CN110769951A - 用于高压模铸中的铸造型芯的组合物和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于高压模铸的“损失”型芯，该型芯优选包含具有对各种浇铸压力和温度来说合适的强度和耐受性的水溶性合成陶瓷骨料、包含硅酸钠的无机粘结剂、包含颗粒状无定形二氧化硅的添加剂和耐火涂层，其中该型芯具有通过用水溶解而被从铸件移除的能力。

Description

用于高压模铸中的铸造型芯的组合物和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月11日提交的序列号为62/445,140的美国临时专利申请的优先权和权益。
技术领域
本发明涉及在铸造工业的高压模铸中使用的浇铸(casting)型芯。更具体地，本发明涉及用于高压模铸的“损失”型芯(“lost”cores)，包含水溶性粒状介质，其具有对各种浇铸压力和温度来说合适的强度和耐受性，以及在浇铸之后通过溶解而被移除的能力。
背景技术
浇铸型芯的设计和制造已经为全世界的铸造厂带来了持续的挑战。对具有非常复杂的形状、高强度和允许型芯容易地从铸件中被移除的质量的型芯的不断增长的需求需要开发用于型芯基础、粘结剂和涂层的新材料。同时，越来越严格的环境以及健康和安全法规也加大了开发更好的型芯的压力。
通常已知，利用铝或镁合金的车辆轻量化改善了燃料经济性并减少排放。这代表了一种用于混合动力和燃料电池车辆的补充方法，以提高车辆性能，特别是可行驶里程。全世界的原始设备制造商感兴趣的战略愿景(特别是考虑到美国的公司平均燃料经济性(“CAFE”)合规标准)是将车辆重量减少最高达百分之20(“％”)。但是，由于制造技术的障碍，迄今为止这一愿景尚未实现。
某些汽车部件的复杂设计需要内部空腔或通道，所述空腔或通道用于功能目的(如发动机组中的汽缸)以避免昂贵的加工，或者用于减轻重量，这避免了否则也不提供结构益处的过度的质量。为了在浇铸过程中制造具有内部空腔的部件，必须在金属浇注之前安装型芯。型芯因此是要浇铸的部件的内部特征的复制品，实际上是反转复制品。取决于浇铸技术，型芯可被完全整合到浇铸模/模具中或松散地插入其中。在金属凝固和部件脱模之后，所述型芯必须被打破，从产品中移除，并且通常被弃置，尽管已经进行了一些可再用型芯的应用。取决于浇铸方法，当从重力浇铸转换到低压和高压模铸(“HPDC”)时，对于型芯的强度要求随着每种技术的熔体压力增加而变化。
在上述浇铸过程中使用的一种特定类型的型芯被称为“损失”型芯。在用于损失型芯的一个使用实例中，该型芯由可熔化、可洗涤或可溶解的组合物组成，其可被放置在模具的主体中并且随后在浇铸之后被熔化、洗掉和/或溶解。该型芯的移除在浇铸金属物体中留下了希望的空隙。
在用于HPDC的损失型芯的应用中存在着显著的技术鸿沟，其被视为用于大规模制造结构汽车部件的选择技术。结果，现今通过模铸制造的部件通常不包含会在移除型芯之前需要破坏型芯的复杂的内部通道或空腔。已经尝试应用由无机盐如氯化钠或氯化钾组成的水溶性型芯。这些型芯可以具有适合某些应用的强度，并且可在浇铸之后被溶解，但它们的成功受到限制。例如，来自复合混合物的盐水溶性挤压型芯在制造过程中固有的形成的损失型芯的尺寸和形状方面受到限制。盐型芯会在浇铸之前遭受破裂并且在浇铸过程中遭受侵蚀缺陷。另外，在凝固之后盐型芯不易从铸件中移除，并且所得盐水具有腐蚀性并且难以处置或回收再利用。因此，在该技术中的特别关注集中于由粒状介质(如砂或类似材料)组成的型芯。砂型芯技术已经被应用于生产大型薄壁中空金属浇铸形状。然而，该烧蚀浇铸工艺仅使用水溶性改性硅酸盐树脂。尽管对于烧蚀来说是最佳的，但它不使用在本发明中使用的微二氧化硅基添加剂。因此，所得型芯不具有本发明的机械强度和耐湿性。
因此，现有技术未能解决本领域中长期以来对浇铸型芯的未满足的需求：该浇铸型芯一方面足够坚固以承受在HPDC工艺中常见的高注射压力(特别是在浇铸区域中)，以及在保持周期期间的压力强化。另一方面，在浇铸完成之后，该型芯还应当在其移除过程中易于破碎。采用下一代浇铸型芯的高容量、低成本浇铸工艺的开发将推动制造，从而允许生产具有全热处理能力的高完整性部件。
发明内容
为了满足上述需要，本发明提供了一种在HPDC中使用的用于制造结构铝部件的损失型芯组合物，其中该损失型芯可在通过浸入到溶解如水中的铝铸件的热处理期间同时地被移除，由此允许生产复杂、高完整性、中空的结构铸件。
在本申请中，HPDC指的是高压模铸(high pressure die casting)或真空高压模铸。
本发明的一种优选实施方案包括一种组合物，该组合物包含在HPDC中使用的型芯，该型芯包含：
a)耐火型芯基础介质，其由具有优选颗粒尺寸和形状的合成陶瓷介质构成(comprised of)；
b)无机粘结剂，其优选由硅酸钠(“Na2SiO3”或“水玻璃”)、其他无机改性剂和表面活性剂构成；
c)包含颗粒状无定形二氧化硅(“SiO2”或“硅石(silica)”)的添加剂，其中该添加剂优选通过硅酸锆(“ZrSiO4”)的热分解形成二氧化锆(“ZrO2”或“氧化锆(zirconia)”)和SiO2而获得；
d)其中该粘结剂和该添加剂与该合成陶瓷介质混合，优选大约以2:1的无机粘结剂与添加剂的比例，并且典型地大约0.9-4.0％的液体粘结剂(基于该陶瓷介质的重量)与大约0.5-2.0％的微二氧化硅(microsilica)添加剂(基于该陶瓷介质的重量)，以形成混合物；
e)其中该混合物被配置为被吹入(优选使用空气压力)加热的工具中，所述工具例如是以该型芯的希望的形状提供的型芯盒；并且
f)其中该混合物在升高的温度下、优选在大约140-190摄氏度(“℃”)下固化，以形成成品型芯。
所得组合物一旦被固化成所希望的型芯形状则在所制造的型芯中提供互连的孔隙性，这允许溶液(例如由水构成的溶液)在浇铸之后渗透并溶解该型芯。该组合物的出乎意料的益处包括：(i)上述所得组合物在损失型芯应用中的高拉伸强度；(ii)在涉及高金属压力和速度的HPDC工艺中对熔融铝的耐受性，从而产生质量提高的金属部件；以及(iii)在热处理过程中用水从铸件中移除型芯的能力。根据本发明提供的随后用耐火涂料涂覆的型芯被发现是耐火的或者可能是防火的，从而防止熔融铝在HPDC期间渗透到型芯的表面。
本发明的一种可选的优选实施方案包括一种形成在HPDC中使用的型芯的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供耐火型芯基础介质，该耐火型芯基础介质由具有优选颗粒尺寸和形状的合成陶瓷介质构成；
b)提供无机粘结剂，该无机粘结剂优选包含Na2SiO3、无机改性剂和表面活性剂；
c)提供添加剂，该添加剂优选由颗粒状无定形SiO2构成，其中该添加剂优选通过ZrSiO4的热分解形成ZrO2和SiO2而获得；
d)将该粘结剂和该添加剂与该合成陶瓷介质合并，优选大约以2:1的无机粘结剂与添加剂的比例，并且典型地大约0.9-4.0％的液体粘结剂(基于该陶瓷介质的重量)与大约0.5-2.0％的微二氧化硅添加剂(基于该陶瓷介质的重量)，以形成混合物；
e)将该混合物吹入(优选使用空气压力)加热的工具中，所述工具例如是以该型芯的希望的形状提供的型芯盒；并且
f)在升高的温度下、优选在大约130-190℃下固化吹入的混合物，以形成成品型芯。
本发明的另一可选的优选实施方案是用于高压模铸的铸造型芯(foundry core)，该铸造型芯包括以下物质的组合：
合成陶瓷骨料(aggregate)；
包含硅酸钠的无机粘结剂；
包含颗粒状无定形二氧化硅的添加剂；
其中该无机粘结剂和该添加剂以无机粘结剂与添加剂的大约2:1的重量比例在该型芯中提供；
其中在该型芯中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.9-4.0％重量的无机粘结剂；并且
其中在该型芯中提供的添加剂的量基于该陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.5-2.0％重量的添加剂。
本发明的又一可选的优选实施方案在于一种形成用于高压模铸的铸造型芯的方法，该方法包括以下步骤：
提供合成陶瓷骨料；
提供包含硅酸钠的无机粘结剂；
提供包含颗粒状无定形二氧化硅的添加剂；
将该合成陶瓷骨料、该无机粘结剂和该添加剂合并以形成混合物，其中该无机粘结剂和该添加剂以无机粘结剂与添加剂的大约2:1的重量比例在该混合物中提供，其中在该混合物中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.9-4.0％重量的无机粘结剂，并且其中在该混合物中提供的添加剂的量基于该陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.5-2.0％重量的添加剂；
将该混合物吹入加热的工具中，所述工具以该铸造型芯的希望的形状提供；并且
在范围为大约140-190摄氏度的升高的温度下固化吹入的混合物。
本发明的再一可选的优选实施方案在于在高压模铸中使用铸造型芯的方法，该方法包括以下步骤：
通过如下方式形成铸造型芯：(i)提供合成陶瓷骨料，(ii)提供包含硅酸钠的无机粘结剂，(iii)提供包含颗粒状无定形二氧化硅的添加剂，(iv)将该合成陶瓷骨料、该无机粘结剂和该添加剂合并以形成混合物，其中该无机粘结剂和该添加剂以无机粘结剂与添加剂的大约2:1的重量比例在该混合物中提供，其中在该混合物中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.9-4.0％重量的无机粘结剂，并且其中在该混合物中提供的添加剂的量基于该陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.5-2.0％重量的添加剂，(v)将该混合物吹入加热的工具中，所述工具以该铸造型芯的希望的形状提供；(vi)在范围为大约140-190摄氏度的升高的温度下固化吹入的混合物，(vii)将耐火涂层施加到固化之后的铸造型芯上，(viii)干燥该耐火涂层；
在高压下在该铸造型芯周围浇铸熔融金属并使该金属凝固；并且
使该铸造型芯在水溶液中溶解以溶解该铸造型芯离开该金属。
附图说明
图1示出了描绘根据本发明提供的用于制造铸造型芯的方法的图形流程图。
具体实施方式
尽管本发明易受不同形式的实施方案的影响，但在此详细描述了具体的优选实施方案，应理解本公开被认为是本发明原理的示例，并且并不旨在将本发明限制于此处描述的内容。
本发明的一种优选实施方案包括在HPDC中使用的型芯，该型芯包含粒状介质、无机粘结剂和添加剂。该粒状介质可以是天然硅砂，但其优选是合成陶瓷材料。该粘结剂优选是能够耐受金属浇铸温度同时还可在浇铸之后通过溶解移除的水溶性材料。
合并的粘结剂和添加剂优选与该粒状介质以大约1.4-6％重量(“wt％”)并且优选大约4.2wt％基的粘结剂和添加剂与介质混合以形成混合物。该混合物然后被吹入型芯盒中并使用加热的工具和加热的空气固化。粘结剂和添加剂与粒状介质的比例使得在所制造的型芯中保持互连的孔隙性。这种孔隙性允许在浇铸之后水基溶液渗透到该型芯中以将其溶解。
更具体地，本发明的这种优选实施方案包括粒状介质，其优选包含与无机粘结剂和流动添加剂合并以形成混合物的合成陶瓷或莫来石骨料。该无机粘结剂优选由改性硅酸钠液体构成，并且该流动添加剂优选由微二氧化硅添加剂构成。一旦将该混合物成形为型芯，则该型芯利用耐火涂料进行涂覆，该耐火涂料由锆石(zircon)和/或板状氧化铝(tabular alumina)构成，被施加到所得型芯形状上一定的湿和干厚度。
本发明的一种优选实施方案的合成陶瓷介质是优选由莫来石和刚玉晶体构成的烧结陶瓷介质，其赋予该介质以下的品质：高硬度以及耐久性，这在HPDC工艺的过程中抵抗颗粒破坏并且导致陶瓷介质消耗减少。合成陶瓷介质的使用提供了热稳定的介质，其保持不受HPDC工艺条件的影响。该介质优选具有使型芯孔隙性最大化并增强渗透性的特定的均匀尺寸和形状。每种陶瓷介质颗粒的优选尺寸范围为大约30-70砂粒细度指数(GrainFineness Number)(“GFN”)，由美国铸造学会(American Foundry Society)测量。该介质的堆密度范围为大约90-115磅/立方英尺(“lbs/ft3”)疏松，并且优选大约113lbs/ft3疏松，以及大约105-130lbs/ft3填充，并且优选大约125lbs/ft3填充。适用于本发明的优选实施方案的合成陶瓷骨料的实例是由Carbo Ceramics Inc.制造和销售的
Figure BDA0002126571920000071
ID 50。用于本发明的优选实施方案的合成陶瓷介质骨料的另一实例是Bauxit W65合成陶瓷骨料。
在本发明的优选实施方案中发现最有用的陶瓷介质的优选化学组成如下：氧化铝(“Al2O3”)含量为大约45-85wt％，并且优选大约75wt％，SiO2含量为大约9-40wt％，二氧化钛(“TiO2”)含量为大约2-4wt％，并且优选为大约3wt％，以及氧化铁(“Fe2O3”)含量为大约1-10wt％，并且优选为大约9wt％。这些优选的陶瓷介质特性改善了所得混合物的固化的强度，以在将高速熔融铝引入到包含根据本发明形成的型芯的铸模的过程中抵抗破坏和侵蚀。此外，一致的陶瓷介质颗粒尺寸和组成的组合提供了使用这种类型的陶瓷介质制造的型芯的固化横向强度和固化拉伸强度，该类型的陶瓷介质与改性硅酸钠液体粘结剂和微二氧化硅添加剂(比主要由硅砂组成的骨料型芯分别至少高50％和高5-10％)组合。
另外，在本发明的优选实施方案中使用的该合成陶瓷介质的低线性膨胀性能提高了铸件的尺寸精度。该优选的陶瓷介质的线性膨胀值范围为大约0.65-0.75(％线性变化并且优选大约0.71％，从室温至1,600℃测量)，而硅砂的传统膨胀值显著更高，最常见地处于1.8％线性变化。
在本发明的一种优选实施方案中，该无机粘结剂主要由硅酸钠(通常称为水玻璃)组成。包括硼、钠、钾和氢氧化锂的改性剂可被添加到无机粘结剂中，以优化根据本发明形成的型芯的固化性能。另外，可以将表面活性材料如表面活性剂添加到无机粘结剂中以改善所得骨料、粘结剂和添加剂混合物的流动性。适用于本发明的优选实施方案的粘结剂的实例是由Huettenes-Albertus，GmbH制造和销售的
Figure BDA0002126571920000081
8511粘结剂。适用于本发明的优选实施方案的添加剂的实例是由Huettenes-Albertus，GmbH制造和销售的AnorgitTM8396粘结剂。
本发明的一种优选实施方案的添加剂优选包含微二氧化硅。本发明使用的合适微二氧化硅及其制备方法被描述于美国专利号7,770,629中，其全部内容通过引用并入本文。已经发现，在无定形二氧化硅当中，存在下述这样类型的无定形二氧化硅：该类型的无定形二氧化硅在它们作为改性硅酸钠粘结剂的添加剂的效果方面与其它类型存在着明显不同。如果添加的添加剂是通过热分解ZrSiO4形成ZrO2和SiO2并且之后基本上完全或部分去除ZrO2而产生的颗粒状无定形SiO2，则获得了令人惊讶的型芯拉伸强度的大幅改善和/或型芯重量在根据本发明形成的型芯中与利用由其它生产方法获得的颗粒状无定形SiO2形成的型芯相比要高。根据本发明形成的型芯的型芯重量的增加被发现于具有与现有技术型芯相同外部尺寸的型芯中(即本发明的型芯包括更大的密度)，并且增加的型芯重量伴随着降低的气体渗透性的质量，这表明型芯介质颗粒更紧密的堆积。值得注意的是，具有高密度的紧密堆积的型芯仍然保持基础骨料的开口间距，这允许在浇铸之后移除水。根据上述方法生产的颗粒状无定形SiO2也被称为合成无定形SiO2。
根据本发明形成的型芯包括：
a)耐火型芯基础介质，其由具有优选颗粒尺寸和形状的合成陶瓷介质构成；
b)无机粘结剂，其优选由Na2SiO3、其他无机改性剂和表面活性剂构成；
c)由颗粒状无定形二氧化硅构成的添加剂，其中该添加剂优选通过ZrSiO4的热分解形成ZrO2和SiO2而获得；并且
d)其中该粘结剂和添加剂与该合成陶瓷介质混合，优选大约以2:1的无机粘结剂与添加剂的比例，并且典型地大约0.9-4.0％的液体粘结剂(基于该陶瓷介质的重量)与大约0.5-2.0％的微二氧化硅添加剂(基于该陶瓷介质的重量)，以形成混合物；
e)其中该混合物被配置为被吹入(优选使用空气压力)加热的工具中，所述工具例如是以该型芯的希望的形状提供的型芯盒；并且
f)其中该混合物在升高的温度下、优选在大约130-190摄氏度(“℃”)下固化，以形成成品型芯。
如图1所示，本发明的一种可选的优选实施方案包括形成在HPDC中使用的型芯100的方法，该方法包括以下步骤：
a)(工艺步骤10)提供耐火型芯基础介质110，该耐火型芯基础介质110由具有优选颗粒尺寸和形状的合成陶瓷介质构成；
b)(工艺步骤20)提供无机粘结剂120，该无机粘结剂120优选包含Na2SiO3、无机改性剂和表面活性剂；
c)(工艺步骤30)提供添加剂130，该添加剂130优选由颗粒状无定形SiO2构成，其中该添加剂130优选通过ZrSiO4的热分解形成ZrO2和SiO2而获得；
d)(工艺步骤40)在混合器150中将该粘结剂120和该添加剂130与该合成陶瓷介质110合并，优选大约以2:1的无机粘结剂120与添加剂130的比例，并且典型地大约0.9-4.0％的液体粘结剂120(基于该陶瓷介质110的重量)与大约0.5-2.0％的微二氧化硅添加剂130(基于该陶瓷介质110的重量)，以形成混合物140；
e)(工艺步骤50)将该混合物140吹入(优选使用空气压力)加热的工具中，所述工具例如是以该型芯100的希望的形状提供的型芯盒170；并且
f)(工艺步骤60)在升高的温度下、优选在大约140-190℃下在该型芯盒中固化吹入的混合物160，该固化过程通过使用热空气放气180来增强，以形成成品型芯100。
粘结剂、添加剂和骨料基材需要均匀混合以生产根据本发明形成的型芯。混合时间取决于混合器的要求。通常，根据本发明形成的型芯优选通过按顺序合并以下物质来制备：首先是骨料，然后是微二氧化硅改性的干粉末添加剂，接着是改性硅酸盐液体粘结剂。通常，将干添加剂粉末混合到骨料中两分钟并且然后在改性硅酸盐液体粘结剂中混合两分钟应该是足够的，但是时间可以根据所用混合器的类型而变化。可以在任何商业分批混合器中制备骨料混合物。工业中已知的混合器(例如并行定子型混合器和S叶片型混合器)是有效的。
添加到骨料中的改性硅酸盐液体粘结剂的量取决于骨料介质的平均颗粒尺寸和纯度，并且基于该骨料的重量计优选为大约0.9-4.0％并且更优选2.0-2.8wt％。所使用的微二氧化硅添加剂粉末的量基于该骨料的重量计优选为大约0.5-2.0％并且更优选1.0-1.4wt％。
一旦获得均匀混合物，该混合物即可用于型芯或模具生产。在本发明的一种优选实施方案中，将骨料混合物射入所希望部件的形状的加热的型芯盒中。根据型芯几何形状，型芯盒温度范围为大约140℃(284°F)至190℃(374°F)。型芯盒中的热量应均匀分布。在骨料混合物(即合成莫来石、水性粘结剂和添加剂)已经到达型芯盒之后，在该型芯的外轮廓周围形成外围壳。通过将成形的混合物注入到具有加热的空气的工具内来支持和加速随后的固化过程。将优选在100-200℃的温度下的热气体施加到型芯盒中的型芯也有助于加速固化过程。取决于所使用的微二氧化硅添加剂粉末和改性硅酸盐液体粘结剂的量以及骨料，能够以1.5-3.5wt％的粘结剂添加比率实现大约350-1000牛顿/平方厘米(“N/cm2”)的弯曲强度水平。对于使用AFS标准拉伸试样的美国来说，使用大约1.5-6.0wt％的粘结剂添加比率能够实现大约300-800磅/平方英寸(“psi”)的拉伸强度。
这种无机粘结的型芯的硬化时间很大程度上取决于它们的体积和几何形状。建议的起始参数取决于所使用的特定型芯设备。典型地在工业中用于制造型芯形状并用于本发明的无机损失型芯形成过程的型芯吹制机的一般设置是：
a)射击压力(巴)：大约3-5，典型地为3.5巴
b)射击时间(秒)：大约0.5-2
c)吹扫时间(秒)：大约35-60
d)吹扫压力(巴)：大约2
e)吹扫加热器温度(℃)：大约100-240
f)型芯盒温度(℃)：大约120-150。
在固化之后，根据本发明的优选实施方案形成的所得型芯用耐火涂层覆盖，以进一步保护固化的型芯形状免受熔融铝的影响，而该熔融铝在升高的温度(大约700-800℃)下并且在高的压力(大约250-400巴)和速度(大约2.5米/秒)下被注入到HPDC模具中。
在本申请中使用并且根据本发明提供的涂料优选是特定配制的材料，其包含高密度板状氧化铝作为耐火体系和/或高密度板状氧化铝和锆石的掺混物作为耐火体系。所用的耐火涂料优选由大约75-100％的板状氧化铝和大约0-25％的锆石构成。两种组分材料均以细粉末形式存在，该板状氧化铝为大致325目，并且该锆石为大致200目。两者都需要使用特定的耐火涂料粘结剂将耐火涂料粘附到固化的骨料型芯形状的表面上，例如在耐火涂料中以大约0.5-0.9wt％使用的脂松香。
包含板状氧化铝的耐火涂料(无论是作为如上所述的掺混物还是作为单一耐火材料)仅占涂料混合物的大约60-65wt％。该涂料的其余部分是用作溶剂的水或异丙醇、粘土如膨润土、表面活性剂和分散剂。水和醇占该涂料的大约20-25wt％作为载体溶剂。该涂料的余量由典型地用于耐火涂料设计的粘土、表面活性剂和润湿剂构成。
耐火涂料可用异丙醇进一步稀释，并且使其相应的流量根据所选的施加方法进行调节。这些类型的涂料可以通过工业中常用的几种方法施加到根据本发明提供的固化的骨料型芯表面的表面上。这些方法包括用手或通过机械臂的浸涂、流涂或灌注(flooding)。
特别重要的是施加到固化型芯表面的这种涂料的量。上述涂料将施加8-12密耳的湿厚度，这取决于与型芯的接触时间。1密耳是1/1000英寸。当将特定涂料的两个涂层施加到型芯上而给出大约10-20密耳的总湿厚度以及大约0.008-0.015英寸的干涂层厚度时，发现浇注结果是最佳的。
使施加之后的涂层干燥。干燥可以通过空气干燥、微波固化或在强制空气烘箱中干燥来完成。干燥时间取决于所用的方法。上述涂层在干燥后提供了非常硬且耐用的表面，被称作“蛋壳”涂层。这种硬的耐用表面确保了一直到浇铸过程的涂覆的骨料型芯的表面完整性。此外，合适厚度的硬的耐用表面在真空HPDC工艺期间抵抗金属冲击到型芯中。
一旦提取铸件，根据本发明提供的型芯则被溶解在水中，这为铸件提供了溶液热处理并将型芯材料溶解离开铸件。该无机粘结剂组分可被进一步处理和回收再利用。
实施例#1–型芯的拉伸强度
型芯的测试样品(一个包含标准硅砂的型芯基础介质并且另一个根据本发明的一种优选实施方案提供，包含合成陶瓷骨料的型芯基础介质)根据在如下文献中描述的铸造砂工艺进行测试：AFS Mold and Core Test Handbook,即Test Procedure Nos(测试程序编号)3301-08-S、5223-13-S、3315-00-S、1105-12-S、1114-00-S、5100-12-S和1106-12-2，其全部内容通过引用并入本文。在这个测试中，制备了使用包含9032和AnorgitTM 8396(二者均由Huettenes-Albertus，GmbH制造和销售)的无机粘结剂体系的测试样品。一个样品包括典型地用于铸造工业中型芯制造的标准硅砂的型芯基础介质，即由Fairmount Santrol制造和销售的WedronTM 530，另一个样品包括合成陶瓷骨料的型芯基础介质，即由Carbo Ceramics Inc制造和销售的
Figure BDA0002126571920000122
ID 50。使用
Figure BDA0002126571920000123
混合器，根据典型的操作程序即AFS 3315-00-S，将5000克的型芯基础介质与无机粘结剂混合。评价单一粘结剂体系水平，2.8％Cordis 9032粘结剂与1.4％Anorgit 8396添加剂(基于骨料的重量计)。在混合之后，在Laempe L1-3型芯吹制机上将骨料/无机粘结剂混合物(通过空气压力)吹入拉伸样品形状的型芯盒中。用于制备样品的固化条件如下所示：
型芯盒温度 150℃
固化时间 60秒
吹入时间 0.5秒
热空气 100℃
射击压力 4巴
最终吹扫压力 2巴
在固化之后，使用Thwing-Albert拉伸测试机测试样品的最大拉伸强度。在固化之后1小时和24小时测定拉伸强度。还根据AFS 5223-13-S测试固化24小时样品的渗透性。
结果如下所示：
对于WedronTM 530二氧化硅和
Figure BDA0002126571920000143
ID 50骨料，根据AFS No.1105-12-S和1106-12-2进行实际颗粒尺寸分析，如下所示。“ADV”是根据AFS 1114-00-S的酸耗值并且“LOI”是根据AFS 5100-12-S的烧失量。
Figure BDA0002126571920000141
实施例#2A-型芯的横向强度
几个型芯测试样品根据典型的铸造砂型芯测试方法制造，一些测试样品包括标准硅砂的型芯基础介质，并且另一些根据本发明的一种优选实施方案提供，包含合成陶瓷骨料的型芯基础介质，即
Figure BDA0002126571920000144
ID 50。使用以下物质测试型芯横向强度：有机冷盒粘结剂系统，即Sigma Cure 7211部分1和7706部分2(使用Sigma Cat 2185固化)，均由HAInternational制造和销售；或者无机粘结剂系统，即
Figure BDA0002126571920000145
8511粘结剂和AnorgitTM8396添加剂。如本领域普通技术人员所理解的，使用用于利用两种二氧化硅或合成陶瓷骨料形成测试件型芯的适当且典型的方法来形成型芯。
在完全固化之后，将测试型芯置于夹具中，并使用由Illinois Tool Works Inc.制造和销售的
Figure BDA0002126571920000142
测试仪器通过所谓的3点弯曲确定破坏载荷下的横向强度。结果如下所示：
Figure BDA0002126571920000151
如上所示，合成陶瓷骨料和无机粘结剂的组合表现出优异的横向强度和性能。
实施例#2B-型芯的横向强度
几个型芯测试样品根据典型的铸造砂型芯测试方法制造。将
Figure BDA0002126571920000152
8511粘结剂和AnorgitTM 8396添加剂与不同的骨料混合，对于
Figure BDA0002126571920000153
为2.0wt％和2.8wt％，并且对于AnorgitTM为1.0wt％和1.4wt％。在这个实施例中，骨料模塑材料选自由Naigai Itochu制造和销售的
Figure BDA0002126571920000154
ID50、Cerabeads 400，由Ziegler&Co.GmbH制造和销售的Bauxit W65，以及由Quarzwerke制造和销售的硅砂F34。所有强度都是典型的欧盟横向或“弯曲”样品。
固化参数如下：(i)固化和放气温度：160℃；(ii)固化时间：30秒。
第一次试验使用原始模塑材料2.8％
Figure BDA0002126571920000161
8511和1.4％AnorgitTM8396，涂有
Figure BDA0002126571920000162
6804(改性)和
Figure BDA0002126571920000163
E MS 97，二者都是施加到型芯以提供具有光滑表面的型芯的水基修饰涂料。
使用Morek Multiserv横向测试仪并遵循德国程序Merkblatt R 202des VereinsDeutscher Gieβereifachleute,Ausgabe Oktober 1976来测定横向强度。报告的所有强度均为N/cm2，如下所示。
比较与冷强度相关的使用的不同骨料，Bauxit W65合成陶瓷材料显示出使用无论是低还是高的粘结剂水平的最高强度。与传统硅砂相比，所有合成陶瓷骨料都具有明显更高的横向强度。
实施例#4-涂覆铸造型芯
根据实施例#2所用的方法制备测试型芯。使用典型的铸造混合设备将2.0wt％和2.8wt％的
Figure BDA0002126571920000171
8511粘结剂和1.0wt％和1.4wt％的AnorgitTM 8396添加剂与ID 50合成陶瓷介质混合。然后根据推荐的用于固化无机型芯的实践将混合物吹制并固化。
所述型芯然后用HA International LLC制造和销售的Mold
Figure BDA0002126571920000173
Plus T和TZ涂覆。Mold
Figure BDA0002126571920000174
Plus T是一种高固含量醇基耐火涂料。这种产品优选使用高密度板状氧化铝作为耐火系统。Mold
Figure BDA0002126571920000175
Plus TZ是一种高固含量醇基耐火材料。这种产品主要是与一些锆石混合的氧化铝耐火系统。在这些涂料中使用的流变添加剂使得一旦涂料干燥，则保留大约5-10密耳干燥厚度的硬“蛋壳”耐火层，其在处理过程中保护型芯并且提供在高压模铸工艺过程中抵抗熔融铝冲击的保护性耐火屏障。将型芯浸入各自的涂料中，其处于58°波美度和大约12.7-12.8lbs/加仑(铸造工业中用于控制耐火涂料的典型方法)。这些涂料使用100％板状氧化铝(325目)或者锆石粉(200目)和板状氧化铝(325目)的50:50掺混物。将型芯在涂覆流体中流涂一次并使其风干。一些型芯在相应的涂料中第二次流涂，以提供额外的耐火层。湿厚度为大约10-15密耳并且干燥后为大约5-10密耳厚。

Claims (25)

1.用于高压模铸的铸造型芯，该铸造型芯包括以下物质的组合：
合成陶瓷骨料；
包含硅酸钠的无机粘结剂；
包含颗粒状无定形二氧化硅的添加剂；
其中该无机粘结剂和该添加剂以无机粘结剂与添加剂的大约2:1的重量比例在该型芯中提供；
其中在该型芯中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.9-4.0％重量的无机粘结剂；并且
其中在该型芯中提供的添加剂的量基于该陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.5-2.0％重量的添加剂。
2.如权利要求1所述的铸造型芯，其中在该型芯中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约2.0-2.8％重量的无机粘结剂。
3.如权利要求1所述的铸造型芯，其中在该型芯中提供的添加剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约1.0-1.4％重量的添加剂。
4.如权利要求1所述的铸造型芯，其中该无机粘结剂进一步包含无机改性剂。
5.如权利要求4所述的铸造型芯，其中该无机改性剂是氢氧化锂。
6.如权利要求1所述的铸造型芯，其中该无机粘结剂进一步包含表面活性剂。
7.如权利要求1所述的铸造型芯，其中该合成陶瓷骨料包括范围为大约30-70的砂粒细度指数。
8.如权利要求7所述的铸造型芯，其中该合成陶瓷骨料包括范围为大约50-65的砂粒细度指数。
9.如权利要求1所述的铸造型芯，其中该添加剂通过硅酸锆的热分解获得。
10.如权利要求1所述的铸造型芯，进一步包括由高密度板状氧化铝形成的耐火涂层。
11.形成用于高压模铸的铸造型芯的方法，该方法包括以下步骤：
提供合成陶瓷骨料；
提供包含硅酸钠的无机粘结剂；
提供包含颗粒状无定形二氧化硅的添加剂；
将该合成陶瓷骨料、该无机粘结剂和该添加剂合并以形成混合物，其中该无机粘结剂和该添加剂以无机粘结剂与添加剂的大约2:1的重量比例在该混合物中提供，其中在该混合物中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.9-4.0％重量的无机粘结剂，并且其中在该混合物中提供的添加剂的量基于该陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.5-2.0％重量的添加剂；
将该混合物吹入加热的工具中，所述工具以该铸造型芯的希望的形状提供；并且
在范围为大约140-190摄氏度的升高的温度下固化吹入的混合物。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：
将耐火涂层施加到固化之后的铸造型芯上；并且
干燥该耐火涂层。
13.如权利要求12所述的方法，其中该耐火涂层包含高密度板状氧化铝。
14.如权利要求12所述的方法，其中将该涂层施加到该铸造型芯上至范围为大约10-20密耳的总湿厚度。
15.如权利要求11所述的方法，其中在该型芯中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约2.0-2.8％重量的无机粘结剂。
16.如权利要求11所述的方法，其中在该型芯中提供的添加剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约1.0-1.4％重量的添加剂。
17.如权利要求11所述的铸造型芯，其中该合成陶瓷骨料包括范围为大约30-70的砂粒细度指数。
18.如权利要求11所述的铸造型芯，其中该合成陶瓷骨料包括范围为大约50-65的砂粒细度指数。
19.如权利要求11所述的铸造型芯，其中该无机粘结剂进一步包含无机改性剂。
20.如权利要求19所述的铸造型芯，其中该无机改性剂是氢氧化锂。
21.在高压模铸中使用铸造型芯的方法，该方法包括以下步骤：
通过如下方式形成铸造型芯：(i)提供合成陶瓷骨料，(ii)提供包含硅酸钠的无机粘结剂，(iii)提供包含颗粒状无定形二氧化硅的添加剂，(iv)将该合成陶瓷骨料、该无机粘结剂和该添加剂合并以形成混合物，其中该无机粘结剂和该添加剂以无机粘结剂与添加剂的大约2:1的重量比例在该混合物中提供，其中在该混合物中提供的无机粘结剂的量基于该合成陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.9-4.0％重量的无机粘结剂，并且其中在该混合物中提供的添加剂的量基于该陶瓷骨料的重量计的范围为大约0.5-2.0％重量的添加剂，(v)将该混合物吹入加热的工具中，所述工具以该铸造型芯的希望的形状提供；(vi)在范围为大约140-190摄氏度的升高的温度下固化吹入的混合物，(vii)将耐火涂层施加到固化之后的铸造型芯上，并且(viii)干燥该耐火涂层；
在高压下在该铸造型芯周围浇铸熔融金属并使该金属凝固；并且
使该铸造型芯在水溶液中溶解以溶解该铸造型芯离开该金属。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：在溶解离开该金属之后回收该无机粘结剂以用于第二铸造型芯。
23.如权利要求22所述的方法，其中该水溶液是水。
24.如权利要求21所述的铸造型芯，其中该无机粘结剂进一步包含无机改性剂。
25.如权利要求24所述的铸造型芯，其中该无机改性剂是氢氧化锂。
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