CN108723293A - 用于消除退化表皮的砂芯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种砂型铸造装置、一种砂型铸造装置的形成方法以及一种汽车部件。砂型铸造装置包括砂型铸造基座，所述砂型铸造基座包括包含基砂混合物的砂模和/或砂芯，其中基砂混合物包括砂材和黏结剂材料。砂型铸造装置还包括设置在砂型铸造基座上的外层。外层包含硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。汽车部件具有在其中限定孔的部分。汽车部件由铸铁形成并且具有从内部基体到表面的球墨状结构，其中所述表面上的球墨状结构由具有外层的砂芯形成，所述外层与铸铁汽车部件反应以形成球墨状结构化表面。

Description

用于消除退化表皮的砂芯
技术领域
本发明涉及砂型铸造。更具体地，本发明涉及一种用于球墨铸铁部件的砂型铸造。
背景技术
目前制造汽车发动机部件(例如曲轴)的制造工艺包括砂型铸造。通常，砂模和砂芯是用沙子和黏结剂制成的。砂模用于创建铸件的外表面，砂芯用于创建铸件的内表面。砂模和砂芯使用气体固化，可能包括或不包括加热(热芯盒或冷芯盒)以促进固化。将熔融金属倒入模具中并固化以形成铸件。
由砂模和/或砂芯制成的球墨铸铁铸件易受表皮表面的影响，该表面包括伴随着铁素体基体并且粗糙度增加的退化石墨。这种退化的表皮状况会降低铸件的强度和疲劳特性并导致失效。退化的表皮至少部分地来自于来自砂模和/或砂芯的材料与熔融金属的相互作用，特别是铸铁材料(通常来自砂模和/或砂芯内的硫)中的局部镁消耗、来自砂黏结剂树脂的水分、脱碳以及金属渗入模具中。
目前的砂模/砂芯和涂层对于消除退化表皮的缺陷已经不起作用。
发明内容
本发明提供了一种新的外层，其将被应用于砂模的一部分，该砂模可以是用于模制球墨铸铁部件中的型腔(例如孔或中空特征)的砂芯。新的外层被配置为与熔融金属本身相互作用，以向熔融金属中添加诸如镁之类的元素并抵消来自砂模或砂芯的有害影响，例如由于硫引起的局部镁消耗。因此，砂模/砂芯的外层的一个或多个元素与来自砂模/砂芯的另一元素，例如硫，和/或来自金属部件的表层的一个或多个元素相互作用。这可能会铸就良好的球墨铸铁部件，该部件具有光滑的表面而没有退化的表皮。
在可以与本文公开的其它形式组合或分离的一种形式中，提供了一种砂型铸造装置，例如模具包，其包括砂型铸造基座，该基座可以包括砂模和/或砂芯。砂型铸造基座包括基砂混合物。基砂混合物包括砂材和黏结剂材料。在砂型铸造基座上设置外层，在一些示例中，砂型铸造基座可以是砂芯。外层包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。另外，外层可以包括砂混合物。
在可以与本文公开的其它形式组合或分离的另一种形式中，提供了一种汽车部件，其具有限定孔的部分，例如其中的中空特征。汽车部件由铸铁形成，并具有从内部到表面的球墨状结构。球墨状结构化表面由具有外层的砂型铸造基座(砂模和/或砂芯)形成，该外层与铸铁熔融金属反应而形成汽车部件的球墨状结构化表面。
在可与本文公开的其它形式组合或分离的又一形式中，提供了一种形成砂型铸造装置的方法。该方法包括由包括砂材和黏结剂材料的基砂混合物形成的包括砂模和/或砂芯的砂型铸造基座，并在砂型铸造基座上形成外层。外层包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。另外，外层可以包括基砂混合物。
可以提供另外的附加特征，包括但不限于以下：其中外层包括约86至约96.5重量百分比的基砂混合物；其中外层包括约3.5至约14重量百分比的粉末材料；其中粉末材料包括约50至约70重量百分比的硅、约1.2至约4.5重量百分比的镁、约0.5至约1.0重量百分比的钙、约0.5至约1.5重量百分比的锆、约0.5至约2.5重量百分比的锰、约2.5至约5.0重量百分比的碳、约0.5至约1.0重量百分比的铝和至少约14.485重量百分比的铁；其中粉末材料包括不超过0.005重量百分比的硫；其中粉末材料包括不超过0.01重量百分比的磷；其中粉末材料包括约14.485至约44.3重量百分比的铁；其中外层的厚度为约3mm至约10mm；渗透层设置在外层和砂型铸造基座之间；其中外层由包括载体混合物和粉末材料的浆料形成；其中外层的厚度为约0.3mm至约1.0mm；其中砂型铸造基座是砂芯；外层围绕砂芯的圆周布置；汽车部件是曲轴，该曲轴具有由孔和中空特征限定的销轴颈；并且其中球墨状结构化表面形成在孔的内表面上。
根据本文提供的描述，其它特征、优点和适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，而不意图限制本发明的范围。
附图说明
这里描述的附图仅用于说明的目的，并不意图以任何方式限制本发明的范围。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明描述的原理上。在附图中：
图1是根据本发明的原理的砂型铸造装置的透视图；
图2是根据本发明的原理的由图1的砂型铸造装置形成的汽车部件的透视图；
图3是根据本发明的原理的图1的砂型铸造装置的砂芯的一个变型的剖视图；
图4是根据本发明的原理的图1的砂型铸造装置的砂芯的另一变型的剖视图；以及
图5是一般地示出根据本发明的原理形成诸如图1、图3和图4的砂芯或砂型铸造装置的砂型铸造装置的方法的方框图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明的内容、应用或用途。
现在参照附图，其中相同的附图标记表示相同或相似的元素，图1示出了通常以10标示的砂型铸造装置。举例来说，砂型铸造装置10包括可用于热芯盒或冷芯盒砂模成型的砂模半部12。砂模半部12包括用于模制汽车部件(例如发动机曲轴)的负部或型腔部分14。在这个示例中，砂型铸造装置10还包括两个砂芯16A、16B，用于模制部件内的孔和中空特征。砂模半部12和砂芯16A、16B包括用于砂模铸造的典型材料，例如包括砂材和黏结剂材料的基砂混合物。砂材可以包括，例如，典型的砂如二氧化硅或任何其它期望的砂材；并且黏结剂材料可以包括任何数量的已知黏结剂，其可以根据砂模装置是用于热芯盒还是冷芯盒砂模成型而不同。例如，可以使用粘土、淀粉，树脂和/或PTSA作为黏结剂。
砂芯16A、16B由基砂混合物形成，另外，砂芯16A、16B具有部分18，部分18具有设置在每个砂芯16A、16B上的外层20。如将在下面进一步详细解释的那样，外层20包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。砂模半部12或砂芯16A、16B中的一个或两个形成砂型铸造基座，外层20布置在该砂型铸造基座上。因此，虽然示出的外层20仅设置在砂芯16A、16B的部分18上，但应理解，外层20可设置在砂芯16A、16B的其它部分或整体上，和/或者在砂模半部12的部分或整体上。
现在参照图2，示出了由砂型铸造装置10模制而成的汽车部件22的横截面。举例来说，汽车部件22可以由球墨铸铁形成。在该示例中，汽车部件22是发动机曲轴，其具有由曲轴22内的孔24限定的一个或多个轴颈。典型地，由孔24限定的内侧轴颈中的中空特征被用于使曲轴22变轻。孔24的表面26由砂芯16A、16B形成。关于表面26的细节将在下面更详细地描述。
汽车部件22通常通过将熔融金属浇注到砂型铸造装置10中来形成，其中砂模半部12将具有另一补充半部(未示出)以完成砂型铸造装置10。熔融金属可以通过一个或多个浇口和浇道倾倒以遍及砂模半部12到达砂模半部型腔区域21。因此，随着熔融金属流入砂模半部12并且在砂芯16A、16B周围并且填充型腔区域21。随着型腔区域21中的熔融金属凝固和冷却，形成汽车部件22。
参照图3，更详细地描述了砂芯16A、16B的外层20。图3示出了外层20的第一变型。在该示例中，外层20设置在形成每个砂芯16A、16B的一部分的砂型铸造基座30上。如上所述，砂型铸造基座30由包括砂材和黏结剂材料的基砂混合物形成。在该示例中，外层20通过形成新砂混合物而形成，该新砂混合物包括与粉末材料混合在一起的基砂混合物的一部分，粉末材料被设计成当其是液体时在汽车部件22的外表层和砂型铸造基座30的外层20，或者换句话说，和砂芯16A、16B的外层20之间引起反应。为此，外层20可以包括约86至约96.5重量百分比的基混合物和约3.5至约14重量百分比的粉末材料。粉末材料可以含有硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。
在一些变型中，粉末材料可以含有每种组分元素的特定部分，如下：约50至约70重量百分比的硅；约1.2至约4.5重量百分比的镁；约0.5至约1.0重量百分比的钙；约0.5至约1.5重量百分比的锆；约0.5至约2.5重量百分比的锰；约2.5至约5.0重量百分比的碳；约0.5至约1.0重量百分比的铝；和至少约14.485重量百分比的铁。在一些形式中，粉末材料包括约14.485至约44.3重量百分比的铁。优选地，粉末材料含有不超过0.005重量百分比的硫和不超过0.01重量百分比的磷。
当外层20由基砂混合物和粉末材料的混合物形成时，外层可以优选地具有在约3mm至约10mm范围内的厚度t。在热芯盒或冷芯盒制造期间或之后，可将外层20应用于砂型铸造基座30的外径32。结果是双层砂芯16A、16B，其中外层20形成在基座30的外径32上或围绕基座30的外径32布置。
现在参照图4，示出了外层的另一变型，并且通常以20'表示。应该理解的是，外层20、20'可以用在砂芯16A、16B上。图4中所示的外层20'通过制备将被施加到砂型铸造基座30'的浆料而形成，其中砂型铸造基座30'由上述基砂混合物形成。
类似于上面关于图3所述的粉末材料，用于形成外层20'的浆料含有包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁的粉末材料。浆料还含有带有辅助成分的载体混合物，该辅助成分通常在砂芯16A、16B固化后蒸发或变成惰性气体。辅助成分可以包括，例如，促进浆料的粉末材料部分的元素组分(例如乙醇、水、化学物质和黏结剂材料)的悬浮的液体和固体。载体混合物可用于在浆料中产生所需的密度和粘度。在一些示例中，载体混合物可以以浆料的约0.1至约10重量百分比的量存在，其中粉末材料形成浆料的余量。
类似于图3的外层20示例中使用的粉末材料，与载体混合物混合以形成图4的外层20'的粉末材料可包括约50至约70重量百分比的硅；约1.2至约4.5重量百分比的镁；约0.5至约1.0重量百分比的钙；约0.5至约1.5重量百分比的锆；约0.5至约2.5重量百分比的锰；约2.5至约5.0重量百分比的碳；约0.5至约1.0重量百分比的铝；和至少约14.485重量百分比的铁。在一些形式中，粉末材料包括约14.485至约44.3重量百分比的铁。优选地，粉末材料含有不超过0.005重量百分比的硫和不超过0.01重量百分比的磷。
当外层20'由浆料形成时，外层20'可以优选地具有在约0.3mm至约1.0mm范围内的厚度t'。在通过热芯盒或冷芯盒形成砂型铸造基座30'之后，可将外层20'施加到砂型铸造基座30'。例如，可以通过将浆料浸入或喷洒到砂型铸造基座30'上而在砂型铸造基座30'上形成外层20'。
在一些变型中，渗透层34可以设置在砂型铸造基座30'与外层20'之间。渗透层34，例如，由设计用于防止部件22的熔融铸铁渗入砂型铸造基座30'(即，进入型芯16A、16B或砂模半部12)的材料形成。尽管仅在图4中示出并且在图3中未示出，但是图3的砂型铸造基座30和外层20也可以具有设置在砂型铸造基座30和外层20之间的渗透层。
包括在任一变型的外层20、20'中的元素被配置为与现有技术中通常通过阻挡层预先防止的汽车部件22的球墨铸铁反应。通过使外层20、20'与部件22的球墨铸铁反应，镁和其它元素被添加到部件22的表面以抵抗来自砂型铸造装置10的黏结剂和/或固化气体的硫的不良影响。这提供了在包括珠光体的部件22的表皮上产生球墨状结构化表面，而不是具有铁素体基体的退化石墨表面、粗糙度大并且容易破裂。在砂型铸造基座30、30'上使用外层20、20'中的一个的结果导致在镁和硫反应之后局部镁回收率在约0.03至约0.06重量百分比的范围内。因此，来自砂型铸造基座30、30'的硫保持在0.02重量百分比以下的水平。
另外，外层20、20'中的锰提供铁素体抑制，并且钙与水分反应以使镁损耗最小化。此外，添加碳有助于防止脱碳，并且可以使用锆形成热障以减缓铁水渗入砂型铸造基座30、30'中并形成更精细的铸造表面。
因此，由砂芯16A、16B，特别是外层部分20、20'中的一个形成的部件22的表面26具有期望的平滑球状表面。
现在参照图5，形成诸如上述砂型铸造装置10的砂型铸造装置的方法通常用100表示。方法100从步骤102开始，从包括砂材和黏结剂材料(例如上述基砂混合物)的基砂混合物形成砂型铸造基座，例如砂模或砂芯。如上所示和所述，砂型铸造基座可以是砂模砂芯16A、16B，或者可以是砂模，例如上述的砂模半部12。
方法100还包括在砂型铸造基座上形成外层的步骤104。如上所述，外层可以包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁，并且可以被配置为与部件22的金属反应。
举例来说，外层20、20'可以如上所述提供，如图3所示和所述的基砂混合物和粉末材料的混合物、或如参考图4所示和描述的由载体混合物和粉末材料形成的浆料。在一些形式中，如果需要，方法100还可以包括在外层20、20'和砂型铸造基座30、30'(16A、16B)之间设置渗透层34。
举例来说，如果外层20由基砂混合物和粉末材料的混合物形成，则外层20可以在通过固化形成砂型铸造基座30(砂芯或砂模)的同时或之后形成。如果外层20'形成为浆料，则可以在砂型铸造基座30'通过例如浸渍、喷涂或以任何其它所需方式固化之后施加。
该描述本质上仅仅是示例性的，并且不偏离本发明的主旨的变型意图在本发明的范围内。这样的变型不被认为是背离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种砂型铸造装置，包括：
包括砂模和砂芯中的至少一个的砂型铸造基座，所述砂型铸造基座包括基砂混合物，所述基砂混合物包括砂材和黏结剂材料；以及
设置在所述砂型铸造基座上的外层，所述外层包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。
2.根据权利要求1所述的砂型铸造装置，其中所述外层包括以下：
约86至约96.5重量百分比的所述基砂混合物；以及
约3.5至约14重量百分比的粉末材料，所述粉末材料包括：
约50至约70重量百分比的硅；
约1.2至约4.5重量百分比的镁；
约0.5至约1.0重量百分比的钙；
约0.5至约1.5重量百分比的锆；
约0.5至约2.5重量百分比的锰；
约2.5至约5.0重量百分比的碳；
约0.5至约1.0重量百分比的铝；以及
至少约14.485重量百分比的铁，并且
其中所述外层的厚度在约3mm至约10mm的范围内。
3.根据权利要求1所述的砂型铸造装置，其中所述外层由浆料形成，所述浆料包括：
载体混合物；以及
粉末材料，所述粉末材料包括：
约50至约70重量百分比的硅；
约1.2至约4.5重量百分比的镁；
约0.5至约1.0重量百分比的钙；
约0.5至约1.5重量百分比的锆；
约0.5至约2.5重量百分比的锰；
约2.5至约5.0重量百分比的碳；
约0.5至约1.0重量百分比的铝；以及
至少约14.485重量百分比的铁，并且
其中所述外层的厚度在约0.3mm至约1.0mm的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的砂型铸造装置，还包括设置在所述外层和所述砂型铸造基座之间的渗透层，其中所述粉末材料包括约14.485至约44.3重量百分比的铁。
5.一种汽车部件，其具有在其中限定型腔的部分，所述汽车部件由铸铁形成并且具有内部球墨状结构化表面，所述内部球墨状结构化表面由具有外层的砂芯形成，所述外层与所述汽车部件反应以形成所述汽车部件的所述内部球墨状结构化表面。
6.根据权利要求5所述的汽车部件，其中所述砂芯的所述外层包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的汽车部件，所述汽车部件是曲轴，所述曲轴具有由其中的所述孔限定的销轴颈，其中所述内部球墨状结构化表面形成在所述孔的内表面上。
8.一种形成砂型铸造装置的方法，所述方法包括：
由包括砂材和黏结剂材料的基砂混合物形成砂型铸造基座；以及
在所述砂型铸造基座上形成外层，所述外层包括硅、镁、钙、锆、锰、碳、铝和铁。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括用以下步骤形成所述外层：
约86至约96.5重量百分比的包括所述砂材和所述黏结剂材料的所述基砂混合物；以及
约3.5至约14重量百分比的粉末材料，所述粉末材料包括：
约50至约70重量百分比的硅；
约1.2至约4.5重量百分比的镁；
约0.5至约1.0重量百分比的钙；
约0.5至约1.5重量百分比的锆；
约0.5至约2.5重量百分比的锰；
约2.5至约5.0重量百分比的碳；
约0.5至约1.0重量百分比的铝；以及
至少约14.485重量百分比的铁。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括由浆料形成所述外层，所述浆料包括：
载体混合物；以及
粉末材料，所述粉末材料包括：
约50至约70重量百分比的硅；
约1.2至约4.5重量百分比的镁；
约0.5至约1.0重量百分比的钙；
约0.5至约1.5重量百分比的锆；
约0.5至约2.5重量百分比的锰；
约2.5至约5.0重量百分比的碳；
约0.5至约1.0重量百分比的铝；以及
至少约14.485重量百分比的铁。
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