CN112739477B - 用于铸造部件的铸模及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铸造部件的铸模。铸模包括至少一个由金属和/或合金制成的铸模框架、以及一个或多个引入该至少一个铸模框架中的陶瓷铸模嵌件。该铸模嵌件或这些铸模嵌件包括要生产的部件或要生产的部件与一个或多个铸造型芯的组合的负轮廓或部分负轮廓。本发明进一步涉及一种用于生产根据本发明的铸模的方法以及根据本发明的铸模的用途。

Description

用于铸造部件的铸模及其制造方法

本发明涉及一种用于铸造部件的铸模。铸模包括至少一个由金属和/或合金制成的铸模框架、以及还有一个或多个引入该至少一个铸模框架中的陶瓷铸模嵌件。该铸模嵌件或这些铸模嵌件具有要生产的部件或要生产的部件与一个或多个铸造型芯的组合的负轮廓或部分负轮廓。本发明还涉及一种用于生产根据本发明的铸模的方法以及根据本发明的铸模的用途。

用低压模铸和压力模铸在金属永久模具中模制提供了制造铸件的经济方法。这里，对金属铸模或模具的要求高。具有高熔点的金属的铸造导致模具的热负荷高，以及在熔融材料与模具之间的各个点处的焊接或合金形成的风险。在压力模具铸造的情况下，额外的负荷由熔体的高压和高速引起。由于工具成本高，长的使用寿命对于经济的制造是必要的。铸造工具中的局部过载区域可能导致过早失效。

在低压模具铸造中使用金属模具提供了制造铸件的经济方法。熔炉、冒口和模具的典型布置允许金属熔体定向固化。与砂型铸造相比，金属模具中的高冷却速率允许更细的粒度和致密的微观结构。由于工具成本高，长的使用寿命对于经济的制造是必要的。快速冷却和具有高熔点的金属(例如含铜合金)的铸造导致模具的热负荷高，以及在熔融材料与模具之间的各个点处的焊接或合金形成的风险。由此减少了直至达到磨损极限前的可能铸件的数量。施加胶料保护铸件不与模具壁的粘附。然而，涂层的频繁更新导致生产率更低。

施加胶料可以保护模具以防过早磨损。胶料可以作为液体或作为粉末施加到模具的表面。胶料基于石墨、二硫化钼或氮化硼以及常规脱模剂。涂层(部分地)不是非常耐磨，因此导致涂层中的缺陷允许熔体与模具的金属之间发生反应的风险。胶料还可能导致铸件上的表面缺陷。熔体与模具之间的热传递可能被不均匀的涂层破坏并且可能使不合格铸件的量增加。先前的解决方案策略基于改进涂层组合物和涂布方法。

由此开始，本发明的目的是提供一种用于铸造部件的铸模，其不易磨损并且因此具有更长的使用寿命。

根据本发明，因此描述了一种用于铸造部件的铸模。铸模包括至少一个由金属和/或(金属)合金制成的铸模框架(或铸模滑动件)以及还有引入铸模框架(或铸模滑动件)中的一个陶瓷铸模嵌件或引入该至少一个铸模框架(或铸模滑动件)中的多个陶瓷铸模嵌件。该铸模嵌件或这些铸模嵌件具有要(用铸模)生产的部件的负轮廓或部分负轮廓，或者该铸模嵌件或这些铸模嵌件具有要(用铸模)生产的部件与一个或多个铸造型芯的组合的负轮廓或部分负轮廓。

该一个或多个陶瓷铸模嵌件具有高耐磨性和耐久性。根据本发明的铸模因此不易磨损，并且因此具有更长的使用寿命。换言之，由于高耐磨性和耐久性，可能的铸造物的数量与常规模具或铸模相比增加了。

可以将一个或多个陶瓷模具嵌件引入由金属制成的模制框架或滑动件中并且在用或不用附加型芯的情况下重制要生产的部件。陶瓷模具嵌件可以被构造使得可以减少脱模剂的使用。附加地，可以选择材料使得要铸造的部件以目标方式固化。可以选择陶瓷模嵌件的几何形状使得生产被简化至最大可能的程度并且部件可选地借助于型芯实现所期望的轮廓。为了快速散热，可以使用由具有高热导率(100W/mK到160W/mK和4·e^-6/K WAK到4.8·e^-6/K WAK)的Si-SiC或AIN(180W/mK到220W/mK和4.5·e^-6/K WAK到5.6·e^-6/K WAK)制成的嵌件。通过由氮化硅或SiAION(4W/mK到50W/mK和2.1·e^-6/K WAK到3·e^-6/K WAK)制成的嵌件可以实现缓慢的冷却速率。模的基体可以完全由陶瓷嵌件形成或者可以仅部分地用在金属模的特别关键的区域中。陶瓷嵌件可以在用于具有缓慢冷却速率的区域的压力模具铸模中使用以便控制固化，或者在负荷特别重的区域中使用以便保护防止磨损。

在铸造过程中影响热传递的可能性可以提高铸件的质量。金属模具的受负荷特别大的区域可以通过陶瓷嵌件来强化并且因此使用时间更长。可以减少与施加胶料相关的努力并因此提高生产率。

根据本发明的铸模的优选实施例的特征在于，该一个或多个陶瓷铸模嵌件包含以下材料或由以下材料组成或材料选自由以下组成的组：AlN(氮化铝)、SiAlON(氧化氮硅铝)、SiN(氮化硅)、SiSiC(渗硅碳化硅)、SiC(碳化硅)、氧化锆(ZrO₂，氧化锆)、氧化铝(Al₂O₃)、ATI(钛酸铝)以及它们的混合物。

另一优选实施例的特征在于，该一个或多个陶瓷铸模嵌件包含具有1.5W/mK到50W/mK的热导率和/或0.5·e^-6/K到3.5·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成。该铸模嵌件或这些铸模嵌件的材料在此优选地选自由SiN、SiAlON、ATI(钛酸铝)以及它们的混合物组成的组。

热导率可以例如根据ASTM E1461-13确定。在本专利申请中指明的所有其他热导率也可以以这种方式确定。

热膨胀系数可以例如根据DIN 51045确定。在本专利申请中指明的所有其他热膨胀系数也可以以这种方式确定。

另一优选实施例的特征在于，该一个或多个陶瓷铸模嵌件包含具有100W/mK到220W/mK的热导率和/或4.0·e^-6/K到5.6·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成。该铸模嵌件或这些铸模嵌件的材料在此优选地选自由AlN、SiSiC以及它们的混合物组成的组。

该一个或多个陶瓷铸模嵌件优选地可以是

-包含具有100W/mK到160W/mK的热导率和/或4.0·e^-6/K到4.8·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成，其中该铸模嵌件或这些铸模嵌件的材料优选地是SiSiC，和/或

-包含180W/mK到220W/mK的热导率和/或4.5·e^-6/K到5.6·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成，其中该铸模嵌件或这些铸模嵌件的材料优选地是AlN。

依据根据本发明的铸模的另一优选实施例，铸模包括多个引入该至少一个铸模框架中的陶瓷铸模嵌件，其中，铸模嵌件具有要生产的部件或者要生产的部件与一个或多个铸造型芯的组合的负轮廓或部分负轮廓，其中，陶瓷铸模嵌件均包含材料或由该材料组成，其中陶瓷铸模嵌件中的至少两种的材料具有不同的热导率和/或不同的热膨胀系数。这意味着铸模嵌件之一的材料具有与铸模嵌件中的至少一个另外的铸模嵌件的材料不同的热导率和/或热膨胀系数。

还优选的是

-引入到铸模框架中的陶瓷铸模嵌件中的至少一个包含具有1.5W/mK到50W/mK的热导率和/或0.5·e^-6/K到3.5·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成，其中，该材料优选地选自由SiN、SiAlON、ATI(钛酸铝)以及它们的混合物组成的组，和/或

-引入到铸模框架中的陶瓷铸模嵌件中的至少一个包含具有100W/mK到220W/mK的热导率和/或4.0·e^-6/K到5.6·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成，其中，该材料优选地选自由AlN、SiSiC以及它们的混合物组成的组。

还优选的是

-引入到铸模框架中的陶瓷铸模嵌件中的至少一个包含具有1.5W/mK到50W/mK的热导率和/或0.5·e^-6/K到3.5·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成，其中，该材料优选地选自由SiN、SiAlON、ATI(钛酸铝)以及它们的混合物组成的组，和/或

-引入到铸模框架中的陶瓷铸模嵌件中的至少一个包含具有100W/mK到160W/mK的热导率和/或4.0·e^-6/K到4.8·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成，其中，该材料优选地是SiSiC，和/或

-引入到铸模框架中的陶瓷铸模嵌件中的至少一个包含具有180W/mK到220W/mK的热导率和/或4.5·e^-6/K到5.6·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由该材料组成，其中，该材料优选地是AlN。

根据本发明的铸模的另一优选实施例的特征在于，该一个或多个陶瓷铸模嵌件包含渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成。

更大的模具嵌件也可以由SiSiC制造成近净形状。碳化硅(SiC)的特征是强度高和耐腐蚀。由渗硅SiC制成的模具嵌件不具有开孔孔隙度。SiSiC的热导率非常高，超过由金属制成的常规模具的热导率。热导率在此受材料结构的影响(典型值为100到160W/mK)。除了高热导率之外，热膨胀系数低(4·10^-6/K到4.8·10^-6/K)。通过渗硅增加了热传导的能力。模具嵌件可以用在具有适合的热膨胀的金属支撑件中并且可以安装在铸模中。

由于使用SiSiC作为材料，进一步减少了关于施加胶料的努力，从而提高了生产率。良好的热导率和通过SiSiC的微观结构影响热导率的可能性可以用于更短的循环时间和熔体的可控固化。

进一步优选的是，该陶瓷铸模嵌件(其包含渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成)或这些陶瓷铸模嵌件(其包含渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成)设有至少一个钝化层。钝化层优选地是选自来自由碳、氮化硅以及它们的混合物组成的组的材料的钝化层。

为了避免硅与熔体的反应并增加工具嵌件的耐化学性，薄层被施加到模具嵌件的表面上并覆盖并因此钝化表面的硅区域。该层优选地含有碳，其在高温下和在惰性气氛下可以与硅一起形成碳化硅。

依据根据本发明的铸模的另一个优选实施例，(铸模框架的)金属或(铸模框架的)合金选自由以下组成的组：铁镍合金(例如Invar)、铁镍钴合金(例如Kovar)、工具钢、铸铁、以及它们的混合物和合金。

根据本发明的铸模可以优选地包括多个铸模框架，例如两个、三个或四个铸模框架。

该铸模嵌件或这些铸模嵌件优选地分别具有至少10mm的壁厚。

该至少一个铸模框架优选地分别具有至少25mm的壁厚。

该至少一个铸模框架优选地具有用于控制该至少一个铸模框架和/或该铸模嵌件或这些铸模嵌件的温度的通道。

该至少一个铸模框架优选地安装在载板上，优选地由工具钢制成的载板上。另外的部件可以附接至载板(诸如用于关闭汽缸的联接板、喷射器等)。

本发明还涉及一种用于生产根据本发明的铸模的方法，其中将一个铸模嵌件或多个铸模嵌件引入或用于由金属或(金属)合金制成的至少一个铸模框架中，该一个铸模嵌件或多个铸模嵌件具有要生产的部件或要生产的部件与一个或多个铸造型芯的组合的负轮廓或部分负轮廓。

根据本发明的方法的优选变型的特征在于，该一个或多个陶瓷铸模嵌件包含渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成。

在此，优选的是，该陶瓷铸模嵌件或这些陶瓷铸模嵌件设有至少一个钝化层，其中，钝化层优选地是选自来自由碳、氮化硅以及它们的混合物组成的组的材料的钝化层。

此外优选的是，该陶瓷铸模嵌件或这些陶瓷铸模嵌件设有至少一个钝化层，其中，首先，将具有钝化层的材料的至少一个层施加到该陶瓷铸模嵌件或这些陶瓷铸模嵌件上，并且然后使该至少一个施加的层经受温度处理(优选地在惰性气体气氛中，特别优选地在氮气气氛中)，其中，该温度处理优选地在从1000℃至1400℃范围内的温度下执行和/或执行12h至120h的持续时间。

本发明附加地涉及根据本发明的铸模在用于铸造一个或多个部件的方法中的用途，其中，该方法优选地是低压模具铸方法。

基于以下示例，将更详细地说明本发明，而不希望将其限制于这里所示的具体实施例和参数。

示例性实施例

用于低压模具铸造的、由两个模件组成的铸模构造如下：每个半模由铸模框架组成，在铸模框架中嵌入由氮化铝制成的铸模嵌件。在铸模嵌件的上侧中形成适当的部件负轮廓，其中这些模具嵌件的进一步设计适用于陶瓷，特别是关于由于循环性热应力而发生的应力最小化。模具嵌件的最小壁厚是10mm。铸模嵌件的下侧和侧面被由铁镍钴合金(Fe₅₄Ni₂₉Co₁₇)制成的铸模框架包围。将模具框架成形为使得与陶瓷模具嵌件的下侧和侧面的平面接触是可能的。铸模框架具有25mm的最小壁厚并且设有用于控制铸模框架和模具嵌件的温度的通道。将铸模框架安装在由工具钢制成的载板上，另外的部件附接至该载板(例如用于关闭汽缸的联接板、喷射器等)。在由工具钢制成的底板上引导这些半模用于打开和闭合。将内侧为圆锥形的由钛酸铝制成的套筒嵌入底板中，用于从冒口过渡至封闭模中。由油温控制系统通过铸模框架对铸模进行控温，其中铸模框架处的最高温度不超过350℃。所描述的铸模用于高达800℃的轻质金属铸造。

Claims (8)

1.一种用于铸造部件的铸模，其特征在于，所述铸模包括至少一个由金属和/或合金制成的铸模框架以及陶瓷铸模嵌件，

其中，所述铸模包括多个引入到所述铸模框架中的陶瓷铸模嵌件，其中，多个所述陶瓷铸模嵌件包括要生产的部件或者要生产的部件与铸造型芯的组合的负轮廓或部分所述负轮廓，所述陶瓷铸模嵌件均包括材料或由所述材料组成，所述陶瓷铸模嵌件之一的材料具有与所述陶瓷铸模嵌件中的另一所述陶瓷铸模嵌件的材料不同的热导率和/或热膨胀系数；

引入到所述铸模框架中的至少一个所述陶瓷铸模嵌件包括具有1.5W/mK到50W/mK的热导率和/或0.5·e^-6/K到3.5·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由所述材料组成，所述材料选自由SiN、SiAlON、ATI以及它们的混合物组成的组，和

引入到所述铸模框架中的至少一个所述陶瓷铸模嵌件包括具有100W/mK到220W/mK的热导率和/或4.0·e^-6/K到5.6·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由所述材料组成，所述材料选自由AlN、SiSiC以及它们的混合物组成的组。

2.根据权利要求1所述的铸模，其特征在于，至少一个陶瓷铸模嵌件包括渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成，包括渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成的陶瓷铸模嵌件设有至少一个钝化层，所述钝化层是选自由碳、氮化硅以及它们的混合物组成的组的材料的钝化层。

3.根据权利要求1或2所述的铸模，其特征在于，所述合金选自由以下组成的组：

铁镍合金，铁镍钴合金，工具钢、铸铁、以及它们的混合物和合金。

4.一种用于生产铸模的方法，其特征在于，将多个陶瓷铸模嵌件引入由金属或合金制成的铸模框架中，所述多个陶瓷铸模嵌件包括要生产的部件或要生产的部件与一个或多个铸造型芯的组合的负轮廓或部分所述负轮廓；所述陶瓷铸模嵌件均包括材料或由所述材料组成，所述陶瓷铸模嵌件之一的材料具有与所述陶瓷铸模嵌件中的另一所述陶瓷铸模嵌件的材料不同的热导率和/或热膨胀系数；

引入到所述铸模框架中的至少一个所述陶瓷铸模嵌件包括具有1.5W/mK到50W/mK的热导率和/或0.5·e^-6/K到3.5·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由所述材料组成，所述材料选自由SiN、SiAlON、ATI以及它们的混合物组成的组，和引入到所述铸模框架中的至少一个所述陶瓷铸模嵌件包括具有100W/mK到220W/mK的热导率和/或4.0·e^-6/K到5.6·e^-6/K的热膨胀系数的材料或由所述材料组成，所述材料选自由AlN、SiSiC以及它们的混合物组成的组。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少一个陶瓷铸模嵌件包括渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，包括渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成的陶瓷铸模嵌件设有至少一个钝化层，所述钝化层是选自来自由碳、氮化硅以及它们的混合物组成的组的材料的钝化层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将具有所述钝化层的材料的至少一个层施加到包括渗硅碳化硅(SiSiC)或由其组成的陶瓷铸模嵌件上，然后使至少一个施加的层经受温度处理在惰性气体气氛中，所述温度处理在从1000℃到1400℃范围内的温度下执行和/或执行12h到120h的持续时间。

8.根据权利要求1至3之一所述的铸模在用于铸造一个或多个部件的方法中的用途，其特征在于，所述方法是低压模具铸造方法。