專利名稱：改進(jìn)的熔模鑄造工藝的制作方法
專利說(shuō)明改進(jìn)的熔模鑄造工藝 本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的熔模鑄造工藝，特別是一種比常規(guī)工藝快得多的工藝。
典型的熔模鑄造工藝涉及使用可熔模型(expendable pattern)制作工程金屬鑄件。所述模型是樹脂、填料和蠟(或其它可蒸發(fā)材料如發(fā)泡聚苯乙烯)的復(fù)合混合物，它在壓力下被注入金屬模具中。將幾個(gè)上述模型一經(jīng)凝固就組裝成一個(gè)組件并安裝到蠟澆注系統(tǒng)上。蠟組件被浸入由液體粘結(jié)劑和耐火粉末構(gòu)成的耐火漿料中。排干之后，將耐火灰泥顆粒沉積在該潮濕表面上以制備一次耐火涂層(用耐火材料覆蓋組件被稱為″熔模鑄造″，該工藝由此得名)。當(dāng)一次涂層凝固之后(通常通過(guò)空氣干燥直到粘結(jié)劑凝膠化)，將組件反復(fù)浸入漿料，然后涂灰泥直至達(dá)到模殼的要求厚度。在各次浸漬之間每個(gè)涂層都被徹底固化，因此每個(gè)鑄模的制造都要花費(fèi)24-72小時(shí)。涂灰泥的目的在于通過(guò)提供許多分散的應(yīng)力集中中心來(lái)使涂層內(nèi)的干燥應(yīng)力最小化，其中所述分散的應(yīng)力集中中心可以降低任何局部應(yīng)力的大小。每個(gè)灰泥表面還為插入下一涂層提供粗糙表面。所述灰泥的粒徑隨著更多涂層的加入而增大，以保持最大的鑄模透氣性并為鑄模提供主體。
近年來(lái)，已經(jīng)開發(fā)出了與相當(dāng)?shù)慕饘俳M分相比具有顯著優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)代陶瓷(例如氮化硅)組分。已知有許多制造上述陶瓷組分的工藝，它們包括機(jī)械加工、注塑、粉漿澆鑄、壓鑄和凝膠澆鑄。在凝膠澆鑄中，將陶瓷粉末在有機(jī)單體溶液中的濃縮漿料注入鑄模并就地聚合以形成模腔形狀的生坯。在脫模之后，將生坯陶瓷體干燥，必要時(shí)機(jī)械加工，熱解除去粘結(jié)劑，然后燒結(jié)至真密度。人們還開發(fā)了其中使用水溶性單體并以水為溶劑的水基體系，如丙烯酰胺體系。
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的熔模鑄造工藝，它排除或緩和了已知的熔模鑄造工藝存在的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，并優(yōu)選地顯著降低了形成殼模所需的時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種制作殼模的方法，依次包括以下步驟 (i)將預(yù)成型的可熔模型浸入耐火顆粒和膠體液體粘結(jié)劑構(gòu)成的漿料中，借此在所述模型上形成涂層， (ii)向所述涂層上沉積耐火材料顆粒，和 (iii)干燥， 重復(fù)步驟(i)-(iii)所需多的次數(shù)以制備出具有所需涂層數(shù)的殼模，所述方法的特征在于，在步驟(ii)的至少一個(gè)執(zhí)行過(guò)程中所述耐火材料顆粒與一種膠凝形成材料預(yù)混合，以借此用所述膠凝形成材料涂覆至少一部分所述耐火顆粒，從而在與涂層接觸之后水分被膠凝形成材料吸收，由此導(dǎo)致膠狀粘結(jié)劑的凝膠化，從而縮短步驟(iii)中干燥所需的時(shí)間。
優(yōu)選地，此方法還包括在最終的步驟(iii)之后執(zhí)行的額外步驟(iv)，施加包含耐火顆粒和膠體液體粘結(jié)劑構(gòu)成的漿料的封閉層，繼之以干燥。
在殼模結(jié)構(gòu)中，被施加到可熔模型上的所述涂層通常被稱為一次涂層，隨后的漿料涂層被稱為二次涂層。通常會(huì)施加3-12個(gè)二次涂層。
優(yōu)選地，所述膠凝形成材料涂覆的耐火顆粒被施加到每個(gè)二次涂層上(即在第一個(gè)之后的每次步驟(ii)的重復(fù)過(guò)程中)。所述一次涂層上可以施加也可以不施加所述膠凝形成材料涂覆的耐火顆粒。
可以理解，步驟(ii)中的耐火顆粒(涂覆或未涂覆的)的沉積可以通過(guò)任何便利方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)利用淋砂器或流化床。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，在同一步驟(ii)中使用了聚合物涂覆的和未涂覆的耐火顆粒，例如所述涂覆的顆粒在被施加到涂層之前與未涂覆的顆粒預(yù)混合。在所述優(yōu)選實(shí)施方案中，涂覆與未涂覆顆粒的重量比可以為從95∶5到5∶95，更優(yōu)選地85∶15到50∶50，并最優(yōu)選地約75∶25。
優(yōu)選地，用于步驟(ii)的膠凝形成材料的量不超過(guò)用于步驟(iii)的耐火材料顆粒的5wt％，更優(yōu)選地不超過(guò)2wt％。優(yōu)選范圍是2.5-5wt％、1-2wt％、0.2-1wt％和0.15-0.5wt％。所述優(yōu)選范圍可以取決于用于形成涂覆的耐火顆粒的方法以及所用耐火顆粒的尺寸和特性?？梢岳斫?，當(dāng)膠凝形成材料被用于重復(fù)一個(gè)以上的步驟(ii)時(shí)，用于每個(gè)步驟(ii)的量可以不同。
優(yōu)選地，所述膠凝形成材料是一種聚合物，更優(yōu)選地是一種超吸收性聚合物，例如聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯。一種特別優(yōu)選的聚合物是交聯(lián)聚丙烯酸的鈉鹽(例如以商品名稱Liquiblock 144出售的那些)。
優(yōu)選地，此方法包括一個(gè)用膠凝形成材料涂覆耐火顆粒的步驟。這可以通過(guò)將膠凝形成材料與水混合以形成凝膠，接著將耐火顆?；烊胨瞿z中，繼之以干燥(例如在高溫下或使用微波)，并研磨所形成的大塊來(lái)完成?；蛘撸部梢酝ㄟ^(guò)噴霧干燥耐火顆粒、聚焦或者使用流化床或任何其它適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)所述涂覆。盡管聚合物的粒徑并不重要，但當(dāng)耐火顆粒的涂覆是通過(guò)首先在水中混合聚合物而實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用較小的顆粒(例如約300μm或更小)可以獲得更好的分散。
可以理解，所需聚合物的量可以通過(guò)(i)控制用于形成涂覆的顆粒的聚合物量并結(jié)合(ii)控制與涂覆的顆?；旌系奈赐扛驳念w粒的量來(lái)達(dá)到。
有利地，所述工藝(除了膠凝形成材料的使用和所導(dǎo)致的干燥時(shí)間縮短之外)可以與利用常規(guī)機(jī)械和材料的標(biāo)準(zhǔn)熔模鑄造工藝基本相同。由此可知，可熔模型的特性、用于步驟(i)(和步驟(iv)，當(dāng)其存在時(shí))的漿料組合物以及用于步驟(ii)的耐火顆粒可以是任何熔模鑄造領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的那些。耐火材料的典型實(shí)例包括(僅為舉例)硅石、硅酸鋯、鋁的硅酸鹽、氧化鋁。
此外，此方法優(yōu)選地包括一個(gè)在最后的步驟(iii)(或步驟(iv)，當(dāng)其存在時(shí))之后從殼模中除去可熔模型的步驟，更優(yōu)選地此方法包括一個(gè)燒結(jié)所形成的殼模的最終步驟。
燒結(jié)可以通過(guò)在慣用加熱爐中使用慣用燒結(jié)程序加熱到900℃或以上來(lái)完成。在某些實(shí)施方案中，可以優(yōu)選多步的燒結(jié)程序。例如，第一步驟涉及以1-5℃/min(優(yōu)選地1-3℃/min)的加熱速率加熱到400-700℃的溫度，接著是以5-10℃/min的速率加熱到至少900℃(優(yōu)選地約1000℃)的第二步驟。在第一和第二步驟之間可以保溫一小段時(shí)間(例如小于10分鐘)。如果認(rèn)為必要的話，加熱到至少900℃可以在三個(gè)或更多步驟內(nèi)來(lái)完成。
本發(fā)明進(jìn)一步在于一種可由本發(fā)明的方法制造的殼模。
下面將參照以下實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
對(duì)比實(shí)施例1 此對(duì)比實(shí)施例被視為用于鋁合金鑄造的現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)殼的代表，按如下所述構(gòu)造 將填充的蠟試樣浸入第一漿料(一次)30秒，排干60秒。然后通過(guò)淋砂法將粗粒灰泥材料沉積到濕漿料表面上(沉積高度約為10cm)。將涂覆的試樣放置在干燥圓盤傳送帶上并在受控的低空氣運(yùn)動(dòng)條件下干燥所需的時(shí)間。延長(zhǎng)的干燥從膠體粘結(jié)劑中除去水分，強(qiáng)使顆粒凝膠化以形成硬質(zhì)凝膠。
通過(guò)在第二(二次)漿料中浸漬(30秒)繼之以排干(60秒)，和隨后涂覆灰泥(淋砂法、沉積高度為約10cm)并在每次施加灰泥后干燥所需的時(shí)間來(lái)涂覆隨后的涂層。總計(jì)涂覆四個(gè)二次涂層。最后，涂覆一個(gè)封閉涂層(在二次漿料內(nèi)浸漬，但不涂覆灰泥)，繼之以干燥。
所述一次和二次漿料的規(guī)格列于表1中，其它各工藝參數(shù)在表2中給出。表1中的膠乳添加劑涉及使用一種水基膠乳系統(tǒng)，它被添加到基體粘結(jié)劑中以提高生坯強(qiáng)度和降低燒結(jié)強(qiáng)度。
表1用于鋁殼制備的漿料規(guī)格(所有數(shù)字均為wt％) 表2對(duì)比實(shí)施例1的殼構(gòu)成規(guī)格 對(duì)比實(shí)施例2 根據(jù)對(duì)比實(shí)施例2的殼模通過(guò)使用表1所列漿料以與對(duì)比實(shí)施例1相同的方法制造，不同之處在于在一次以及所有二次涂層的聚丙烯酸酯顆粒上涂覆的灰泥包括聚丙烯酸酯顆料(以1份聚丙烯酰胺比40份灰泥的填充量)。工藝參數(shù)在表3中給出。當(dāng)聚丙烯酸酯被沉積到濕漿料表面上時(shí)，它從相鄰的漿料膠體部分迅速吸收水分，強(qiáng)使凝膠化成硬質(zhì)膠凝而不需要延長(zhǎng)的干燥時(shí)間。
表3對(duì)比實(shí)施例2的殼構(gòu)成規(guī)格 *聚丙烯酸酯的粒徑＜300μm 實(shí)施例1 制備由1重量份的Liquiblock 144、400重量份的50/80目的鋁硅酸鹽和400重量份的去離子水組成的混合物，并在100℃偶爾攪拌條件下干燥24小時(shí)。將小樣品在1000℃燒結(jié)30分鐘，并結(jié)合重量減輕百分比與聚合物的燒盡測(cè)定最初存在的聚合物百分比。結(jié)果表明灰泥中包含0.20wt％的聚合物(由于某些水被保留在灰泥中，所以聚合物的百分比稍小于理論值0.25wt％)。
作為可供選擇的灰泥制備，將聚合物與水大力混合以形成粘性凝膠。耐火顆粒隨后被加入并被懸浮在凝膠基質(zhì)中。使用微波實(shí)施干燥20分鐘，結(jié)果形成一種干實(shí)體塊。然后將所述塊仔細(xì)重新研磨以防粒徑發(fā)生重大改變。這種方法保證了基本上所有耐火顆粒都被涂覆有聚合物。
如表1所示制造陶瓷漿料，并根據(jù)下表4浸漬陶瓷模樣品，方法與對(duì)比實(shí)施例1和2所用的相同。
表4實(shí)施例1的殼構(gòu)成 實(shí)施例2 以4倍的聚合物量增加(即1％理論值)重復(fù)實(shí)施例1。
殼厚比較 對(duì)比實(shí)施例1和2以及實(shí)施例1和2殼體系所獲得的陶瓷殼厚的比較如表5所示。
表5殼厚比較 扁材強(qiáng)度測(cè)量(MOR) 斷裂模數(shù)(MOR)是規(guī)定尺寸的棱柱形試樣在以三點(diǎn)彎曲模式負(fù)載時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。此測(cè)試的原理是以恒定速率增大試樣的應(yīng)力負(fù)載直到發(fā)生斷裂。此測(cè)試方法已被廣泛用于工業(yè)，特別是用以相對(duì)不斷提高鑄模材料的性能。測(cè)試的方法由英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 1902-4.41995標(biāo)準(zhǔn)化，它規(guī)定了正確實(shí)施測(cè)試所需的測(cè)試方法和尺寸公差。
為進(jìn)行MOR測(cè)試，用200mm×25mm×10mm厚的蠟型制備樣品。在脫蠟之后，將鑄模切成矩形的測(cè)試條。在室溫下(18-21℃)對(duì)生坯和燒結(jié)試樣進(jìn)行測(cè)試。
為評(píng)價(jià)脫蠟步驟對(duì)殼體系的機(jī)械強(qiáng)度的影響，測(cè)量干(測(cè)試前在21℃保留12小時(shí))和濕(測(cè)試前放在大約80-90℃的蒸汽浴上30分鐘)生坯強(qiáng)度。將樣品在Instron 8500拉力試驗(yàn)機(jī)上以1mm/分鐘的恒定加載速率加載，直至斷裂。
所述MOR，σMax，使用公式1來(lái)計(jì)算 其中PMax是斷裂載荷，W和H是樣品斷口面積的寬和厚，L是跨越長(zhǎng)度。以3點(diǎn)彎曲模式測(cè)量的MOR是一種固有材料性能，不受測(cè)試條尺寸的影響。殼的不同厚度影響材料的性能，計(jì)算彎曲校正斷裂載荷(AFLB)(定義為在70mm的跨度上打斷10mm寬的殼試樣所需的載荷)。此值標(biāo)準(zhǔn)化了殼的負(fù)載能力并可以使用公式2計(jì)算。
AFLB＝fBσMaxH2 (2) 其中fB是等于0.1的常數(shù)，即在10cm寬度上標(biāo)準(zhǔn)化所述數(shù)據(jù)。
注射蠟條被用作前者由如上所述步驟形成的陶瓷殼。在形成之后，將殼在8Bar壓力下蒸汽Boilerclave(TM)脫蠟4分鐘，繼之以一個(gè)受控的以1Bar/分鐘的速度進(jìn)行的降壓周期。使用砂輪切割約20mm×80mm的試件，并以3點(diǎn)彎曲模式在室溫下進(jìn)行測(cè)試(一次涂層受壓)。
在室溫下以3點(diǎn)彎曲模式所測(cè)得的各個(gè)殼樣品的最大強(qiáng)度的對(duì)比如表6所示。除生坯干強(qiáng)度測(cè)量之外，還測(cè)試實(shí)施例1和2以及對(duì)比實(shí)施例1和2的生坯濕強(qiáng)度(以模擬在脫蠟過(guò)程中的強(qiáng)度)和在不同加熱方式下的燒結(jié)強(qiáng)度。這些結(jié)果也顯示在下表6中。
表6扁材斷裂強(qiáng)度 燒結(jié)方法A以20C/分鐘的速率加熱到1000℃，停留60分鐘，爐冷 燒結(jié)方法B以1C/分鐘的速率加熱到700℃，停留6分鐘，以5C/分鐘的速率加熱到1000℃，停留30分鐘，爐冷 燒結(jié)方法C以2C/分鐘的速率加熱到700℃，停留6分鐘，以10C/分鐘的速率加熱到100℃，停留60分鐘，爐冷 應(yīng)當(dāng)注意，只要燒結(jié)強(qiáng)度足以維持被澆鑄的合金，較低的殼強(qiáng)度實(shí)際上對(duì)于殼出坯來(lái)說(shuō)是有利的，特別是當(dāng)澆鑄相對(duì)較軟的鋁合金時(shí)。
盡管對(duì)比實(shí)施例2的殼一般是令人滿意的，而且制造時(shí)比標(biāo)準(zhǔn)殼(對(duì)比實(shí)施例1)快得多，但一次灰泥涂層有剝離的趨勢(shì)。在脫蠟和燒結(jié)時(shí)，還觀察到了一些裂縫，盡管并沒(méi)有金屬燒穿。
在殼制造和脫蠟過(guò)程中剝離可能是由于水被吸收從而顆?！迦苊洝鍟r(shí)各個(gè)聚合物顆粒的體積膨脹造成的。觀察到的另一個(gè)影響即″剝離″可能是由于聚合物是以″離散″顆粒引入的而造成的由于將存在一個(gè)水分通過(guò)毛細(xì)管網(wǎng)輸送的程度/比率限制，因此不是所有來(lái)自漿料層的水分都從膠體相中除去。當(dāng)浸入下一層時(shí)，在膠體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部將有過(guò)量的水分，防止凝膠和促進(jìn)已經(jīng)凝膠化的鍵合結(jié)構(gòu)″破壞″。殼在燒結(jié)期間的膨脹和開裂可能是由于陶瓷/膠體/聚合物添加劑的熱力學(xué)不匹配或由聚合物揮發(fā)導(dǎo)致的膨脹而造成的。離散顆粒將在一個(gè)特定位置具有很高濃度的聚合物，并當(dāng)其被除去時(shí)留下空穴。
與之呈明顯對(duì)比，實(shí)施例1和實(shí)施例2的殼在脫蠟過(guò)程中完全沒(méi)有開裂，整個(gè)殼(一次和二次涂層)都完整無(wú)損。在以降低的加熱速率燒結(jié)(方法B和C)之后，整個(gè)殼整體上都沒(méi)有觀察到剝離。強(qiáng)度與使用顆粒聚合物添加劑相當(dāng)，但整個(gè)殼都完整無(wú)損的事實(shí)表明本發(fā)明的殼將特別適于澆鑄。此外，應(yīng)當(dāng)注意實(shí)施例2的AFL值與對(duì)比實(shí)施例1未修改的標(biāo)準(zhǔn)殼的AFL值相當(dāng)或比之更高，表明此殼實(shí)際上將具有更高的負(fù)載能力。
生坯強(qiáng)度和燒結(jié)棱邊(楔塊)強(qiáng)度測(cè)試 MOR測(cè)試沒(méi)有測(cè)定模在脫蠟和澆鑄過(guò)程中于發(fā)生模斷裂最頻繁的位置處的抗開裂能力，其中所述位置沿著銳利的半徑和角落。這在例如渦輪葉片等產(chǎn)品中經(jīng)?？吹?，在此漿料和灰泥的覆蓋將非常重要。棱邊測(cè)試用來(lái)評(píng)價(jià)殼模在棱角處的強(qiáng)度和承載能力(Leyland，S.P.，Hyde，R.，& Withey，P.A.，The Fitness For Purpose of InvestmentCasting Shells，Proceedings of 8th International Symposium onInvestment Casting(Precast 95)，捷克，Brno，1995，62-68)。
為進(jìn)行棱邊測(cè)試，而不是測(cè)試平面模型表面，把一個(gè)楔塊用力推入特別設(shè)計(jì)的試樣中。對(duì)試樣加載，使模的內(nèi)表面(一次層)處于拉伸，而外表面處于壓縮。試樣來(lái)自使用特別設(shè)計(jì)的蠟型制造的鑄模樣品，所述特別設(shè)計(jì)的蠟型能產(chǎn)生對(duì)稱的后緣部分。棱邊測(cè)試樣品的長(zhǎng)度為約20mm，寬度為10mm。所測(cè)試的樣品為生坯(干和濕)和根據(jù)上述步驟燒結(jié)的樣品。
記錄破壞此試樣所需的載荷，并使用公式3計(jì)算棱邊零件的斷裂強(qiáng)度，
其中F是施加到楔塊上的斷裂載荷，d是跨距，W是棱邊試樣的寬度而T是其厚度。棱邊試樣的調(diào)整斷裂載荷(AFLW)，定義為破壞以20mm跨距的10mm寬的棱邊試樣所需的載荷，在邊緣處歸一化殼的載荷容量，并可使用公式4來(lái)計(jì)算。
AFLw＝fwσ楔塊T2 (4) 其中fw是等于0.1的常數(shù)。
實(shí)施例2給出了一種完全未剝離的殼結(jié)構(gòu)。生坯和燒結(jié)樣品都毫無(wú)損傷。這表明降低的聚合物含量不僅在生坯制造過(guò)程中降低了濕背(wet-back)水平，還在燒結(jié)過(guò)程中降低了施加到殼體系上的應(yīng)力。聚合物揮發(fā)過(guò)程中所產(chǎn)生的過(guò)量水分和應(yīng)力的這種結(jié)合被認(rèn)為是導(dǎo)致剝離的原因。因此，未來(lái)的殼體系需要以最低水平的聚合物添加劑量來(lái)制造，這還將降低殼的制造成本。表7顯示了對(duì)比實(shí)施例1和實(shí)施例2的棱邊測(cè)試結(jié)果(包括AFL結(jié)果)對(duì)比。
表7棱邊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)比 棱邊測(cè)試結(jié)果顯示實(shí)施例2的殼具有比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)低的強(qiáng)度。但是，在脆弱邊緣上的增加的殼構(gòu)成導(dǎo)致了一個(gè)相當(dāng)?shù)妮d荷容量(AFL)，即殼邊緣能承受相同的載荷。實(shí)施例2殼的厚度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差高得多，表明了殼結(jié)構(gòu)變化性的增加。不過(guò)，看起來(lái)殼厚變化性的增加并不會(huì)影響這些殼所表現(xiàn)的非常一致的棱邊強(qiáng)度值。所述結(jié)果還表明改進(jìn)的系統(tǒng)能夠以可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)乃俾?燒結(jié)A)燒結(jié)，而沒(méi)有任何不利影響，由此無(wú)需為這些專門的殼降低加熱速率。
足尺澆鑄試驗(yàn) 實(shí)施例3 在項(xiàng)目的這個(gè)階段所進(jìn)行的澆鑄試驗(yàn)將證實(shí)所述的快速造殼方法及其在當(dāng)前的鑄造環(huán)境下制造工業(yè)規(guī)模鑄件的能力。由于使用涂覆的灰泥材料進(jìn)行工業(yè)規(guī)模淋砂所需材料的量非常大，所以鑄模自身采用手工制造。
通過(guò)向試樣模型中注入新鮮蠟(Remet Hyfill)和再生蠟的流動(dòng)系統(tǒng)制造組件。根據(jù)下表8所列的程序進(jìn)行殼浸漬，灰泥已經(jīng)如實(shí)施例1和2所述制得。
表8實(shí)施例3的殼構(gòu)造參數(shù) 將蠟組件打包轉(zhuǎn)移到工業(yè)鑄造廠以在足尺的工業(yè)Boilerclave單元中進(jìn)行脫蠟。所采用的脫蠟步驟如下 1.0-8.5Bar(0.85MPa)的壓力下10秒鐘 2.在最高壓力下停留5分鐘 3.在10分鐘內(nèi)降壓到常壓(0.8Bar/分鐘) 將殼以下列方式于工業(yè)爐中燒結(jié) 1.裝入加熱爐并勻速加熱到450℃(約15℃/分鐘) 2.勻速加熱到450-800℃(約12℃/分鐘) 3.在800℃保持30分鐘 4.在約800℃無(wú)襯(unbacked)澆鑄LM25(鋁合金)。
5.空冷 對(duì)比實(shí)施例2(2.5wt％灰泥顆粒添加劑)使用商品純鋁的鑄件在澆口杯上出現(xiàn)了一次涂層剝離的問(wèn)題。該鑄件在組件主體上未出現(xiàn)任何嚴(yán)重剝離，盡管有邊緣裂紋和少量原始損失的跡象。相反，實(shí)施例3的殼沒(méi)有出現(xiàn)一次或二次涂層的剝離，在脫蠟過(guò)程中也未顯示任何可見的破壞。燒結(jié)之后，向殼中澆鑄LM25，盡管這里沒(méi)有開裂或削弱的跡象但仍在試樣底部附近加入少量粘結(jié)劑(所述鑄造廠的慣例)。
所述殼比標(biāo)準(zhǔn)殼弱得多，因此相對(duì)較易清除。沒(méi)有一次剝離的跡象，鑄件可靠地具有良好的表面光潔度。在標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)脫蠟和澆鑄條件下澆鑄快速制備的工業(yè)殼的試驗(yàn)很成功。
實(shí)施例4 為進(jìn)一步開發(fā)殼系統(tǒng)，對(duì)實(shí)施例3的工藝作了一些變化 (i)進(jìn)一步降低超吸收聚合物用量以減少浸漬過(guò)程中的水分吸收 (ii)降低/消除層間空氣運(yùn)動(dòng)和時(shí)間以促進(jìn)快速制造 (iii)采用標(biāo)準(zhǔn)的一次生產(chǎn)時(shí)間(沒(méi)有聚合物改性)以完全防止一次涂層剝離 (iv)在各次浸漬之間″吹″出游離漿料以減少剝離(工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)程序) (v)使用現(xiàn)有的工業(yè)脫蠟和燒結(jié)程序。
在此實(shí)施例中所要制造的鑄件是IGT渦輪增壓器。根據(jù)下表9所列的程序進(jìn)行殼浸漬，灰泥已經(jīng)如實(shí)施例1和2所述預(yù)先制好。
表9實(shí)施例4的殼構(gòu)造規(guī)格 +其中在二次涂層中使用了聚合物，聚合物預(yù)涂覆灰泥材料與標(biāo)準(zhǔn)的非涂覆材料以3∶1的比率預(yù)混。
在8Bar(180℃，0.8MPa)的最高壓力下于足尺工業(yè)Boilerclave單元內(nèi)脫蠟10分鐘，以1bar/分鐘的速率降壓。
將殼以下列方式于工業(yè)爐中燒結(jié) 1.裝入加熱爐并勻速加熱到900℃(約20℃/分鐘) 2.在900℃保持120分鐘 3.爐冷。
燒結(jié)之后，進(jìn)行沖洗以確定殼結(jié)構(gòu)中是否存在一次剝離(顆粒被洗掉從而變?yōu)榭梢?或貫穿裂縫。在洗滌水中使用了染料組分(它能滲入裂縫從而使其可見)。在這種情況下殼完全無(wú)損且沒(méi)有一次剝離的跡象。
使用鎳基超級(jí)合金在1600℃真空下進(jìn)行澆鑄。之后，鑄模無(wú)損傷，沒(méi)有開裂、金屬燒穿或在葉片邊緣出現(xiàn)毛刺(表示出現(xiàn)邊緣殼裂縫)的跡象。脫模之后鑄件上仍然沒(méi)有毛刺或不規(guī)則的外觀。
最后對(duì)鑄件進(jìn)行噴丸、清洗、熱處理，并為NDT測(cè)試和尺寸公差核對(duì)作準(zhǔn)備。該快速制備的鑄件顯示出與那些用常規(guī)殼制造的鑄件相同的尺寸，并且完全可靠和在要求的尺寸公差之內(nèi)。
在熔鑄殼模制作中各個(gè)涂層的干燥和強(qiáng)度發(fā)展是縮短前置時(shí)間和降低工業(yè)生產(chǎn)成本的最重要的限速因素。因而，降低成本和縮短周期時(shí)間的改進(jìn)為產(chǎn)品開發(fā)、成本節(jié)省和合乎環(huán)境要求的減少的能源消耗開辟了巨大機(jī)遇。除去足夠多的水分以使膠體粘結(jié)劑凝膠化和為重復(fù)浸漬開發(fā)足夠大的生坯強(qiáng)度的基本需要已經(jīng)通過(guò)找到一種不通過(guò)干燥從膠體中快速去除水分的替代方法而以滿足。對(duì)于熔模造型制作已經(jīng)開發(fā)了使用超吸收性聚合物添加劑來(lái)快速去除水并將其化學(xué)地″鎖″在聚合物結(jié)構(gòu)中的所述替代方法，因此為引起粘結(jié)劑凝膠化并不需要通過(guò)干燥來(lái)排除水分。所述體系已經(jīng)在工業(yè)實(shí)踐中得到證明，目前的系統(tǒng)只需要很少的基建費(fèi)用或設(shè)備更新就能很容易地被改造。在降低勞工和材料成本方面存在巨大的潛力，蠟/澆鑄的前置時(shí)間可以得到大大縮短，從而使目前的零件能被更快地制造，而且還為目前專業(yè)化的生產(chǎn)線(即汽車和一般工程零件)開辟了新的潛在市場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種制作殼模的方法，依次包括以下步驟
(i)將預(yù)成型的可熔模型浸入耐火顆粒和膠體液體粘結(jié)劑構(gòu)成的漿料中，借此在所述模型上形成涂層，
(ii)向所述涂層上沉積耐火材料顆粒，和
(iii)干燥，
重復(fù)步驟(i)-(iii)所需多的次數(shù)以制備出具有所需涂層數(shù)的殼模，所述方法的特征在于，在步驟(ii)的至少一個(gè)執(zhí)行過(guò)程中所述耐火材料顆粒與膠凝形成材料預(yù)混合，以借此用所述膠凝形成材料涂覆至少一部分所述耐火顆粒，從而在與涂層接觸之后水分被膠凝形成材料吸收，由此導(dǎo)致膠狀粘結(jié)劑的凝膠化，從而縮短步驟(iii)中干燥所需的時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在最終的步驟(iii)之后執(zhí)行的額外步驟(iv)，施加包含耐火顆粒和膠體液體粘結(jié)劑構(gòu)成的漿料的封閉層，繼之以干燥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中在第一個(gè)之后的每次步驟(ii)的重復(fù)過(guò)程中都施用所述膠凝形成材料涂覆的耐火顆粒。
4.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中步驟(ii)使用淋砂器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中用于步驟(ii)的膠凝形成材料量不超過(guò)用于步驟(ii)的耐火材料顆粒的2wt％。
6.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述膠凝形成材料是超吸收性聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述聚合物是聚丙烯酸酯。
8.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，進(jìn)一步包括一個(gè)用膠凝形成材料涂覆至少部分耐火顆粒的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中用于步驟(ii)的預(yù)涂覆顆粒與未涂覆顆粒的重量比為75∶25。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述比率通過(guò)用膠凝形成材料涂覆耐火顆粒并將所述涂覆的顆粒與未涂覆的顆?；旌蟻?lái)達(dá)到。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述涂覆步驟通過(guò)將膠凝形成材料與水混合以形成膠凝，接著將耐火顆?；烊胨瞿z凝中，繼之以干燥和研磨所形成的大塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述涂覆步驟通過(guò)噴霧干燥耐火顆粒、聚集或者使用流化床來(lái)實(shí)現(xiàn)。
13.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述耐火顆粒是硅石、硅酸鋯、鋁的硅酸鹽、氧化鋁或氧化釔顆粒。
14.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，包括一個(gè)在最后的步驟(iii)之后，或當(dāng)存在步驟(iv)時(shí)在步驟(iv)之后，從殼模中除去可熔模型的步驟，和一個(gè)燒結(jié)所形成的殼模的最終步驟。
15.一種可由權(quán)利要求1-14中任何一項(xiàng)的方法制備的殼模。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制作殼模的方法，依次包括以下步驟(i)將預(yù)成型的可熔模型浸入耐火顆粒和膠體液體粘結(jié)劑構(gòu)成的漿體中，借此在所述模型上形成涂層，(ii)向所述涂層上沉積耐火材料顆粒，和(iii)干燥，重復(fù)步驟(i)－(iii)所需多的次數(shù)以制備出具有所需涂層數(shù)的殼模，特征在于在至少一個(gè)步驟(ii)的執(zhí)行過(guò)程中所述耐火材料顆粒與膠凝形成材料預(yù)混合，以借此用所述膠凝形成材料涂覆至少一部分所述耐火顆粒，從而在與涂層接觸之后水分被膠凝形成材料吸收，由此導(dǎo)致膠狀粘結(jié)劑的凝膠化，從而縮短步驟(iii)中干燥所需的時(shí)間。
文檔編號(hào)B22C1/00GK1913991SQ20058000397
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月5日
發(fā)明者S·瓊斯 申請(qǐng)人:伯明翰大學(xué)