本发明涉及一种用于易氧化金属的熔模精密铸造型壳制备工艺方法。
背景技术：
易氧化金属(钛、锆等)具有密度低、比强高、耐腐蚀等特点，目前已广泛应用于航空、航天、核能、化工和医疗等行业。易氧化金属在熔融状态下具有较高的活性，能与一般常用耐火材料发生不同程度的化学反应，并且还能与o2、n2、h2及co2等气体发生化学反应，影响铸件的质量。因此，易氧化金属铸造技术对铸型材料及铸造设备要求较高，必须选择合适的铸型材料和铸造工艺方法，保证铸件的质量。
目前，易氧化金属铸造技术主要采用机加工石墨型和陶瓷型熔模精密铸造工艺。机加工石墨型工艺特点为铸型加工相对方便简单，单件产品生产周期较短，但由于石墨铸型表面较为粗糙，并且热导率较高，导致浇注的铸件表面易出现冷隔、流痕、微裂纹等缺陷。陶瓷型熔模精密铸造工艺是采用氧化钇惰性陶瓷材料作为面层粉料，采用钇溶胶或醋酸锆作为面层粘结剂，并采用熔模精密铸造技术制备而成，其特点为铸件表面质量较高，尤其适用于复杂薄壁铸件。但该工艺技术存在一定问题，一方面氧化钇材料较为昂贵，导致生产成本较高，另一方面钇溶胶粘结剂在制备过程中稳定性较差，很容易发生胶凝，醋酸锆粘结剂在制壳过程中胶凝速度较慢，且是可逆的，胶凝后遇水会发生“回溶”现象，从蜡模上脱落，因此型壳需要较长的干燥时间，导致铸型制备周期较长。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供了一种采用锆酸钙-氧化钇复合陶瓷型壳的易氧化金属熔模精密铸造技术。采用该方法生产出的铸件尺寸精准，铸件最小壁厚≤1.0mm，表面粗糙度≤6.3μm，表面污染层≤0.03mm，表面无冷隔、流痕、微裂纹等缺陷，并且生产成本降低，生产周期缩短。
本发明技术方案如下：
(1)型壳面层制备：将耐火粉料加入到粘结剂中混匀，粉液质量比为2︰1～4︰1，并加入0～0.05wt％润湿剂和0～0.05wt％消泡剂，均匀搅拌2～6小时，制备成面层涂料；把该涂料涂挂在蜡模上，撒砂采用锆酸钙砂，粒度控制在80～150目，干燥时间控制在6～18小时，环境温度控制在18～26℃，湿度控制在45～65％；重复上述操作2～3次形成一定厚度的面层型壳；所述耐火粉料的组分变化范围如下：锆酸钙60～90％，氧化钇10～40％；粘结剂的组分变化范围如下：纳米氧化铝分散液50～70％，醋酸锆50～30％；
(2)型壳加固层制备：将铝矾土粉料加入到硅溶胶粘结剂中混匀，粉液质量比控制在2︰1～5︰1，撒砂采用铝矾土砂，粒度控制在20～100目，干燥时间控制在12～24小时，环境温度控制在18～26℃，湿度控制在30～50％；重复上述操作8～10次形成一定厚度的加固层型壳；
(3)型壳脱蜡与焙烧：型壳脱蜡采用红外脱蜡工艺，加热温度在220～260℃；型壳焙烧的升温速度控制在100～150℃/h，在1000～1400℃保温2～4小时，炉冷到100～200℃出炉备用；
(4)熔炼浇注：采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将易氧化金属自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，启动真空泵，抽至真空度≤10-2pa后，进行熔炼，金属全部熔化后，采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸合金液，离心转速为150～400转/分，冷却，即得。
作为优选的技术方案：
步骤(1)中所述耐火粉料粒度为270～650目，纳米氧化铝分散液浓度为15％～30wt％，醋酸锆浓度为30～45wt％；所述润湿剂为jfc，消泡剂为正丁醇。
步骤(2)中所述铝矾土粉料的粒度控制在220～540目，硅溶胶浓度为30～40wt％。
步骤(3)中型壳焙烧在箱式电阻炉中进行。
步骤(4)中真空自耗凝壳熔炼的电压控制在38～40v，电流控制在16000～20000a。
本发明的优点如下：
本发明采用锆酸钙和氧化钇混合作为型壳面层粉料，采用纳米氧化铝分散液和醋酸锆作为面层粘结剂，一方面锆酸钙材料来源广泛，价格低廉，极大降低了制壳成本，进而使得易氧化金属铸件的生产成本也得到了降低。另一方面，纳米氧化铝分散液干燥速度快，稳定性较好，极大地避免了醋酸锆粘结剂的回溶，制壳效率得到提高，与单独采用醋酸锆粘结剂相比，制壳周期减少了20％。另外，该制壳工艺中，面层粉料粒度控制在270～650目，形成粒度级配，小粒子镶嵌于大粒子的间隙中，改善了粉料的紧密堆积能力，型壳致密性提高。同时，面层浆料配置方法简单，易于涂挂，制备的型壳强度高，浇注的易氧化金属铸件污染层小，适合批量生产。该发明可广泛应用于高质量高性能易氧化金属精密铸件的研制和生产中。
具体实施方式
实施例1
一种用于易氧化金属的熔模精密铸造方法，以生产材料牌号为zta15的钛合金泵体为例，工艺步骤如下：
(1)型壳面层制备：将耐火粉料加入到粘结剂中混匀，粉液质量比为3︰1，并加入0.02wt％润湿剂jfc和0.02wt％消泡剂正丁醇，均匀搅拌6小时，制备成面层涂料；其中耐火粉料的组成为锆酸钙80％、氧化钇20％，粒度为270～650目，粘结剂的组成为纳米氧化铝分散液50％，醋酸锆50％，纳米氧化铝分散液浓度为20wt％，醋酸锆浓度为40wt％。把该涂料涂挂在蜡模上，撒砂采用锆酸钙砂，粒度控制在80目，干燥时间控制在12小时，环境温度控制在26℃，湿度控制在50％。重复上述操作3次形成一定厚度的面层型壳。
(2)型壳加固层制备：将铝矾土粉料加入到硅溶胶粘结剂中混匀，粉液质量比控制在4︰1，其中铝矾土粒度控制在220～540目，硅溶胶浓度为30wt％，撒砂采用铝矾土砂，粒度控制在20～100目，干燥时间控制在24小时，环境温度控制在26℃，湿度控制在40％。重复上述操作10次形成一定厚度的加固层型壳。
(3)型壳脱蜡与焙烧：型壳脱蜡采用红外脱蜡工艺，加热温度在260℃。型壳焙烧在箱式电阻炉中进行，升温速度控制在100℃/h，在1000℃保温4小时，炉冷到100℃出炉备用。
(4)熔炼浇注：采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将钛合金自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，启动真空泵，抽至真空度≤10-2pa后，进行熔炼，电压控制在38v，电流控制在18000a。钛合金全部熔化后，采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸钛合金液，离心转速为400转/分，冷却，即得。
浇注出的铸件最小壁厚≤1.0mm，表面光洁，粗糙度≤6.3μm，表面污染层≤0.01mm。
实施例2
一种用于易氧化金属的熔模精密铸造方法，以生产材料牌号为702c的锆合金旋塞阀为例，工艺步骤如下：
(1)型壳面层制备：将耐火粉料加入到粘结剂中混匀，粉液质量比为2︰1，并加入0.02wt％润湿剂jfc和0.02wt％消泡剂正丁醇，均匀搅拌6小时，制备成面层涂料；其中耐火粉料的组成为锆酸钙60％、氧化钇40％，粒度为270～650目，粘结剂的组成为纳米氧化铝分散液60％，醋酸锆40％；纳米氧化铝分散液浓度为20wt％，醋酸锆浓度为40wt％。把该涂料涂挂在蜡模上，撒砂采用锆酸钙砂，粒度为80目，干燥时间12小时，环境温度控制在26℃，湿度控制在50％。重复上述操作3次形成一定厚度的面层型壳。
(2)型壳加固层制备：将铝矾土粉料加入到硅溶胶粘结剂中混匀，粉液质量比控制在3︰1，其中铝矾土粒度控制在220～540目，硅溶胶浓度为30wt％，撒砂采用铝矾土砂，粒度控制在20～100目，干燥时间控制在12小时，环境温度控制在26℃，湿度控制在40％。重复上述操作8次形成一定厚度的加固层型壳。
(3)型壳脱蜡与焙烧：型壳脱蜡采用红外脱蜡工艺，加热温度在260℃。型壳焙烧在箱式电阻炉中进行，升温速度控制在100℃/h，在1000℃保温2小时，炉冷到100℃出炉备用。
(4)熔炼浇注：采用真空自耗凝壳熔炼方法，首先将锆合金自耗电极放入真空自耗电极凝壳炉中，启动真空泵，抽至真空度≤10-2pa后，进行熔炼，电压控制在40v，电流控制在20000a。锆合金全部熔化后，采用离心浇铸工艺向铸型内浇铸锆合金液，离心转速为220转/分，冷却，即得。
浇注出的铸件最小壁厚≤1.0mm，表面光洁，粗糙度≤6.3μm，表面污染层≤0.03mm。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。