一种具有光滑内壁的高性能精铸硅溶胶型壳及其制备方法与流程

本发明属于硅溶胶型壳铸造，特别涉及一种具有光滑内壁的高性能精铸硅溶胶型壳及其制备方法。

背景技术：

1、熔模精密铸造又称熔模铸造，是一项材料近净成型技术，广泛应用于航空、航天、机械制造、体育、化工、核能等领域。其不仅可以制备结构复杂的薄壁器件，还能将组合的整体铸件进行铸造。型壳的制备是熔模铸造的关键工序之一，是关乎铸件产品质量是否满足要求的关键。目前，国际上占据主导地位的制壳粘结剂为硅溶胶粘结剂，其具有良好的稳定性和流动性，硬化过程便捷，焙烧后型壳具备良好的高温强度和表面质量，适用于生产对表面质量要求较高的铸件。然而，硅溶胶型壳通常存在着明显的缺点，即常温强度低，残留强度高以及透气性表现不足等。其中常温强度低对于型壳的脱蜡以及搬运是非常不利的，型壳残留强度过高导致铸件在浇注完成后不易脱离壳体，更重要的是透气性不足导致无法将浇注时的高温气体在短时间内排出，严重阻碍金属液在型壳中的充填，最终导致铸件内部或者表面产生气孔或者存在浇注不完全等缺陷。因此，提高型壳综合性能，开发出高性能精密铸造陶瓷型壳对于工业生产中高精度铸件的获得具有十分重要的意义。

2、中国专利《精铸硅溶胶型壳制作工艺》(申请号：cn202011400771.1，授权号：cn112589052a，公告日：2021.04.02)公开了一种精铸硅溶胶型壳制作工艺，包括面层、过渡层、背层及封浆层的三层半制备过程，能减少涂挂层数，明显缩短制壳周期，同时面层浆料采用硅溶胶和锆英粉并撒80-120目莫来砂，同时过渡层浆料由硅溶胶、莫来粉按质量比为1：3.4～3.6配置而成，结合莫来砂目数、浆料粘度及温湿度控制等制得的型壳可用于各种产品制壳，成本低，但其常温强度和透气性仍有较大提升空间。

3、中国专利《一种复合精铸硅溶胶型壳的制壳方法》(申请号：cn201911005992.6，授权号：cn110814287a，公告日：2020.02.21)公开了一种复合精铸硅溶胶型壳的制壳方法，通过在加固层和封浆层涂料中添加碳酸钙包覆含碳纤维和碳酸钙晶须，使得焙烧时在型壳内部形成微孔隙，提高了型壳的透气性，碳酸钙对型壳强度的提升也有一定影响，但常温强度的提升仍有较大空间。

4、中国专利《高脱壳性硅溶胶型壳制壳工艺》(申请号：cn201711333840.x，授权号：cn108031789a，公告日：2018.05.15)公开了一种高脱壳性硅溶胶型壳制壳工艺，经过充分煅烧的铝硅系耐火砂粉料、游离铁、水铝石含量低的硬质高岭石作为硅溶胶型壳的主流材料，与石英砂巧妙结合，既保证型壳的常温强度，又可大大降低型壳浇注后的残留强度，但存在透气性不足的问题。

5、中国专利《一种水玻璃-硅溶胶复合型壳的制壳方法》(申请号：cn201710777474.0，授权号：cn107755634a，公告日：2018.03.06)公开了一种水玻璃-硅溶胶复合型壳的制壳方法，主要包括制备涂料和面层、过渡层和水玻璃涂层，该发明提出的水玻璃－硅溶胶型壳工艺，简单实用成本低，能达到铸造可与硅溶胶型壳媲美的铸件，但其强度与透气性提升仍有不足。

6、中国专利《硅溶胶型壳制作工艺》(申请号：cn201711111209.5，授权号：cn108044034a，公告日：2018.05.18)公开了一种硅溶胶型壳制作工艺，采用石英粉、石英砂与硅溶胶进行混合形成混合物ⅰ；采用莫来粉、莫来砂及硅溶胶混合形成混合物ⅱ；将混合物ⅰ和混合物ⅱ进行混合操作形成制作硅溶胶型壳的主要材料粉末。该硅溶胶型壳制备工艺简单，可操作性强，生产周期短，成本低廉，但其性能欠佳。

技术实现思路

1、为解决现有技术中硅溶胶型壳内壁表面光滑度不高、常温强度与透气性难以兼容的问题，本发明提供一种具有光滑内壁的高性能精铸硅溶胶型壳。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种高性能精铸硅溶胶型壳的制备方法，该方法包括如下步骤：

4、步骤1，分级颗粒制备面层浆料：

5、将锆粉、白刚玉粉、二氧化硅颗粒与硅溶胶、羟丙基甲基纤维素混合均匀，然后加入润湿剂和消泡剂，搅拌均匀得到面层浆料；

6、面层浆料中，白刚玉粉的添加量为锆粉质量的1％～5％，二氧化硅添加量为锆粉质量的0.1％～0.5％，硅溶胶的添加量为锆粉质量的8％～12％，羟丙基甲基纤维素的添加量为锆粉质量的0.2％～0.3％，润湿剂和消泡剂的添加量均为锆粉质量的0.015-0.02％；

7、锆粉和白刚玉粉的粒径为280目～320目，二氧化硅颗粒粒径为200～300nm；步骤2，有机-无机纤维调配背层浆料：

8、将聚乙烯纤维和氮化硼纤维与硅溶胶、聚乙烯酰胺、白刚玉粉和消泡剂混合，搅拌均匀得到背层浆料；

9、背层浆料中，氮化硼纤维添加量为硅溶胶质量的4％～8％，聚乙烯纤维添加量为硅溶胶质量的5％～10％，聚乙烯酰胺添加量为硅溶胶质量的0.2％～0.3％，消泡剂的添加量为硅溶胶质量的0.015-0.02％，硅溶胶与白刚玉粉的质量比为1：1.3～1.6；步骤3，制备内壁光滑的高强度硅溶胶型壳：

10、将蜡模浸入步骤1所得的面层浆料中，取出后撒砂、干燥，再浸入步骤2所得的背层浆料，取出后撒砂、干燥，反复多次后经封浆、脱蜡、煅烧得到硅溶胶型壳。

11、作为优选，步骤1和步骤2中的硅溶胶中sio2含量为29％～30％，运动粘度＜8×10-6m2/s，ph为9～10，比重为1.20～1.22g·ml-1。

12、作为优选，步骤2中，氮化硼纤维的长度为2～8mm，直径为10～50μm；聚乙烯纤维的长度为4～10mm，直径为80～150μm。控制聚乙烯纤维和氮化硼纤维的长度和直径使得型壳的透气性和强度都有所提升。

13、作为优选，步骤2中，白刚玉粉的粒径为280目～320目。

14、作为优选，步骤3中，面层浆料用于制备硅溶胶型壳的第一层，背层浆料用于制备硅溶胶型壳除第一层和封浆层以外的结构层，且背层浆料的涂挂和撒砂重复5～6次。

15、作为优选，步骤3中，煅烧的温度曲线为预热阶段升温350℃±50℃后保温0.5～0.8h，再缓慢升温至700℃±50℃保温0.5～0.8h，最后将温度升到950～1100℃保温2h～2.5h。

16、一种本发明所述的制备方法制得的高性能精铸硅溶胶型壳。

17、本发明的有益效果是：

18、1、本发明通过在面层浆料中加入相同颗粒大小(280目～320目)的锆粉及白刚玉粉，配合纳米级别的二氧化硅颗粒(200～300nm)，可以填充和填平面层涂层的微小凹凸，增加型壳面层的光滑度；

19、2、聚乙烯纤维在背层浆料中会形成一种网状结构，可以在干燥和煅烧过程中留下微小的空隙，使得气体能够从型壳内部透过纤维网络排出，提高透气性；

20、3、通过在面层及背层浆料中添加羟丙基甲基纤维素和聚乙烯酰胺可以提高颗粒和纤维在浆料中的分散性，从而有效改善浆料的混合均匀性和加工性能；

21、4、通过在背层浆料添加氮化硼纤维，可以改善型壳的导热性能，有效降低热应力的集中程度，阻止裂纹扩展，减少型壳在干燥和固化过程中的开裂和变形。同时，氮化硼纤维能够和硅溶胶发生相互作用，加强介质的固结和连接，在浆料中形成一个连续的纤维网络结构，从而在不影响透气性的前提下提升型壳的常温强度。