CN108275958B - 一种水溶性消失模型芯、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料制备技术领域，具体公开一种水溶性消失模型芯的制备方法、水溶性消失模型芯及应用。本发明的水溶性消失模型芯的制备方法包括：S1、将石膏、硫酸镁、水和陶瓷粉末按比例混合，搅拌均匀，得到混合浆体；S2、将混合浆体倒入含有预埋件的模具中，固化后取出，烘干，得到所述水溶性消失模型芯。本发明制备得到的水溶性消失模型芯可直接用于凝胶注模工艺制备素坯坯体或用于其他水基胶态成型方法制备素坯坯体。

Description

一种水溶性消失模型芯、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种水溶性消失模型芯的制备方法、水溶性消失模型芯及应用。

背景技术

凝胶注模是最先进的陶瓷成型方法之一，其因近净尺寸成型、适于制造大尺寸复杂形状结构工件、无需大型特种设备等优点，已被广泛应用于各种工程陶瓷的制备中。凝胶注模成型的过程为将陶瓷浆料注入模具中，待浆料凝胶固化生成陶瓷坯体后将模具拆除，坯体经干燥、脱脂后即可得到所需结构的陶瓷部件。

受限于干燥过程，凝胶注模所能制备的部件厚度较小，否则干燥过程容易产生裂纹，因此凝胶注模成型常被用于制备薄壁工件。凝胶注模成型过程中使用的模具目前仍以金属模具为主，脱模时通过机械力将模具拆除。金属模具一般采取设计拔模斜度、涂覆脱模剂的方法来减小脱模的难度，但模具拆除时仍与坯体之间有相当的作用力。而坯体此时强度较低，极易被外力破坏，尤其是模具型芯脱模时，与坯体间的互相作用力更大。因此需要有一种脱模无外力的模具材料，以降低凝胶注模坯体脱模破坏的风险。

可溶性型芯材料可以免去型芯模具拆除对坯体的作用力，而且可以制造复杂型腔的零部件。目前主要的可溶性型芯模具有石膏芯、盐芯、尿素芯、陶瓷芯、聚乙二醇芯等，已应用于各种金属铸造等成型工艺中。但凝胶注模为水基浆料流态成型，现有的可溶性消失模型芯直接用于凝胶注模成型则会吸收凝胶注模浆料中的水，或消失模型芯中的盐类溶解到凝胶注模浆料中，这两者都会使浆料流变学性能变化，使成型过程失败或成型的坯体有严重缺陷而无法使用。再有，现有消失模型芯难以直接加工和装配，所以难以制作成高精度的模具，也限制了其应用范围。

发明内容

针对凝胶注模金属模具脱模容易破坏坯体，现有可溶性消失模型芯无法应用于凝胶注模的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种水溶性消失模型芯的制备方法，所述制备方法包括步骤：S1、将石膏、硫酸镁、水和陶瓷粉末按比例混合，搅拌均匀，得到混合浆体；S2、将所述混合浆体倒入含有预埋件的模具中，固化后取出，烘干，得到所述水溶性消失模型芯。

一些实施方式中，所述制备方法还包括：设计并制造所述水溶性消失模型芯内的预埋件；设计和制造浇注所述水溶性消失模型芯的模具；在所述模具内设置所述预埋件。

一些实施方式中，所述预埋件为金属预埋件，所述模具为金属模具。

一些实施方式中，所述步骤S1包括将石膏、硫酸镁和水按比例混合，搅拌均匀，得到石膏浆体；再向所述石膏浆体中加入陶瓷粉末，搅拌均匀，得到混合浆体。

一些实施方式中，所述陶瓷粉末与所述石膏浆体的体积比不大于0.8：1。

一些实施方式中，所述石膏与所述硫酸镁的质量比为(2-6)：1；所述石膏与所述硫酸镁的质量之和，与所述石膏的质量比为(0.5-1)：1。

一些实施方式中，所述陶瓷粉末选自氧化硅、氧化铝、碳化硅或氮化硅中的至少一种；所述陶瓷粉末的d50小于30μm。

另一方面，本发明提供一种水溶性消失模型芯，所述水溶性消失模型芯通过上述制备方法制得。

再另一方面，本发明提供一种水溶性消失模型芯的应用，所述水溶性消失模型芯用于凝胶注模成型制备素坯或水基胶态成型方法制备素坯。

一些实施方式中，所述水溶性消失模型芯用于凝胶注模成型的方法包括步骤：S11、在所述水溶性消失模型芯上涂覆醇溶性致密保护层；将涂覆后的水溶性消失模型芯装配到胎具上，组装得到凝胶注模模具；S12、将凝胶注模浆料注入所述凝胶注模模具中，将水流通过的预埋件注入水溶性消失模型芯内，使水溶性消失模型芯溃散；取出预埋件，完成脱模，得到凝胶注模素坯坯体。

一些实施方式中，所述醇溶性致密保护层的厚度小于0.1mm。

一些实施方式中，水流通过预埋件时，产生的水压不大于5KPa。

本发明的有益效果在于：通过以石膏和硫酸镁作为固化剂，以陶瓷粉末作为骨料，以金属件作为预埋件，制成一种可溶性石膏消失模型芯，可直接用于凝胶注模成型制备素坯坯体，或用于其他水基胶态成型方法制备素坯坯体。本发明的可溶性消失模型芯用于凝胶注模成型时不会吸收凝胶注模浆料中的水，也不会使消失模型芯中的盐类溶解到凝胶注模浆料中，更不会使浆料流变学性能发生变化，能够成功实现凝胶注模成型。

附图说明

图1示出根据本发明一个实施例的水溶性消失模型芯制备示意图。

1、含有预埋件的模具2、预埋件3、水溶性消失模型芯

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

首先参考图1示出根据本发明一个实施例的水溶性消失模型芯进行凝胶注模成型示意图。

本发明提供一种水溶性消失模型芯的制备方法，制备方法包括步骤：S1、将石膏、硫酸镁、水和陶瓷粉末按比例混合，搅拌均匀，得到混合浆体；S2、将所述混合浆体倒入含有预埋件的模具中，固化后取出，烘干，得到水溶性消失模型芯。

具体的，制备方法包括：设计并制造水溶性消失模型芯内的预埋件3，设计并制造用于装配所述水溶性消失模型芯的胎具(图中未示出)，设计和制造浇注水溶性消失模型芯的模具2，在模具2内设置预埋件3，模具2优选为金属模具，预埋件3优选为金属预埋件，预埋件3的一部分埋入水溶性消失模型芯中，未埋入水溶性消失模型芯的部分用于和胎具装配。预埋件3和胎具(图中未示出)均有较高的装配精度，以保证最终制得的水溶性消失模型芯能精确的装配到预定的位置。优选的实施方式中，预埋件3和胎具(图中未示出)装配精度应小于最终制得的水溶性消失模型芯精度的1/5。

将石膏、硫酸镁、水和陶瓷粉末按比例混合，搅拌均匀，得到混合浆体；具体的，石膏为医用石膏或纯度更高的石膏，硫酸镁为化学纯或更高纯度的硫酸镁粉末，水为自来水或去离子水等均可。优选的实施方式中，石膏与硫酸镁的质量比为(2-6)：1；石膏与硫酸镁的质量之和，与石膏的质量比为(0.5-1)：1，这样优选的质量比更容易制成流动性更好的浆体，且固化后具有可脱模的强度，凝胶注模完成后保证水溶性消失模型芯遇水流容易溃散。

优选的实施方式中，将石膏、硫酸镁和水按比例混合，搅拌均匀，得到石膏浆体；再向石膏浆体中加入陶瓷粉末，搅拌均匀，得到混合浆体，可以使陶瓷粉末容易在浆体中分散均匀。优选的实施方式中，陶瓷粉末选自氧化硅、氧化铝、碳化硅或氮化硅中的至少一种，不影响浆体的固化；陶瓷粉末的d50小于30μm，陶瓷粉末与石膏浆体的体积比不大于0.8：1，可以在保证加工后的水溶性消失模型芯表面平整，陶瓷颗粒不宜脱落的同时，防止混合浆体流动性的降低，减少固化时间。陶瓷粉末的加入，能够加强所获得水溶性消失模型芯的强度和韧性，保证后期水溶性消失模型芯加工时不被破坏；同时，陶瓷粉末占据水溶性消失模型芯的一部分体积，进而减少固化剂的用量，减小环境污染；另外，陶瓷粉末后期还能回收再利用，降低成本。

将混合浆体倒入含有预埋件的模具中，固化时间至少30min，保证其具有一定强度后，从模具中取出，烘干，得到水溶性消失模型芯3。

本发明提供一种水溶性消失模型芯，通过上述制备方法制得。

本发明还提供一种水溶性消失模型芯的应用，水溶性消失模型芯用于凝胶注模成型制备素坯坯体或水基胶态成型方法制备素坯坯体。水溶性消失模型芯用于凝胶注模成型的方法包括步骤：S11、在水溶性消失模型芯上涂覆醇溶性致密保护层；将涂覆后的水溶性消失模型芯装配到胎具上，组装得到凝胶注模模具；S12、将凝胶注模浆料注入凝胶注模模具中，将水流通过的预埋件注入水溶性消失模型芯内，使水溶性消失模型芯溃散；取出预埋件，完成脱模，得到凝胶注模素坯坯体。

具体的，在通过本发明的制备方法制得水溶性消失模型芯3后，在机床上，将水溶性消失模型芯3加工到需要的尺寸。再在加工后的水溶性消失模型芯3上涂覆醇溶性致密保护层，醇溶性致密保护层的厚度小于0.1mm，能够更好的保证水溶性消失模型芯的尺寸精度。具体的涂覆方法是将有机物溶于乙醇中，制成有机物溶液，再将有机物溶液涂刷到加工后的水溶性消失模型芯3上，有机物溶液干燥后形成有机物膜；有机物可采用聚乙烯醇缩丁醛PVB、醇溶性聚氨酯等；有机物采用PVB时，PVB的分子量优选为30000-45000，进一步优选为40000，最终得到的有机物溶液浓度优选为15wt％。通过在加工后的水溶性消失模型芯上涂覆醇溶性致密保护层，一方面能够将水溶性消失模型芯和凝胶注模浆料完全隔开，保证凝胶注模浆料中的水不被吸走；另一方面还能提高水溶性消失模型芯表面的光洁度，进而提高凝胶注模坯体的表面质量。水溶性消失模型芯上所涂覆的醇溶性致密保护层在凝胶注模坯体后期的液体干燥中可溶解于干燥液中。

将凝胶注模浆料注入凝胶注模模具中，将水流通过的预埋件2注入水溶性消失模型芯3内，使水溶性消失模型芯3溃散；取出预埋件2，完成脱模，除去金属模具1，得到凝胶注模素坯坯体。

具体的，凝胶注模浆料可为碳化硅、氮化硅、氧化铝等陶瓷的凝胶注模浆料。预埋件2中设有流水的通道，用以在需要水溶性消失模型芯溃散时通入水流。具体的，预埋件2埋于消失模型芯内的部分通有软管，软管另一头的延伸到消失模的其他部分，预埋件2内的水流可通过软管到达消失模型芯内各个部位，提高消失模型芯的溃散速率，并且在取出预埋件的时候软管不会破坏坯体。具体实施方式中，水流通过预埋件2时，产生的水压不大于5Kpa，更好的保证水溶性消失模型芯3溃散后，水压对凝胶注模坯体不会产生破坏。水溶性消失模型芯3溃散后，流出的陶瓷粉末还可以回收再利用，能够进一步降低整个制备方法的成本。

本发明的水溶性消失模型芯用于凝胶注模成型，同时提供一种凝胶注模成型制备陶瓷素坯的方法，具体包括步骤：

S1、将石膏、硫酸镁、水和陶瓷粉末按比例混合，搅拌均匀，得到混合浆体；S2、将所述混合浆体倒入含有预埋件的模具中，固化后取出，烘干，得到所述水溶性消失模型芯；S11、在所述水溶性消失模型芯上涂覆醇溶性致密保护层；将涂覆后的水溶性消失模型芯装配到胎具上，组装得到凝胶注模模具；S12、将凝胶注模浆料注入所述凝胶注模模具中，将水流通过的预埋件注入水溶性消失模型芯内，使水溶性消失模型芯溃散；取出预埋件，完成脱模，得到凝胶注模素坯坯体。

本发明的水溶性消失模型芯中含有预埋件，通过进一步涂覆醇溶性致密保护层，从而实现在凝胶注模成型过程中可加工，可装配，而且能够将水溶性消失模型芯和凝胶注模浆料完全隔开，保证凝胶注模浆料中的水不被吸走，也不会使水溶性消失模型芯中的盐类溶解到凝胶注模浆料中，更不会使浆料流变学性能发生变化，还能提高水溶性消失模型芯表面的光洁度，进而提高凝胶注模坯体的表面质量，解决了现有技术中一大难题。另外，本发明的水溶性消失模型芯以陶瓷粉末作为骨料，在加强所获得水溶性消失模型芯的强度和韧性，保证后期消失模型芯加工时不被破坏的同时，陶瓷粉末占据消失模型芯的一部分体积，进而减少固化剂的用量，减小环境污染，而且陶瓷粉末后期还能回收再利用，从整体上降低成本。整体而言，直接使用本发明的水溶性消失模型芯能够成功实现凝胶注模成型制备陶瓷素胚。

应用实例

下面以用凝胶注模工艺和可溶性消失模型芯制备外径200mm，高100mm，壁厚10mm的，底面厚10mm的SiC圆筒素坯为例，对本发明进行进一步详细说明。但本发明不限于此应用实例。

1、制作内径200mm，高100mm带有一个底面的圆柱金属模具，凝胶注模坯体需要脱模时，此模具可从中间分开。并制作相应的胎具和消失模内芯预埋件，预埋件上有通水软管。

2、制作内径210mm、高110mm消失模型芯模具，将消失模型芯预埋件固定在消失模型芯模具的中心。

3、将足量的石膏、硫酸镁和水按照0.45:0.15:1的质量比混合并搅拌均匀，然后加入20μm的SiC粉，SiC粉与水的比例为1:0.8，并搅拌均匀，制成浆体。

4、将混合均匀的浆体浇入到消失模型芯模具中，保证浆体高度不小于100mm。30min后浆体完全固化，拆除消失模型芯模具，将带有预埋件的消失模型芯放入70℃的烘箱内烘干，得到水溶性消失模型芯。

5、用机床将水溶性消失模型芯加工成直径180mm，高度90mm的圆柱。

6、在水溶性消失模型芯表面涂刷一层浓度为15wt％、分子量为40000的PVB乙醇溶液，待溶液中乙醇挥发后，形成一层醇溶性致密保护膜。

7、将水溶性消失模型芯装配到胎具上；连同水溶性消失模型芯一起，将胎具装配到内径200mm，高100mm的金属模具中。水溶性消失模型芯、胎具和金属模具之间形成一个外径200mm、高100mm，壁厚10mm，底面厚10mm的空腔，和需要制备的坯体对应。

8、将凝胶注模SiC浆料注入模具中。待浆料固化、形成凝胶注模坯体后，向预埋件的管道中通入水流。待水流通过软管到达水溶性消失模型芯各个部位后，水溶性消失模型芯开始溃散。待水溶性消失模型芯溃散完毕后，拆除胎具和预埋件，完成水溶性消失模型芯脱模。再去除金属模具后即可得所需的到凝胶注模SiC坯体。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种水溶性消失模型芯的应用，其特征在于，用凝胶注模工艺和水溶性消失模型芯制备外径200mm、高100mm、壁厚10mm的、底面厚10mm的SiC圆筒素坯，具体包括以下步骤：

步骤1、制作内径200mm、高100mm带有一个底面的圆柱金属模具，凝胶注模坯体需要脱模时，此模具可从中间分开；并制作相应的胎具和消失模内芯预埋件，预埋件上有通水软管；

步骤2、制作内径210mm、高110mm消失模型芯模具，将消失模型芯预埋件固定在消失模型芯模具的中心；

步骤3、将足量的石膏、硫酸镁和水按照0.45:0.15:1的质量比混合并搅拌均匀，然后加入20μm的SiC粉，SiC粉与水的比例为1:0.8，并搅拌均匀，制成浆体；

步骤4、将混合均匀的浆体浇入到消失模型芯模具中，保证浆体高度不小于100mm，30min后浆体完全固化，拆除消失模型芯模具，将带有预埋件的消失模型芯放入70℃的烘箱内烘干，得到水溶性消失模型芯；

步骤5、用机床将水溶性消失模型芯加工成直径180mm，高度90mm的圆柱；

步骤6、在水溶性消失模型芯表面涂刷一层浓度为15wt％、分子量为40000的PVB乙醇溶液，待溶液中乙醇挥发后，形成一层醇溶性致密保护膜；

步骤7、将水溶性消失模型芯装配到胎具上；连同水溶性消失模型芯一起，将胎具装配到内径200mm，高100mm的金属模具中；水溶性消失模型芯、胎具和金属模具之间形成一个外径200mm、高100mm，壁厚10mm，底面厚10mm的空腔，和需要制备的坯体对应；

步骤8、将凝胶注模SiC浆料注入模具中；待浆料固化、形成凝胶注模坯体后，向预埋件的管道中通入水流；待水流通过软管到达水溶性消失模型芯各个部位后，水溶性消失模型芯开始溃散；待水溶性消失模型芯溃散完毕后，拆除胎具和预埋件，完成水溶性消失模型芯脱模；再去除金属模具后即可得到 所需的凝胶注模SiC坯体；

所述水溶性消失模型芯的制备方法包括步骤：

S1、将石膏、硫酸镁、水和陶瓷粉末按比例混合，搅拌均匀，得到混合浆体；所述陶瓷粉末的d₅₀小于30μm；

S2、设计并制造所述水溶性消失模型芯内的预埋件；设计和制造浇注所述水溶性消失模型芯的模具；在所述模具内设置所述预埋件；将所述混合浆体倒入含有预埋件的模具中，固化后取出，烘干，得到所述水溶性消失模型芯；

其中，所述步骤S1包括将石膏、硫酸镁和水按比例混合，搅拌均匀，得到石膏浆体；再向所述石膏浆体中加入陶瓷粉末，搅拌均匀，得到混合浆体，所述陶瓷粉末与所述石膏浆体的体积比不大于0.8：1；所述石膏与所述硫酸镁的质量比为（2-6）：1；所述石膏与所述硫酸镁的质量之和，与所述石膏的质量比为（0.5-1）：1；

所述陶瓷粉末选自氧化硅、氧化铝、碳化硅或氮化硅中的至少一种。