CN104066532B - 三维层叠造型用的型砂 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，通过使以型砂制成的铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量不大于0.9％，并且使混入了固化剂的型砂在坍塌试验中的坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)为不小于1.65；可获得一种三维层叠造型用的型砂，其可适用于使用自固化型的三维层叠造型砂模来制作的铸型中，具有最适于防止发生铸疵缺陷的低热膨胀性，并且能够形成大型且复杂的形状。

Description

三维层叠造型用的型砂
技术领域
本发明涉及一种应用于铸造用有机自固化式铸型中的三维层叠造型用的型砂，特别涉及一种铸造时不发生铸疵缺陷的砂模用型砂(molding sand)。
背景技术
现在，具有各种形状、大小以及材质的铸造产品应用于各个领域。
另外，近年来，需要复杂铸型即砂模等难以铸造的产品正在不断增多。为此，正在积极开展利用基于有机粘结剂而具有铸造后容易除去且容易制造型砂、强度高且变形少等特征的砂模(铸型)。
另一方面，作为大型柴油发动机用的气缸盖等基材，与汽车等用的小型部件相比，要求更高的强度，因此，采用了高熔点而难以铸造的铸铁。
为此，作为制作浇铸所述铸铁等时的砂模的方法，有三维层叠造型法、即，RP(Rapid prototyping；快速成型)造型法，该方法是一种根据3DCAD数据直接制造砂模的技术(例如专利文献1)。该RP造型法具有能够容易制作出复杂形状的砂模，且尺寸精度良好的优点。
另外，使用了基于有机粘结剂的铸型的RP造型法分类为：在混和了作为用于使树脂固化的催化剂的固化剂的砂上，涂刷(printing)了混合后的(mixed)树脂的两种液体混合的自固化型；以及对预先涂敷了树脂的砂(RCS：Resin coated sand；树脂覆膜砂)照射激光而使其固化的热固型等。
在此，热固型的三维层叠造型所使用的树脂耐热性优异，因此，能够适用于从(from)低温浇铸的铝合金到高温浇铸的铸铁或铸钢等众多的材质。为此，以往对铸铁等高熔点金属使用了热固型的造型法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-168840号公报
专利文献2：日本特开平5-169184号公报
专利文献3：日本特开2003-251434号公报
专利文献4：日本特开2004-202577号公报
发明内容
发明所需解决的问题
但是，采用热固型的三维层叠造型技术，难以使所使用的装置大型化，因此，无法获得大的造型物，即使试着进行大造型物的造型，其造型也需要极多的时间。因此，存在无法适用于大型产品的问题。另外，由于仅仅通过激光照射而无法获得充分强度，因此需要在造型后进行热处理以提高强度也要花费不少工时。
与此相对，基于两种液体混合的自固化型的三维层叠造型法，通过使用大型的涂刷头(Printer head)能够快速造型出大的造型物，因此，能够适用于造型大型产品，从制造成本、生产率观点来考虑，该三维层叠造型法也是有利的造型方法。另外，由于仅仅通过树脂的涂刷能够获得充分的强度，因此(该三维层叠造型法)也具有无需在造型后实施热处理的优点。
因此，发明人试行利用三维层叠造型砂模来铸造铸铁制气缸盖(Cylinder head)，该三维层叠造型砂模采用两种液体混合的自固化型的RP造型法来制作，即，在混和了作为用于使树脂固化的催化剂的固化剂的砂上涂刷树脂。
然而，最近发现采用现有的方法，使用天然硅砂时，容易发生如图1所示的称为铸疵缺陷的毛刺状缺陷。特别是当所述毛刺状缺陷发生于复杂形成的槽等的内部时，通过再加工也无法除去毛刺缺陷，这是一个很大的问题。
发明人对所述新问题进一步进行反复研讨，以提出实现解决问题的方案。
其结果为，在目前的三维层叠造型中，主要使用硅砂制作了铸造用砂模，但判明硅砂会在570℃左右发生结构相转移而使体积膨胀，由此引起铸型发生微细破裂，而熔融金属会侵入该破裂缝中。
发明人基于所述见识，近年来，对以提高砂的流动性和耐火性为目的的人工砂、例如采用如专利文献2～4记载的烧结法、熔融法(雾化法)及火焰熔融法等而制成的人工砂的低热膨胀性很重视，试着将其应用到三维层叠造型法中(参照图2)。
然而，仅仅将人工砂与固化剂搅混起来，型砂的流动性极差，在如图3所示的以形成复杂形状为目的而将砂层叠起来的涂敷器(recoater)中，型砂无法流动。
此外，已经被证实的是，上述热固型的RP造型法预先将树脂涂敷在型砂上，因此不存在流动性的问题。另外，在所述自固化型的砂模中，通常使用了由天然砂添加固化剂混和而成的砂。
本发明是有利于解决所述问题而提出的，目的在于提供一种三维层叠造型用的型砂，其可适用于使用自固化型的三维层叠造型砂模来制作的铸型中，具有最适于防止发生铸疵缺陷的低热膨胀性，并且能够形成大型且复杂的形状。
用于解决问题的手段
发明人为了解决所述问题，进一步反复深入研究了诸如人工砂之类的热膨胀性和流动性。发明人进而查明，为了实现具有不发生铸疵缺陷的热膨胀性的同时还可形成大型且复杂形状的目的，要求(在铸模中)混入可将砂层叠起来的型砂，便能够具有预定的热膨胀特性和流动性。
本发明正是基于上述发现而完成的。
即，构成本发明宗旨的要素如下所示。
1.一种三维层叠造型用的型砂，其中混入了固化剂，用作使与所述型砂相混合的(kneaded)树脂固化的催化剂，其中
使用所述型砂而制成的铸型其从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量不大于0.9％，
并且所述型砂的坍塌试验中的坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)不小于1.65。
2.根据上述1所述的三维层叠造型用的型砂，其是通过在天然硅砂(Silica sand，即硅砂)中混入第二成分和所述固化剂而形成的型砂，该第二成分为线性热膨胀量比天然硅砂小的天然砂或人工砂。
3.根据上述2项所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述第二成分是利用烧结法、熔融法和火焰熔融法中任一种方法制成的人工砂，选自新砂、其回收砂及其再生砂中的至少一种。
4.根据上述2或3任一项所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述第二成分的混和比率为型砂质量的40～95％。
5.根据上述1～4中任一项所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述固化剂的混和比率为型砂质量的0.1～1.0％。
6.根据上述3～5中任一项所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述人工砂的平均粒径为所述天然硅砂的平均粒径的0.5～2倍。
发明效果
根据本发明，提供可防止铸疵缺陷发生，同时可制作出大型且复杂形状的铸件的三维层叠造型用的型砂。
附图说明
图1是表示称为铸疵缺陷的毛刺状缺陷的图。
图2是表示人工砂等的热膨胀量的曲线图。
图3是表示供三维层叠造型用的进行砂层叠的涂敷器的图。
图4是表示型砂流动性的测定要领(坍塌试验)的图。
具体实施方式
以下，具体说明本发明。
本发明是一种成型技术，其适用于三维层叠造型(RP造型)法中的两种液体混合的自固化型造型法。
具体地，在本发明中，三维层叠造型用的型砂含有固化剂，其作为使树脂固化的催化剂，以下的这两个参数即线性热膨胀量和粉末流动性是该型砂物性的必需要件。
〔铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量不大于0.9％〕
基于本发明的铸型(砂模)，从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量不大于0.9％。其理由在于，在以该铸型进行铸造的情况下，当其线性热膨胀量大于0.9％时，铸型上会发生微小裂纹等，并由此引发铸疵缺陷。
此外，对线性热膨胀量的下限值不作特别限定，也可为0％，但在工业生产上，其下限值为0.8％左右。
〔坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)不低于1.65〕
本发明中的型砂的粉末流动性能够以坍塌试验中的坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)之比(D/d)来表示。
即，在本发明中，通过如图4所示的称为坍塌试验用于测定型砂流动性的试验，求出坍塌直径(D)。所述坍塌直径(D)是指，在称为坍落度筒1的杯子中装满砂2，从平板3上提起坍落度筒时，砂2发生扩散后的直径。
例如，在本发明中，使用了开口部直径为70mm、底面部直径为50mm且高度为80mm的坍落度筒。在此，如上述图4所示，开口部的直径70mm即为坍落度筒直径d。
并且，关于型砂的流动性，能够通过测定垂直提起坍落度筒时的坍落流动度、即型砂的扩散直径(D)，利用其坍塌直径(D)，求出其与坍落度筒直径之比(D/d)来进行评价。
在此，在本发明中，所述比值(D/d)要求不小于1.65；其理由在于，若所述比值(D/d)小于1.65时，型砂的流动性极差，在如图3所示那样以形成复杂形状为目的而进行型砂层叠的涂敷器中，型砂无法流动。
此外，对所述比值(D/d)的上限值不作特别限定，但在工业上可实现的比值(D/d)约为2.0。
〔固化剂〕
作为本发明所使用的使树脂固化具有催化剂功能的固化剂，只要是现有公知的固化剂、即能够在常温下使呋喃树脂等有机性树脂固化的任何固化剂都合适。例如，以二甲苯磺酸或甲苯磺酸作为主成分的固化剂在处理上很优异，因此较为优选。
另外，固化剂的混和比率优选为在型砂总质量的0.1～1.0％的范围内，其理由在于，当以该比率范围混和固化剂时，型砂的造型性与流动性达到最佳平衡。
在本发明中，只要一般用作型砂的原料的所述线性热膨胀量和所述比值(D/d)能够分别满足如上所述的参数，则不对型砂的原料作特别限定，例如，对于天然硅砂，在其中混入以下所示的第二成分和上述固化剂也可行。
〔第二成分〕
所述第二成分优选为线性热膨胀量比天然硅砂小的天然砂或人工砂，其与型砂的质量混和比率优选在40～95％的范围内。其理由在于，将具有所述线性热膨胀量的天然砂或人工砂以所述混和比率混入，容易将使用型砂制成的铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量调整为不大于0.9％。
此外，天然砂包括锆砂。另外，本发明中的第二成分无需是如由某种氧化物构成的人工砂那样的单一物质，例如，即使是天然砂或人工砂的混合物，或者混合了以下的多种人工砂，只要分别满足所述线性热膨胀量和所述比值(D/d)就没有问题。
〔人工砂〕
在本发明中，所述第二成分为由烧结法、熔融法或火焰熔融法制成的人工砂，其可使用选自于新砂、其回收砂及其再生砂中的至少一种砂。特别是通过烧结法制成的人工砂，其平均粒径为天然硅砂的平均粒径的0.5～2倍，具体为80～200μm左右的人工砂在处理上较为优选。
另外，作为其组分，氧化铝(Al-O系)、多铝红柱石(Al-Si-O系)以及多铝红柱石-锆石(Al-Si-Zr-O系)的混合体系等为优选。
此外，本发明中，人工砂的真球度未作特别限定，可以是公知的人工砂。另外，本发明中所述平均粒径采用了以激光衍射式粒度分布计测定的值。
〔天然硅砂〕
在本发明中，天然硅砂优选平均粒径在80～250μm的范围内。
在本发明中，优选在所述天然硅砂中混入所述第二成分以及固化剂，混和时所使用的设备可以是现有公知的装置，例如，能够使用用于搅混水泥、砂浆等多种混合装置。另外，搅混条件只要依据使用该搅混装置时的常规方法即可。
以上，对本发明所涉及的的各条件进行了说明，以下汇总主要的参数。
人工砂
平均粒径：优选为天然硅砂的平均粒径的0.5～2倍，更优选为0.7～1.5倍。进而，优选为80～250μm，更优选为100～200μm。
天然硅砂
基本组成：以SiO2作为主成分(质量百分含量不小于70％)，剩余部分为不可避免的杂质。
平均粒径：优选为80～250μm，更优选为100～200μm。
人工砂的混和比率：优选为型砂质量的40～95％，更优选为型砂质量的50～95％。
第二成分的线性热膨胀量：线性热膨胀量优选为比天然硅砂小0.5～1.5％左右。
固化剂的混和比率：优选为型砂质量的0.1～1.0％，更优选为型砂质量的0.1～0.7％。
铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量：必须为不大于0.9％，优选为不大于0.8％。
坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)：必须不小于1.65，优选不小于1.8。
〔RP造型法与铸造〕
本发明使用了三维层叠造型(RP造型)法，在制造上模用砂模时，基于以3DCAD设计上模形状所获得的数据，可以不使用机械加工，能够一边逐层地层叠材料一边直接形成上模用砂模。优选使用了涂刷造型法。更具体地，使用RP砂模造型装置(例如Prometal RCT S-print(商标)，销售代理商：株式会社EX ONE)，首先，利用具有如图3所示那样的涂敷器的刮刀(blade)机构，使型砂的薄层沿着平坦表面均匀扩散开。其中，基于所述3DCAD数据，使喷墨喷嘴头对该薄层中所期望的区域进行扫描，而涂刷了作为有机树脂的粘结剂(粘合剂)。此时，一层厚度优选在200～500μm的范围内。更优选在200～300μm的范围内。其理由在于，使涂刷厚度达到上述厚度，能够形成更复杂形状的砂模。
作为涂刷有粘结剂的区域的层处于接合状态，并且与形成好的下层结合起来。接着，在上部依次形成薄层并涂刷粘结剂，该工序要反复进行，直到完成整个上模用砂模。
最终，未附着有粘结剂的型砂处于非结合的状态，因此，当从装置中取出上模用砂模时，能够容易除去型砂，从而分离上模用砂模。经过以上的工序，能够制造出所期望三维结构的上模用砂模。
此外，上述粘结剂(有机树脂)优选使用呋喃树脂。呋喃树脂，例如包括以呋喃甲醇、由呋喃甲醇与醛类形成的缩合物、由酚醛类与醛类形成的缩合物、以及由尿素与醛类形成的缩合物所构成的组中选出的一种或以上；或由从上述组中选出的2种或以上缩合物构成的呋喃树脂。
在本发明中，通过分别以各优选的条件实施所述各工序，能够制作出高熔点难以铸造的器件，例如铸铁制成的大型气缸盖等。
[实施例]
以下，对实施例进行说明。
使用混和搅拌机将天然硅砂和人工砂与固化剂搅混起来，以形成为型砂，使用了带有如图3所示的涂敷器的刮刀机构(a blade mechanism having a recoater)，使型砂的薄层均匀地扩散于平坦的表面上，基于预定的3DCAD数据，使喷墨喷嘴头扫描该薄层中所期望的区域，涂刷了作为有机树脂的粘结剂(结合剂)。此外，其中单层厚度为200～400μm。
在此，所述实施例所使用的天然硅砂、人工砂、固化剂以及有机树脂的各参数如下所示。
人工砂：以熔融法制成的由铝红柱石与硅石混合而成的组合砂；平均粒径：130μm；真球度：0.98。
此外，所述真球度是通过〔具有与粒子投影面积相同的面积的真圆的周长(mm)〕/〔粒子在投影面上的周长(mm)〕的式子来求出的值。另外，对于式中的两个周长，能够通过拍摄该粒子的放大(特写)照片，接着将其照片放置于图像分析装置上来求出。此外，对任意十个左右的粒子进行计算，将其平均值作为该粒子的真球度。
天然硅砂的平均粒径：140μm
固化剂：以甲苯磺酸作为主成分，包含质量百分比约为5％的硫酸
人工砂的混和比率为型砂质量的60％
固化剂的混和比率为型砂质量的0.3％
由所述基材制成的铸型以及型砂的物性如下所示。
铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量：0.8％
坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)：1.8
此外，本实施例中，使用了开口部直径(d)85mm、底面部直径58mm且高度140mm的坍落度筒。
造型时使用上述型砂，按以下所示条件，利用RP造型法进行铸造。
单层厚度：300μm
有机树脂：呋喃甲醇
铸造
铸件的材质(规格)：FCD500
形状：柴油发动机用气缸盖
其结果为，所述发明例能够形成无需追加热处理的砂模(铸型)，进而，在使用其砂模的铸造工序中，全部不会发生铸疵缺陷，并且能够制作出具有所期望形状的铸件。
与此相对，作为比较例，制作出由天然硅砂与固化剂混和而成的型砂(比较例1)，以及由人工砂与固化剂混和而成的型砂(比较例2)，采取上述同样的条件的RP造型法来制作铸型，以相同材质的铸钢进行相同形状的铸造。
此外，所述天然硅砂与人工砂与固化剂使用了具有与所述发明例相同物性的物质。
在比较例1中，结果获得以下的物性参数。
铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量：1.5％
坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)：2.0。
另外，在比较例2中，结果获得以下的物性参数。
铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量：0.2％
坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)：1.5。
并且，使用以所述型砂制成的砂模进行铸造。其结果为，在比较例1中，在产品表面的所有部位发生多个铸疵缺陷；另一方面，在比较例2中，无法形成型砂的薄层，也无法能够制造出所期望的铸型。此外，比较例2的铸型的线性热膨胀量是通过对利用砂浆搅拌机混和了与发明例同量的树脂、固化剂量而成形的铸型的线性热膨胀量进行测定，并加以记载。
产业上的可利用性
依照本发明，能够将以无需热处理的RP造型法形成的砂模应用到作为具有复杂中空结构的高熔点的铸件的发动机气缸盖、发动机用水箱、发动机用缸体以及大型泵用叶轮等的制造中。
附图标记说明
1 坍落度筒
2 砂
3 平板

Claims (10)

1.一种三维层叠造型用的型砂，所述三维层叠造型为两种液体混合的自固化型三维层叠造型法，其中混入固化剂，以作为用于使树脂固化的催化剂，其中，
使用所述型砂制成的铸型从常温加热到1000℃时的线性热膨胀量为不大于0.9％，
并且所述型砂在坍塌试验中的坍塌直径(D)与坍落度筒直径(d)的比值(D/d)为不小于1.65。
2.根据权利要求1所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述型砂是由天然硅砂混入第二成分和所述固化剂而形成的型砂，该第二成分为线性热膨胀量比天然硅砂小的天然砂或人工砂。
3.根据权利要求2所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述第二成分是采用烧结法或熔融法制成的人工砂，选自新砂、其回收砂及其再生砂中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述熔融法为火焰熔融法。
5.根据权利要求3所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述第二成分的混和比率为型砂质量的40～95％。
6.根据权利要求2所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述第二成分的混和比率为型砂质量的40～95％。
7.根据权利要求1所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述固化剂的混和比率为型砂质量的0.1～1.0％。
8.根据权利要求2～6中任一项所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述固化剂的混和比率为型砂质量的0.1～1.0％。
9.根据权利要求8所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述人工砂的平均粒径为所述天然硅砂平均粒径的0.5～2倍。
10.根据权利要求3～6中任一项所述的三维层叠造型用的型砂，其中，所述人工砂的平均粒径为所述天然硅砂平均粒径的0.5～2倍。
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