專利名稱：金屬鑄造用模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬鑄造并涉及用于這樣的鑄造的模具和型芯的形成。
傳統(tǒng)上，金屬鑄件用三種基本方法之一生產(chǎn)砂型鑄造、壓模鑄造和熔模鑄造。
在砂型鑄造中，用粘合的砂形成模具和任何相關(guān)的型芯(型芯確定鑄件中的空腔)。模腔由一個(gè)或多個(gè)原型形成，即希望的鑄件的模型，在其周圍成型并粘合砂(利用有機(jī)或無(wú)機(jī)粘合劑)，以便在砂中產(chǎn)生具有希望的尺寸和形狀的空腔。型芯(在存在時(shí))通過所謂“型芯注射”或“夯實(shí)”形成，其中，通過壓縮空氣吹制型芯或手工壓實(shí)到稱為型芯盒的模具中并粘合(用與制造模具相同的方法)，以形成希望的型芯尺寸和形狀。然后用粘結(jié)的砂的兩個(gè)或多個(gè)坯體部分加上任何型芯型組裝模具，型芯也由粘結(jié)的砂形成，并合適地插入模腔內(nèi)。然后通過一個(gè)或多個(gè)預(yù)先形成的澆口把熔融金屬倒入模腔內(nèi)，使其冷卻并凝固，破碎砂模和型芯，露出金屬鑄件。
在壓模鑄造中，模具是永久的模具(即其可以重復(fù)使用許多次)并且通常用金屬形成。在熔模鑄造中，通常使用金屬模具來(lái)生產(chǎn)用蠟形成的具有希望的鑄件形狀和尺寸的模型。通過把該模型浸在耐火材料漿料中并使每個(gè)涂層干燥，然后涂敷下一個(gè)涂層，在蠟型上涂敷一系列耐火(即耐熱的)涂層。一旦通過該方法產(chǎn)生了具有足夠強(qiáng)度的殼模，就把蠟型燒掉，以便形成向其中澆鑄熔融金屬的模腔。當(dāng)金屬凝固時(shí)，去掉殼模，露出鑄件。
所以，在砂型鑄造和熔模鑄造中，必須生產(chǎn)可以由其構(gòu)造模具和型芯的模型。這是耗時(shí)且成本高的方法，特別是如果僅僅需要制造少量鑄件時(shí)，因?yàn)樵谶@種情況下該方法中用于原型生產(chǎn)的時(shí)間和成本的比例明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生產(chǎn)大量鑄件時(shí)的情況。這一原理在快速樣品設(shè)計(jì)的情況下是最極端的，在這種情況下，需要快速且廉價(jià)地制備少數(shù)樣品鑄件。一般地，這樣的快速樣品鑄造一般先通過立體光刻法生產(chǎn)鑄件的原型，在立體光刻法中，利用計(jì)算機(jī)控制的激光，把可光致固化的樹脂固化，產(chǎn)生希望的鑄件形狀；然后用立體光刻的原型生產(chǎn)砂模和型芯，在砂模中制造鑄件。其它快速制造樣品的方法也是已知的，其中，例如用木材、或金屬或粘結(jié)的砂制造原型。
當(dāng)然，在壓模鑄造中，需要制造永久模型，并且這明顯需要在時(shí)間和金錢方面的非常大的投資，并且僅適用于非常長(zhǎng)期的鑄造生產(chǎn)運(yùn)行。此外，壓模鑄造僅適合于鑄造低熔點(diǎn)金屬，如鋁，并且不適合于高溫鑄造，如用鐵或鋼所形成的鑄件。
EP-A-0913215涉及通過使包含氧化鋁含量低于38重量％的硅酸鋁空心球、粘結(jié)劑和任選的非纖維形式的填料(load)的配方成型，來(lái)生產(chǎn)金屬環(huán)和其它進(jìn)料口以及用于鑄模、隔熱和放熱的供料部件。
US-A-5632326(讓與Foseco International Ltd)公開了把包含空心的含氧化鋁和二氧化硅的微球與粘合劑的組合物成型，其中所述微球具有確定的二氧化硅和氧化鋁含量。
本發(fā)明尋求提供一種鑄造方法，以及模具和型芯，為了產(chǎn)生模具和型芯，它們不需要生產(chǎn)和使用原型。具體地，本發(fā)明尋求提供一種鑄造方法(以及用于這樣的方法中的模具和型芯)，其特別是用于快速制造樣品和短生產(chǎn)周期的鑄造，盡管本發(fā)明并不限于這樣的情況，并且本發(fā)明一般適用于金屬的鑄造。
根據(jù)第一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種形成模具的方法或鑄造金屬的維護(hù)(care)，其包括(a)形成至少部分包含粘結(jié)的顆粒狀耐火材料的材料的坯體，其中，所述耐火材料顆粒的剪切強(qiáng)度小于顆粒之間結(jié)合的剪切強(qiáng)度；和(b)機(jī)加工所述坯體以便在所述坯體或者用所述坯體形成希望的模具、型芯或其部件。
本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種鑄造金屬的方法，其包括(a)提供至少部分由一個(gè)或多個(gè)機(jī)加工的坯體形成的模具，所述坯體的材料至少部分包含粘結(jié)的顆粒狀耐火材料，其中，耐火材料顆粒的剪切強(qiáng)度小于顆粒間結(jié)合的剪切強(qiáng)度；和(b)向模具中澆鑄熔融金屬并使金屬凝固。
本發(fā)明的第三個(gè)方面提供鑄造模具或型芯或其部件，其由包含粘結(jié)的顆粒狀耐火材料的機(jī)加工坯體形成，其中，耐火材料顆粒的剪切強(qiáng)度小于顆粒間結(jié)合的剪切強(qiáng)度。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)因?yàn)槟突痤w粒的剪切強(qiáng)度小于顆粒間結(jié)合的剪切強(qiáng)度，所以，隨后可以直接通過機(jī)加工粘結(jié)的材料產(chǎn)生模具或型芯，因此該方法避免了生產(chǎn)原型的必要性。這又產(chǎn)生了進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，即與傳統(tǒng)的鑄造方法不同，在模具中產(chǎn)生錐度以便能使原型從模具中脫出變得沒有必要。
本文所用的術(shù)語(yǔ)“顆粒狀”和“顆?！卑ǚ勰?、細(xì)粉、團(tuán)粒、纖維、微球等。至少在本發(fā)明最廣義的方面，基本可以使用任何耐火材料，只要耐火材料本身的剪切強(qiáng)度小于(優(yōu)選明顯小于)耐火材料顆粒之間結(jié)合的剪切強(qiáng)度。特別優(yōu)選的是輕質(zhì)耐火材料，包括層狀材料，例如云母、珍珠巖、蛭石等。然而，最優(yōu)選的輕質(zhì)材料是空心微球(也稱為“煤胞(cenospheres)”)。微球一般形成為飛灰，并且常常稱為“飛灰飄浮物”，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒壑型ㄟ^飄浮法與飛灰的其余部分分離。大多數(shù)微球由氧化鋁和/或氧化硅形成，它們通常包含鋁硅酸鹽，還可能有附加的組分。這些顆粒的顆粒尺寸(直徑)通常為5-500pm，更常見的是10-350微米，每個(gè)微球的殼厚度通常為微球直徑的5-15％(例如約10％)。按莫氏硬度計(jì)，微球的硬度一般為5或6。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于其薄壁空心形狀，微球具有較低的剪切強(qiáng)度，即微球本身可以被切割或者用其它方式機(jī)加工，并通過合適的粘結(jié)劑結(jié)合在一起。微球的這種性質(zhì)使其特別適合于本發(fā)明。可以使用空心微球和其它耐火材料如層狀材料和/或?qū)嵭娘w灰(即在分離過程中不飄浮的飛灰部分)的混合物。
合適的耐火材料種類具有附加的優(yōu)點(diǎn)即它們往往具有隔熱性質(zhì)(例如與砂相比)。這產(chǎn)生了以下優(yōu)點(diǎn)通常降低了鑄造時(shí)急冷程度即從金屬中排出熱量的速度。這是有利的，部分是因?yàn)樗苁褂幂^低的澆鑄溫度，部分是因?yàn)樗苁鼓Ｇ惶畛涓煽?特別是鑄件具有復(fù)雜形狀時(shí))，因?yàn)榻饘倏梢愿L(zhǎng)時(shí)間地保持熔融。急冷的降低還可以在鑄件上產(chǎn)生改善的表面光潔度。
正如已經(jīng)提及的，顆粒狀耐火材料利用合適的粘結(jié)劑結(jié)合在一起?；旧峡梢允褂萌魏斡袡C(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑把顆粒狀耐火材料結(jié)合在一起，只要在顆粒間所形成的結(jié)合的剪切強(qiáng)度大于(優(yōu)選明顯大于)顆粒本身的剪切強(qiáng)度。合適的有機(jī)粘合劑包括酚-尿烷粘結(jié)劑、呋喃粘結(jié)劑、堿性酚醛粘結(jié)劑、環(huán)氧-丙烯酸粘結(jié)劑等。合適的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑包括硅酸鹽粘結(jié)劑，例如硅酸鈉加上酯粘結(jié)劑。特別優(yōu)選的粘結(jié)劑公開在共同未決國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/GB00/03284中，其全部?jī)?nèi)容并入本文作為參考。在該文獻(xiàn)中公開的粘結(jié)劑包括(a)能夠在堿存在下形成金屬化物的顆粒狀金屬氧化物，(b)堿，和(c)水。粘結(jié)劑的特別優(yōu)選的形式包含二氧化硅(特別是鍛制二氧化硅)作為金屬氧化物，氫氧化鈉作為堿。
粘結(jié)的顆粒狀耐火材料的坯體優(yōu)選通過以下過程生產(chǎn)把耐火材料與粘結(jié)劑混合在一起、把該混合物成形成希望的“預(yù)成型體”形狀(即適合于機(jī)加工成要求的模具、型芯或部件的形狀)，例如在模具中，并使粘結(jié)劑固化。固化方法當(dāng)然取決于所用粘合劑的種類。例如，酚-尿烷粘結(jié)劑利用與酚醛樹脂成分混合的聚異氰酸酯成分固化，使用液體或氣體叔胺催化劑，如4-苯基丙基吡啶或三甲胺；呋喃(即糠醇加尿素甲醛或酚醛樹脂)基粘結(jié)劑利用強(qiáng)酸固化，例如二甲苯磺酸或?qū)妆交撬?；含水堿性酚醛樹脂利用酯如三甘油乙酸酯或利用甲酸甲酯氣體來(lái)固化。如果使用硅酸鹽粘結(jié)劑，例如，可以利用酯或利用二氧化碳?xì)怏w來(lái)固化。然而，對(duì)于硅酸鹽來(lái)說(shuō)，也可以使用其它固化方法，包括沒有二氧化碳存在下的干燥。
如上所述，特別優(yōu)選的粘結(jié)劑是鍛制二氧化硅/氫氧化鈉粘結(jié)劑，其公開在共同未決國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/GB00/03284中。當(dāng)使用該粘結(jié)劑時(shí)，其優(yōu)選通過在爐子中加熱所形成的混合物來(lái)固化，在常規(guī)的爐子中或在微波爐中。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，顆粒狀耐火材料和粘結(jié)劑的相對(duì)比例對(duì)于本發(fā)明的令人滿意的性能一般并不重要，只要在一個(gè)極端存在足夠的粘結(jié)劑把全部顆粒狀材料令人滿意地結(jié)合在一起，并且在另一個(gè)極端存在足夠比例的顆粒狀材料以給予對(duì)鑄造金屬的鑄造溫度和鑄件重量合適的必要的“耐火度”。但是，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該有至少5％的粘結(jié)劑，更優(yōu)選至少10％的粘結(jié)劑，特別是至少20％的粘結(jié)劑(按重量計(jì)，僅以粘結(jié)劑加上顆粒狀耐火材料的總量為基準(zhǔn))。通常應(yīng)該存在至少5％的耐火材料，更優(yōu)選至少10％的耐火材料，特別是至少20％的耐火材料(按重量計(jì)，僅以粘結(jié)劑加上顆粒狀耐火材料的總量為基準(zhǔn))。20-50％的粘結(jié)劑和50-80％的顆粒狀耐火材料一般是優(yōu)選的范圍。
除了顆粒狀材料和粘結(jié)劑以外，還可以存在添加劑，例如非潤(rùn)濕性添加劑和/或涂料，以改善耐火度和/或鑄件從模具中的脫出。
本說(shuō)明書中所用的術(shù)語(yǔ)“機(jī)加工”、“加工”和“機(jī)加工后”是指，至少在本發(fā)明的最廣泛的方面是指基本上任何切割、銑切、研磨、雕刻、鉆孔的方法或類似的方法，通過這些方法，粘結(jié)的顆粒狀耐火材料坯體可以成型并確定尺寸以產(chǎn)生必要的模具或型芯或其部件?？梢允褂密嚧病⑶邢鳈C(jī)、銑床、雕刻機(jī)、鉆床、激光或基本上任何合適的切割或研磨設(shè)備。機(jī)加工還可以或者可替代地手工進(jìn)行。特別優(yōu)選的機(jī)加工設(shè)備是所謂平臺(tái)雕刻機(jī)。該機(jī)器特別適合于例如在粘結(jié)的顆粒狀耐火材料厚板中形成半模腔?？梢杂眠@樣的模具生產(chǎn)的鑄件種類的實(shí)例包括壁板、圓形浮雕、銘盤等。但是，用這種方法也可以生產(chǎn)較為非平板狀的更復(fù)雜的形狀。
現(xiàn)在在以下的非限制性實(shí)施例中描述本發(fā)明。
總之，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)該鑄造法避免了原型的需要，從而減少了時(shí)間和成本，并且它產(chǎn)生了高質(zhì)量的鑄件，因?yàn)檎辰Y(jié)的顆粒狀坯體的機(jī)加工精確性可以非常高。此外，由于顆粒狀耐火材料常常具有隔熱性能(例如與砂相比)，在鑄件中金屬急冷的程度可以降低，因此能夠使用比傳統(tǒng)上更低的鑄造溫度和/或能夠進(jìn)行更可靠的模腔填充。
權(quán)利要求
1.一種形成用于鑄造金屬的模具或型芯的方法，其包括(a)形成至少部分包含粘結(jié)的顆粒耐火材料的材料坯體，其中，耐火材料顆粒的剪切強(qiáng)度小于顆粒間結(jié)合的剪切強(qiáng)度；和(b)機(jī)加工該坯體以便在所述坯體中或者由所述坯體形成希望的模具、型芯或其部件。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，通過把顆粒狀材料和粘結(jié)劑混合在一起，把該混合物成型成希望的形狀，并使粘結(jié)劑硬化，以形成粘結(jié)的顆粒狀耐火材料，來(lái)形成所述的材料坯體。
3.權(quán)利要求2的方法，其中，顆粒狀耐火材料利用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和/或有機(jī)粘結(jié)劑來(lái)粘結(jié)。
4.權(quán)利要求2或3的方法，其中，粘結(jié)劑包括二氧化硅和堿的混合物。
5.權(quán)利要求2-4的任一項(xiàng)的方法，其中，通過加熱所形成的混合物來(lái)硬化粘結(jié)劑。
6.前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其中，顆粒狀耐火材料包括耐火纖維。
7.前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其中，顆粒狀耐火材料包括輕質(zhì)耐火材料。
8.前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其中，顆粒狀耐火材料包括空心微球。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，空心微球包含氧化鋁和/或二氧化硅，優(yōu)選的是鋁硅酸鹽。
10.權(quán)利要求1的方法，其中，顆粒的粘結(jié)利用硅酸鹽和/或二氧化硅粘結(jié)劑實(shí)現(xiàn)。
11.前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其中，所述模具或型芯材料還包含一種或多種添加劑，優(yōu)選的是一種或多種非潤(rùn)濕性添加劑和/或涂料。
12.前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其中，所述坯體利用切削機(jī)、研磨機(jī)、銑床、機(jī)床、鉆機(jī)、激光和雕刻機(jī)的一種或多種進(jìn)行機(jī)加工。
13.前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其中，坯體的機(jī)加工是計(jì)算機(jī)控制的。
14.一種鑄造金屬的方法，其包括把熔融金屬澆鑄到模具中并使金屬凝固，所述模具由根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)生產(chǎn)的一個(gè)或多個(gè)部件制造。
15.一種鑄造金屬的方法，其包括(a)提供至少部分由一種或多種機(jī)加工的材料坯體形成的模具，所述材料坯體至少部分包含粘結(jié)的顆粒狀耐火材料，其中，耐火材料顆粒的剪切強(qiáng)度小于顆粒間結(jié)合的剪切強(qiáng)度；和(b)把熔融金屬澆鑄到模具中并且使金屬凝固。
全文摘要
一種通過把粘結(jié)的顆粒耐火材料機(jī)加工(例如切削或鉆孔)成希望的形狀形成澆鑄熔融金屬的模具或型芯的方法，其中，耐火材料顆粒的剪切強(qiáng)度小于顆粒間結(jié)合的剪切強(qiáng)度。優(yōu)選的顆粒是鋁硅酸鹽微球(例如“飛灰飄浮物”)并且粘結(jié)劑優(yōu)選的是基于二氧化硅(例如鍛制二氧化硅/氫氧化鈉)。粘結(jié)的顆粒狀材料容易機(jī)加工，以形成尺寸精確的模具或其部件。
文檔編號(hào)B22C1/08GK1473079SQ0181849
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2001年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月3日
發(fā)明者E·埃爾－德馬拉維, S·H·拉萬(wàn), E 埃爾-德馬拉維, 拉萬(wàn) 申請(qǐng)人:福塞科國(guó)際有限公司