CN108290353B - 用于熔融金属或玻璃的成型工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由碳或石墨制成的成型模具即用于处理熔融金属的铸模或铸芯，或涉及用于处理熔融玻璃的成型模具诸如例如吹模。本发明还涉及用于制造成型模具的方法。
Description
技术领域
本发明涉及由碳或石墨制成的成型模具，特别是用于处理熔融金属的铸模或铸芯或用于处理熔融玻璃的成型模具，例如吹模(blow mould)。本发明还涉及用于制造成型模具的方法。
背景技术
在铸造厂中使用的成型模具通常由连接以形成模具的颗粒或“基本成型材料”构成。术语“基本成型材料”在VDG参考表R 201“Gieβerei-Formstoffe-Begriffe”(“铸造模塑材料-定义”)中如下定义：“基本成型材料是作为填料形成成型材料的主要成分的砂(sand)。基本成型材料通常不具有粘合剂功能。砂是大部分处于0.063毫米至1.50毫米的粒级的颗粒的集合。
通过3D打印方法可以由砂制造用于金属铸造的成型模具。在这个过程中，将砂和粘合剂的交替层一个接一个地施加以便形成三维层结构。通过3D打印，原则上可以以成本有效的方式整体性制造任何所需的复杂形状。但是，为了用作用于处理熔融金属的铸模或铸芯，对于材料在稳定性和强度方面有一定的要求。原则上，由砂制成的3D打印成型模具满足这些要求。
除了石英砂之外，为了满足铸件品质的各种要求，还有许多用作基本成型材料的特种砂。
铸造缺陷的主要原因之一是膨胀，这是由于砂的高热膨胀行为引发的。这与其他因素一起使得之后更加难以加工铸件，也就是说，如果它们还没有被碎片化的话。为了减少这些铸造缺陷，已经开发了特种砂例如锆砂，但这些砂是非常昂贵的。
对铸造品质的不利影响的另一个原因是砂的典型的低的热导率，例如石英玻璃：在室温下为1.36W/(m*K)(参见Kuchling，“Taschenbuch der Physik”，Harri DeutschVerlag，1991)；由砂构成的成型材料在室温下通常<0.2W/(m*K)(参见Recknagel等，“Spezialsande-Formgrundstoffe für die moderne Kern-und Formherstellung”，小册子Hüttenes-Albertus chemische Werke GmbH，2008年出版)。结果，铸造金属件冷却得相当慢，意味着原则上在金属中产生了较粗糙的微观结构。然而，金属的更快冷却导致在金属内的不同相中的具有小枝晶和小粒度的更精细微观结构，这最终导致铸造部件的更高强度。
另一个缺点是砂的通常大于1.5g/cm3的典型高堆积密度(参见Tilch等，“Einfluss alternativer Formgrundstoffe auf die Eigenschaften von FormstoffundGussteil”，Giesserei93,08/2006，第12-24页)。高堆积密度对于铸芯来说尤其是缺点，因为它们必须固定在模具内并保持在适当位置。较轻的铸芯从而是有利的。
就基于上述材料的缺点而言，比砂更好的材料是碳或石墨。相比于砂，这些材料具有较低的热膨胀，较高的热导率(例如，石墨：在室温下为169W/(m*K)(参见Kuchling，“Taschenbuch der Physik”，Harri Deutsch Verlag，1991))和较低的堆积密度。例如，在GB799331A中描述了由碳制成的铸模。这种模具是通过将由焦粒子和粘合剂树脂构成的混合物添加到压模并且由此压缩所述混合物而制造的。然而，借助于该方法，不可能容易地制造例如包含底切(undercut)或空腔的复杂形状。这些必须通过连接各个成型部件来生产。这获得多部件铸模并且带来精确连接和定位成型部件的问题。此外，通过压缩进行成型通常会导致热膨胀行为的各向异性，因为压缩力通常仅在一个方向上作用，并且混合物中的粒子因此在其取向上对齐。
发明内容
因此，本发明的目的是提供这样的成型模具，其制造起来容易且廉价，可以采用任何所需的复杂几何形状，具有均匀的微观结构，比砂具有更好的材料性能，并且同时具有相当的稳定性和强度，从而所述成型模具适合用作用于处理熔融金属的铸模或铸芯或用作用于处理熔融玻璃的成型模具，例如吹模。
该目的通过用于熔融金属或玻璃的含有粒子的成型模具来实现，至少50重量％的所述粒子由碳粒子构成，所述粒子通过粘合剂相互连接，所述成型模具具有至少90重量％的比例的所述粒子，所述成型模具具有0.7g/cm3至1.4g/cm3的几何密度，并且所述成型模具具有小于1.2的相对于热膨胀的各向异性因子。
相比于由砂制成的成型模具的一个优点是，碳是导电的，因此可以在正要成型之前通过电阻加热或感应加热且以特别均匀的温度分布将本发明的成型模具加热。
相比于由砂制成的成型模具的另一个优点是，铸芯尤其可以在铸造之后被烧掉以脱模。
根据本发明的成型模具由于其孔隙度而特别适用于玻璃吹制。通常在玻璃吹制之前用水润湿或蒸汽处理相应的成型模具，以便在玻璃和成型模具之间形成蒸汽层。在可能的情况下，成型模具表面不会与玻璃直接接触。为此目的，需要高且均匀的孔隙度。根据本发明的成型模具提供所述孔隙度。
在本发明的范围内，已经发现，对于用作铸模或铸芯以及用于处理熔融玻璃的成型模具如吹模的用途，可以通过3D打印方法获得由碳制成的足够稳定的成型模具。本发明的成型模具区别于已知的由焦制成的铸模在于其高的各向同性方面，据信这是由制造方法引起的。在本发明的范围内，小于1.2的各向异性因子意味着三个方向(x方向，y方向和z方向)中的任何一个方向上的热膨胀系数相差不超过20％。各向异性因子优选小于1.1，更优选小于1.05。根据以下实施例2中描述的具体实施方式，甚至可以获得小于1.02的各向异性因子。这种相对于热膨胀的高的各向同性有利地导致铸件的尺寸精度得以改进。
在本发明的范围内，为了简单起见，术语“铸件”也被理解为是指通过本发明的成型模具生产的相应玻璃产品。因此术语“铸件”不应被理解为仅限于金属铸件。因此，在本发明的范围内，术语“成型模具”被理解为是指用于金属铸件或玻璃铸件的铸模或铸芯，或用于玻璃吹制的吹模。
根据本发明，成型模具中至少50重量％的粒子由碳粒子构成。然而，为了更均匀的性质和可回收性，优选成型模具中至少90重量％的粒子由碳粒子构成，并且最优选使用未混合的粒子。
成型模具优选具有有着底切或空腔的复杂几何形状，并具有均匀的结构。在本发明的范围内，均匀的结构意味着在成型模具中避免了接头或接缝。如果在将铸造部件从铸模中取出时，需要处理分离的形状，即由多个零件连接在一起的形状，则所述形状也被本发明所覆盖。
对使用的碳粒子没有特别限制。它们包括无定形碳和石墨及其任何混合物。碳粒子优选包括乙炔焦，灵活焦(flexicoke)，流化焦(fluid coke)，弹丸焦(shot coke)，硬煤焦油沥青焦，炭黑焦，合成石墨，球状石墨，微晶天然石墨，无烟煤或焦颗粒，所述碳粒子更优选由其构成或由其混合物构成，因为相应的成型模具具有特别高的热导率。然而，宏晶天然石墨(片状石墨)以及基于针状焦的碳和石墨是较不优选的，是因为这些材料通常是不利于3D打印的粒子形式。所有类型的焦可以是已经碳化或石墨化，即在高于500℃或高于2,000℃的高温下处理的生焦形式。这同样适用于无烟煤。然而，焦的类型优选为碳化或石墨化焦的形式，因为它们含有较少的挥发物并且具有低的热膨胀。所提及的优选类型的焦是有利的，因为就形状系数(粒子宽度/粒子长度)而言，其粒子是近似球形的，即圆形的。这导致3D打印中可加工性得以改进，并且导致3D打印成型模具的更均匀和更各向同性的特性。
硬煤焦油沥青焦和合成细颗粒石墨是特别优选的，因为它们具有尤其各向同性的性质，例如在热膨胀系数方面。硬煤焦油沥青焦如下制造：从硬煤生产冶金焦时，硬煤焦油作为联产品生产。将所述焦油经蒸馏，将残留物再焦化。最后，将获得的沥青焦研磨。
此外，乙炔焦，灵活焦，流化焦和弹丸焦是特别优选的，因为由于它们的硬度较高而比石墨更耐磨。一旦使用本发明的成型模具，则这在再循环粒子时就有优势。铸芯尤其仅适于一次性使用，因为它们必须被破坏以便从铸件中移除，例如通过机械移除粒子。而且，这些类型的焦是有利的，因为其粒子具有近似球形的形状，即是圆形的。这导致3D打印中的甚至进一步改进的可加工性以及3D打印成型模具的更均匀和更各向同性的特性。在这方面，乙炔焦是最优选的，因为它具有很少的杂质并具有特别球形的形状。乙炔焦因此也是最优选的原因是因为这种类型的焦特别纯。其灰分值约为0.01％，金属杂质如Na、Ni、Fe和V通常一向远低于50ppm。然而，灵活焦的灰分值在1％的范围内。上述金属杂质在几百ppm到大于1,000ppm的范围内。这些杂质中的许多可以对碳材料的氧化行为具有催化作用。在高度不纯的焦中含量超过0.1％的杂质如氧化镍甚至被分级为1A类致癌物，这意味着高度不纯的焦的操作和加工性以及使用受到相当大限制。此外，由乙炔焦制成的本发明的成型模具具有特别高的生坯密度和比例如由灵活焦制成的成型模具高的断裂强度。这种强度的原因可能是乙炔焦具有洋葱状层结构。因此，根据本发明最优选的实施方式是这样一种本发明的成型模具，即其中所包含的碳粒子包含乙炔焦或优选由乙炔焦构成。
流化焦和灵活焦基于原油加工。在原油的常压和减压蒸馏后，通过“流化焦化”或“灵活焦化”将残余物焦化，这两种方法通常在连续的流化床中进行，这通常导致大体上球形的粒子。在例如描述于DE 29 47 005 A1中的乙炔生产期间，乙炔焦作为最初为生的即含有挥发性成分的废产物积累。弹丸焦是各向同性类型的焦，其粒子倾向于球形并且部分具有洋葱状层结构(参见Paul J.Ellis，“弹丸焦”，轻金属(Light Metals)，1996，第447-484页)。
炭黑焦是通过将炭黑和沥青的混合物焦化然后研磨而产生的。由于炭黑粒子本身非常小，即通常在纳米范围内，所以研磨后的炭黑焦粒子自动采用具有各向同性特性的近似圆形的几何形状。
如果使用合成石墨，则细粒石墨由于其低的各向异性而是优选的。以与炭黑焦相似的方式，研磨后的细粒石墨的粒子也自动采用近似圆形的几何形状。
球状石墨基于天然石墨，并且是天然石墨片与粘合剂一起的颗粒。其也具有近似球形的几何形状。当成型模具旨在具有特别高的热导率时，球状石墨是特别优选的。
焦颗粒应被理解为是指所有可能类型的具有聚合物粘合剂的焦的颗粒。因为通过造粒也可获得具有近似圆形几何形状的粒子，所以颗粒是优选的。
在本发明的范围内，可以将液体活化剂例如液体硫酸活化剂添加至焦。通过使用活化剂，减少用于硬化粘合剂的硬化时间和所需温度。粉末状组合物中粉尘的形成也得以减少。基于焦和活化剂的总重量，活化剂的量有利地为0.05重量％至3重量％，更优选0.1重量％至1重量％。如果基于活化剂和焦的总重量使用超过3重量％，则粉末状组合物粘连在一起并且流动性降低。如果基于焦和活化剂的总重量使用小于0.05重量％的活化剂，则可以与粘合剂反应的活化剂的量太小而不能实现所期望的上述优点。
根据本发明，成型模具具有0.7g/cm3至1.4g/cm3、优选0.8g/cm3至1.2g/cm3的低几何密度。因此可以获得比现有技术的成型模具更轻的材料，这也导致较低的热容量。这意味着需要较少的能量来预热成型模具。而且，当通过烧尽而脱模时，较不致密的材料是有利的，因为该过程更快。
根据本发明的成型模具中的大量粒子优选具有大体上球形的形状。这意味着至少50％，特别优选多于70％，还更优选多于90％的粒子具有大体上球形的形状。大体上球形的形状应被理解为是指粒子的大部分(超过50％)表面连续球形弯曲，即没有断裂边缘或尖峰。这对于在3D打印期间更好的处理是有利的。
根据本发明的优选实施方式，在d50值的粒度范围内的粒子平均具有至少0.5、更优选至少0.6、还更优选至少0.7、最优选至少0.8的形状系数(粒子宽度/粒子长度)。形状系数被理解为是指粒子宽度对粒子长度的比率。d50值的粒度范围应被理解为是指d50+/-10％的范围。形状系数是粒子圆度的度量。如上文中已经解释的，更圆的粒子的突出点在于在3D打印过程中明显更好的操作性。这影响例如流动性。此外，通过近似圆形的粒子，可以实现球在成型模具中的更致密的堆积，这最终导致成型模具的更高的稳定性和强度。根据ISO 13322-2，通过来自Retsch Technology的“Camsizer”设备确定形状系数。在这个过程中，粒子的宽度和长度通过照相机和图像分析系统来确定并且进行比较以形成比率。在特别细小的粉末的情况下，所述形状系数可以替代地基于显微照片连同相关的图像分析来确定。特别圆形的粒子的优点是可靠的3D打印，无故障的粉末施加以及热机械加载过程中出现裂纹的较低倾向。此外，已经发现，粒子越圆，则相应部件的断裂功和断裂伸长率越好，即越高。
根据本发明的优选实施方案，粒子具有小于1mm、优选小于0.6mm的粒度(d99)。较粗的焦更难以通过3D打印加工。术语“d99”是指99％的粒子小于所指定的值。使用激光粒度测定法(ISO 13320)，连同相关分析软件一起使用来自Sympatec GmbH的测量设备确定d99值。此外，在较粗粒子的情况下，在随后的铸造部件或用于待成型金属或玻璃的成型模具中获得太粗糙的表面。如果使用已经具有固有的几乎圆形几何形状的优选类型的焦，即乙炔焦、灵活焦、流化焦和弹丸焦，则通过筛分除去大于1mm的粒度，而不是将焦研磨成所需的大小。因此可以保持粒子的原始圆度。此外，由于其中不含粗粒，这导致更均匀的成型模具。最终，这也导致成型模具的更细且更均匀的孔和表面结构，因此导致铸件的表面品质得以改进，即表面更平滑。这是相比于例如根据GB799331A的教导制造的由碳制成的已知铸模的另一个优点。
根据本发明的成型模具中的粘合剂没有特别限制。可能的粘合剂包括酚醛树脂，呋喃树脂，纤维素，淀粉，糖或硅酸盐，特别是水玻璃。然而，由于相应的成型模具具有特别高的强度和稳定性，粘合剂优选包含硬化的酚醛树脂，硬化的呋喃树脂或水玻璃。
根据本发明的一个优选实施方式，粘合剂由碳构成，并与成型模具中的碳粒子一起形成连续的整体连接的碳网络。所述实施方式在避免放气的情况下是特别有利的，否则发生由于金属或玻璃成型时的高温所导致的粘合剂分解的放气。
根据本发明的一个优选实施方案，基于成型模具的总重量，在成型模具中的粘合剂的比例为1至10重量％，更优选2至8重量％，最优选3至5重量％，所述总重量排除了如下所述的任何可能存在的成型涂料(mould wash)。就此而言，根据本发明的成型模具中粒子的比例也理解为至少90重量％。规定的比例仅涉及粘合剂和粒子的总重量。关于其中粘合剂由碳构成的实施方式，基于粘合剂和粒子的总重量，成型模具中粘合剂的优选比例甚至更低，具体为1至6重量％，更优选1至4重量％，最优选1至3重量％。
根据本发明的优选实施方式，成型模具具有在室温至150℃之间测量的小于8μm/(m*K)的热膨胀系数。关于其中粘合剂由碳构成的实施方式，甚至可以实现更低的热膨胀系数，具体地优选小于5μm/(m*K)，更优选小于4μm/(m*K)。在本发明的范围内，室温理解为是指25℃。根据DIN 51909测量热膨胀系数。成型模具优选在室温下具有至少0.3W/(m*K)，优选至少0.5W/(m*K)的热导率，测量按照DIN51908进行。较低的热导率导致较长的铸件冷却时间，因此如上所述的那样，导致较粗的铸造微结构和较不稳定的铸件。
根据本发明的成型模具可以在其表面包括成型涂料或分离剂，所述成型涂料或分离剂常见于根据待加工金属的铸造中，或常见于例如基于Al2O3的玻璃加工中。或者，热解碳或SiC的表面涂层可通过气相沉积施加。然而，根据本发明的成型模具优选在成型模具的表面处不包含附加成型涂料、分离剂或涂层，因为碳和石墨相比于砂固有地具有针对大多数金属熔体更温和的润湿行为。因此通常不需要分离剂等。
本发明的另一方面涉及一种用于制造用于熔融金属或玻璃的成型模具的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供粉末状组合物，其由比例为至少50重量％的碳粒子构成，
b)提供液体粘合剂，
c)以平面方式沉积在a)中提供的所述材料的层并且在所述层上局部沉积在b)中提供的所述材料的液滴，并且将步骤c)重复任意次数，在后续的所述步骤的重复中，局部沉积所述液滴的步骤根据待制造的成型模具的所需形状进行调整，
d)将所述粘合剂硬化或干燥并获得所述成型模具。
“重复任意次数”被理解为是指根据需要将以平面方式沉积在a)中提供的所述材料的层和将在b)中提供的所述材料的液滴局部沉积至所述层的步骤重复多次。
本发明范围内的成型模具的获得被理解为是指以下意义。在粘合剂硬化或干燥即刻之后，成型模具仍然被由粉末状组合物的松散粒子构成的粉末床所包围。因此，成型模具必须从粉末床中移出，或与松散的未硬化的粒子分开。在关于3D打印的文献中，这也被称为被打印部件的“解包”。在卸下成型模具后，可以将所述成型模具精细清洁以除去未分离的粒子残留物。例如，可以通过使用强力抽吸装置抽吸松散粒子来进行解包。然而，对解包的方式没有特别的限制，可以使用所有已知的方法。
根据本发明的上述成型模具可以通过本发明的方法获得。因此，关于本发明的成型模具提及的所有定义和实施方式也相应地适用于根据本发明的方法或者所述方法中使用的材料。
根据本发明的优选实施方式，成型模具在至少500℃下进行热处理。结果，粘合剂中的所有挥发物被排出，这对于使用根据本发明的成型模具是有利的。这种热处理也被称为碳化。根据本发明的一个更优选的实施方式，模具在至少2,000℃、优选至少2,400℃下进行热处理。由于温度的这种升高，热导率进一步增加，因为成型模具具有石墨化微结构或石墨微结构。这种热处理也被称为石墨化。碳化和石墨化可单独或一步进行。
根据本发明的一个优选实施方案，成型模具进行一次或多次补充致密化，该过程包括以下步骤：
-用碳递送介质浸渍，和
-在500℃和1300℃之间的温度下碳化。
通过这种补充致密化，首先将粘合剂转化为碳，然后增加粘合剂的比例，这导致更稳定的成型模具。碳递送介质可以是含碳液体，诸如聚合物，诸如酚醛树脂，呋喃树脂或沥青。然而，补充致密化也可以通过气相渗透(化学气相渗透(CVI))进行。在该方法中，就地进行两个补充致密化步骤，即在一个步骤中进行，因为烃气体被用作碳递送介质并且气相沉积通常在约700℃至1,300℃下进行。
根据本发明的粉状组合物由关于本发明的成型模具所描述的粒子构成。在这方面提及的所有实施方式和优点因此也可以适用于根据本发明的粉末状组合物。相应地，这同样适用于步骤b)中的液体粘合剂。所述粘合剂是用于本发明的成型模具的粘合剂的原料。步骤b)中的液体粘合剂优选包含酚醛树脂，呋喃树脂，水玻璃或其混合物。这些也可以是溶液的形式。
本发明的另一方面涉及可以根据本发明的方法获得的成型模具。借助于成型模具的制造方法，特别是3D打印，可以首次在成型模具中实现上述的有利特性。
具体实施方式
下文中将基于实施例对本发明进行说明。
实施例1
煅烧的硬煤焦油沥青焦被研磨并在研磨和以0.4mm的筛孔尺寸筛分后具有d10＝130μm、d50＝230μm和d99＝500μm的粒度分布和0.69的平均形状系数(在d50+/-10％的粒度范围内)。通过激光粒度测定来确定粒度分布。基于焦和活化剂的总重量，首先将1重量％的用于酚醛树脂的硫酸液体活化剂添加至焦，然后使用3D打印粉末床机器进行处理。在该过程中，使用刮刀单元将薄的焦粉末层(高度为约0.3mm)沉积在平坦的粉末床上，并且使用一种类型的喷墨印刷单元根据所需的部件几何形状将醇性酚醛树脂溶液印刷到焦床上。随后，印刷台降低与层厚度相等的程度，再施加一层焦并且再次局部地印刷酚醛树脂。通过重复该过程，构造了具有量度为172mm(长度)×22mm(宽度)×22mm(高度)的长方体测试件。在印刷了完整的“部件”后，将粉末床引入已经预热至140℃的炉中并在那里保持约6小时。在该过程中，酚醛树脂硬化并形成尺寸稳定的部件。冷却后，吸除过量的焦粉末，并移出部件。
在粘合剂硬化后，则部件的密度为0.88g/cm3(实施例1.1)。密度通过几何法确定(通过称重并确定几何形状)。部件具有5.5重量％的树脂比例，其通过碳化处理来确定。该步骤进行使得在不存在氧的情况下，通过热重分析(TGA)预先确定所使用的硬化树脂成分的碳收率为58重量％。基于随后在保护性气体气氛中在900℃下碳化1小时之后的质量损失，可以计算部件中的原始树脂组分。
碳化部件随后用酚醛树脂浸渍并再次在900℃碳化。这将密度提高到1.08g/cm3。在本发明的范围内，该过程被描述为补充致密化并且在下面作为实施例1.2提及。
然后将选择的碳化测试件在保护性气体气氛中在高温下额外处理。在一种情况下选择2000℃的最终温度(实施例1.3)，并且在另一种情况下选择2,800℃的最终温度(实施例1.4)。随着温度升高，无定形碳转变为石墨结构。在这个过程中，测试件的密度保持近似恒定在1.1g/cm3。密度略有增加的原因是高温处理过程中的收缩。如果高温处理的最终温度显着低于焦的煅烧温度，则总是发生这种收缩。
测试件制成后，对其进行表征。这些性质总结在表1中。
实施例2
将未经研磨的出厂煅烧乙炔焦以0.4mm的筛分尺寸进行保护性筛分。筛过的乙炔焦于是具有d10＝117μm、d50＝190μm和d99＝360μm的粒度分布和0.82的形状系数。在第一步中，将0.35重量％的根据实施例1的液体活化剂添加到焦粉末，然后以与实施例1相同的方式处理以形成部件，制备测试件以确定所有三个方向(x，y，z)的相对于热膨胀的各向同性。
以这种方式生产的部件具有3.0重量％的树脂比例。测试件的密度为0.96g/cm3(实施例2.1x，2.1y和2.1z)，因此显着高于实施例1的研磨的硬煤焦油沥青焦。然后，将一些X取向的测试件用酚醛树脂浸渍，这导致1.2g/cm3的密度(实施例2.2)。然后将树脂浸渍的测试件以与实施例1相同的方式在900℃碳化，则得到1.09g/cm3的最终密度。对这个实施方式的所有测试件进行表征。结果总结在表1中。
实施例3
筛分研磨的合成细粒石墨粉末，除去0.1至0.2mm的颗粒部分。所选筛分级分的粒度分析产生以下结果：d10＝120μm，d50＝170μm和d99＝250μm。在第一步骤中，将1重量％的根据实施例1的液体活化剂添加到可流动的石墨粉末，然后在增加量的树脂被引入的情况下进行处理，从而以与实施例1相同的方式形成部件。在粘合剂硬化后，测试件的密度为1.0g/cm3。确定酚醛树脂的比例为10重量％，并且测试件的特征与上述实施例一致(参见表1)。
实施例4
将未经研磨的出厂煅烧灵活焦以0.4mm的筛分尺寸进行保护性筛分。筛分的灵活焦于是具有d10＝85μm、d50＝120μm和d99＝220μm的粒度分布。在第一步中，将0.33重量％的根据实施例1的液体活化剂添加到焦粉末，然后以与实施例1相同的方式处理以形成部件
以这种方式生产的部件具有7重量％的树脂比例。测试件的密度为0.82g/cm3。在三点弯曲测试中确定的弯曲强度为0.7GPa。三点弯曲强度为3.8MPa。如果将这些值与乙炔焦试样进行比较(见实施例2.1)，则基于乙炔焦的材料的优越性变得清晰。尽管树脂含量较低，但基于乙炔焦的试样具有显著更高的强度和刚度。使用乙炔焦作为原料的较低树脂含量以及高机械强度是特别有利的，因为当使用成型模具时产生的挥发性气体较少，这使得可以以环境友好的方式使用成型模具。
分析
下表显示了所生产的测试件的许多物理性质：
表1：实施方式的材料特征值(平均值)
AD(g/cm3):根据ISO 12985-1确定的(几何)密度
ER(Ohmμm):根据DIN 51911确定的电阻
YM 3p(GPa):由三点弯曲试验确定的弹性模量(刚度)
FS 3p(MPa):根据DIN 51902确定的三点弯曲强度
CTE RT/150℃(μm/(m*K)):根据DIN 51909在室温和150℃之间测量的热膨胀系数
TC(W/(m*K)):根据DIN 51908确定的热导率
实施例1.1:硬煤焦油沥青焦，生坯具有5重量％的树脂比例
实施例1.2:硬煤焦油沥青焦，生坯具有5重量％的树脂比例，另外用酚醛树脂浸渍，在900℃下碳化
实施例1.3:硬煤焦油沥青焦，生坯具有5重量％的树脂比例，另外用酚醛树脂浸渍，在900℃下碳化并在2,000℃的高温下处理
实施例1.4:硬煤焦油沥青焦，生坯具有5重量％的树脂比例，另外用酚醛树脂浸渍，在900℃下碳化并在2,800℃下石墨化
实施例2.1:乙炔焦，生坯具有3重量％的粘合剂树脂比例
实施例2.2:乙炔焦，生坯具有3重量％的粘合剂树脂比例，随后用酚醛树脂浸渍，在900℃下碳化
实施例3:粘合剂比例为10％的合成石墨
如所有实施例所示，根据本发明的方法使得可以获得这样的材料数据，其原则上适用于成型模具，并且其中一些具有比可比的既定砂类成型材料更大的强度。
此外，所有测试件的密度值是有利的，因为它们导致较轻的成型模具。
随后进行热处理的测试件表现出有利的导电性，这开启了电阻加热或感应加热的选项。
弹性模量的低值特别有利的，因为这样增加了成型模具的耐热冲击性。
测试件的强度对于根据本发明的用途是始终足够的。然而，值得注意的是，当粘合剂含量高时，特别是如果使用乙炔焦时的强度高，其强度甚至超过由砂制成的相应成型模具的强度。
此外，热膨胀系数的值处于低水平，并且可以通过进一步的热处理(碳化和石墨化)而仍可以降低，因此实现极其低的水平。还可以特别观察到，材料关于热膨胀系数是高度各向同性的。这确保了在铸造过程中的实施例的尺寸精度，并确保了铸件尺寸的恒定比例。
最后，与由砂制成的成型模具相比，热导率的值较高。如果选择石墨和/或高粘合剂含量，则实现较高的热导率(参见实施例3)。通过随后的热处理(碳化/石墨化)可以进一步提高热导率(参见实施例1.3和1.4)。
Claims (17)
1.用于熔融金属或玻璃的成型模具，其特征在于，所述成型模具包含粒子，至少50重量％的所述粒子由碳粒子构成，所述粒子通过粘合剂相互连接，所述成型模具具有比例为至少90重量％的所述粒子，所述成型模具具有0.7g/cm3至1.4g/cm3的几何密度，并且所述成型模具具有小于1.2的相对于热膨胀的各向异性因子，小于1.2的各向异性因子意味着在x方向、y方向和z方向的三个方向中的任何一个方向上的热膨胀系数相差不超过20％。
2.根据权利要求1所述的成型模具，其特征在于，所述成型模具具有有着底切或空腔的复杂几何形状并且具有均匀的结构。
3.根据权利要求1所述的成型模具，其特征在于，所述碳粒子包括乙炔焦，灵活焦，流化焦，弹丸焦，硬煤焦油沥青焦，炭黑焦，合成石墨，球状石墨，微晶天然石墨，无烟煤或焦颗粒。
4.根据权利要求1所述的成型模具，其特征在于，所述碳粒子包括乙炔焦或灵活焦。
5.根据权利要求1所述的成型模具，其特征在于，在d50的粒度范围内的所述粒子平均具有至少0.5的以宽度/长度表示的形状系数。
6.根据权利要求1所述的成型模具，其特征在于，所述成型模具具有在室温和150℃之间测量的小于8μm/(m*K)的热膨胀系数。
7.根据权利要求1所述的成型模具，其特征在于，所述成型模具在室温下具有至少0.3W/(m*K)的热导率。
8.用于制造根据权利要求1-7中任一项所述的用于熔融金属或玻璃的成型模具的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供粉末状组合物，其由比例为至少50重量％的碳粒子构成，
b)提供液体粘合剂，
c)以平面方式沉积在a)中提供的所述粉末状组合物的层以及将在b)中提供的所述液体粘合剂材料的液滴局部沉积到所述层，并且将步骤c)重复任意次数，其中在后续的所述步骤c)的重复中，局部沉积所述液滴的步骤根据待制造的成型模具的所需形状进行调整，
d)将所述粘合剂硬化或干燥并获得所述成型模具。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述成型模具在至少500℃进行热处理。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述成型模具在至少2,000℃进行热处理。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述成型模具经历一次或多次补充致密化，该过程包括以下步骤：
-用碳递送介质浸渍，和
-在500℃和1300℃之间的温度碳化。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述成型模具经历通过气相渗透进行的补充致密化。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述气相渗透是化学气相渗透。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述粉末状组合物的所述碳粒子包括乙炔焦，灵活焦，流化焦，弹丸焦，硬煤焦油沥青焦，炭黑焦，合成石墨，球状石墨，微晶天然石墨，无烟煤或焦颗粒。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述粉末状组合物的所述碳粒子包括乙炔焦。
16.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述粉末状组合物的在d50的粒度范围内的所述碳粒子平均具有至少0.5的以宽度/长度表示的形状系数。
17.能够通过权利要求8至16任一项所述的方法获得的成型模具。
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