專利名稱：改進(jìn)的熔模鑄造法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)的熔模鑄造法，特別地涉及一種比通常方法快得多的方法。
一種典型的熔模鑄造方法涉及采用可熔消模型生產(chǎn)工程金屬鑄件。這種模型是一種樹脂、填料和蠟的復(fù)雜摻合物，在壓力下將其注入金屬陰模中。幾個(gè)這樣模型一旦固化就裝配成組，并安裝到蠟澆注系統(tǒng)中。把這種蠟組件浸泡在由液體粘結(jié)劑和耐火材料粉末組成的耐火材料漿料中。在排水后，耐火材料灰泥顆粒沉積到潮濕表面，得到初始耐火材料涂層(用耐火材料覆蓋組件稱之″熔模鑄造″，因此有其方法名稱)。該初始涂層固化時(shí)(通常采用空氣干燥直到粘結(jié)劑膠凝)，將該組件重復(fù)浸泡到漿料中，然后涂布灰泥直到達(dá)到所要求的模體厚度。在其浸泡之間都要讓每個(gè)涂層徹底硬化，因此每次澆鑄可能花24-72小時(shí)準(zhǔn)備。灰泥的用途是因其具有許多降低任何局部應(yīng)力大小的分布式應(yīng)力匯聚中心而使這些涂層干燥應(yīng)力降至最小。每個(gè)灰泥表面還為調(diào)控下一個(gè)涂層提供粗糙表面。添加更多涂層以保持最大鑄件滲透性并為鑄件提供主體時(shí)，灰泥粒度也增加。
近年來(lái)，已研制先進(jìn)的陶瓷(例如氮化硅)元件，它們比可比較金屬元件有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。許多可以生產(chǎn)這樣一些陶瓷元件的方法都是已知的，這些方法包括機(jī)械加工、注塑法、粉漿澆注、壓力鑄造和凝膠鑄造。在凝膠鑄造中，將陶瓷粉末在有機(jī)單體溶液中的濃漿料灌注到模具中，就地聚合形成呈型腔形狀的料坯。在脫模后，干燥新陶瓷料坯，如果必要，再進(jìn)行機(jī)械加工，熱解除去粘結(jié)劑，然后燒結(jié)達(dá)到真密度。曾研制水基系統(tǒng)，例如丙烯酰胺系統(tǒng)，其中使用了水溶性單體，水用作溶劑。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的熔模鑄造法，這種方法克服或減輕了一個(gè)或多個(gè)與已知熔模鑄造方法相關(guān)的問題，并且這種方法還優(yōu)選地明顯減少了生產(chǎn)殼模所需要的時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種生產(chǎn)殼模的方法，該方法包括下述順序步驟(i)將預(yù)成型可熔消模型浸泡到由耐火材料顆粒和膠態(tài)液體粘結(jié)劑組成的漿料中，從而在所述的模型上形成涂層，(ii)使耐火材料顆粒沉積在所述的涂層上，以及(iii)干燥，步驟(i)至(iii)常常按需要重復(fù)進(jìn)行，以生產(chǎn)一種具有所需涂層數(shù)的殼模，其特征在于在至少一次實(shí)施步驟(ii)期間，成凝膠材料顆粒也沉積在步驟(i)中形成的涂層上，以致在與該涂層接觸后，其水分被成這種凝膠材料吸收，從而引起膠態(tài)粘結(jié)劑膠凝，于是降低了在步驟(iii)干燥所需要的時(shí)間。
優(yōu)選地，這種方法還包括在最后步驟(iii)后進(jìn)行的附加步驟(iv)，該步驟是涂布一種含有耐火材料顆粒和膠態(tài)液體粘結(jié)劑漿料的密封涂層，接著進(jìn)行干燥。
在形成殼模時(shí)，涂到可熔消模型上的涂層通常稱之初始涂層，后續(xù)的漿料涂層稱之二次涂層。典型地，要涂布3-12個(gè)二次涂層。
優(yōu)選地，將這種成凝膠材料涂布到每個(gè)二次涂層上(即在第一個(gè)步驟后的每個(gè)重復(fù)步驟(ii)期間)。更優(yōu)選地，這種成凝膠材料涂布到初始涂層上。
應(yīng)該理解，可以采用任何通常的方法，例如采用降雨式磨沙機(jī)或流化床實(shí)現(xiàn)在步驟(ii)中沉積耐火材料顆粒和成凝膠材料。這種耐火材料顆粒和成凝膠材料可以獨(dú)自和/或相繼地涂布，或優(yōu)選地它們可以預(yù)混合。在一個(gè)特別優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，使用這種成凝膠材料預(yù)涂這種耐火材料顆粒。
優(yōu)選地，在步驟(ii)中使用成凝膠材料的量以重量計(jì)不高于在那個(gè)步驟(ii)中使用耐火材料顆粒的10％，更優(yōu)選地不高于5％，甚至更優(yōu)選地不高于3％，非常優(yōu)選地不高于2重量％。
優(yōu)選地，所述的成凝膠材料是一種聚合物，更優(yōu)選地用聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯作為例子的超級(jí)吸收劑聚合物。
一般而言，至少50重量％(甚至更優(yōu)選地至少80重量％)成凝膠材料顆粒(在那些具體實(shí)施方案中，其中該成凝膠材料沒有涂布這些耐火材料顆粒)優(yōu)選地是不大于1mm，更優(yōu)選地不大于300μm，非常優(yōu)選地不大于200μm。在一個(gè)特別優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，基本上所有的(即至少95重量％)聚合物顆粒尺寸不大于300μm。盡管這種成凝膠材料無(wú)任何理論最小粒度，但細(xì)粉末可能是有問題的，采用降雨式磨沙機(jī)涂布時(shí)尤其如此。因此，優(yōu)選的最小粒度是50μm，更優(yōu)選地75μm。所有這些顆粒可以是基本同樣大小，或可以是小于最大尺寸的粒度分布。
有利地，這種方法(除使用吸收水分材料和由此達(dá)到減少干燥時(shí)間外)可以與使用通常機(jī)器和材料的標(biāo)準(zhǔn)熔模鑄造法基本相同。因此，應(yīng)該理解，可熔消模型性質(zhì)、步驟(i)中使用的漿料組成(有步驟(iv)時(shí)以及步驟(iv))和在步驟(ii)中使用的耐火材料顆粒，都是該熔模鑄造技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員任何已知的那些。
此外，該方法優(yōu)選地包括在最后步驟(iii)(有步驟(iv)時(shí)或步驟(iv))后從殼模除去可熔消模型的步驟，更優(yōu)選地該方法包括一個(gè)最后步驟為焙燒所得的殼模。
可以加熱到950℃或950℃以上進(jìn)行焙燒。但是，優(yōu)選地可以采用多段焙燒方法。例如，第一段可以涉及以加熱速率1-5℃/min(優(yōu)選地1-3℃/min)加熱到溫度400-700℃，接著以加熱速率5-10℃/min加熱到溫度至少950℃(優(yōu)選地約1000℃)。該溫度在第一段和第二段可以保持很短的時(shí)間(例如10min以下)?？煞秩位蚋喽渭訜岬街辽?50℃。
本發(fā)明還在于采用本發(fā)明方法生產(chǎn)的殼模。
參看下述實(shí)施例將進(jìn)一步描述本發(fā)明。
對(duì)比實(shí)施例1試圖將該對(duì)比實(shí)施例作為鋁合金鑄造時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)殼模的代表，該對(duì)比實(shí)施例進(jìn)行如下將充滿蠟的試驗(yàn)件浸泡在第一漿料(初始)30秒，排水60秒。然后采用降雨式磨沙方法(沉積高度約2m)將粗-粒狀灰泥材料沉積到濕漿料表面。把涂布試驗(yàn)件放在干燥圓盤傳送帶上，在控制低空氣流動(dòng)的條件下進(jìn)行干燥達(dá)到所需要的時(shí)間。延長(zhǎng)干燥可除去膠態(tài)粘結(jié)劑中的水分，使這些顆粒膠凝形成硬凝膠。
通過(guò)浸泡(30秒)在第二(二次)漿料中涂布后續(xù)涂層，接著排水(60秒)，相繼涂布灰泥(降雨式磨沙方法，沉積高度約2m)，再在每次涂布灰泥后進(jìn)行干燥達(dá)到所需要的時(shí)間。全部地，涂布四個(gè)二次涂層。最后，涂布密封涂層(浸在二次漿料中，但不涂布灰泥)，接著干燥。
表1列出了初始和二次漿料規(guī)格，表2列出了其它各種方法的參數(shù)。表1中添加膠乳涉及使用水基膠乳系統(tǒng)，這種系統(tǒng)加到基礎(chǔ)粘結(jié)劑中以提高未焙燒強(qiáng)度。
表1制造鋁殼模的漿料規(guī)格(所有數(shù)字都以重量％表示)
表2對(duì)比實(shí)施例的制造殼模規(guī)格
實(shí)施例1使用表1的漿料，以與對(duì)比實(shí)施例1同樣方式制造實(shí)施例1的殼模，只是涂布到二次涂層上的灰泥含有聚丙烯酰胺顆粒(按照10份灰泥加1份聚丙烯酰胺的比例)。該方法參數(shù)列于表3。這種聚丙烯酰胺沉積到濕漿料表面時(shí)，它快速吸收相鄰膠體部分中的水分，無(wú)須延長(zhǎng)干燥時(shí)間就可使其漿料膠凝成硬凝膠。
預(yù)料到，在涂布到初始漿料涂層上的灰泥中聚丙烯酰胺聚合物包含物甚至還會(huì)進(jìn)一步降低干燥時(shí)間。
表3實(shí)施例1的制造殼模規(guī)格
*粒度86重量％＞1mm，500μm≤14重量％≤1mm。
與對(duì)比實(shí)施例1相比，實(shí)施例1的殼模不密實(shí)和均勻。由于單個(gè)聚合物顆粒吸收了膠體粘結(jié)劑的水分而產(chǎn)生溶脹，所以實(shí)施例1的殼模在某些地方較多開裂和分層。就這方面來(lái)講，大的粒度是不利的，因此應(yīng)預(yù)料到，使用加到這些標(biāo)準(zhǔn)灰泥膠料中的較小且極易控制粒度的聚丙烯酰胺會(huì)大大減少這些缺陷。
殼模厚度比較由表4可以看到丙烯酰胺改性(實(shí)施例1)的和標(biāo)準(zhǔn)(對(duì)比實(shí)施例1)的殼模系統(tǒng)所達(dá)到陶瓷殼模厚度對(duì)比結(jié)果。這種聚丙烯酰胺提高了殼模厚度，因?yàn)槠淞６缺然夷嘧陨淼拇蟮枚?。在這些數(shù)據(jù)中還給出其大尺寸的相對(duì)大的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
表4殼模厚度比較
室溫扁棒強(qiáng)度測(cè)定根據(jù)BS 1902進(jìn)行測(cè)定。注成蠟棒用作采用前面指出方法制成陶瓷殼的模型。成型后，這種殼在8bar壓力下進(jìn)行蒸汽Boilerclave(TM)脫蠟處理4分鐘，接著以1bar/min進(jìn)行可控減壓循環(huán)。使用砂輪切割試驗(yàn)件，約20mm×80mm，再在室溫下以3點(diǎn)彎曲方式進(jìn)行試驗(yàn)(壓縮初始涂層)。
表5對(duì)在室溫下以3點(diǎn)彎曲方式達(dá)到最大強(qiáng)度進(jìn)行了比較。對(duì)比實(shí)施例1殼高度干燥的新強(qiáng)度是這種膠乳聚合物含量的直接結(jié)果，這個(gè)結(jié)果反映在這種樣品于1000℃焙燒和燒去膠乳(未列出數(shù)據(jù)后強(qiáng)度降低)后強(qiáng)度降低。實(shí)施例1殼的強(qiáng)度相對(duì)低些，這是因使用非常大粒度的聚丙烯酰胺而導(dǎo)致分層和缺陷的直接結(jié)果。應(yīng)預(yù)料到使用較小的聚合物粒度時(shí)，這種丙烯酰胺聚合物溶脹應(yīng)該降低到熔模鑄造更能接受的水平。
表5扁棒斷裂強(qiáng)度
實(shí)施例2為了解決上述這些問題，準(zhǔn)備了另一個(gè)實(shí)施例，與實(shí)施例1關(guān)鍵不同之處在于(i)使用較小粒度的更強(qiáng)吸收劑聚合物，(ii)使用較少量的聚合物，以及(iii)把聚合物加到初始灰泥涂料中。
下面表6列出制造殼模規(guī)格。這些漿料如表1所示。
表6實(shí)施例2的制造殼模規(guī)格
*聚丙烯酰胺粒度＜300μm。
實(shí)施例2新的干強(qiáng)度測(cè)定為2.83+/-0.63MPa。采用了與實(shí)施例1不同的降雨式磨沙機(jī)系統(tǒng)得到這個(gè)結(jié)果，這種砂是從較低高度(約10cm)沉積的，已知這個(gè)高度降低了強(qiáng)度值。為了比較起見，重復(fù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)施例1(下面稱之對(duì)比實(shí)施例2)，發(fā)現(xiàn)具有新的干強(qiáng)度4.86+/-0.54MPa。因此，已發(fā)現(xiàn)，在不到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)殼模所需時(shí)間的2％之內(nèi)，本發(fā)明方法生產(chǎn)出的模具具有接近于足以能進(jìn)行鑄造的強(qiáng)度的60％，如下面所指出的。
除了新的干強(qiáng)度測(cè)定外，實(shí)施例2和對(duì)比實(shí)施例2進(jìn)行了其新的濕強(qiáng)度(模擬脫蠟時(shí)的強(qiáng)度)以及在不同加熱條件下其焙燒強(qiáng)度的試驗(yàn)。這些結(jié)果列于下表7。
表7實(shí)施例2扁棒斷裂強(qiáng)度
焙燒方法A以20℃/min焙燒到1000℃，停留60min，爐子冷卻，焙燒方法B以1℃/min焙燒到700℃，停留6min，再以5℃/min焙燒到1000℃，停留30min，爐子冷卻，焙燒方法C以2℃/min焙燒到700℃，停留6min，再以10℃/min焙燒到1000℃，停留60min，爐子冷卻。
實(shí)施例2模具在脫蠟時(shí)沒有破裂。因此，已證明本發(fā)明的方法能夠在標(biāo)準(zhǔn)方法所需一小部分時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出熔模鑄造使用足夠結(jié)實(shí)的殼模。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)殼模的方法，該方法包括下述順序步驟(i)將預(yù)成型可熔消模型浸泡在由耐火材料顆粒和膠態(tài)液體粘結(jié)劑組成的漿料中，從而在所述的模型上形成涂層，(ii)使耐火材料顆粒沉積在所述的涂層上，以及(iii)干燥，步驟(i)至(iii)常常需要重復(fù)進(jìn)行，以生產(chǎn)一種具有一個(gè)初始涂層和至少一個(gè)二次涂層的殼模，其特征在于在至少一次實(shí)施步驟(ii)期間，成凝膠材料也沉積在步驟(i)中形成的涂層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中這種方法還包括在最后步驟(iii)后進(jìn)行的附加步驟(iv)，該步驟是涂布一種含有耐火材料顆粒和液體粘結(jié)劑的漿料的密封涂層，接著進(jìn)行干燥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中該成凝膠材料涂布到每個(gè)二次涂層上。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該成凝膠材料涂布到初始涂層上。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述成凝膠材料是一種超級(jí)吸收劑聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該聚合物是聚丙烯酰胺或聚丙烯酸酯。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中該聚合物是一種顆粒材料，且至少50重量％該聚合物顆粒是300μm或300μm以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中至少95重量％該聚合物顆粒是300μm或300μm以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該耐火材料顆粒用成凝膠材料涂布。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，該方法包括在最后步驟(iii)后或有步驟(iv)時(shí)在步驟(iv)后從殼模除去可熔消模型的步驟，以及優(yōu)選地焙燒所得到的殼模的最后步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中以加熱速率1-5℃/min加熱到溫度400-700℃，接著以加熱速率5℃/min或5℃/min以上加熱到至少950℃進(jìn)行焙燒。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中在每個(gè)步驟(ii)期間加入的成凝膠材料是在那個(gè)步驟(ii)期間加入的耐火材料顆粒重量的10％以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該成凝膠材料是其耐火材料顆粒的3重量％以下。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述方法生產(chǎn)的殼模。
15.一種生產(chǎn)鑄件的殼模，所述殼模包括具有其中呈鑄件形狀型腔的殼，該殼模包括多層，其特征在于所述多層中至少一層含有成凝膠材料、耐火材料顆粒和膠凝的液體粘結(jié)劑。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的殼模，其中該成凝膠材料是一種超級(jí)吸收劑聚合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的殼模，其中所述的聚合物是聚丙烯酰胺。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的殼模，其中至少95重量％聚合物顆粒是300μm或300μm以下。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的殼模，其中在任何一層中成凝膠材料的量不大于那層中耐火材料顆粒重量的10％。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)殼模的方法。該方法包括下述順序步驟(i)將預(yù)成型可熔消模型浸泡在由耐火材料顆粒和膠態(tài)液體粘結(jié)劑組成的漿料中，從而在所述的模型上形成涂層，(ii)使耐火材料沉積在所述的涂層上，以及(iii)干燥，步驟(i)至(iii)常常按需要重復(fù)進(jìn)行，生產(chǎn)一種具有一個(gè)初始涂層和至少一個(gè)二次涂層的殼模，其特征在于在至少一次實(shí)施步驟(ii)期間，成凝膠材料也沉積在步驟(i)中形成的涂層上。本發(fā)明還涉及采用這種方法生產(chǎn)的殼模。
文檔編號(hào)B22C9/04GK1809433SQ03823285
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2003年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月8日
發(fā)明者S·瓊斯 申請(qǐng)人:伯明翰大學(xué)