用于锆及锆合金熔模精密铸造氧化物陶瓷型壳的制备方法

摘要

本发明涉及用于锆及锆合金的熔模精密铸造氧化物陶瓷型壳的制备方法。目前，用于活泼有色金属及合金铸造的最常用的方法有机加石墨型铸造和熔模精密铸造。锆合金熔模精密铸造的最大工艺难点就是制作耐高温、高化学稳定性、高强度和高表面光洁度的熔模精密铸造型壳。本发明工艺有(1)涂层制备及蜡模浸入浆料、浆料涂挂、背层浆料涂挂；(2)干燥脱蜡；(3)在电炉中焙烧。优点：型壳具有较高的高温化学稳定性和高温强度。型壳能够承受2000℃以上的高温。采用该制壳工艺生产出的锆及锆合金铸件表面质量高，表面粗糙度Ra≤3.2μm以下，表面污染层厚度<100μm。可生产出壁厚小于3mm的复杂锆及锆合金铸件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锆及锆合金熔模精密铸造氧化物陶瓷型壳的制备工艺。

背景技术

锆及锆合金是一种比较昂贵的金属材料，在许多强腐蚀介质中具有非常优异的耐腐蚀性能，并且有良好的机械性能。目前，锆材作为一种特殊耐腐蚀材料已经得到非常广泛的应用，尤其是在高浓度高温度的还原酸性介质中，锆材是化工设备制造的首选材料。锆材熔点高，热导率较低，线膨胀系数较小。锆材高温时活性很高，几乎能和所有的耐火材料发生不同程度的化学反应，并且高温时锆材在非常容易和CO₂、O₂、N₂和H₂等气体发生化学反应使锆材脆化造成设备失效。这使得锆及锆合金铸造必须选用高化学稳定性的铸型材料，保证锆合金不与模型发生化学反应，具有较小的表面污染层。

目前，用于活泼有色金属及合金铸造的最常用的方法有机加石墨型铸造和熔模精密铸造。由于锆合金价格昂贵及其使用环境多数是具有强腐蚀介质的流体机械部件，因此提高铸件表面质量和减少加工余对提升设备性能和降低成本有着重要意义。锆合金熔模精密铸造特别适用于批量生产、无加工量及难于加工的复杂零件，尤其是适用于强腐蚀介质工况下流体机械中对形状尺寸和表面光洁度要求比较高的叶轮和过流部件的铸造。但是，锆合金熔模精密铸造的最大工艺难点就是制作耐高温、高化学稳定性、高强度和高表面光洁度的熔模精密铸造型壳。

从国家知识产权局网上查的：2009年12月2日公开了申请号为CN200910012462.4的“一种生产锆及锆合金泵、阀精密铸件的工艺方法”专利，其技术采用熔模陶瓷型壳精密铸造和热等静压方法生产锆及锆合金泵、阀精密铸件，熔模陶瓷型壳精密铸造是指在真空自耗凝壳炉中采用熔模陶瓷型壳进行铸件的近净成型铸造，熔模陶瓷型壳按照与泵阀构件几何形状尺寸一致的蜡型翻制而成，其内表面前两层型壳材料由特种氧化物构成，整个型壳经压蜡、涂料、挂壳、脱腊、焙烧等工艺环节制成；热等静压，是将要处理的铸件置于密闭耐高压和可加热至高温的容器内，先抽真空后充入高压惰性气体，加热升温至预定温度。

发明内容

  本发明的目的是针对上述问题提供一种用于锆及锆合金熔模精密铸造的氧化物陶瓷型壳的制备方法。采用该制壳工艺，能够制作出化学稳定性高，耐热温度超过2000℃，型壳表面光洁度Ra≤3.2um, 表面污染层厚度<100um,制壳工艺简单,型壳强度高的目的；实现用于锆及锆合金熔模精密铸造的氧化物陶瓷型壳满足复杂零件铸造的需求。

本发明的方法是按下述步骤实现的: 

采用本发明制作的型壳具有以下优点: （1）采用该制壳工艺制作的型壳具有较高的高温化学稳定性和高温强度。型壳能够承受2000℃以上的高温。（2）采用该制壳工艺生产出的锆及锆合金铸件表面质量高，表面粗糙度Ra≤3.2um以下，表面污染层厚度<100um。（3）采用该制壳工艺可生产出壁厚小于3mm的复杂锆及锆合金铸件。（4）制壳工艺简单，材料来源广泛。（5）试验：经过生产直径为400mm，材料牌号为702C离心泵叶轮铸件证明，铸件表面粗糙度Ra≤3.2um，表面污染层厚度<100um，铸件化学成分符合ASTM B752中要求，抗拉强度σb≥400Mpa；符合企业生产标准。

具体实施方式

模壳的配方和制备过程直接影响到铸件的质量，是熔模铸造的核心内容。简单的说，本发明工艺包括以下步骤：（1）涂层制备：用电熔Y₂O₃粉做面层耐火材料，用钇溶胶做粘结剂配制浆料。浆料制好后，将铸件的蜡模浸入浆料中10～15分钟取出，待干燥硬化后再重复上述浆料涂挂撒砂过程1～2次；然后进行背层浆料涂挂，背层用粘结剂和莫来石粉配成的浆料在涂挂8～10次；（2）干燥脱蜡；（3）在电炉中焙烧。

实施例1：生产材料牌号为702C，型号XCA100-125-400离心泵叶轮铸件，工艺如下：

（1）面层涂层制备：在粘结剂中加入粒度等级配好的电熔Y2O3粉，一边加入一边搅拌，Y2O3粉全部加入后仍再搅拌1小时，浆料的粘度控制在70～100s；浆料制好后，将铸件的蜡模浸入浆料中10～15分钟取出，当蜡模上剩余的浆料流动均匀而不再连续下滴时，将经过粒度级配的电熔Y₂O₃粉均匀地撒在涂挂了浆料的蜡模上，撒砂要均匀全面，待干燥后然后，在这个基础上再进行上述涂挂和撒砂工序，重复1～2次。其中电熔Y₂O₃粉粗粉的粒度为200～300目，细粉的粒度＜300目，细粉与粗粉的重量比为1:2～1:1.2，浆料的耐火粉与液体重量体积比为1:0.4～1:0.25；面层浆料所用粘结剂为钇溶胶粘结剂；

（2）背层涂层制备：背层涂挂撒砂耐火材料莫来石粉，浆料所用粘结剂为硅溶胶；背层涂挂撒砂的层数为8～10层，每层涂挂前必须进行充分干燥和硬化；第3层以后涂挂撒砂所用的粉料为莫来石，粒度为20～200目，浆料所用粘结剂为硅溶胶；涂挂撒砂的层数为8～10层。背层浆料的耐火粉与液体重量体积比为1:0.3～1:0.2，粘度控制在40～60s。

需要说的是：厚度和涂挂次数有关，可以通过次数控制厚度。另外背层是指从第3层以后的涂层。

（3）型壳的脱蜡:将涂过涂料的蜡模自然干燥20～36h，将干燥好的涂层及蜡模放入高压脱蜡釜中进行高压蒸汽脱蜡，压力为0.4～0.6Mpa，脱蜡时间为10～16分钟。

（4）将已经脱蜡完毕的型壳放入电阻焙烧炉中进行焙烧，然后随炉冷却至室温即可。

（5）将出炉的模壳预热至200℃，采用真空自耗电极凝壳炉熔炼浇注；真空度小于1Pa。

实施例2：生产705C泵体铸件为例。工艺如下：

（1）面层涂层制备：在粘结剂中加入粒度等级配好的电熔Y2O3粉，一边加入一边搅拌，Y2O3粉全部加入后仍再搅拌1小时，浆料的粘度控制在70～100s；浆料制好后，将铸件的蜡模浸入浆料中10～15分钟取出，当蜡模上剩余的浆料流动均匀而不再连续下滴时，将经过粒度级配的电熔Y₂O₃粉均匀地撒在涂挂了浆料的蜡模上，撒砂要均匀全面，待干燥后然后，在这个基础上再进行上述涂挂和撒砂工序，重复1～2次。其中电熔Y₂O₃粉粗粉的粒度为200～300目，细粉的粒度＜300目，细粉与粗粉的重量比为1:2～1:1.2，浆料的耐火粉与液体重量体积比为1:0.4～1:0.25；面层浆料所用粘结剂为钇溶胶粘结剂；

（2）背层涂层制备：背层涂挂撒砂耐火材料莫来石粉，浆料所用粘结剂为硅溶胶；背层涂挂撒砂的层数为8～10层，每层涂挂前必须进行充分干燥和硬化；第3层以后涂挂撒砂所用的粉料为莫来石，粒度为20～200目，浆料所用粘结剂为硅溶胶；涂挂撒砂的层数为8～10层。背层浆料的耐火粉与液体重量体积比为1:0.3～1:0.2，粘度控制在40～60s。

（3）型壳的脱蜡:将涂过涂料的蜡模自然干燥20～36h，将干燥好的涂层及蜡模放入高压脱蜡釜中进行高压蒸汽脱蜡，压力为0.4～0.6Mpa，脱蜡时间为10～16分钟。（4）将已经脱蜡完毕的型壳放入电阻焙烧炉中进行焙烧，然后随炉冷却至室温即可。

（4）将出炉的模壳预热至200℃，采用真空自耗电极凝壳炉熔炼浇注；真空度小于1Pa。