CN104364033B - 铸造模具和利用其制得的铸造物品 - Google Patents

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Abstract

一种铸造模具包括：碳膜，至少所述铸造模具的形成型腔的表面覆盖有所述碳膜；和模具油，所述碳膜的表面涂覆有所述模具油。在所述铸造模具中，所述模具油添加有铝粉末。

Description

铸造模具和利用其制得的铸造物品
技术领域
本发明涉及一种铸造模具——其中至少所述铸造模具的形成型腔的表面覆盖有碳膜——和利用所述铸造模具制得的铸造物品。
背景技术
利用铸造模具铸造金属制品的技术使得能制造大量具有一定形状和一定品质水平的产品，并且该技术适用于由各种金属材料制成的铸造物品的制造。在铸造过程中，铸造模具的形成要充填熔融金属的型腔的表面通常涂覆有脱模剂。因而，当形成的制品从铸造模具被取出时，铸造制品或物品易于从铸造模具脱离。然而，如果重复铸造过程，则金属材料可能咬粘或附着在铸造模具上，或者铸造物品变得难以从铸造模具脱离。
例如，当通过压铸法铸造铝合金等时，熔融铝被高速、高压地充入铸造模具的型腔中。结果，可能在铸造模具的与熔融铝接触的部分发生熔融金属的咬粘，或在从铸造模具取出铸造物品时脱模阻力可能变大，由此铸造物品的一部分可能附着在铸造模具上。
鉴于上面这一点，已提出了这样一种铸造模具，其中至少铸造模具的形成型腔的表面覆盖有由纳米碳构成的碳膜，并且该碳膜涂覆有富勒烯(参见例如日本专利申请公报No.2010-036194(JP 2010-036194A))。
然而，即使在使用如JP 2010-036194A中所述的铸造模具的情况下，铸造模具的拉拔阻力也很高，并且在铸造模具的拔模斜度小的情况下铸造物品的一部分可能附着在铸造模具的内侧。这种情况下，可以考虑增大拔模斜度，但拔模斜度的增大可能导致铸造物品的形状自由度的减小。
发明内容
本发明提供了一种铸造模具，该铸造模具使得即使在铸造模具的拔模斜度小的情况下也更容易从铸造模具脱离铸造物品，并降低铸造物品的一部分附着在铸造模具上的可能性。本发明还提供了一种利用该铸造模具制得的铸造物品。
本发明的第一方面涉及一种铸造模具。所述铸造模具包括：碳膜，至少所述铸造模具的形成型腔的表面覆盖有所述碳膜；和模具油，所述碳膜的表面涂覆有所述模具油。所述模具油添加有铝粉末。
根据本发明的上述方面，模具油添加有铝粉末，使得在铸造期间其上形成有模具油的油膜的铝粉末存在于铸造模具的形成型腔的表面和铸造物品的表面之间。结果，当从铸造模具脱离铸造物品时，铝粉末降低铸造模具对铸造物品的拉拔阻力，并且能提高从铸造模具脱离铸造物品的容易性。
在本发明的上述方面中，所述铝粉末可由片状铝颗粒构成。
对于由这样添加至模具油的片状铝颗粒构成的粉末，当从铸造模具移除铸造物品时，片状铝颗粒在与铸造模具的表面和铸造物品的表面对向的状态下存在于这些表面之间。因而，能经由片状铝颗粒进一步降低铸造模具的形成型腔的表面和铸造物品的表面之间的拉拔阻力。
在本发明的上述方面中，所述模具油还可添加有石墨粉末。
对于这样进一步添加至模具油的石墨粉末，石墨粉末的颗粒存在于添加至模具油的铝粉末的颗粒之间。结果，抑制了铝粉末的颗粒之间的附着，并且能降低铸造模具的形成型腔的表面和铸造物品的表面之间的摩擦。
在本发明的上述方面中，所述石墨粉末可由片状石墨颗粒构成。
对于这样添加至模具油的由片状石墨颗粒构成的粉末，片状石墨颗粒易于存在于铝颗粒之间。结果，能进一步降低铸造模具的形成型腔的表面和铸造物品的表面之间的拉拔阻力。
在本发明的上述方面中，所述模具油可含有10至34质量％的所述铝粉末、24质量％以下的所述石墨粉末和40至64质量％的耐热温度在250℃以上的精制矿物油。
利用如上所述的模具油，铸造物品更容易从铸造模具脱离，并且铸造物品的一部分不易或不太可能附着在铸造模具上。
在本发明的上述方面中，所述碳膜可包含从由碳纳米线圈、碳纳米管和碳纳米丝构成的组中选出的至少一种纳米碳。
利用如上所述的含有纳米碳的碳膜，模具油可进入纳米碳的间隙或凹凸中，使得模具油能被保持在碳膜中。因此，能减小碳膜表面的摩擦。
本发明的第二方面涉及一种铸造物品。所述铸造物品是利用如上所述的铸造模具制得的。
根据本发明的上述方面，利用如上所述的铸造模具制得的铸造物品的一部分不易或不太可能附着在铸造模具上。此外，铸造模具的拔模斜度能减小为比通常的模具小，从而能获得具有期望形状的铸造物品。
根据本发明的第一和第二方面，即使当铸造模具的拔模斜度小时，铸造物品也能更容易地从铸造模具脱离，并且铸造物品的一部分不易或不太可能附着在铸造模具上。这使得能减少铸造模具的维护，并提高生产效率。而且，铸造模具的拔模斜度能减小为比通常的模具小；因此，能获得具有期望形状的铸造物品。
附图说明
下面将参照附图说明本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：
图1A是根据本发明一个实施例的铸造模具的示意性剖视图；
图1B是图1A中的A部分的局部扩大视图，该视图是示出铸造模具在它涂覆有模具油之前的表面状态的示意性剖视图；
图1C是示出在图1B的铸造模具涂覆有模具油之后该铸造模具的表面状态的示意性剖视图；
图2A是说明在示例1和比较例1中使用的脱模阻力测量试验装置的视图，该视图示出模具油涂覆工序；
图2B是说明在示例1和比较例1中使用的脱模阻力测量试验装置的视图，该视图示出熔融金属浇铸工序；
图2C是说明在示例1和比较例1中使用的脱模阻力测量试验装置的视图，该视图示出通过拉拔来测量脱模负荷的工序；
图3是示出对示例1和比较例1的试件进行脱模阻力测量的试验结果的视图；以及
图4是在示例2中使用的压铸装置的模的示意性剖视图。
具体实施方式
将参照图1A至图1C说明本发明的一个实施例。
如图1A所示，根据本实施例的铸造模具1适于铸造由铝或铝合金制成的铸造物品。铸造模具1的母材为诸如热加工工具钢之类的铁基材料。铸造模具1由一对分割铸造模具11、12构成。一个分割铸造模具11和另一个分割铸造模具12被夹紧，使得在铸造模具1中形成与铸造物品的形状一致的型腔20。上述一个分割铸造模具11设有浇口11a，熔融金属经该浇口浇注到型腔20中。诸如铝合金的熔融金属经浇口11a浇注到型腔20中。
如图1B所示，至少作为一对分割铸造模具11、12的表面的一部分的形成型腔20的表面21覆盖有碳膜22。碳膜22是包括从由碳纳米线圈、碳纳米管和碳纳米丝构成的组中选出的至少一种纳米碳的膜。
为了形成含有纳米碳的碳膜22，可采用例如如日本专利申请公报No.2008-105082(JP 2008-105082 A)中公开的在铸造模具1的分割铸造模具11、12的表面21上形成含有诸如碳纳米线圈、碳纳米管和碳丝之类的纳米碳的碳覆层22的方法。
更具体地，使用气氛炉，并且将分割铸造模具(基材)11、12收纳在气氛炉的加热室中。炉内气氛由诸如氮气、氢气或氩气之类的非氧化气体替代。然后，开始加热。通过加热使炉内升温至一定温度。此后，将诸如乙炔气(C2H2)之类的链式不饱和烃气体作为碳源气体供给。结果，烃在基材的表面上分解成碳和氢，并且碳纳米线圈、碳纳米管和碳丝由于基材中含有的金属(Fe，Ni，Co)的催化而生长。这样，其中存在这些纳米碳的混合物的碳膜22能形成在铸造模具1(11，12)的表面21上。
此外，如图1C所示，分割模具(基材)12的碳膜22的表面涂覆有模具油(脱模剂)30。模具油30添加有铝粉末和石墨粉末。更具体地，模具油30至少含有作为主材的精制矿物油，并且还至少含有铝粉末和石墨粉末。尽管在本实施例中模具油30添加有石墨粉末及铝粉末，但可以不必一定添加石墨粉末，如从后述示例的结果显而易见的。铝粉末由片状铝颗粒31构成，且石墨粉末由片状石墨颗粒33构成。
期望形成铸造模具1(11，12)的型腔20的表面21均匀地涂覆有模具油30。涂覆方法不受特别限制，而是可选自喷涂、刷拭铸造模具1或将铸造模具1浸于含有模具油的油浴中。
优选地，模具油含有10至34质量％的铝粉末。亦即，根据由发明人进行的实验(稍后将说明)，当铝粉末的含量小于10质量％时，或当模具油含有多于64质量％的精制矿物油作为基油时，模具油的铝粉末添加量不足；因此，可能难以通过上述的铝粉末的使用来实现降低拉拔阻力的效果。
构成铝粉末的片状铝颗粒31可通过冲压、更具体地通过在例如捣碎机中连同诸如十八烷酸之类的减摩剂一起压碎铝片来获得。在另一种方法中，片状铝颗粒31可通过球磨、更具体地通过连同钢球一起对转鼓装载利用雾化法获得铝粉末、润滑剂和合适的液体并压碎和研磨铝粉末来获得。
片状铝颗粒31的示例包括由Toyo Aluminum K.K.制造的TCR3030(平均粒径21μm，平均厚度1.2μm，长宽比18)、TCR3040(平均粒径16.7μm，平均厚度0.8μm，长宽比21)、MG1000(平均粒径30μm，平均厚度0.9μm，长宽比33)、7410NS(平均粒径29μm，平均厚度0.8μm，长宽比36)、54-452(平均粒径34μm，平均厚度1.0μm，长宽比34)、1900M(平均粒径28μm，平均厚度0.8μm，长宽比35)，等等。更优选的是，平均粒径在5至30μm的范围内。各上述示例可单独使用，或两种以上类型的铝颗粒可在组合后使用。
模具油含有24质量％以下的石墨粉末。构成石墨粉末的片状石墨颗粒33可通过烧结天然石墨粉末的浆状混合物并通过球磨压碎所获得的烧结 制品来获得。片状石墨颗粒33也可通过压碎由作为原始材料的芳族聚合物膜形成的膜状石墨来获得。优选地，片状石墨颗粒33的平均粒径在1至10μm的范围内。由于这些石墨颗粒存在于铝颗粒之间，所以优选使用粒径小于铝颗粒的石墨颗粒。
使用耐热温度在250℃以上的精制矿物油作为构成模具油30的基油。模具油30相对于模具油的总质量(包括上述粉末)含有40至64质量％的精制矿物油。
如果铝粉末的含量超过34质量％，并且石墨粉末的含量超过24质量％，而精制矿物油的含量小于40质量％，则模具油中的油含量的比例减小，并且可能不会在这些粉末的颗粒的表面上充分形成油膜。
由发明人进行的实验发现，当精制矿物油的耐热温度低于250℃时，精制矿物油在铝合金的铸造期间气化或蒸发，并且难以确保模具油30中的基油的充分油含量。在本发明的该实施例中提到的“精制矿物油的耐热温度”指精制矿物油的使油气化的沸点，并且耐热温度在250℃以上的精制矿物油指沸点在250℃以上的精制矿物油。
如从以上说明理解，当模具油含有40至64质量％的耐热温度(沸点)在上述范围内的精制矿物油时，模具油在铸造期间保持基油(精制矿物油)的充分油含量，且在铝粉末和石墨粉末的颗粒表面上确定地形成油膜。
耐热温度(沸点)在250℃以上的精制矿物油的示例包括诸如重油和轻油之类的精制矿物油。
碳膜22还可涂覆有富勒烯。“富勒烯”是一种具有闭壳结构的碳团簇，并且碳的数目通常为在60至130的范围内的偶数。富勒烯的具体示例包括C60、C70、C76、C78、C80、C82、C84、C86、C88、C90、C92、C94、C96、和各自具有更大数目的碳的高阶碳团簇。除上述富勒烯外，富勒烯还包括富勒烯衍生物，其中富勒烯分子用其它分子或官能基团进行了化学改性。碳膜22可利用上述富勒烯和其它物质的混合物涂覆有富勒烯。
对于这样添加至模具油30的铝粉末，片状铝颗粒31——模具油30的油成分的油膜形成在其上——在铸造期间存在于铸造模具1的形成型腔20 的表面和铸造物品的表面之间，使得铝颗粒31与这些表面对向。
如果进一步添加石墨粉末，则片状石墨颗粒33存在于铝颗粒31之间。在存在石墨粉末的情况下，铝颗粒31之间的附着被抑制或禁止，并且能降低铸造模具的形成型腔的表面和铸造物品的表面之间的拉拔阻力。
另外，形成型腔的表面21覆盖有包括纳米碳的碳膜22，并且碳膜22涂覆有模具油30，使得碳膜22浸渍有精制矿物油，并且油能被保持在碳膜22中。这样，能在铝颗粒和石墨颗粒的表面上稳定地形成由精制矿物油构成的油膜。结果，能降低分割铸造模具11、12和铸造物品之间的摩擦。
因而，当从铸造模具1脱离铸造物品时，铸造模具1对铸造物品的拉拔阻力降低，并且能更容易地从铸造模具1脱离铸造物品。此外，即使铸造模具具有减小的拔模斜度或锥度(例如，拔模斜度等于零)，铸造物品的一部分也很难附于铸造模具上，并且能成功地从铸造模具脱离铸造物品。因此，能提高铸造物品的形状自由度。
在铸造期间，铝颗粒31存在于铸造模具1的形成型腔20的表面和熔融金属之间。因此，熔融金属被禁止碰触铸造模具的表面。因而，能延长铸造模具的使用寿命。
在下文中，将说明本发明的一些示例和比较例。
(示例1)准备尺寸为200mm×200mm×30mm并由铁制成的试件51(根据JISG4404：SKD61)，其对应于铸造模具的基材。将试件51放入气氛炉中。在通过真空泵减压并清除空气之后，使氮气(N2)流过炉，以使得炉内存在N2气氛。然后，在0.5h内升温至480℃，同时使反应气体(硫化氢(H2S)气体，乙炔(C2H2)气体，氨(NH3)气)流过炉。当从加热开始经过0.5h之后温度达到480℃时，停止硫化氢气体的供给。在又经过0.5h之后，停止乙炔气体的供给。在使氨气流过炉的同时将温度保持在480℃又4.5h。此后，停止氨气的供给，用氮气替代炉内气氛，并且温度开始下降。结果，试件的表面覆盖有由纳米碳构成的碳膜，并且在试件和纳米碳碳膜之间形成有氮化物层和硫化层。
然后，通过均匀地混合44质量％的耐热温度在250℃以上的精制矿物 油A(可购得的重油)、20质量％的耐热温度在250℃以下的精制矿物油B(石蜡基油)、24质量％的由片状铝颗粒构成的铝粉末(由Asahi Kasei公司制造的铝粉浆M-801)和由片状石墨颗粒构成的石墨粉末(由ItoKokuen有限公司制造的片状石墨CNP)来制备模具油(脱模剂)。通过涂覆将模具油施加至试件上的碳膜表面，如图2A所示。
(比较例1)以与示例1中相同的方式制备试件。比较例1与示例1的不同之处在于，形成在试件表面上的碳膜涂覆有未添加铝粉末和石墨粉末的模具油。
<脱模阻力测量试验>
利用自动拉力试验装置Lub-Tester-U(可从MEC International有限公司购得)对根据上述示例1和比较例1的试件的形成了碳膜的各被处理表面测量脱模阻力。如图2B所示，Lub-Tester-U是用于以下面的方式测量摩擦阻力的装置。首先，将环体52放置在试件51上，并且将熔融铝M浇铸到环体52中，如图2B所示。在铝凝固之后，将砝码53放置在固态铝上，并通过拉动环体52来测量摩擦阻力，如图2C所示。
更具体地，准备由SKD61制成的环体52。环体52的与试件51接触的表面具有70mm的内径和90mm的外径，并且环体52的高度为50mm。环体52的内径随着在高度方向上测得的离它与试件51接触的表面的距离增大而稍微增大。
使用铝合金压铸件(ADC12：JISH 5302)作为熔融铝M。更具体地，如图2B所示将环体52放置在试件51上，并且将90cc的温度为650℃的熔融铝(ADC12)浇铸到环体52中，冷却40秒，并且凝固。然后，将由铁制成的9kg的砝码53放置在固态铝M上，如图2C所示，并在利用推拉装置54以50mm/s的恒定速度沿箭头方向(图2C中)拉动环体52的同时测量脱模负荷(拉拔阻力)。对示例1和比较例1的各试件进行两次脱模阻力测量试验。结果和拉拔阻力的平均值在图3中示出。在图3中，使拉拔阻力规范化以使得比较例1的拉拔阻力的平均值变成等于1。
<结果1>
如图3所示，根据示例1的试件的拉拔阻力与比较例1相比降低58％。这可能是因为，在示例1的情形中，试件表面和铸造物品表面之间的摩擦由于添加至模具油的铝粉末和石墨粉末而降低。
此外，根据示例1的试件的表面覆盖有含有纳米碳的碳膜，并且碳膜浸渍有模具油的基油。结果，可认为作为基油的精制矿物油供给到所添加的铝粉末和石墨粉末的颗粒的表面以及试件的表面，并且在颗粒的表面上稳定地形成了油膜。因此，可认为低摩擦状态可以持续和稳定地出现，并且根据示例1的试件的拉拔阻力与比较例1相比降低。
(示例2)制造如图4所示的铝铸造装置6的压铸模。压铸模是用于由SKD 61制成的汽车变速驱动桥的壳体的铸造模具。该压铸模由固定模具61和可动模具62构成。当固定模具61和可动模具62被夹紧在一起时，在固定模具61和可动模具62之间形成型腔63。型腔63由固定模具61的型腔表面和可动模具62的型腔表面包围，并且由固定模具61和可动模具62形成的拔模斜度等于零。型腔表面71、72以与示例1相同的方式覆盖有碳膜，并且对于如下面将说明的各铸造试验通过涂覆向碳膜施加具有如下表1所示的组分1至8的模具油的各样品。具有组分2的模具油对应于在示例1中使用的模具油。
表1
Com.：组分
(比较例2)以与示例2中相同的方式制造固定模具61和可动模具62。比较例2与示例2的不同之处在于，对固定模具61和可动模具62的型腔 表面71、72进行氮化处理而不是用碳膜覆盖，以使得型腔表面71、72覆盖有氮化物膜。在比较例2中，同样，与示例2中一样对各铸造试验通过涂覆向覆盖有氮化物膜的型腔表面71、72施加具有如上表1中所示的组分1至8的模具油的各样品。
(比较例3)以与示例2中相同的方式制造固定模具61和可动模具62。比较例3与示例2的不同之处在于固定模具61和可动模具62的型腔表面71、72未覆盖有碳膜。在比较例3中，同样，与示例2中一样对各铸造试验通过涂覆向型腔表面71、72施加具有如上表1中所示的组分1至8的模具油的各样品。
<铸造试验>
利用如图4所示的铝铸造装置6进行铸造试验，在所述铝铸造装置中使用了根据示例2和比较例2、3各者的固定模具61和可动模具62。使用ADC 12作为要铸造的铝合金，并且以2000t的夹紧压力将固定模具61和可动模具62夹持在一起。此后，经熔融金属入口66将熔融铝(ADC12)浇铸到熔融金属浇铸通道64中。然后，以46MPa的铸造压力和3m/s的喷射速度借助柱塞65将温度为670℃的熔融铝给送到型腔63以通过铸造成型。在固定模具61和可动模具62彼此间隔开之后，使芯棒67(由SKD61制成)沿从型腔表面72突出的方向操作或移动，以取出铝质铸造物品。对于示例2和比较例2、3而言，重复从使用具有各组分1至8的模具油涂覆到取出铸造物品的过程，该过程是一次铸造试验。
在铸造试验中，检查利用具有各组分的模具油使铝合金(铸造物品的一部分)附着在根据示例2和比较例2、3各者的固定模具61和可动模具62的表面上的状态。试验结果在下表2中示出。
表2
Com.1 Com.2 Com.3 Com.4 Com.5 Com.6 Com.7 Com.8
示例2 C A B C B B B C
比较例2 D C D D D D D D
比较例3 D D D D D D D D
A：无铝合金附着在模具表面上。
B：少量铝合金附着在模具表面上，但能容易地去除。
C：稍大量的铝合金附着在模具表面上，但能去除。
D：大量铝合金附着在模具表面上，且难以去除。
<结果2>
如上表2所示，附着在根据比较例2和3的固定模具和可动模具上的铝合金的量相当大，且难以去除铝合金。在示例2的情形中，固定模具和可动模具都未见铝合金附着在模具表面上。
从使用具有组分2、3、5至7的模具油的示例2的结果可以推断，如果模具油含有10至34质量％的铝粉末、24质量％以下的石墨粉末和40至64质量％的耐热温度在250℃以上的精制矿物油，则几乎没有铝合金附着在模具表面上，并且拉拔阻力降低。
在与对于组分1的情形一样仅使用耐热温度在250℃以下的精制矿物油B的情况下，或与对于组分8的情形一样在模具油中耐热温度在250℃以上的精制矿物油的含量小的情况下，难以在铸造期间将精制矿物油保持在固定模具和可动模具的表面与铸造物品之间。因此，可认为铝合金附着在固定模具和可动模具上，因为难以在构成铝粉末和石墨粉末的颗粒的表面上保持油膜。
在与对于组分4的情形一样不添加铝粉末而是仅添加石墨粉末的情况下，无法实现由于铝粉末的使用而降低拉拔阻力的预期效果。可认为铝合金由于此原因而附着在固定模具和可动模具上。
尽管已利用本发明的实施例详细说明了本发明，但本发明并不限于如上所述的实施例和示例，而是可使用各种设计变更或改型来实施而不脱离本发明的原理。
在所示实施例中，优选使用片状铝颗粒和片状石墨颗粒。然而，颗粒的形状可为例如球形或椭圆形，只要颗粒能产生如上所述降低拉拔阻力的效果即可。

Claims (6)

1.一种用于铸造由铝或铝合金制成的铸造物品的铸造模具(1)，其特征在于包括：
碳膜(22)，至少所述铸造模具的形成型腔(20)的表面覆盖有所述碳膜，所述碳膜包含从由碳纳米线圈、碳纳米管和碳纳米丝构成的组中选出的至少一种纳米碳；和
模具油(30)，所述碳膜的表面涂覆有所述模具油，其中
所述模具油添加有铝粉末。
2.根据权利要求1所述的铸造模具，其特征在于，所述铝粉末包括片状铝颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的铸造模具，其特征在于，所述模具油还添加有石墨粉末。
4.根据权利要求3所述的铸造模具，其特征在于，所述石墨粉末包括片状石墨颗粒。
5.根据权利要求3所述的铸造模具，其特征在于，所述模具油含有10至34质量％的所述铝粉末、24质量％以下的所述石墨粉末和40至64质量％的耐热温度在250℃以上的精制矿物油。
6.一种利用根据权利要求1至5中任一项所述的铸造模具制得的铸造物品。
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