓷与尼龙复合纤维强化精铸型壳，纤维特性必将会对精铸型壳强度和透气性产生较大影响，并最终影响精铸件质量和性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供了一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法，它具有增强型壳强度和提高型壳透气性的优点。
[0004]本发明是这样来实现的，熔模精铸型壳的质量和性能(强度和透气性等)对铸件的精度和表面质量影响很大，因此制壳是熔模精铸的一个关键环节。型壳最本质的特点是具有整体的、无分型面、发气性低的、光洁的型腔表面，而选择适合的制壳材料对于获得优质的型壳是至关重要的。采用陶瓷和尼龙复合纤维作为耐火纤维，按一定的比例加入到粘结剂中，用超声振动与机械搅拌相结合的方法，将复合纤维制备的浆料放在超声振动和机械搅拌组合容器中，容器上部用带有浸入式探头的超声波设备间歇振动，使超声产生的空化作用和声流作用得到更好的发挥，增大浆料的紊乱度，容器下部用机械搅拌设备进行无极调速，使复合纤维在浆料中均匀分散，实现纤维之间的良好交织。从而该复合纤维浆料制备出强化型壳，尼龙有机纤维在型壳焙烧后形成的微空隙可以提高型壳的透气性，而陶瓷无机纤维保留在型壳中强化型壳强度。
[0005]本发明的基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法包括步骤:
步骤一，复合纤维的制备:先将直径为6~18μπι、长度为2~16mm的陶瓷纤维、尼龙纤维放入乙醇中，再放入超声波清洗器中清洗10-20分钟，然后再放入浓度为0.5~10mol/L盐酸溶液中浸泡10-30分钟，再用水清洗、干燥，完成复合纤维的制备；步骤二，面层:按耐火粉料与粘结剂的质量比2~3:1将耐火粉料加入到粘结剂中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量3%~15%加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz~80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTlSOr/min)，形成面层浆料；然后将蜡模浸入到面层浆料中挂涂，提出后，撒砂、干燥/硬化，得到面层型壳。
[0006]步骤三，背层:按耐火粉料与粘结剂的质量比2~3:1将耐火粉料加入到粘结剂中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量5%~15%加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz~80kHz，机械搅拌速度:120r/min^l80r/min),形成背层浆料；将步骤二得到面层型壳浸入背层浆料中挂涂，提出后，撒砂、干燥/硬化，完成一层背层的制备，重复该步骤在背层浆料中挂涂、撒砂和干燥或硬化操作若干次，得到背层型壳；
步骤四，封浆:按耐火粉料与粘结剂的质量比2~3:1将耐火粉料加入到粘结剂中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量5%~15%加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz~80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTlSOr/min)，形成封浆层浆料；将经步骤三得到的背层型壳浸入封浆层浆料中挂涂，提出后，干燥/硬化，完成型壳封浆层的制备；
步骤五，焙烧:将经步骤四制备的封浆层型壳，脱蜡后存放12~24h，然后放在焙烧设备为75kw的箱式电炉中焙烧，焙烧温度选为1000±30°C，焙烧I~1.5h，得到复合纤维增强的熔模精铸型壳；
所述的粘结剂为硅溶胶，其参数为:Si02质量百分数为30%，Na20的质量百分数≤0.5%，PH值:9~10，运动粘度≤8cp，胶体粒径:8~12nm ;所述的耐火材料为氧化硅粉末、刚玉粉末、氧化铝粉末或高岭土；步骤三所述的重复该步骤在背层浆料中挂涂、撒砂和干燥或硬化操作次数为3~10次。
[0007]本发明方法用复合纤维强化熔模精铸型壳，与传统方法制备熔模精铸型壳相比具有以下优点:
(1)采用陶瓷和尼龙复合纤维强化熔模精铸型壳，不仅可以增强型壳强度，提高型壳透气性，而且解决了传统工艺制备型壳为了保证其强度而增加型壳厚度导致的通气性差的问题；
(2)采用陶瓷和尼龙复合纤维强化熔模精铸型壳，用于生产高熔点复杂结构整体精铸件，尼龙有机纤维在型壳焙烧后形成的微孔隙可以提高型壳透气性，而陶瓷无机纤维保留在型壳中强化型壳强度；
(3)本发明采用了超声振动和机械搅拌相结合的方式解决了复合纤维浆料分散性问题，使复合纤维能够良好的交织并均匀的分散在浆料中，从而有利于浆料均匀的涂挂型壳，步骤简单易于操作；
总之，本发明采用陶瓷和尼龙复合纤维强化熔模精铸型壳制备方法，复合纤维特性对强化型壳透气性和强度的影响十分明显，在保证型壳一定壁厚的基础上增强了型壳强度和提高了型壳透气性，从而对熔模精铸型壳的金属浇注奠定了良好的基础。
【专利附图】
【附图说明】[0008]图1为复合纤维增强熔模精铸型壳的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0009]本发明首先制备复合纤维，然后将其加入到用耐火粉料和粘结剂制备好的浆料中，使用超声振动和机械搅拌相结合的方法使复合纤维均匀的分散在浆料中，然后将蜡模依次浸入制备好的面层浆料、背层浆料和封浆层浆料中挂涂浆料，提出后，挂砂、干燥/硬化，最后完成复合纤维增强熔模精铸型壳的制备； 本发明所用主要实验材料如下:
复合纤维:陶瓷无机纤维和尼龙有机纤维
粘结剂:硅溶胶(Si02 30% Na20 ≤ 0.5% PH值:9~10运动粘度≤8cp胶体粒径:8~12nm)
耐火材料:氧化硅粉末/刚玉粉末/高岭土/氧化铝粉末
【具体实施方式】一:本实施方式的一种基于复合纤维强化熔模精铸型壳制的制备方法按以下步骤进行，如图1所示:
步骤一，复合纤维的制备:先将直径为10 μ m、长度为2mm的陶瓷纤维、尼龙纤维放入乙醇中，再放入超声波清洗器中清洗15分钟，然后再放入浓度为5mol/L盐酸溶液中浸泡25分钟，再用水清洗、干燥，完成复合纤维的制备。
[0010]步骤二，面层:按氧化铝粉末与硅溶胶的质量比(2.7:1)将氧化铝粉末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的的耐火复合纤维按质量百分含量为(5%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz~80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTl80r/min)，形成面层浆料；将蜡模浸入到面层浆料中挂涂，提出后，撒砂、干燥/硬化，得到面层型壳。
[0011]步骤三，背层:按高岭土与硅溶胶的质量比(2:1)将高岭土末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量为(5%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz~80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTl80r/min)，形成背层浆料；将步骤二得到的面层型壳浸入背层浆料中挂涂浆料，提出后，撒砂、干燥/干燥，完成一层背层的制备，重复该步骤在背层浆料中挂涂、挂砂和干燥/硬化操作7次，得到背层型壳；
步骤四，封浆:按氧化铝粉末与硅溶胶的质量比为(3:1)将氧化铝粉末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火纤维按质量百分含量(10%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz~80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTl80r/min),形成封衆层衆料；将经步骤三得到的背层型壳浸入封衆层衆料中挂涂，提出后，干燥/硬化，完成型壳封浆层的制备；
步骤五，焙烧:将经步骤四制备的封浆层型壳，脱蜡后存放24h，然后放在焙烧设备为75kw的箱式电炉中焙烧，焙烧温度选为1000±30°C，焙烧lh，得到复合纤维增强的熔模精铸型壳。
[0012]【具体实施方式】二:本实施方式的一种基于复合纤维强化熔模精铸型壳制的制备方法按以下步骤进行，如图1所示:
步骤一，复合纤维的制备:先将直径为6~18μπι、长度为2~16mm的陶瓷纤维、尼龙纤维放入乙醇中，再放入超声波清洗器中清洗10分钟，然后再放入浓度为0.5mol/L盐酸溶液中浸泡30分钟，再用水洗、干燥，完成复合纤维的制备；
步骤二，面层:按刚玉粉末与硅溶胶的质量比(2:1)将刚玉粉末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备好的复合纤维按质量百分含量为(3%)加入面层浆料中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz?80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTl80r/min)，形成面层浆料，然后将蜡模浸入面层浆料中挂涂浆料，提出后，撒砂、干燥/硬化，得到过渡层型壳；
步骤三，背层:按高岭土与硅溶胶的质量比为(2.4:1)将高岭土加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量为(12%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz?80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTlSOr/min)，形成背层浆料；将步骤二得到的过渡层型壳浸入背层浆料中挂涂浆料，提出后，撒砂、干燥/硬化，完成一层背层的制备，重复该步骤在背层浆料中挂涂、撒砂和干燥/硬化操作10次，得到背层型壳；
步骤四，封浆:按刚玉粉末与硅溶胶的质量比为(2.3:1)将刚玉粉末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火纤维按质量百分含量(15%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz?80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTlSOr/min)，形成封浆层浆料；将经步骤三得到的背层型壳浸入封浆层浆料中挂涂，提出后，干燥/硬化，完成型壳封浆层的制备；
步骤五，焙烧:将经步骤四制备的封浆层型壳，脱蜡后存放19h，然后放在焙烧设备为75kw的箱式电炉中焙烧，焙烧温度选为1000±30°C，焙烧1.5h，得到复合纤维增强的熔模精铸型壳。
[0013]【具体实施方式】三，如图1所示；
步骤一，复合纤维的制备:先将直径为6?18μπι、长度为2?16mm的陶瓷纤维、尼龙纤维放入乙醇中，再放入超声波清洗器中清洗20分钟，然后再放入浓度为10mol/L盐酸溶液中浸泡10分钟，再用水清洗、干燥，完成复合纤维的制备。
[0014]步骤二，面层:按氧化铝粉末与硅溶胶的质量比(3:1)将氧化铝粉末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的的耐火复合纤维按质量百分含量为(15%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz?80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTl80r/min)，形成面层浆料；将蜡模浸入到面层浆料中挂涂，提出后，撒砂、干燥/硬化，得到面层型壳。
[0015]步骤三，背层:按高岭土与硅溶胶的质量比(3:1)将高岭土末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量为(15%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz?80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTl80r/min)，形成背层浆料；将步骤二得到的面层型壳浸入背层浆料中挂涂浆料，提出后，撒砂、干燥/干燥，完成一层背层的制备，重复该步骤在背层浆料中挂涂、挂砂和干燥/硬化操作3次，得到背层型壳；
步骤四，封浆:按氧化铝粉末与硅溶胶的质量比为(2:1)将氧化铝粉末加入到硅溶胶中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火纤维按质量百分含量(5%)加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀(其中超声波频率:20kHz?80kHz，机械搅拌速度:120r/mirTlSOr/min)，形成封浆层浆料；将经步骤三得到的背层型壳浸入封浆层浆料中挂涂，提出后，干燥/硬化，完成型壳封浆层的制备；
步骤五，焙烧:将经步骤四制备的封浆层型壳，脱蜡后存放12h，然后放在焙烧设备为75kw的箱式电炉中焙烧，焙烧温度选为1000±30°C，焙烧1.3h，得到复合纤维增强的熔模精铸型壳。
【权利要求】
1.一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤: 步骤一，复合纤维的制备:将直径为6~18um、长度为2~16mm的陶瓷纤维和尼龙纤维先分别放入乙醇中，再放入超声波清洗器中清洗10-20分钟，然后再放入浓度为0.5^10mol/L盐酸溶液中浸泡10-30分钟，再用水清洗、干燥，完成复合纤维的制备； 步骤二，面层:按耐火粉料与粘结剂的质量比2~3:1将耐火粉料加入到粘结剂中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量3%~15%加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀，形成面层浆料；然后将蜡模浸入到面层浆料中挂涂，提出后，撒砂、干燥/硬化，得到面层型壳。
2.步骤三，背层:按耐火粉料与粘结剂的质量比2~3:1将耐火粉料加入到粘结剂中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量5%~15%加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀，形成背层浆料；将步骤二得到面层型壳浸入背层浆料中挂涂，提出后，撒砂、干燥/硬化，完成一层背层的制备，重复该步骤在背层浆料中挂涂、撒砂和干燥或硬化操作若干次，得到背层型壳； 步骤四，封浆:按耐火粉料与粘结剂的质量比2~3:1将耐火粉料加入到粘结剂中，搅拌均匀，再将步骤一制备的耐火复合纤维按质量百分含量5%~15%加入其中，用超声振动和机械搅拌相结合的方法将其搅拌均匀，形成封浆层浆料；将经步骤三得到的背层型壳浸入封浆层浆料中挂涂，提出后，干燥/硬化，完成型壳封浆层的制备； 步骤五，焙烧:将经步骤四制备的封浆层型壳，脱蜡后存放12~24h，然后放在焙烧设备为75kw的箱式电炉中焙烧，焙烧温度选为1000±30°C，焙烧I~1.5h，得到复合纤维增强的熔模精铸型壳。
3.如权利要求1所述的一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法，其特征在于，所述的粘结剂为硅溶胶，其参数为:Si02质量百分数为30%，Na20的质量百分数^ 0.5%，PH值:9~10，运动粘度≤8cp，胶体粒径:8~12nm。
4.如权利要求1所述的一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法，其特征在于，所述的耐火材料为氧化硅粉末、刚玉粉末、高岭土或氧化铝粉末。
5.如权利要求1所述的一种基于复合纤维增强熔模精铸型壳的制备方法，其特征在于，步骤三所述的重复该步骤在背层浆料中挂涂、撒砂和干燥或硬化操作次数为3~10次。
【文档编号】B22C9/04GK103639359SQ201310533565
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】芦刚, 严青松, 余欢, 卢百平, 毛蒲 申请人:南昌航空大学