一种大尺寸硅基陶瓷型芯及其制备方法

1.本发明具体涉及一种大尺寸硅基陶瓷型芯及其制备方法，属于精密铸造领域。


背景技术：

2.随着应用领域的不断拓展和产品要求的不断提升，高温合金产品不断向大型化和精细 化方向发展，这对精铸成型核心原料的陶瓷型芯产品也提出了大型化和精细化的发展要求。 使用传统原料制备大型陶瓷型芯，由于增塑剂导热性能较差，型芯在制备过程中极易出现因 热应力而产生的缺陷，这大大降低了产品的良率，而因热应力产生的不易发觉的裂纹，也为 后续高温合金的浇铸带来了极大的风险。另外，使用传统陶瓷型芯原料制备的产品，孔隙率 偏低，脱芯过程缓慢，这无疑会降低高温合金产品的生产效率。


技术实现要素：

3.为了解决以上问题，本发明在陶瓷型芯的原料中引入导热性很好的石墨烯和活性炭， 增加生坯的热导率，降低热应力；同时在原料中添加造孔剂，提高产品的孔隙率，优化陶瓷 型芯内部的孔结构，使其更易脱芯，从而提高产品的生产效率。
4.第一方面，本发明提供了一种大尺寸硅基陶瓷型芯，所述大尺寸硅基陶瓷型芯的原料 组分包括：陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂；所述导热剂的含量为陶瓷粉体质量的 0.5wt％～5wt％，所述造孔剂的含量占陶瓷粉体总质量的3wt％～15wt％，所述增塑剂含量占 陶瓷粉体总质量的12wt％～28wt％。
5.虽然导热剂过量对脱模和脱芯是有利的，但会降低陶瓷型芯的强度，影响到陶芯的使 用性能。
6.较佳地，所述陶瓷粉体由熔融石英粉体、方石英粉体和硅酸锆粉体组成；所述熔融石 英粉体的中位径在20～100μm之间；所述方石英粉体的中位径在20～100μm之间；所述 硅酸锆粉体的中位径在3～20μm之间。
7.较佳地，所述熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体总质量的60wt％～85wt％；所述方石英 粉体的含量占陶瓷粉体总质量的5wt％～20wt％；所述硅酸锆粉体的含量为陶瓷粉体总质量 的3wt％～20wt％。
8.较佳地，所述导热剂为石墨烯和/或活性炭，所述石墨烯和活性炭的粒径小于200目。
9.所述导热剂为石墨烯、氧化石墨烯、改性石墨烯或活性炭中的至少一种；所述导热剂 的粒径小于200目。
10.较佳地，所述石墨烯和/或氧化石墨烯和/或改性石墨烯的含量占导热剂总质量的20～ 80wt％。
11.较佳地，所述造孔剂的组成为pmma微球，电木粉，环氧树脂粉中的至少一种，所 述造孔剂的质量占陶瓷粉体总质量的3wt％～15wt％，其粒径分布在200目～80目之间。
12.较佳地，所述增塑剂由分散剂、石蜡、蜂蜡和聚乙烯组成；所述分散剂的主要成分
为 硬脂酸、油酸或丙烯酸树脂类有机物，所述石蜡的熔点在40℃～60℃，所述蜂蜡的熔点为 60℃～70℃。
13.较佳地，所述分散剂的含量为增塑剂质量的3wt％～10wt％，所述石蜡的含量占增塑 剂质量的5wt％～60wt％；所述蜂蜡的含量占增塑剂质量的5wt％～60wt％；所述聚乙烯的含 量占增塑剂质量的1wt％～5wt％。
14.第二方面，本发明提供了上述大尺寸硅基陶瓷型芯的制备方法，所述制备方法包括： 将熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体混合；向混合好的陶瓷粉体中添加导热剂，继续 混合；向陶瓷粉体和导热剂的混合物中添加造孔剂，继续混合；将增塑剂加入搅拌器中至其 全部融化，再将陶瓷粉体、导热剂、造孔剂的混合物加入搅拌器中与增塑剂混合，得到混合 浆料；将混合浆料成型后脱脂烧结，得到所述大尺寸硅基陶瓷型芯。
15.较佳地，将熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v型混料机或三维混料机 中混合2～6小时。立式混合工艺非常适合陶瓷粉体混合的工艺，其特点是混料均匀，在混 合过程中不会改变原料的粒径分布。
16.较佳地，所述搅拌器为真空双行星搅拌器，在增塑剂加入所述搅拌器之前，将所述搅 拌器加热至80～120℃，可以使增塑剂融化。真空双行星搅拌与常规搅拌工艺相比具有效率 高、混合充分的特点。
17.较佳地，再将陶瓷粉体、导热剂、造孔剂的混合物分2～6次加入增塑剂中，真空搅 拌6～12小时。分2～6次加入的目的在于：一次全部加入不容易成浆，次数多余6次效率 太低。
18.有益效果：
19.传统材料(成型剂石蜡、蜂蜡等c、h、o化合物)制备的陶瓷型芯烧成后表面开裂， 而新材料制备的陶瓷型芯表面完整光洁。传统材料制备的该陶瓷型芯脱芯时长为12-24h，而 新材料制备的陶瓷型芯脱芯时长不超过6h。所得陶瓷型芯的强度高，至少为12mpa。
具体实施方式
20.以下结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应理解，以下实施例 用于说明本发明，而非限制本发明。
21.以下示例性地说明本发明所述大尺寸硅基陶瓷型芯的制备方法：
22.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机或三维混料机中混合2～6小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的 60wt％～85wt％；方石英的含量占陶瓷粉体总质量的5wt％～20wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷 粉体总质量的3wt％～20wt％。其中，熔融石英粉体的中位径在20～100μm之间；方石英 粉体的中位径在20～100μm之间；硅酸锆粉体的中位径在3～20μm之间。
23.陶瓷粉体和导热剂的混合：向混合好的陶瓷粉体中添加计算、称量好的导热剂，继续 混合1～3小时。所述导热剂的含量为陶瓷粉体质量的0.5wt％～5wt％，其中，所述石墨烯 和/或氧化石墨烯和/或改性石墨烯的含量占导热剂总质量的20～80wt％。所述导热剂的粒径 小于200目，其种类包括石墨烯、改性石墨烯、氧化石墨烯活性炭中的至少一种。
24.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80～120℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡 及聚乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
25.陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。
26.成型：混合好的浆料加入注射成型机中，在70℃～120℃，0.5～10mpa的注射压力条 件下将浆料注射进模具中得到大尺寸硅基陶瓷型芯生坯。
27.烧结：将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1000℃-1200℃条件脱脂烧结，得到陶瓷型芯 产品。
28.下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明 进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上 述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数 等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选 择，而并非要限定于下文示例的具体数值。下述实施例和对比例中，若无特殊说明，脱芯为 陶瓷型芯在热的碱液中溶解的操作，其具体参数和步骤包括：碱液的组分为koh和naoh 的混合溶液，其中koh的质量分数为8wt％，naoh的质量分数为32wt％；脱芯温度为 450℃，时长为6h。
29.实施例1
30.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机或三维混料机中混合3小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的75wt％； 方石英的含量占陶瓷粉体总质量的8wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷粉体总质量的17wt％。其 中，熔融石英粉体的中位径在40μm；方石英粉体的中位径在20μm；硅酸锆粉体的中位径 在15μm。
31.陶瓷粉体和造孔剂混合：选择120目pmma微球作为作为造孔剂，将陶瓷粉体和 pmma微球置于v型混料机中混合2h，pmma的质量为陶瓷粉体质量的4wt％。
32.陶瓷粉体、造孔剂和导热剂的混合：向混合好的陶瓷粉体中添加计算、称量好的导热 剂(石墨烯和活性炭)，继续混合3小时。所述导热剂的含量为陶瓷粉体质量的1.5wt％，其 中，石墨烯的含量占导热剂总质量的80wt％。
33.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡及聚 乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
34.陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。固体粉料分3次加入到搅拌器中，第一次 加40wt％，真空搅拌20-30min，待其成浆后继续加40wt％的固体粉料继续真空搅拌20
‑ꢀ
30min，待其成浆后将剩下的粉料完全加入，真空搅拌12h。
35.将混合好的浆料加入注射成型机中，在95℃、3.0mpa压力下进行注射成型，得到陶 瓷型芯生坯。
36.将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1150℃条件下进行脱脂烧结，得到陶瓷型芯产品。
37.得到的陶瓷型芯表面完整光洁，脱芯时长为6h。所得陶瓷型芯的强度为15mpa，其 测试方法参考hb5353.3-2004。
38.实施例2
39.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机或三维混料机中混合2小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的
80wt％； 方石英的含量占陶瓷粉体总质量的15wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷粉体总质量的5wt％。其 中，熔融石英粉体的中位径在40μm；方石英粉体的中位径在20μm；硅酸锆粉体的中位径 在15μm。
40.陶瓷粉体和造孔剂的混合：选择120目电木粉作为作为造孔剂，将陶瓷粉体和造孔剂 置于v型混料机中混合2h，造孔剂的质量为陶瓷粉体质量的10wt％.
41.陶瓷粉体、造孔剂和导热剂的混合：向混合好的陶瓷粉体中添加计算、称量好的导热 剂(石墨烯和活性炭)，继续混合3小时。所述导热剂的含量为陶瓷粉体质量的1.0wt％，其 中，石墨烯的含量占导热剂总质量的80wt％。
42.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡及聚 乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
43.陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。固体粉料分3次加入到搅拌器中，第一次 加50wt％，真空搅拌20-30min，待其成浆后继续加30wt％的固体粉料继续真空搅拌20
‑ꢀ
30min，待其成浆后将剩下的粉料完全加入，真空搅拌12h。
44.将混合好的浆料加入注射成型机中，在115℃，5.0mpa压力下进行注射成型，得到陶 瓷型芯生坯。
45.将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1200℃条件下进行脱脂烧结，得到陶瓷型芯产品。
46.得到的陶瓷型芯表面完整光洁，脱芯时长为6h。所得陶瓷型芯的强度为16.5mpa，测 试方法参考hb5353.3-2004。
47.实施例3
48.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机或三维混料机中混合3小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的75wt％； 方石英的含量占陶瓷粉体总质量的8wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷粉体总质量的17wt％。其 中，熔融石英粉体的中位径在40μm；方石英粉体的中位径在20μm；硅酸锆粉体的中位径 在15μm。
49.陶瓷粉体和造孔剂的混合：选择80目电木粉作为作为造孔剂，将陶瓷粉体和造孔剂 置于v型混料机中混合2h，造孔剂的质量为陶瓷粉体质量的15wt％
50.陶瓷粉体、造孔剂和导热剂的混合：向混合好的陶瓷粉体中添加活性炭，活性炭含量 为陶瓷粉体质量的2.5wt％，继续混合3小时。
51.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡及聚 乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
52.陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。固体粉料分3次加入到搅拌器中，第一次 加40wt％，真空搅拌20min，待其成浆后继续加40wt％的固体粉料继续真空搅拌25min，待 其成浆后将剩下的粉料完全加入，真空搅拌12h。
53.将混合好的浆料加入注射成型机中，在100℃、3.0mpa压力下进行注射成型，得到陶 瓷型芯生坯。
54.将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1150℃条件下进行脱脂烧结，得到陶瓷型芯产品。
55.得到的陶瓷型芯表面完整光洁，脱芯时长为5.5h。所得陶瓷型芯的强度为15mpa，
其 测试方法参考hb5353.3-2004。
56.实施例4
57.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机中混合3小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的80wt％；方石英的含 量占陶瓷粉体总质量的8wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷粉体总质量的12wt％。其中，熔融石 英粉体的中位径在40μm；方石英粉体的中位径在20μm；硅酸锆粉体的中位径在15μm。
58.陶瓷粉体和造孔剂的混合：选择120目pmma微球作为作为造孔剂，将陶瓷粉体和 pmma微球置于v型混料机中混合2h，pmma的质量为陶瓷粉体质量的5wt％
59.陶瓷粉体、造孔剂和导热剂的混合：向混合好的陶瓷粉体中添加石墨烯，石墨烯含量 为陶瓷粉体质量的1wt％，继续混合3小时。
60.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡及聚 乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
61.陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。固体粉料分3次加入到搅拌器中，第一次 加40wt％，真空搅拌30min，待其成浆后继续加40wt％的固体粉料继续真空搅拌30min，待 其成浆后将剩下的粉料完全加入，真空搅拌12h。
62.将混合好的浆料加入注射成型机中，在100℃、5.0mpa压力下进行注射成型，得到陶 瓷型芯生坯。
63.将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1200℃条件下进行脱脂烧结，得到陶瓷型芯产品。
64.得到的陶瓷型芯表面完整光洁，脱芯时长为6h。所得陶瓷型芯的强度为16mpa，其 测试方法参考hb5353.3-2004。
65.实施例5
66.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机中混合2小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的80wt％；方石英的含 量占陶瓷粉体总质量的8wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷粉体总质量的12wt％。其中，熔融石 英粉体的中位径在40μm；方石英粉体的中位径在20μm；硅酸锆粉体的中位径在15μm。
67.陶瓷粉体和造孔剂的混合：选择120目pmma微球作为作为造孔剂，将陶瓷粉体和 pmma微球置于v型混料机中混合2h，pmma的质量为陶瓷粉体质量的5wt％。
68.陶瓷粉体、造孔剂和导热剂的混合：向混合好的陶瓷粉体中添加氧化石墨烯和活性炭， 氧化石墨烯占导热剂质量的50wt％，导热剂总质量含量为陶瓷粉体质量的3wt％，继续混合 3小时。
69.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡及聚 乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
70.陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。固体粉料分3次加入到搅拌器中，第一次 加40wt％，真空搅拌30min，待其成浆后继续加40wt％的固体粉料继续真空搅拌30min，待 其成浆后将剩下的粉料完全加入，真空搅拌12h。
71.将混合好的浆料加入注射成型机中，在95℃、5.0mpa压力下进行注射成型，得到陶 瓷型芯生坯。
72.将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1200℃条件下进行脱脂烧结，得到陶瓷型芯产品。
73.得到的陶瓷型芯表面完整光洁，脱芯时长为6h。所得陶瓷型芯的强度为17mpa，其 测试方法参考hb5353.3-2004。
74.对比例1
75.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机或三维混料机中混合3小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的75wt％； 方石英的含量占陶瓷粉体总质量的8wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷粉体总质量的17wt％。其 中，熔融石英粉体的中位径在40μm；方石英粉体的中位径在20μm；硅酸锆粉体的中位径 在15μm。
76.陶瓷粉体和造孔剂的混合：选择80目电木粉作为作为造孔剂，将陶瓷粉体和造孔剂 置于v型混料机中混合2h，造孔剂的质量为陶瓷粉体质量的15wt％。
77.陶瓷粉体、造孔剂和导热剂的混合：向混合好的陶瓷粉体中添加活性炭，活性炭含量 为陶瓷粉体质量的7.5wt％，继续混合3小时。
78.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡及聚 乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
79.陶瓷粉体、导热剂、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。固体粉料分3次加入到搅拌器中，第一次 加40wt％，真空搅拌20min，待其成浆后继续加40wt％的固体粉料继续真空搅拌25min，待 其成浆后将剩下的粉料完全加入，真空搅拌12h。
80.将混合好的浆料加入注射成型机中，在100℃、3.0mpa压力下进行注射成型，得到陶 瓷型芯生坯。
81.将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1150℃条件下进行脱脂烧结，得到的陶瓷型芯产强 度较低(7mpa)，在后续使用过程中极容易出现开裂。
82.对比例2
83.陶瓷粉体的混合：将计算、称量好的熔融石英粉体、方石英粉体及硅酸锆粉体置于v 型混料机或三维混料机中混合3小时。其中，熔融石英粉体的含量占陶瓷粉体质量的75wt％； 方石英的含量占陶瓷粉体总质量的8wt％；而硅酸锆的含量为陶瓷粉体总质量的17wt％。其 中，熔融石英粉体的中位径在40μm；方石英粉体的中位径在20μm；硅酸锆粉体的中位径 在15μm。
84.陶瓷粉体和造孔剂的混合：选择80目电木粉作为作为造孔剂，将陶瓷粉体和造孔剂 置于v型混料机中混合2h，造孔剂的质量为陶瓷粉体质量的15wt％。
85.增塑剂的配制：将搅拌器加热至80℃，再将计算称量好的分散剂、石蜡、蜂蜡及聚 乙烯加入搅拌器中至其全部融化。
86.陶瓷粉体、造孔剂、增塑剂的混合：固体粉料(陶瓷粉体、导热剂、造孔剂)和增塑 剂的混合主要使用真空双行星搅拌的工艺。固体粉料分3次加入到搅拌器中，第一次加 40wt％，真空搅拌20min，待其成浆后继续加40wt％的固体粉料继续真空搅拌25min，待其 成浆后将剩下的粉料完全加入，真空搅拌12h。
87.将混合好的浆料加入注射成型机中，在100℃、3.0mpa压力下进行注射成型，得到陶 瓷型芯生坯。
88.将陶瓷型芯生坯置于填料中，在1150℃条件下进行脱脂烧结，得到的陶瓷型芯产品 极容易开裂。