CN102695572A - 盐基型芯、其制造方法和用途 - Google Patents

Abstract

在由金属压铸工件时，为了保持当模具充满熔化金属时工件中预定的型腔而被被插入到压模内型芯必须满足尺寸稳定性方面和容易从型腔中去除的高要求。根据本发明，因此提供盐基型芯，其可通过成型和压缩型芯材料混合物来制造，其型芯材料选自至少一种盐、至少一种粘合剂和任选的助剂如添加剂、填料、润湿剂和催化剂，其中型芯材料混合物的盐、粘合剂和任选使用的助剂是无机的，并且所述型芯材料在使用水作为溶剂时可溶。

Description

盐基型芯、其制造方法和用途

本发明涉及盐基型芯、制造盐基型芯的方法以及这种型芯在金属浇铸零件的制造中、优选在金属型铸造技术中作为型腔的空间占据器（Hohlraumplatzhalter）的用途浇铸，其能够完全而容易地从工件去除而不留下固体残余物。

为了在用熔体填充模具时保留工件中预设的空腔，对于在模具中由金属浇铸工件时使用的、型芯有很高的要求。所述型芯必须能够易于制造、形状稳定和轮廓精密，并且用于制造它所使用的原料以及溶解它的溶剂不应损伤浇铸质量，不应增加环境负担，而且它们不应引起健康风险。

如果对工件中空腔的表面和轮廓精密度有特殊的要求，则型芯表面必须特别光滑且轮廓精密，并且型芯必须完全溶解在合适的溶剂中且能够容易地从工件的型腔中完全去除且不留下固体残余物。含有不可溶的组分例如石英砂的型芯残余物会导致待精整处理的表面上的损伤，或者例如如果型芯残余物导致柴油机组的共轨系统中入射喷嘴堵塞，会造成机组停止运转。

因此，本发明的目的是制造具有孔隙率小、表面品质良好和强度尽可能高的盐基型芯，其在浇铸后能够容易且完全地从工件中去除。

本发明的另一个目的在于通过尽可能简单且低成本的成型方法、优选通过所谓的干压工艺来制造这样的型芯。

迄今为止，根据现有技术，还没有获得以所谓的干压工艺制造而没有随后的烧结-或重结晶工艺能承受在用熔融液态金属环绕浇铸时出现的极端的热度和机械应力的盐基型芯。换句话说，迄今为止在现有技术中还没有借助于所谓的干压工艺制造出这样的盐基型芯，其一方面必须具有高强度，而另一方面可在铸造成型后易于从模具中去除，以及在浇铸件中留下尽可能好的、光滑的表面性质。

根据本发明，所述目的按照主权利要求以及按照根据权利要求22的方法得以实现。本发明的有利的实施方案描述在从属权利要求中。

根据本发明的型芯可由盐、粘合剂和任选的助剂如填料、添加剂、润湿剂和催化剂一起混合组成。这些型芯优选被计划用于在金属型铸造工艺中由非铁金属如铝、黄铜或铜铸造的工件。根据本发明的型芯由用水可由工件空腔无残余物地去除的材料组成，出于环境保护原因，水作为优选的溶剂。

根据本发明的型芯具有这样的优点，即它们由在适当处理时，不管是在制造过程中还是在浇铸过程中，都不会表现出增加环境负担的气体解离反应的材料（＝型芯材料）组成。由于在浇铸时没有生成有机粘合剂的裂解产物，因此通过可以避免如由于生成型芯气体而出现的缩孔、气孔等铸造缺陷的方法，铸件的品质得以提高。在从工件去除型芯时，没有产生需要特别清除的残余物。根据材料的组成，所述材料可通过合适的方法从液相中，例如盐通过喷雾干燥或蒸发来重新获得。

可以以传统的机械压力或液压通过压缩来处理型芯材料的所有组合物。型芯几何形状的复杂性决定了制造参数以及型芯生产工具和压力机的造型和结构布局。

作为用于根据本发明的型芯的型芯材料合适的是碱金属-和碱土金属元素的盐如尤其是氯化钠、氯化钾和氯化镁，碱金属-和碱土金属元素的硫酸盐和硝酸盐如尤其是硫酸钾、硫酸镁，以及铵盐如尤其是硫酸铵。优选这些型芯材料的水溶性代表物。这些材料可单独地或作为混合物使用，只要它们相互不反应并且不会因此负面影响所希望的性能，因为在型芯生产时，型芯材料不应发生负面影响其无残余物除去的材料转化。通常，分解点或熔点高于液态金属熔体温度的所有易溶性盐都适合使用。可将型芯材料，可与沙相比，容易而简单地分成所希望的粒度大小或粒度尺寸。通过选择的粒度大小分布和选择的压缩度，尤其影响型芯的表面性质。粒度大小越小，表面越光滑。通常，寻求尽可能大的压缩度，这可通过混合不同的盐以及任选的具有不同分布曲线的添加材料（例如通过混合物中的双峰或三峰粒度分布）来实现。

根据本发明，取决于型芯材料、希望的表面品质和待浇铸的工件的轮廓精密度，优选0.01mm至2mm范围的粒度大小。取决于所希望的压缩度，以不同的比例混合0.01 mm至0.29 mm、0.3 mm至1.3 mm和/或1.31 mm至2.0 mm的粒度大小级份。

通过水作为溶剂也能完全或无残余物除去的填料可如此多地代替部分盐，只要它们不负面影响密度和强度。根据本发明已证实，最多30重量%的盐可被适合的填料代替。填料的粒度大小适宜于与盐的粒度大小和/或粒度大小分布一致。

为了确保根据成型工艺（优选干压工艺）需要的型芯稳定性，在压缩前向盐中加入至少一种合适的粘结剂/一种合适的粘合剂或一种合适的粘结剂体系。能在硬化过程后用水作为溶剂除去不留下残余物，且能良好润湿盐和任选的添加物的所有粘结剂/粘合剂都是可行的，其中这些物质的混合物必须借助于压缩可形成为破裂的型芯。作为粘结剂/粘合剂合适的通常为无机磷酸盐、无机硼酸盐、硅酸盐化合物或这些粘合剂的混合物，只要它们可使用水作为溶剂被不留下残余物地除去。作为无机磷酸盐例如可以使用碱金属-或铵磷酸盐、磷酸铝、磷酸硼或多磷酸钠。粘结剂/粘合剂优选得自水溶性硅酸盐如具有水玻璃模数为1-5的水溶性水玻璃，其中具有不同水玻璃模数的水玻璃还可以作为混合物存在。添加量取决于使用的水玻璃模数，并取决于润湿行为，在0.5重量%和15重量%之间，优选在5重量%和8重量%之间。为了获得随后浇铸过程所必需的性能如强度和尺寸稳定性，还可能使用专门的粘结剂混合物。

通过有目的地加入添加剂可影响根据本发明的盐、任选的助剂如添加剂、填料、润湿剂和/或催化剂和粘结剂和/或粘结剂体系的混合物的性质。这里的前提条件也是，这些添加剂或这些添加剂的反应产物能容易地使用水作为溶剂从工件型腔中去除且不留下任何残余物，而且在浇铸时没有负面影响浇铸步骤且导致铸造缺陷的气体被释放。根据型芯材料的组成，这些添加剂可选自：润湿剂如表面活性剂、影响混合物稠度的添加剂、润滑剂、去烧结添加剂、胶凝剂、改变型芯热物理性质如导热率的添加剂、防止金属粘结到型芯上的添加剂、产生更好均匀化和可混合性的添加剂、提高保存能力的添加剂、防止过早硬化的添加剂、防止浇铸过程中烟雾-和冷凝物形成的添加剂、以及导致加速硬化的添加剂。这些添加剂对于常规型芯制造领域的技术人员是已知的。这些物质的加入量取决于型芯材料的类型和组成。

为了型芯在干压工艺后具有必要强度，取决于型芯材料的组成，可能有必要使用经调整引发和加速硬化的催化剂。

令人惊奇地已经证实，加入尤其精细粒度的盐、优选加入颗粒大小在100nm以下的粉状盐，起作为硬化的催化剂的作用。

如果使用根据本发明的气态催化剂，则可将影响型芯材料尤其用于干压后型芯硬化和干燥的气体，优选CO₂或空气吹入到仍闭合的压模内。压力最高可为5巴。

型芯在最该500℃的温度下的后续热处理也是可能的。

型芯材料由盐和粘结剂以及如果需要时的添加物如填料、添加剂和催化剂组成，其中填料和粘结剂为无机材料。可使用已知的混合设备均匀混合所有材料。必须根据型芯的用途目的选择粘结剂和添加物的添加量，并决定型芯的表面品质以及密度和强度。

对于型芯材料到可用型芯的进一步加工而言，型芯材料以怎样的形式存在至关重要。如果如在本发明的情况中优选固体型芯材料，则型芯材料是否凝结或去凝结以及它们是否以能自由流动形式存在是十分重要的。只有能自由流动的型芯材料才能用于本发明的优选的成型方法的干压方法中，自动并完全地填充所谓的填充金属腔（Füllschuhe）。因此，根据本发明，尤其优选盐、用作粘合剂材料的水玻璃和被混入的其它共同混合物的可自由流动的混合物作为型芯材料。

型芯材料的整理与制造过程分开进行，其中如果需要，必需设计合适的保护措施以防止结块和过早硬化。例如，根据型芯材料的组成，可在保护性气体或真空下进行整理、传送和存储。

型芯的组成和性质对铸件的质量有相当大的影响。

按照浮力法测定，根据本发明制造的基于氯化钠的盐基型芯通常具有1.5g/cm³至1.9g/cm³的密度，优选1.2g/cm³至1.8g/cm³。这相当于10％－35％、优选5%-25%的孔隙率。根据VDG手册P73测量的弯曲强度在400N/cm²和1500N/cm²之间。

所以借助于实施例，将在下面列出最重要的性质。给出的性质涉及未用铸型涂料覆盖的型芯。

为使用NaCl的型芯，其还具有以下额外物质，如水玻璃粘结剂和其它添加物如分离剂、凝固延迟剂和润湿剂。用50-120巴的压力在液压机上形成型芯。在200℃的温度下，持续60分钟时间进行后续热处理用于硬化。本发明的型芯尤其适于和铝金属型铸造结合使用。为了能承受浇铸时出现的温度和力度，型芯必须尺寸稳定。在具有以下尺寸的样品上测定型芯的机械性质：180mm长度，22mm宽度和22mm高度。按照VDG手册P73（1996年2月）测量的弯曲强度为400和1500 N/cm²。 

型芯的表面不允许在金属流入时被冲掉或破坏。因此，型芯必需具有相应的表面强度。其孔隙率也具有重要作用。在本实施例中，孔隙份额为30。

在铸件完全固化后，必须去除型芯。在这个步骤中重要的是，型芯立即并没有固体残余物地完全和容易地溶解。（注：如果在本发明范围内的述及“水溶性的”、“溶解”或“完全溶解”，这并不必然表示化学意义上的溶解。决定性的是，根据本发明的型芯组分能容易地、完全且不留下任何残余物地从工件型腔中去除。）通常，根据本发明的型芯的溶解速度取决于型芯的材料以及其预处理和型芯尺寸。在纯盐的情况中，溶解速度可从具有粘合剂和填充剂的组合物的偏离试验利用试验部件得到证实，具有22 mm x 22 mm x 180 mm尺寸的型芯可用热水在1至2分钟时间内从铸件中完全洗出。

由上文表明，根据本发明的教导的基于盐的型芯涉及：

 其可通过成型和压缩型芯材料混合物来制造，其型芯材料选自至少一种盐、至少一种粘合剂和任选的助剂如添加剂、填料、润湿剂和催化剂，其中盐、粘合剂和任选使用的助剂为无机的，所述型芯材料用水作为溶剂可溶且将型芯材料混合物成型为型芯并以干压方法压缩。

型芯优选是

 在其中使用分解点或熔点在环绕型芯浇铸的液态金属的温度以上的盐；

 在其中作为盐使用碱金属-和碱土金属元素的氯化物，尤其是氯化钠、氯化钾和/或氯化镁；碱金属-和碱土金属元素的硫酸盐和硝酸盐，尤其是硫酸钾和/或硫酸镁；铵盐，尤其是硫酸铵，或这些盐的混合物；

 在其中所述盐是氯化钠；

 在其中使用的盐的粒度大小在0.01mm至2mm的范围；

 在其中使用的盐具有双峰或三峰粒度大小分布；

 在其中使用的盐具有在0.01-0.29mm、0.3-1.3mm和/或1.31-2.0mm中的粒度大小分布；

 在其中使用可用水除去且不留下任何残余物的无机磷酸盐、无机硼酸盐、硅酸盐化合物或这些粘合剂的混合物作为粘合剂；

 在其中使用可用水除去且不留下任何残余物的碱金属磷酸盐或磷酸铵、磷酸铝、磷酸硼或多磷酸钠或这些粘合剂的混合物作为粘合剂；

 在其中使用水溶性硅酸盐化合物、优选使用水玻璃作为粘合剂；

 在其中使用具有水玻璃模数为1-5的水玻璃和/或具有不同水玻璃模数的水玻璃的混合物作为粘合剂；

 在其中粘合剂的比例在0.5重量%和15重量%之间；

 在其中粘合剂的比例取决于润湿行为和水玻璃模数，在0.5重量%和15重量%之间；

 在其中取决于粒度大小分布并与水玻璃模数相协调，具有0.5重量%至15重量%的比例的水玻璃作为粘合剂；

 在其中作为助剂加入催化剂；

 在其中催化剂是特别精细颗粒的盐、优选具有颗粒大小在100nm以下的粉状盐；

 在其中所述盐是氯化钠，其优选以双峰或三峰粒度大小分布，特别优选以0.01-0.29mm、0.3-1.3mm和/或1.31-2.0mm中的粒度大小分布存在，粘合剂为水玻璃，催化剂是特别精细颗粒的盐、优选具有颗粒大小在100nm以下的粉状盐，任选包含其他助剂如添加剂、填料、润湿剂和/或其他催化剂，并且型芯材料的混合物是可自由流动的；

 在其中将所述型芯在成型后热处理；

 在其中将所述型芯在成型后在500℃的温度下热处理；

 在其中所述成型的型芯具有1.5 g/cm³至1.9 g/cm³、优选1.2 g/cm³至1.8 g/cm³的密度；

 在其中所述成型的型芯具有10%至40%、优选5%至25%的孔隙率；

 在其中所述成型的型芯具有400 N/cm²和1500 N/cm²之间的抗弯曲强度。

根据本发明的教导还涉及：

 制造盐基型芯的方法，其中以非液体形式均匀混合选自至少一种盐、至少一种粘合剂和任选的助剂如添加剂、填料、润湿剂和或催化剂的型芯材料的型芯材料混合物，成型为型芯并以干压方法压缩。

优选的方法是，在其中

 使用和混合具有不同分布曲线的粒度大小、优选以双峰或三峰粒度分布的盐；

 作为盐选择碱金属-和碱土金属元素的氯化物，尤其是氯化钠、氯化钾和/或氯化镁；碱金属-和碱土金属元素的硫酸盐和硝酸盐，尤其是硫酸钾和/或硫酸镁；以及铵盐，尤其是硫酸铵，或这些盐的混合物，任选与其他助剂均匀混合，成型为型芯并以干压方法压缩；

 根据材料、由金属待浇铸的工件的所希望的表面品质和轮廓精密度使用具有范围在0.01mm至2mm的粒度大小的型芯材料，成型为型芯并以干压方法压缩； 

 将型芯材料均匀混和成可自由流动的型芯材料混合物，成型为型芯并以干压方法压缩。

根据本发明的型芯可用作例如金属铸件生产、优选金属型铸造技术中型腔中的空腔占位器。

Claims (27)

1.盐基型芯，其可通过型芯材料混合物的成型和压缩制造，其型芯材料选自至少一种盐、至少一种粘合剂和任选的助剂如添加剂、填料、润湿剂和催化剂，其特征在于，所述型芯材料混合物的盐、粘合剂和任选使用的助剂为无机的，所述型芯材料用水作为溶剂可溶且将型芯材料混合物成型为型芯并以干压方法压缩。

2.根据权利要求1的盐基型芯，其特征在于，所述型芯材料混合物是可自由流动的。

3.根据权利要求1或2的盐基型芯，其特征在于，使用分解点或熔点在环绕型芯浇铸的液态金属的温度以上的盐。

4.根据权利要求1至3的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，作为盐使用碱金属-和碱土金属元素的氯化物，尤其是氯化钠、氯化钾和/或氯化镁；碱金属-和碱土金属元素的硫酸盐和硝酸盐，尤其是硫酸钾和/或硫酸镁；铵盐，尤其是硫酸铵，或这些盐的混合物。

5.根据权利要求1至4的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述盐为氯化钠。

6.根据权利要求1至5的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所用盐的粒度大小在0.01mm至2mm的范围。

7.根据权利要求1至6的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所用盐具有双峰或三峰的粒度大小分布。

8.根据权利要求1至7的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所用盐具有0.01-0.29mm、0.3-1.3mm和/或1.31-2.0mm的粒度大小分布。

9.根据权利要求1至8的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，作为粘合剂使用可用水除去且不留下任何残余物的无机磷酸盐、无机硼酸盐例如碱金属磷酸盐或磷酸铵、磷酸铝、磷酸硼或多磷酸钠，硅酸盐化合物优选水玻璃，或所述粘合剂的混合物。

10.根据权利要求1至8的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述粘合剂为具有水玻璃模数为1-5的水玻璃和/或具有不同水玻璃模数的水玻璃的混合物。

11.根据权利要求1至10的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述粘合剂的比例在0.5重量%和15重量%之间。

12.根据权利要求1至11的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，取决于润湿性质和水玻璃模数，所述粘合剂的比例在0.5重量%和15重量%之间。

13.根据权利要求1至12的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，取决于粒度大小分布并与水玻璃模数相协调，包含0.5重量%至15重量%的比例的水玻璃作为粘合剂。

14.根据权利要求1至13的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，添加催化剂作为助剂。

15.根据权利要求1至14的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述催化剂为特别精细颗粒的盐，优选具有颗粒大小在100nm以下的粉状盐。

16.根据权利要求1至15的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述盐为氯化钠，优选具有双峰或三峰粒度大小分布，特别优选具有0.01-0.29mm、0.3-1.3mm和/或1.31-2.0mm的粒度大小分布，所述粘合剂为水玻璃，所述催化剂为特别精细颗粒的盐，优选粒度大小在100nm以下的粉状盐，包含任选的助剂，如添加剂、填料、润湿剂和/或其它催化剂，并且所述型芯材料的混合物是可自由流动的。

17.根据权利要求1至16的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述型芯在成型后进行热处理。

18.根据权利要求1至17的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述型芯在成型后在500℃的温度下进行热处理。

19.根据权利要求1至18的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述成型的型芯具有1.5g/cm³至1.9g/cm³、优选1.2g/cm³至1.8g/cm³的密度。

20.根据权利要求1至19的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述盐基型芯具有10％－40％、优选5％-25%的孔隙率。

21.根据权利要求1至20的一项或多项的盐基型芯，其特征在于，所述盐基型芯具有400N/cm²和1500N/cm²之间的弯曲强度。

22.制造盐基型芯的方法，其特征在于，以非液体形式均匀混合选自至少一种盐、至少一种粘合剂和任选的助剂如添加剂、填料、润湿剂和或催化剂的型芯材料的型芯材料混合物，成型为型芯并以干压方法压缩。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于，使用和混合具有不同分布曲线的粒度大小、优选以双峰或三峰粒度分布的盐。

24.根据权利要求22或23的方法，其特征在于，作为盐使用碱金属-和碱土金属元素的氯化物，尤其是氯化钠、氯化钾和/或氯化镁；碱金属-和碱土金属元素的硫酸盐和硝酸盐，尤其是硫酸钾和/或硫酸镁；以及铵盐，尤其是硫酸铵，或这些盐的混合物，任选与其他助剂均匀混合，成型为型芯并以干压方法压缩。

25.根据权利要求21－24的一项或多项的方法，其特征在于，根据材料、由金属待浇铸的工件的所希望的表面品质和轮廓精密度使用具有范围在0.01mm至2mm的粒度大小的型芯材料，成型为型芯并以干压方法压缩。

26.根据权利要求21－25的一项或多项的方法，其特征在于，将型芯材料均匀混和成可自由流动的型芯材料混合物，成型为型芯并以干压方法压缩。

27.根据权利要求1－20的一项或多项的盐基型芯作为金属型铸件制造、优选在金属型铸造中的空腔占位器的应用。