專利名稱：：液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土及其制備和制模工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土及其制備和制模工藝。
背景技術(shù)：
：在生產(chǎn)每只胎體金剛石鉆井鉆頭的工藝過(guò)程中，加工三維復(fù)雜形狀的陰模是困難和費(fèi)時(shí)的，但又是不可缺少的一道工序。往往需要五軸數(shù)控銑床或?qū)Ｓ霉ぱb夾具加工，這大大提高了制造成本，延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。因此，制模工序成為制約胎體金剛石鉆頭規(guī)模生產(chǎn)的瓶頸。隨著石油天然氣鉆采工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)耐用、高效、多品種、個(gè)性化的胎體金剛石鉆頭需求量越來(lái)越大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提供一種液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，該陶土在液態(tài)澆鑄過(guò)程中能快速成型，用此陶土配合橡膠原模可快速制成用于粉末燒結(jié)或精鑄的直接生產(chǎn)陰模；且該陶土能耐1200°C的高溫，冷卻后具有良好的潰散性，便于脫模清理。本發(fā)明的另一目的還在于提供一種液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制備工藝和制模工藝。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，主要由氧化鈣、石英砂、微晶粉、鋰基膨潤(rùn)土、有機(jī)物組成，按重量百分比計(jì)，氧化鈣占7.0%13.0%，石英砂占60.0%70.0%，微晶粉占12.0%14.0%，鋰基膨潤(rùn)土占1.0%2.0%，有機(jī)物占9.0%15.0%。按重量百分比計(jì)，上述石英砂中二氧化硅的含量>98%；微晶粉包括鋯英粉、鋁礬土粉和氧化鈦，鋯英粉占陶土總量的5.0%，鋁礬土粉占陶土總量的5.0%，氧化鈦占陶土總量的3.0%；有機(jī)物包括硅油和α-淀粉，硅油占陶土總量的4.0%7.0%，α-淀粉占陶土總量的5.0%8.0%。一種上述液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制備工藝，其特征在于，包括以下步驟(a)按照上述質(zhì)量百分比稱取制備材料，并分別破碎、磨粉、篩分；(b)將氧化鈣、石英砂、微晶粉、鋰基膨潤(rùn)土進(jìn)行混合均勻；(c)將有機(jī)物與(b)步驟的混合料進(jìn)行攪拌混合；(d)進(jìn)行烘燒，然后粉碎和篩分；(e)封裝，打包待用。上述步驟(a)結(jié)束后，進(jìn)行活化處理后再進(jìn)行步驟(b)；上述步驟(d)結(jié)束后，進(jìn)行取樣檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行步驟(e)。一種上述液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制模工藝，其特征在于，包括以下步驟(i)稱取適量的陶土粉，按20.0%25.0%的加水量進(jìn)行加水，攪拌使得陶土粉與水混合均勻呈漿糊狀；(ii)將陶土漿料倒入裝好橡膠原型的模具中，待陶土漿料填充滿模具后，進(jìn)行靜置處理；(iii)陶土漿料固化成型后，將橡膠原型取出，然后對(duì)組合陰模進(jìn)行烘干處理。上述步驟(i)結(jié)束后，將陶土漿料放入專用器具中進(jìn)行脫氣處理，首先將陶土漿料裝入日常生活中最常用的塑料桶，然后將其放入專用真空泵中，靠真空泵進(jìn)行脫氣處理1分鐘左右。上述步驟(iii)中組合模具的烘干溫度為100°C以下，烘干時(shí)間為1小時(shí)左右，其原因是在制造陶土模具時(shí)，隨著陶土模具失水變干，其強(qiáng)度將下降，從而烘干溫度應(yīng)控制在100°C以下，烘干時(shí)間控制在1小時(shí)左右。經(jīng)過(guò)上述工序制作的生產(chǎn)用陰模，可根據(jù)各自的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)為石墨陶土組合陰模、鋼陶土組合陰?；蚱渌突鸩牧吓c陶土的組合陰模。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果(1)本發(fā)明涉及的陶土在液態(tài)澆鑄過(guò)程中能快速成型，用此陶土配合橡膠原型可快速制成用于粉末燒結(jié)或精鑄的直接生產(chǎn)陰模；(2)本發(fā)明涉及的陶土可耐1200°C的高溫，可用于此溫度以下的粉末燒結(jié)或有色金屬精鑄，燒結(jié)冷卻后，陶土有良好的潰散性，便于脫模清理。(3)本發(fā)明涉及的陶土是取代逐只銑削加工模具型腔工藝的極佳工藝成型材料，用此陶土配合橡膠原型可不斷鑄出生產(chǎn)鉆頭的成型燒結(jié)模具，省去了逐只銑模的瓶頸工藝，大大提高了生產(chǎn)鉆頭體的速度，省工省料，將逐一單只制造鉆頭成型模具的工藝推進(jìn)到快速小批量生產(chǎn)鉆頭成型模具的新水平。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1本發(fā)明涉及一種液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，主要由氧化鈣、石英砂、鋯英粉、鋁礬土粉、氧化鈦、鋰基膨潤(rùn)土、硅油和α-淀粉混合制成的粉末組合物，其中，按質(zhì)量百分比計(jì)氧化鈣占10.0%、石英砂占65.0%、鋯英粉占5.0%、鋁礬土粉占5.0%、氧化鈦占3.0%、鋰基膨潤(rùn)土占1.5%、硅油占5.5%、α-淀粉占5.0%。采用上述質(zhì)量百分比制成的陶土是取代逐只銑削加工模具型腔工藝的極佳工藝成型材料，用該陶土制造某一型號(hào)、尺寸的鉆頭模具，只需在CAD三維數(shù)模設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用CAM加工出首件實(shí)體鉆頭形狀，翻鑄出橡膠原型，然后用陶土配合橡膠原型就可不斷鑄出生產(chǎn)鉆頭的成型燒結(jié)模具，省去了逐只銑模的瓶頸工藝，大大提高了生產(chǎn)鉆頭體的速度，省工省料，將逐一單只制造鉆頭成型模具的工藝推進(jìn)到快速小批量生產(chǎn)鉆頭成型模具的新水平。上述液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制備工藝，包括以下步驟(a)按照上述的質(zhì)量百分比稱取制備材料，并分別破碎、磨粉、篩分；(b)進(jìn)行活化處理，活化處理可以選擇高溫活化或電解活化；(c)將氧化鈣、石英砂、鋯英粉、鋁礬土粉、氧化鈦、鋰基膨潤(rùn)土進(jìn)行混合均勻；(d)將硅油和α-淀粉與(C)步驟的混合料進(jìn)行攪拌混合；(e)進(jìn)行烘燒，然后粉碎和篩分；(f)取樣檢驗(yàn)合格后，將產(chǎn)品封裝，打包待用。上述耐高溫陶土的制模工藝，其特征在于，包括以下步驟(i)稱取適量的陶土粉，按25.0%的加水量進(jìn)行加水，攪拌使得陶土粉與水混合均勻呈漿糊狀，此過(guò)程在12分鐘內(nèi)完成；(ii)將混好的陶土漿料裝入塑料桶，然后放入專用真空泵中進(jìn)行脫氣處理1分鐘；(iii)將裝好橡膠原型的石墨模具放在電磁振動(dòng)缸內(nèi)，然后將陶土漿料倒入澆鑄孔，邊澆鑄邊振動(dòng)，促使陶土漿料填充到位，同時(shí)幫助殘留氣體溢出；(iv)待陶土漿料填充滿石墨模具后，在室溫下(20°C左右)靜置2030分鐘，陶土漿料固化成型后，將橡膠原型用手小心取出，取出時(shí)盡量避免損傷陶土模邊緣，取出的橡膠原型用水洗凈，供再次使用；(ν)將澆鑄好的石墨陶土組合陰模放入鼓風(fēng)干燥箱中，從而脫去陶土模中過(guò)多水分，以免過(guò)多水分影響后續(xù)燒結(jié)質(zhì)量。經(jīng)過(guò)上述工序制作出裝料燒結(jié)的生產(chǎn)用陰模，根據(jù)燒結(jié)或精鑄的材料不同及其各自的工藝特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)為石墨陶土組合陰模、鋼陶土組合陰?；蚱渌突鸩牧吓c陶土的組合陰模。為了得到上述陶土的工藝性能，特做了以下工藝試驗(yàn)陶土的流動(dòng)性、速凝性工藝試驗(yàn)(1)自由流淌法在20-25°C的室溫下將加水22%的陶土攪拌均勻脫氣1分鐘后，迅速裝入大端直徑Φ30，高度40mm的錐形玻璃杯中，隨后倒扣在玻璃板上，將玻璃杯抽起讓陶土漿料自由流淌，自然凝固。評(píng)定指標(biāo)A.3分鐘后檢查漿料周邊前緣無(wú)泄出水痕，中心無(wú)固態(tài)堆積物，邊緣平滑，狀圓餅形。B.20分鐘漿料凝固后，表面平整，用食指按壓不潰散。由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足以上二項(xiàng)指標(biāo)，從而得知陶土流動(dòng)性為合格，且成型時(shí)間很短，從而得出本發(fā)明涉及的陶土具有快速固化成型的優(yōu)點(diǎn)。(2)“蚊煙盤法”用高純石墨板在其表面銑出蚊煙狀溝槽，槽寬5mm，槽深3mm。帶“蚊煙”狀溝槽的石墨板為底板。用同尺寸中心開澆注孔的平面石墨蓋板蓋在底板上，并用膠封嚴(yán)澆口孔。帶有灌注口的金屬灌注斗裝滿配制好的陶土漿料。灌注斗下端的灌注口對(duì)準(zhǔn)“蚊煙”盤的澆注孔，打開澆注口閥門將陶土漿料平穩(wěn)注入蚊煙盤中。在整個(gè)澆注過(guò)程中“蚊煙盤”是放在電磁平臺(tái)上振動(dòng)下進(jìn)行的。在重力和振動(dòng)力的推動(dòng)下灌入蚊煙的陶土漿沿著蚊煙溝槽向前流動(dòng)，漿料逐漸凝固，直到停止流動(dòng)而固化，完全固化后略微加熱，取開蓋板測(cè)量陶土漿料在槽中流經(jīng)的長(zhǎng)度來(lái)評(píng)價(jià)漿料的流動(dòng)填充性。對(duì)照制模工藝實(shí)際要求，陶土漿在溝槽中流動(dòng)的長(zhǎng)度達(dá)到200mm以上就可滿足制模對(duì)工藝材料填充性的要求。陶土的耐熱和潰散性工藝試驗(yàn)對(duì)陶土抗壓試件在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)經(jīng)過(guò)1200°C加熱保溫2小時(shí)后取出，冷卻后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。結(jié)果如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從上表實(shí)測(cè)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與制模材料一般要求其強(qiáng)度值1.42.5Mpa相比，陶土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，仍能保持一定強(qiáng)度，從而得知本發(fā)明涉及的陶土具有耐高溫的特性，最高可耐1200°C的高溫；且在此強(qiáng)度下，用手錘輕擊，即可潰散，從而得知其具有良好的潰散性，能滿足燒結(jié)后易于脫模的要求。綜上可知，本發(fā)明涉及的陶土具有快速成型和耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，且具有良好的潰散性，便于脫模清理，可以滿足金剛石鉆頭生產(chǎn)對(duì)燒結(jié)模具材料的要求。為了得到陶土成型后抗壓強(qiáng)度與烘干程度的關(guān)系，申請(qǐng)人做了如下試驗(yàn)步驟用標(biāo)準(zhǔn)水泥抗壓模具澆鑄6塊相同的C2陶土試件，陰干20小時(shí)后用電子稱分別稱取每塊試件的重量，然后將4#、5#、6#試塊在70V80°C下烘干2小時(shí)，再稱取這三塊試件烘后的重量，最后放到水泥抗壓試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)量?jī)山M干燥程度不同的試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見下表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從上表可以得知，經(jīng)70°C80°C烘干2小時(shí)的陶土失水大約30%，其強(qiáng)度較烘干前降低1/4，此試驗(yàn)說(shuō)明制造陶土模具時(shí)，隨著陶土模具失水變干，其強(qiáng)度將下降，因此，陶土模具不應(yīng)烘的過(guò)干，防止陶土模具強(qiáng)度下降和表面掉粉；在烘干過(guò)程中烘干溫度應(yīng)控制在100°C以下，烘干時(shí)間應(yīng)控制在1小時(shí)左右。申請(qǐng)人還做了陶土模具加熱失水測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其步驟為按照正常C2粉澆鑄陶土模具的程序，澆鑄8塊圓餅(加水量1820%)固化后，在室溫下放置3小時(shí)后編號(hào)；逐次在烘干箱或箱式爐中加熱保溫一段時(shí)間，取出稱每塊的重量，將每次加熱的溫度、時(shí)間及稱重記錄整理成表，結(jié)果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從上表可以看出，200°C.1小時(shí)+240°C.1小時(shí)的加熱循環(huán)接近陶土模具在燒結(jié)預(yù)熱的情況，經(jīng)過(guò)以上兩小時(shí)加熱，陶土模具中85%的水分已揮發(fā)；在600°C以上陶土模具的結(jié)晶水和可揮發(fā)物質(zhì)全部逸出，即鉆頭在爐內(nèi)升溫過(guò)程中水分已全部揮發(fā)。為了比較陶土模具在裝滿WC粉的石墨模中加熱失水與裸露在空氣中加熱失水的情況有無(wú)明顯差異，以判斷上一實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否真實(shí)代表鉆頭陶土模具加熱失水的實(shí)際情況，申請(qǐng)人做了陶土模具加熱失水補(bǔ)充測(cè)試，其步驟如下1、澆鑄一圓柱狀陶土模具，室溫下干燥3小時(shí)后稱重；2、將陶土模具放入稱量過(guò)的組合石墨筒中；3、在陶土模具上加約60_高的121#粉，記下WC粉重；4、將裝好“料”的石墨模放在不銹鋼盤內(nèi)加熱；5、每次加熱后稱取石墨模具的重量；6、580°C加熱1小時(shí)，稱石墨模具組合的總重后，取出埋在WC粉中的陶土模具；7、稱取此時(shí)陶土模具重量；8、600°C加熱陶模1小時(shí)，再稱取陶土模具重量，每次稱重匯總成表，結(jié)果如下表所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從上表可以看出，前三次烘干加熱后，只稱模具組合重量，因未打開模具，沒分別稱石墨模、粉料和陶土模具的各自重量，高溫加熱溫度和時(shí)間將就接頭回火工藝，(與接頭同爐加熱)；第二次580°C烘干后，分別稱石墨模、陶土模具和121#粉重，三者之和為模具組合此時(shí)的重量，粉料和石墨在多次加熱和移動(dòng)中，重量稍有損失；取此時(shí)的陶土模具敞開加熱600°C.1小時(shí)，取出冷卻后稱重，比加熱前失重1克。從以上補(bǔ)充試驗(yàn)可以看出，雖然測(cè)試方法比較簡(jiǎn)陋、不夠精確，但可以看出埋在WC粉和石墨模內(nèi)的陶土模具在加熱烘干時(shí)，失水與溫度、時(shí)間的趨勢(shì)和程度與敞放在大氣中加熱失水的情況相似，因此，原實(shí)驗(yàn)測(cè)試的8塊陶土模具加熱失水?dāng)?shù)據(jù)可作為分析鉆頭預(yù)熱陶土失水的參考。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處僅在于陶土的組分比不同，按質(zhì)量百分比計(jì)氧化鈣占13.0%、石英砂占60.0%、鋯英粉占5.0%、鋁礬土粉占5.0%、氧化鈦占3.0%、鋰基膨潤(rùn)土占2.0%、硅油占4.0%,α-淀粉占8.0%。本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處僅在于陶土的組分比不同，按質(zhì)量百分比計(jì)氧化鈣占7.0%、石英砂占70.0%、鋯英粉占5.0%、鋁礬土粉占5.0%、氧化鈦占3.0%、鋰基膨潤(rùn)土占1.0%、硅油占4.0%、α-淀粉占5.0%。本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1相同。實(shí)施例4本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處僅在于陶土的組分比不同，按質(zhì)量百分比計(jì)氧化鈣占10.0%、石英砂占60.0%、鋯英粉占5.0%、鋁礬土粉占5.0%、氧化鈦占3.0%、鋰基膨潤(rùn)土占2.0%、硅油占7.0%,α-淀粉占8.0%。本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1相同。實(shí)施例5本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處僅在于陶土的組分比不同，按質(zhì)量百分比計(jì)氧化鈣占10.0%、石英砂占65.0%、鋯英粉占5.0%、鋁礬土粉占5.0%、氧化鈦占3.0%、鋰基膨潤(rùn)土占1.0%、硅油占6.0%、α-淀粉占5.0%。本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1相同。如上所述，便可較好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明.權(quán)利要求液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，其特征在于，主要由氧化鈣、石英砂、微晶粉、鋰基膨潤(rùn)土、有機(jī)物組成，按重量百分比計(jì)，氧化鈣占7.0％～13.0％，石英砂占60.0％～70.0％，微晶粉占12.0％～14.0％，鋰基膨潤(rùn)土占1.0％～2.0％，有機(jī)物占9.0％～15.0％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，其特征在于，按重量百分比計(jì)，石英砂中二氧化硅的含量>98%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，其特征在于，所述微晶粉包括鋯英粉、鋁礬土粉和氧化鈦，按重量百分比計(jì)，鋯英粉占陶土總量的5.0%，鋁礬土粉占陶土總量的5.0%，氧化鈦占陶土總量的3.0%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，其特征在于，所述有機(jī)物包括硅油和α“淀粉，按重量百分比計(jì)，硅油占陶土總量的4.0%7.0%，α-淀粉占陶土總量的5.0%8.0%。5.一種權(quán)利要求1所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制備工藝，其特征在于，包括以下步驟(a)按照權(quán)利要求1所述的質(zhì)量百分比稱取制備材料，并分別破碎、磨粉、篩分；(b)將氧化鈣、石英砂、微晶粉、鋰基膨潤(rùn)土進(jìn)行混合均勻；(c)將有機(jī)物與(b)步驟的混合料進(jìn)行攪拌混合；(d)進(jìn)行烘燒，然后粉碎和篩分；(e)封裝，打包待用。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制備工藝，其特征在于，步驟(a)結(jié)束后，進(jìn)行活化處理后再進(jìn)行步驟(b)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制備工藝，其特征在于，步驟(d)結(jié)束后，進(jìn)行取樣檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行步驟(e)。8.—種權(quán)利要求1所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制模工藝，其特征在于，包括以下步驟(i)稱取適量的陶土粉，按20.0%25.0%的加水量進(jìn)行加水，攪拌使得陶土粉與水混合均勻呈漿糊狀；()將陶土漿料倒入裝好橡膠原型的模具中，待陶土漿料填充滿模具后，進(jìn)行靜置處理；(iii)陶土漿料固化成型后，將橡膠原型取出，然后對(duì)組合陰模進(jìn)行烘干處理。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制模工藝，其特征在于，步驟(i)結(jié)束后，將陶土漿料放入專用器具中進(jìn)行脫氣處理。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制模工藝，其特征在于，步驟(iii)中組合陰模的烘干溫度為100°c以下，烘干時(shí)間為1小時(shí)左右。全文摘要本發(fā)明公開了一種液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土，主要由氧化鈣、石英砂、微晶粉、鋰基膨潤(rùn)土、有機(jī)物組成，按重量百分比計(jì)，氧化鈣占7.0％～13.0％，石英砂占60.0％～70.0％，微晶粉占12.0％～14.0％，鋰基膨潤(rùn)土占1.0％～2.0％，有機(jī)物占9.0％～15.0％；同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種液態(tài)澆鑄快速固化成型耐高溫陶土的制備工藝和制模工藝。本發(fā)明在液態(tài)澆鑄過(guò)程中能快速成型，用此陶土配合橡膠原型可快速制成用于粉末燒結(jié)或精鑄的直接生產(chǎn)陰模；且該陶土能耐1200℃的高溫，冷卻后具有良好的潰散性，便于脫模清理。文檔編號(hào)C04B28/00GK101805159SQ201010147450公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2010年4月14日優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日發(fā)明者蘇益仁申請(qǐng)人:蘇益仁