專利名稱：金屬鑄造用模具的制作方法
技術領域：
本發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。
傳統上，金屬鑄件用三種基本方法之一生產砂型鑄造、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的型芯(型芯確定鑄件中的空腔)。模腔由一個或多個原型形成，即希望的鑄件的模型，在其周圍成型并粘合砂(利用有機或無機粘合劑)，以便在砂中產生具有希望的尺寸和形狀的空腔。型芯(在存在時)通過所謂“型芯注射”或“夯實”形成，其中，通過壓縮空氣吹制型芯或手工壓實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。然后用粘結的砂的兩個或多個坯體部分加上任何型芯型組裝模具，型芯也由粘結的砂形成，并合適地插入模腔內。然后通過一個或多個預先形成的澆口把熔融金屬倒入模腔內，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生產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涂層干燥，然后涂敷下一個涂層，在蠟型上涂敷一系列耐火(即耐熱的)涂層。一旦通過該方法產生了具有足夠強度的殼模，就把蠟型燒掉，以便形成向其中澆鑄熔融金屬的模腔。當金屬凝固時，去掉殼模，露出鑄件。
所以，在砂型鑄造和熔模鑄造中，必須生產可以由其構造模具和型芯的模型。這是耗時且成本高的方法，特別是如果僅僅需要制造少量鑄件時，因為在這種情況下該方法中用于原型生產的時間和成本的比例明顯遠遠大于生產大量鑄件時的情況。這一原理在快速樣品設計的情況下是最極端的，在這種情況下，需要快速且廉價地制備少數樣品鑄件。一般地，這樣的快速樣品鑄造一般先通過立體光刻法生產鑄件的原型，在立體光刻法中，利用計算機控制的激光，把可光致固化的樹脂固化，產生希望的鑄件形狀；然后用立體光刻的原型生產砂模和型芯，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、或金屬或粘結的砂制造原型。
當然，在壓模鑄造中，需要制造永久模型，并且這明顯需要在時間和金錢方面的非常大的投資，并且僅適用于非常長期的鑄造生產運行。此外，壓模鑄造僅適合于鑄造低熔點金屬，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、粘結劑和任選的非纖維形式的填料(load)的配方成型，來生產金屬環和其它進料口以及用于鑄模、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。
本發明尋求提供一種鑄造方法，以及模具和型芯，為了產生模具和型芯，它們不需要生產和使用原型。具體地，本發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周期的鑄造，盡管本發明并不限于這樣的情況，并且本發明一般適用于金屬的鑄造。
根據第一個方面，本發明提供一種形成模具的方法或鑄造金屬的維護(care)，其包括(a)形成至少部分包含粘結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度小于顆粒之間結合的剪切強度；和(b)機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。
本發明的第二個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或多個機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的顆粒狀耐火材料，其中，耐火材料顆粒的剪切強度小于顆粒間結合的剪切強度；和(b)向模具中澆鑄熔融金屬并使金屬凝固。
本發明的第三個方面提供鑄造模具或型芯或其部件，其由包含粘結的顆粒狀耐火材料的機加工坯體形成，其中，耐火材料顆粒的剪切強度小于顆粒間結合的剪切強度。
本發明具有以下優點因為耐火顆粒的剪切強度小于顆粒間結合的剪切強度，所以，隨后可以直接通過機加工粘結的材料產生模具或型芯，因此該方法避免了生產原型的必要性。這又產生了進一步的優點，即與傳統的鑄造方法不同，在模具中產生錐度以便能使原型從模具中脫出變得沒有必要。
本文所用的術語“顆粒狀”和“顆粒”包括粉末、細粉、團粒、纖維、微球等。至少在本發明最廣義的方面，基本可以使用任何耐火材料，只要耐火材料本身的剪切強度小于(優選明顯小于)耐火材料顆粒之間結合的剪切強度。特別優選的是輕質耐火材料，包括層狀材料，例如云母、珍珠巖、蛭石等。然而，最優選的輕質材料是空心微球(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”，因為它們在水槽中通過飄浮法與飛灰的其余部分分離。大多數微球由氧化鋁和/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，微球的硬度一般為5或6。
本發明人已經發現，由于其薄壁空心形狀，微球具有較低的剪切強度，即微球本身可以被切割或者用其它方式機加工，并通過合適的粘結劑結合在一起。微球的這種性質使其特別適合于本發明。可以使用空心微球和其它耐火材料如層狀材料和/或實心飛灰(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點即它們往往具有隔熱性質(例如與砂相比)。這產生了以下優點通常降低了鑄造時急冷程度即從金屬中排出熱量的速度。這是有利的，部分是因為它能使用較低的澆鑄溫度，部分是因為它能使模腔填充更可靠(特別是鑄件具有復雜形狀時)，因為金屬可以更長時間地保持熔融。急冷的降低還可以在鑄件上產生改善的表面光潔度。
正如已經提及的，顆粒狀耐火材料利用合適的粘結劑結合在一起。基本上可以使用任何有機或無機粘結劑把顆粒狀耐火材料結合在一起，只要在顆粒間所形成的結合的剪切強度大于(優選明顯大于)顆粒本身的剪切強度。合適的有機粘合劑包括酚-尿烷粘結劑、呋喃粘結劑、堿性酚醛粘結劑、環氧-丙烯酸粘結劑等。合適的無機粘結劑包括硅酸鹽粘結劑，例如硅酸鈉加上酯粘結劑。特別優選的粘結劑公開在共同未決國際專利申請PCT/GB00/03284中，其全部內容并入本文作為參考。在該文獻中公開的粘結劑包括(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。粘結劑的特別優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。
粘結的顆粒狀耐火材料的坯體優選通過以下過程生產把耐火材料與粘結劑混合在一起、把該混合物成形成希望的“預成型體”形狀(即適合于機加工成要求的模具、型芯或部件的形狀)，例如在模具中，并使粘結劑固化。固化方法當然取決于所用粘合劑的種類。例如，酚-尿烷粘結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)基粘結劑利用強酸固化，例如二甲苯磺酸或對甲苯磺酸；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固化。如果使用硅酸鹽粘結劑，例如，可以利用酯或利用二氧化碳氣體來固化。然而，對于硅酸鹽來說，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，特別優選的粘結劑是鍛制二氧化硅/氫氧化鈉粘結劑，其公開在共同未決國際專利申請PCT/GB00/03284中。當使用該粘結劑時，其優選通過在爐子中加熱所形成的混合物來固化，在常規的爐子中或在微波爐中。
本發明人已經發現，顆粒狀耐火材料和粘結劑的相對比例對于本發明的令人滿意的性能一般并不重要，只要在一個極端存在足夠的粘結劑把全部顆粒狀材料令人滿意地結合在一起，并且在另一個極端存在足夠比例的顆粒狀材料以給予對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，一般來說，應該有至少5％的粘結劑，更優選至少10％的粘結劑，特別是至少20％的粘結劑(按重量計，僅以粘結劑加上顆粒狀耐火材料的總量為基準)。通常應該存在至少5％的耐火材料，更優選至少10％的耐火材料，特別是至少20％的耐火材料(按重量計，僅以粘結劑加上顆粒狀耐火材料的總量為基準)。20-50％的粘結劑和50-80％的顆粒狀耐火材料一般是優選的范圍。
除了顆粒狀材料和粘結劑以外，還可以存在添加劑，例如非潤濕性添加劑和/或涂料，以改善耐火度和/或鑄件從模具中的脫出。
本說明書中所用的術語“機加工”、“加工”和“機加工后”是指，至少在本發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，粘結的顆粒狀耐火材料坯體可以成型并確定尺寸以產生必要的模具或型芯或其部件。可以使用車床、切削機、銑床、雕刻機、鉆床、激光或基本上任何合適的切割或研磨設備。機加工還可以或者可替代地手工進行。特別優選的機加工設備是所謂平臺雕刻機。該機器特別適合于例如在粘結的顆粒狀耐火材料厚板中形成半模腔。可以用這樣的模具生產的鑄件種類的實例包括壁板、圓形浮雕、銘盤等。但是，用這種方法也可以生產較為非平板狀的更復雜的形狀。
現在在以下的非限制性實施例中描述本發明。
總之，本發明具有以下優點該鑄造法避免了原型的需要，從而減少了時間和成本，并且它產生了高質量的鑄件，因為粘結的顆粒狀坯體的機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上更低的鑄造溫度和/或能夠進行更可靠的模腔填充。
權利要求
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的顆粒耐火材料的材料坯體，其中，耐火材料顆粒的剪切強度小于顆粒間結合的剪切強度；和(b)機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.權利要求1的方法，其中，通過把顆粒狀材料和粘結劑混合在一起，把該混合物成型成希望的形狀，并使粘結劑硬化，以形成粘結的顆粒狀耐火材料，來形成所述的材料坯體。
3.權利要求2的方法，其中，顆粒狀耐火材料利用無機粘結劑和/或有機粘結劑來粘結。
4.權利要求2或3的方法，其中，粘結劑包括二氧化硅和堿的混合物。
5.權利要求2-4的任一項的方法，其中，通過加熱所形成的混合物來硬化粘結劑。
6.前述權利要求的任一項的方法，其中，顆粒狀耐火材料包括耐火纖維。
7.前述權利要求的任一項的方法，其中，顆粒狀耐火材料包括輕質耐火材料。
8.前述權利要求的任一項的方法，其中，顆粒狀耐火材料包括空心微球。
9.權利要求8的方法，其中，空心微球包含氧化鋁和/或二氧化硅，優選的是鋁硅酸鹽。
10.權利要求1的方法，其中，顆粒的粘結利用硅酸鹽和/或二氧化硅粘結劑實現。
11.前述權利要求的任一項的方法，其中，所述模具或型芯材料還包含一種或多種添加劑，優選的是一種或多種非潤濕性添加劑和/或涂料。
12.前述權利要求的任一項的方法，其中，所述坯體利用切削機、研磨機、銑床、機床、鉆機、激光和雕刻機的一種或多種進行機加工。
13.前述權利要求的任一項的方法，其中，坯體的機加工是計算機控制的。
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，所述模具由根據前述權利要求的任一項生產的一個或多個部件制造。
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的顆粒狀耐火材料，其中，耐火材料顆粒的剪切強度小于顆粒間結合的剪切強度；和(b)把熔融金屬澆鑄到模具中并且使金屬凝固。
全文摘要
一種通過把粘結的顆粒耐火材料機加工(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度小于顆粒間結合的剪切強度。優選的顆粒是鋁硅酸鹽微球(例如“飛灰飄浮物”)并且粘結劑優選的是基于二氧化硅(例如鍛制二氧化硅/氫氧化鈉)。粘結的顆粒狀材料容易機加工，以形成尺寸精確的模具或其部件。
文檔編號B22C1/08GK1473079SQ0181849
公開日2004年2月4日 申請日期2001年10月31日 優先權日2000年11月3日
發明者E·埃爾－德馬拉維, S·H·拉萬, E 埃爾-德馬拉維, 拉萬 申請人:福塞科國際有限公司