專(zhuān)利名稱(chēng):用于澆鑄模具中的陶瓷表面的保護(hù)層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及在澆鑄模具中的陶瓷表面,特別是在賦予輪廓的區(qū)域 外部所設(shè)置的表面,該表面可采用液態(tài)的或可流動(dòng)的鋁材料加載。此 外,本發(fā)明還涉及用于制備這種層的脫模劑,以及用于在澆鑄模具的 表面上生成這種層的方法。
背景技術(shù):
在有色金屬的制備和加工設(shè)備中,各種不同的組成和性能的陶瓷 材料得到廣泛的應(yīng)用。這特別適用于裝置的受到強(qiáng)的熱和腐蝕應(yīng)力的 區(qū)域,也即與有色金屬熔體直接接觸的區(qū)域。只有通過(guò)在熔融操作中 使用陶瓷材料才有可能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地和安全地制備和加工有色金屬熔 體。作為陶瓷材料在此使用具有氧化物類(lèi)和/或氧化物-氮化物類(lèi)和/ 或氮化物類(lèi)和/或碳化物類(lèi)相級(jí)分的那些。在此作為使用這樣的陶瓷材 料的例子可列舉出的是澆鑄模具及其澆鑄配件,它們可特別用于低壓 澆鑄和自流式澆鑄中。與壓鑄數(shù)相關(guān)的使用壽命適用于所有這些構(gòu)件。 通過(guò)高溫和在此發(fā)生的在金屬熔體和陶瓷之間的化學(xué)相互作用促進(jìn)了 磨損。金屬熔體在熔融液態(tài)的狀態(tài)下原則上對(duì)氧具有高的親和力,該 氧由氣體氣氛或也由陶瓷的含氧組分提供。這特別適用于鋁熔體和它 們的合金,其對(duì)于非金屬化合物根據(jù)熱力學(xué)平衡條件而定具有強(qiáng)的還
原作用,也就是說(shuō)化學(xué)作用(agieren)。所以作為用于鋁澆鑄模具的 耐火的內(nèi)襯材料有利地選擇這樣的陶瓷,該陶瓷具有高的Ah03比例, 或陶瓷,該陶瓷或者不被金屬熔體潤(rùn)濕或者只差地潤(rùn)濕。這些陶瓷特 別是指SiN化合物,氮化硼(Bornitrit),結(jié)合氮化硅和結(jié)合氧氮化 硅的SiC陶瓷,碳陶瓷,例如石墨和具有游離碳級(jí)分的陶瓷,和鈦酸 鋁。為了使得澆鑄模具的這些構(gòu)件的表面活性最小化和為了提高耐溫度突變性,在澆鑄模具的組成部分的陶瓷表面上施加保護(hù)層。優(yōu)選, 澆鑄模具的非賦予輪廓的區(qū)域由陶瓷材料制成。
具有在陶瓷上施加的保護(hù)層的用于澆鑄過(guò)程的陶乾壁式元件可由
美國(guó)專(zhuān)利US6, 051, 058獲知。在這種陶資壁式元件上噴涂上基于石 墨或氮化硼的第一薄保護(hù)層,該層的厚度為0.1-0. 2 mm,在該層上再 涂覆厚度為0. 5-2mm的另一保護(hù)層。在此所述另 一保護(hù)層或第二保護(hù) 層由在溶劑中的顆粒的分散體構(gòu)成,在此顆?;旧嫌梢阎臐?rùn)滑材 料氮化硼和至少一種金屬氧化物構(gòu)成。由含水混合物構(gòu)成的溶劑基于 鋯而構(gòu)成和另外含有一磷酸鋁。關(guān)于在層結(jié)構(gòu)中的一磷酸鋁的作用和 功能,從該申請(qǐng)中不能得到更詳細(xì)的信息。
發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明的目的在于,提供一種用于在澆鑄模具中的陶瓷表 面的保護(hù)層,該層具有良好的平滑性能,持久地影響鑄件品質(zhì)和具有 良好的粘附性能。此外,本發(fā)明的目的是提供一種用于制備這種層的 脫模劑,該脫模劑應(yīng)可成本低廉地制備和簡(jiǎn)單且在沒(méi)有較大的設(shè)備花 費(fèi)的情況下應(yīng)用。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法,該方法能夠 生成這樣的層和通過(guò)該方法可容易地修復(fù)在層處的損壞。
根據(jù)本發(fā)明的關(guān)于用于在澆鑄模具中的陶瓷表面的涂層的目的如 下實(shí)現(xiàn),即在陶瓷的至少一個(gè)表面上存在由如下物質(zhì)構(gòu)成的層
-向基材中滲入的和/或擴(kuò)散的聚合的磷酸鹽,
-人1203和/或Si02和/或1402和/或Zr02的形式的結(jié)構(gòu)顆粒 (telen),該顆豐立的豐立度級(jí)為80-200 nm,
-A1203、 ZnO、 Ti02、 Zr02、 CeO形式的初級(jí)顆凈立,該顆豐立的豐立度 級(jí)為2-80 nm,在此初級(jí)顆粒插入到結(jié)構(gòu)顆粒之間的空隙中和在該涂 層中可檢測(cè)到至少痕量的有機(jī)和/或無(wú)機(jī)的粘結(jié)劑,優(yōu)選明膠,和
-將初級(jí)顆粒和結(jié)構(gòu)顆粒至少局部包圍的由聚合的磷酸一鋁和/ 或磷酸一鋅和/或磷酸一鎂和/或磷酸鈉和/或磷酸硼構(gòu)成的聚合物。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中,所述涂層或?qū)雍蠥1203、Si02、 Zn0、 Zr02、 CeO形式的初級(jí)顆粒,該顆粒的粒度級(jí)為2-80 nm, 和/或氮化硼和/或石墨和/或云母形式的滑動(dòng)顆粒,該顆粒的粒度級(jí)為 2-15 jam。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的在陶資表面上的層,特別好地滿足了對(duì) 長(zhǎng)期穩(wěn)定性的保護(hù)層的要求。例如,金屬流動(dòng),該流動(dòng)決定性地取決 于澆鑄模具的平滑性能,如下得到支持,即通過(guò)從層中凸出的結(jié)構(gòu)顆 粒破碎了鋁材料的氧化皮,和在氧化物層下的液態(tài)的鋁材料可非常容 易地在澆鑄模具中分配。從而該層提供了最佳的例如用于下鑄澆口 (Steigrohraufsatz)、流槽或澆鑄容器和從而在澆鑄模具的非賦予 輪廓的區(qū)域中的性能。通過(guò)改進(jìn)的平滑性能從而持久地和有利地影響 鑄件品質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案,該層另外含有氮化硼形式的滑動(dòng) 顆粒。氮化硼(BN)形式的滑動(dòng)顆粒用作用于液態(tài)的或可流動(dòng)的鋁的 滑移面和從而持久地支持金屬流動(dòng)。假如陶瓷表面設(shè)置在澆鑄模具的 屬于澆鑄模具的可脫模區(qū)域的區(qū)域中,那么氮化硼形式的滑動(dòng)顆粒此 外同時(shí)用于改進(jìn)澆鑄構(gòu)件的可脫模性。在澆鑄模具的陶瓷表面上施用脫模劑的過(guò)程中,脫模劑向該表面 中擴(kuò)散入,使得形成滲入層,該滲入層在陶瓷表面上形成牢固粘附性 的層。在此,聚合的磷酸鹽的鏈伸入陶瓷的表面中和在此在表面結(jié)構(gòu) 中夾住,這就是根據(jù)本發(fā)明的層的良好的粘附性能的原因。通過(guò)所述 層與陶瓷的牢固結(jié)合的這種方式避免了殘?jiān)3终掣皆谔沾缮?,這又 對(duì)澆鑄模具的耐久性或使用壽命產(chǎn)生作用。根據(jù)本發(fā)明的層的另一個(gè) 優(yōu)點(diǎn)在于,該層在較高溫度下被激發(fā)引起增加的聚合。這樣就形成了 較長(zhǎng)的聚合物,該聚合物 一方面提高了粘附性和內(nèi)聚(Zusammenha 11) 和另一方面提高了層的彈性。從而長(zhǎng)期穩(wěn)定的和牢固粘附性的層在較 高溫度下,如在澆鑄時(shí)出現(xiàn)的那樣的溫度下,是非常有彈性的和可以 彈性地和從而以有利的方式在不損壞層的情況下跟隨澆鑄模具的形狀 改變。在表面上形成層,該表面優(yōu)選當(dāng)然是在鑄模的與液態(tài)的鋁材料相 接觸的側(cè)面,該層以厚度為約1-80 inm存在,優(yōu)選所涂覆的層厚為30-50 pm。層厚是與使用情況相關(guān)的,也就是說(shuō)與澆鑄方法有關(guān)的, 在此對(duì)于壓鑄應(yīng)用最薄的層和對(duì)于低壓應(yīng)用最厚的層。在本發(fā)明的主 題方面優(yōu)選使用低壓澆鑄方法或自流式澆鑄方法。在這些無(wú)壓的洗鑄 方法中厚層是有利的,因?yàn)樵诖溯^緩慢地填充和鑄件的緩慢冷卻是有 利的。在表面上存在的層滲入和/或擴(kuò)散入陶乾的表面中和這樣就形成 聚合的磷酸鹽對(duì)基材的機(jī)械粘附力。聚合的磷酸鹽起所述層與基材之 間的粘附劑的作用。Ah03和/或氧化硅形式的結(jié)構(gòu)顆粒具有約80-200 nm的尺寸和互相鉤住(verhaken)和在基材上形成層。在此,術(shù)語(yǔ)"結(jié) 構(gòu)顆粒"是有目的地選擇的,因?yàn)閮?yōu)選使用不光滑的,而是具有結(jié)構(gòu) 化的表面的顆粒。以尺寸為2-8Q nm存在的初級(jí)顆粒優(yōu)選且非常容易 地插入到結(jié)構(gòu)顆粒之間的空隙中。更大很多的氮化硼的滑動(dòng)顆粒處于 層中的結(jié)構(gòu)顆粒之間和通過(guò)結(jié)構(gòu)顆粒與聚合物的復(fù)合體(Verbund )而 被保持。這樣所構(gòu)成的層已經(jīng)由于它的分位點(diǎn)(fraktilen)結(jié)構(gòu)而具 有自身夾緊的作用,然而在基材和結(jié)構(gòu)顆粒、初級(jí)顆粒和滑動(dòng)顆粒之 間的主要結(jié)合是通過(guò)聚合的磷酸鹽而完成的,該聚合的磷酸鹽由聚合 的磷酸一鋁和/或磷酸一鋅和/或磷酸一鎂和/或磷酸鈉和/或磷酸硼構(gòu) 成。聚合物的鏈在陶瓷基材、結(jié)構(gòu)顆粒、初級(jí)顆粒和滑動(dòng)顆粒之間產(chǎn) 生內(nèi)聚。加熱澆鑄模具的具有陶瓷材料的區(qū)域的程度越高,聚合物鏈 越長(zhǎng),使得在持續(xù)升高的溫度下,層的彈性增加。根據(jù)本發(fā)明所使用 的聚合物在約200t:下聚合和具有約830。C的玻璃化溫度。液態(tài)的鋁具 有約730'C的溫度和因此沒(méi)有達(dá)到聚合物的玻璃化溫度。從而作為層結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定的、非常好地適合用于有色金屬的澆鑄的體系。 磷酸鹽用作基材的粘附劑,和初級(jí)顆粒以有利的方式用于封閉在 結(jié)構(gòu)顆粒之間的空隙,以從而生成非常平滑的表面。液態(tài)的澆鑄材料 的粘附幾乎是不可能的。結(jié)構(gòu)顆粒以尺寸80-200 nm存在和作為棱角 形式從層中凸出。有利的是,處于其表面的深度結(jié)構(gòu)化的結(jié)構(gòu)顆粒拉 斷伸向流過(guò)的液態(tài)鋁的氧化物層中的裂紋和磨碎氧化皮,使得氧化皮 磨碎成最小的顆粒和這樣就不作為鑄件的組織結(jié)構(gòu)中的晶格缺陷存在。根據(jù)本發(fā)明所使用的結(jié)構(gòu)顆粒的優(yōu)點(diǎn)為,破壞和粉碎了氧化皮。 作為氮化硼存在的滑動(dòng)顆粒具有比初級(jí)顆粒和結(jié)構(gòu)顆粒大許多的
尺寸。根據(jù)本發(fā)明,結(jié)構(gòu)顆粒以在液態(tài)的脫模劑中最高至10重量%的
重量y。比例構(gòu)成添加劑的最大部分。初級(jí)顆粒用作用于中間空隙的填料 和從而用于層的平整。以最高至5重量%的重量%比例存在的滑動(dòng)顆粒 以精細(xì)分布形式插入到結(jié)構(gòu)顆粒之間和也在層的表面處露出。由于滑 動(dòng)顆粒的數(shù)量,其不構(gòu)成層的最大表面,而是以最精細(xì)分布形式存在, 使得它們一方面在澆鑄時(shí)用作平滑劑和另一方面用于澆鑄模具的脫 模。脫模通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的層以有利的方式變得容易,因?yàn)橐环?面通過(guò)結(jié)構(gòu)顆粒和起平滑作用的初級(jí)顆粒而在層處存在非常平滑的表 面,和另一方面通過(guò)滑動(dòng)顆粒而使得潤(rùn)滑劑可供使用。
同樣可視為重要的是有機(jī)分散劑的使用。特別是使用明膠,其以
商標(biāo)名"Gelita"銷(xiāo)售。這種明膠的主要成分是鈣,其比例為3950 mg/kg,和鎂,其比例為1500 mg/kg,其余部分由有機(jī)的和無(wú)機(jī)的組 成成分構(gòu)成。明膠優(yōu)選的目的是,對(duì)于在分散時(shí)的電勢(shì)平衡和為了反 應(yīng)加速作出協(xié)調(diào)一致的貢獻(xiàn)。為了解釋在粘結(jié)劑相中的明膠的電勢(shì)平 衡,在Jt參考Richardson-ElHngham圖表,該圖表一方面是已知的和 另一方面從該圖表可讀出單個(gè)使用的化合物的電勢(shì)差。鎂和鈣作為明
定結(jié)構(gòu)顆粒和初級(jí)顆粒,使得在基材處的涂層的接合(Anbinden)的 控制是可能的。明膠以0. 5重量%-5重量°/。的比例存在于脫模劑中和從 而至少以痕量的比例在功能構(gòu)件的涂層中可檢測(cè)到。
關(guān)于脫模劑,根據(jù)本發(fā)明的目的如下實(shí)現(xiàn),即脫模劑由完全脫鹽 的水構(gòu)成和含有下列的組成成分一定比例的氫氧化鈉溶液和/或氫氧 化鉀溶液和/或氯化鋁形式的酸緩沖劑,磷酸一鋁和/或磷酸一鋅和/ 或磷酸一鎂和/或磷酸鈉和/或磷酸硼形式的含磷酸鹽的粘結(jié)劑,和一 定比例的Ah03和/或Si02和/或1402和/或Zr02形式的結(jié)構(gòu)顆粒,該顆 粒的粒度級(jí)為80-200 nm,和一定比例的初級(jí)顆粒以及一定比例的有 機(jī)和/或無(wú)機(jī)的分散劑。優(yōu)選,在脫模劑中分布有A1203、 Si02、 Zn0、Ti02、 Zr02、 Ce0形式的初級(jí)顆凈立,該顆津立的粒度級(jí)為2-80 nm,和/ 或一定比例的氮化硼和/或硅酸鎂鋁和/或二亞硫酸(disulfit)鉬形 式的滑動(dòng)顆粒,該顆粒的粒度級(jí)為2-15 |am。附加地可向脫才莫?jiǎng)┲刑?加有機(jī)分散劑,在此優(yōu)選將明膠加入脫模劑。從而酸緩沖劑用于反應(yīng) 的延緩和用于均勻的反應(yīng)進(jìn)程。根據(jù)本發(fā)明的脫模劑一方面提供的優(yōu)點(diǎn)是,它基于完全脫鹽的水 可成本低廉地制備和另一方面由于它的粘度而可簡(jiǎn)單地應(yīng)用于模具 上。在最簡(jiǎn)單的情況下脫模劑可噴涂到陶瓷材料上。此外脫模劑如下 符合對(duì)脫模劑的要求,即不含有有毒的物質(zhì),該物質(zhì)只能以高成本清 除。根據(jù)本發(fā)明的關(guān)于生成層的方法方面的目的如下實(shí)現(xiàn),即所述表 面首先用根據(jù)權(quán)利要求6-14的脫模劑加載和隨后將陶瓷表面加熱至 至少200'C的溫度。在脫模劑涂覆或噴涂到陶瓷表面的過(guò)程中脫模劑 和從而磷酸鹽滲透入孔和表面不平整處中直至約2mm的深度處,在此 它也擴(kuò)散入陶瓷構(gòu)件的表面中。通過(guò)加熱,磷酸鹽聚合和在此所形成 的聚合物構(gòu)成牢固粘附性的層。在此優(yōu)選的是,由完全脫鹽的水構(gòu)成 的脫模劑在此溫度下已經(jīng)完全地從層中蒸發(fā)出和從而在填充鑄模時(shí)沒(méi) 有或只有非常少量的氣體形成。此外假如會(huì)出現(xiàn)層的損壞,那么該層是可非常容易修復(fù)的,因?yàn)?在采用脫模劑重新涂布表面后在層中的缺陷處是可修復(fù)的。在此形成 新的聚合物,使得保證了完全的修復(fù)。
權(quán)利要求
1、在澆鑄模具中的陶瓷表面,特別是在賦予輪廓的區(qū)域外部所設(shè)置的表面,該表面可用液態(tài)的或可流動(dòng)的鋁材料加載,其特征在于,在澆鑄模具的至少一個(gè)陶瓷表面上存在由下列物質(zhì)構(gòu)成的涂層-向多孔的陶瓷表面中滲入的和/或擴(kuò)散的聚合的磷酸鹽,-Al2O3和/或SiO2和/或TiO2和/或ZrO2形式的結(jié)構(gòu)顆粒,該顆粒的粒度級(jí)為80-200nm,-Al2O3、ZnO、TiO2、ZrO2、CeO形式的初級(jí)顆粒,該顆粒的粒度級(jí)為2-80nm,在此初級(jí)顆粒插入到結(jié)構(gòu)顆粒之間的空隙中和在該涂層中至少痕量的有機(jī)和/或無(wú)機(jī)的粘結(jié)劑,優(yōu)選明膠,是可檢測(cè)到的,和-將初級(jí)顆粒和結(jié)構(gòu)顆粒至少局部包圍的由聚合的磷酸一鋁和/或磷酸一鋅和/或磷酸一鎂和/或磷酸鈉和/或磷酸硼構(gòu)成的聚合物。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的在澆鑄模具中的陶瓷表面,其特征在于,在 所述涂層中存在氮化硼和/或硅酸鎂鋁和/或二亞硫酸鉬形式的滑動(dòng)顆 氺立,該顆粒的氺立度級(jí)為2-15 jjm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1和2之一的在澆鑄模具中的陶瓷表面,其特征 在于,所述層以1-80 "m的厚度,優(yōu)選為25-60 Mm的厚度,在所述 表面上存在。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一的在澆鑄模具中的陶瓷表面,其特征在 于,該澆鑄模具是一種用于低壓澆鑄方法或自流式澆鑄方法的澆鑄模 具。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l-4之一的在澆鑄模具中的陶瓷表面,其特征在 于,所述陶瓷表面由Al力3或SiN或SiC構(gòu)成。
6、 一種用于在根據(jù)權(quán)利要求1-5的澆鑄模具的陶瓷表面上制備層 的脫模劑,其特征在于,該脫模劑由完全脫鹽的水構(gòu)成和含有下列的組 成成分- 氫氧化鈉溶液和/或氫氧化鉀溶液和/或氯化鋁形式的級(jí)分- 磷酸一鋁和/或磷酸一鋅和/或磷酸一鎂和/或磷酸一鈉和/或磷酸一錳和/或磷酸硼形式的含磷酸鹽的粘結(jié)劑和- 一定比例的Al力3和/或Si02形式的結(jié)枸顆粒,該顆粒的粒度級(jí) 為80-200 nm和- 一定比例的A1203、 SiO、 ZnO、 Ti02、 Zr02、 CeO形式的初級(jí)顆 粒,該顆粒的粒度級(jí)為2-80 nm和- 一定比例的有機(jī)和/或無(wú)機(jī)分散劑,特別是明膠。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的脫模劑,其特征在于,在該脫模劑中含有一 定比例的氮化硼和/或硅酸鎂鋁和/或二亞硫酸鉬形式的滑動(dòng)顆粒,該顆 粒的粒度級(jí)為2-15 jLim。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6和7之一的脫模劑,其特征在于,該脫模劑具 有4-5的pH值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6-8之一的脫模劑,其特征在于,在該脫模劑中 粘結(jié)劑的比例是小于或等于5重量%。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6-9之一的脫模劑,其特征在于,在該脫模劑 中結(jié)構(gòu)顆粒的比例是小于或等于10重量%。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6-10之一的脫模劑,其特征在于,在該脫模劑 中初級(jí)顆粒的比例是小于或等于3重量%和優(yōu)選為1-3重量%。
12、 根據(jù)權(quán)利要求6-11之一的脫模劑,其特征在于,在該脫模劑 中滑動(dòng)顆粒的比例是小于或等于5重量%。
13、 根據(jù)權(quán)利要求6-12之一的脫模劑,其特征在于,在該脫模劑 中明膠的比例為0. 5-5重量%。
14、 根據(jù)權(quán)利要求6-13之一的脫模劑,其特征在于,在所述明膠中至少含有鈣和鎂。
15、 一種借助根據(jù)權(quán)利要求6-14之一的脫模劑在澆鑄(Fliep) 模具的陶瓷表面上生成根據(jù)權(quán)利要求l-5之一的層的方法,其特征在于,- 所述表面首先用脫模劑加載和- 隨后將所述表面加熱到至少20or;的溫度,使得發(fā)生磷酸鹽與陶瓷的化學(xué)結(jié)合和粘結(jié)劑的聚合。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15的方法,其特征在于,在層中的損壞借助用所述脫模劑重新涂布所述表面而修復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在澆鑄模具中的陶瓷表面,特別是在賦予輪廓的區(qū)域外部設(shè)置的表面,該表面可用液態(tài)的或可流動(dòng)的鋁材料加載,在此在至少一個(gè)陶瓷表面上存在由如下物質(zhì)構(gòu)成的層向陶瓷表面中擴(kuò)散入的滲入層,Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和/或SiO<sub>2</sub>和/或ZrO<sub>2</sub>和/或TiO<sub>2</sub>形式的結(jié)構(gòu)顆粒,和將初級(jí)顆粒、結(jié)構(gòu)顆粒和滑動(dòng)顆粒至少局部包圍的由一種或多種聚合的磷酸鹽構(gòu)成的聚合物。此外,本發(fā)明還涉及一種脫模劑以及一種制備這種層的方法。
文檔編號(hào)C23C22/20GK101316666SQ200680041397
公開(kāi)日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者M·勞登克洛斯 申請(qǐng)人:Ks鋁技術(shù)股份公司