王程成;贺德龙;鞠梦婷;韦家虎;益小苏
【摘 要】水溶性陶瓷型芯对于内腔结构复杂和高尺寸精度的合金铸件的精密铸造成型起着十分关键的作用.本文系统介绍了近年来国内外水溶性陶瓷型芯注射成型技术的研究进展,并重点分析了对关键工艺过程如增塑剂制备、黏结剂和陶瓷粉体组分和粒径的选择、混料工艺优化、注射成型关键参数、脱脂烧结及防水处理等对型芯微观结构、质量和性能影响,为高性能水溶性陶瓷型芯的研制提供技术指导.最后,在总结现有技术特点的基础上,分析了未来水溶性陶瓷型芯注射成型技术的发展趋势,特别是新兴的纳米材料和技术以及计算机模拟技术,将为高性能和低成本型芯的研制提供必要的支持和保障.
【期刊名称】《航空材料学报》
【年(卷),期】2015(035)004
【总页数】13页(P83-95)
【关键词】水溶性陶瓷型芯;注射成型;水溶性;工艺优化;性能
【作 者】王程成;贺德龙;鞠梦婷;韦家虎;益小苏
【作者单位】北京航空材料研究院,北京100095;西安交通大学材料科学与工程学院,西安710049;北京航空材料研究院,北京100095;北京航空材料研究院,北京100095;北京航空材料研究院,北京100095;北京航空材料研究院,北京100095
【正文语种】中 文
【中图分类】TB484.5
注射成型水溶性陶瓷型芯技术
王程成
1，2，贺德龙
1，鞠梦婷
1，韦家虎
1，益小苏
1
( 1．北京航空材料研究院，北京100095; 2．西安交通大学材料科学与工程学院，西安710049)
摘要:水溶性陶瓷型芯对于内腔结构复杂和高尺寸精度的合金铸件的精密铸造成型起着十分关键的作用。本文系统介绍了近年来国内外水溶性陶瓷型芯注射成型技术的研究进展，并重点分析了对关键工艺过程如增塑剂制备、黏结剂和陶瓷粉体组分和粒径的选择、混料工艺优化、注射成型关键参数、脱脂烧结及防水处理等对型芯微观结构、质量和性能影响，为高性能水溶性陶瓷型芯的研制提供技术指导。最后，在总结现有技术特点的基础上，分析了未来水溶性陶瓷型芯注射成型技术的发展趋势，特别是新兴的纳米材料和技术以及计算机模拟技术，将为高性能和低成本型芯的研制提供必要的支持和保障。
关键词:水溶性陶瓷型芯;注射成型;水溶性;工艺优化;性能
doi:10. 11868/j. issn. 1005-5053. 2015. 4. 011
中图分类号: TB484．5
文献标识码: A
文章编号: 1005-5053( 2015)
收稿日期:2014-12-24;修订日期:2015-03-16
通讯作者:贺德龙( 1983—)，男，博士，高级工程师，主要从事高性能结构功能一体化新材料的研究，( E-mail) delonghe_ biam@126．com。
航空装备性能的不断提高对复杂内腔结构、高质量和高精度合金铸件的需求越来越大，如飞机导流器、增压器叶轮、机匣体、波导管
［1～3］。而形成复杂内腔或管道的关键是研制适用于铸件整体无余量成型的型芯材料
［4］，且型芯的性能(力学性能、热稳定性能、化学稳定性、表面质量、脱模容易程度等)优劣及工程可靠性高低直接影响到精铸件的合格率、铸造成本和产品质量。
铝合金质量轻同时具有优异的力学性能，在汽车、船舶、兵器和航空航天等领域有广泛的应用。针对铝合金化学活性高、耐酸碱腐蚀性能差的特点，水溶性型芯技术在其复杂铸件成型中备受青睐，常见的有尿素型芯、水溶性盐芯和水溶性陶瓷型芯等。尿素型芯表面质量差、发气量大，易产生气孔缺陷，而盐芯的低强度、低耐热性和易脆性等特点使其在合金精密铸造中的应用受到极大的限制，以耐火材料为主体的水溶性陶瓷型芯具有较高的机械强度、耐火度和化学稳定性，同时，具有较好的水溶性，可以有效地避免苛刻的脱芯条件对铝合金铸件造成的损害，因此在铝合金精密铸造中得到大量的应用，而且发展迅速
［5～8］。水溶性陶瓷型芯主要有以下两大类
［9］: ( 1)以能溶于水或稀酸溶液的耐火陶瓷材料如MgO，CaO基材经高温烧结而成; ( 2)以难溶耐火材料如Al
2O
气路接头 3，SiO
2等为基材，可溶性无机盐为黏结剂，通过相应的成型工艺制成。高精度的注射成型技术为制备结构复杂、尺寸精确的水溶性陶瓷型芯提供了技术保障
［10］，同时，注射成型的方法也常被用来制造形状复杂、截面细小、表面光洁度高等结构的水溶性陶瓷型芯。陶瓷注射成型是在传统的粉末冶金技术和塑料注射成型工艺相结合发展起来的一门新型近净尺寸成型技术，其主要工艺流程如图1所示。需要特别说明的是，从原料配方、混炼、注射成型到脱脂、烧结和防水处理，每个部分都对最终型芯的结构和性能有重大影响。
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本工作根据陶瓷型芯注射成型技术的工艺流程，系统介绍了近年来国内外水溶性陶瓷型芯注射成型技术的研究进展，对关键工艺过程如增塑剂制备、黏结剂和陶瓷粉体组分和粒径的选择、混料工艺优化、注射成型关键参数、脱脂烧结及防水处理等对型芯微观结构、质
量和性能影响的研究进展做了综合分析。最后，分析和总结了未来水溶性陶瓷型芯注射成型技术的发展趋势。
1 注射成型浆料的制备
图1 陶瓷型芯注射成型工艺流程
Fig．1 Flow chart of ceramic core injection molding process
粉末注射成形
水溶性陶瓷型芯注射成型用的浆料一般是用化学稳定性高的陶瓷粉体和水溶性无机盐等固相无机粉末与一定组分的熔融的塑化剂均匀混合而形成的混合物
［4］。浆料的固相含量和可成型性对型芯的制备影响非常大，其中，固相含量决定了烧结过程中收缩的大小，可成型性取决于混合物的黏度，而黏度本身是增塑剂组分、剪切速率和温度的函数，同时也与固相体积分数、粉料粒径大小及分布有关。对于成功的注射成型，合适的有机增塑剂组成和固相组分搭配是非常重要的。
活动看台
1．1陶瓷粉料
1．1．1化学组成
水溶性陶瓷型芯制备中所用的陶瓷粉料一般为化学性能稳定的耐火陶瓷，其熔点要高于无机盐黏结剂的熔点，这些耐火陶瓷组分在铝合金的浇铸温度下(约700℃)，与合金元素的相容性很好，化学性质稳定，不会发生界面反应，而且热膨胀率也较小。此外，综合考虑原料来源和价格等因素，型芯制备中常用的陶瓷粉料主要有氧化硅( SiO
2)、氧化铝( Al
2O
3)、氧化锆( ZrO
2)、莫来石( 3Al
2O303c
3·2SiO
2)、锆英石( ZrSiO
4)等高熔点的氧化物，其物理性能见表1。一般的陶瓷型芯是由一种(如电熔刚玉粉或锆英砂)或两种(锆英砂和石英玻璃粉)的氧化物组分混合而成。
表1 常用耐火陶瓷粉料的物理性能［11］
Table 1 Physical properties of the ceramic core raw materials
［11］
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1．1．2尺寸分布和比表面积
陶瓷颗粒尺寸及分布对浆料的黏度等工艺流动性能和烧结之后型芯的致密度、孔隙率、表面光洁度、水溶性能、强度等有重要影响。一般情况下，粉料中颗粒粒径越小，粉料的比
表面积越大，相同比例的增塑剂条件下，浆料流动性越差。当固相体积分数一定时，黏度随颗粒尺寸的减小而增大。因此，型芯制备中常用粒径多重分布的粉末(同种或不同)，经充分均匀混合，在固相颗粒体积分数比较高的情况下获得更好的填充性。通常采用粗粒径粉料作为骨架，配以适量的细颗粒作为黏结剂和填充材料，保证型芯材料烧结之后的强度和尺寸稳定性。
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