CN112996611A - 用于铸造模具的铸芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铸造模具的铸芯，其中，铸芯包括中芯和围绕中芯布置的芯护罩。芯护罩包含粘合至粘合剂的陶瓷颗粒或由其组成。中芯包含粘合至粘合剂的陶瓷颗粒或由其组成，其中，中芯的陶瓷颗粒包含在100℃至1500℃范围内的温度下呈现热致相变换的至少一种成分和/或热膨胀系数在20℃下相差至少5·10^‑6K^‑1的至少两种成分或由其组成。本发明还涉及一种用于制备根据本发明的铸芯的方法以及一种根据本发明的铸芯的用途。

Description

用于铸造模具的铸芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于铸造模具的铸芯，其中，铸芯包括内芯和围绕内芯布置的外芯。外芯包括通过粘合剂粘合的陶瓷颗粒或由其组成。内芯包括通过粘合剂粘合的陶瓷颗粒或由其组成，其中，内芯的陶瓷颗粒包括以下或由以下组成：

在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分。

本发明另外涉及一种用于制备根据本发明的铸芯的方法以及一种根据本发明的铸芯的用途。

背景技术

在铸造部件时，将铸芯或芯用在模具中，以创造在稍后的部件中提供的腔、通道或底切。为此，铸芯必须具有必要的强度，并且在铸造过程中保持尺寸稳定。必须排除在加压的铸造过程中芯被熔料渗透、破碎、变形或除气。为了产生良好铸造表面，对于芯材料存在额外的要求。熔体和芯之间尽可能少湿润以及光滑的、化学合适的表面是有利的。此外，用于制备复杂内部几何形状的芯必然易于破坏。为此，良好的可崩解性是有利的，以便保证在铸造后从部件中移除芯材料。

为了制备芯，通常将包括有机或无机粘合剂的耐火填料或陶瓷颗粒(如硅砂、锆砂、铝硅酸盐)制成所需的形状。这可以通过按压、射芯或浇注来进行。利用有机粘合剂，可以例如在冷芯盒制芯过程中，通过与进料的气体成分的反应实现固化。在热芯盒制芯过程的情况下，可以通过施加热使粘合剂成分(例如基于酚醛树脂的粘合剂成分或基于呋喃树脂的粘合剂成分)发生反应。可以通过将CO₂引入模具体中来使基于无机碱硅酸钠的粘合剂凝固。额外的选项包括基于磷酸盐、石膏、水泥或二氧化硅的自固化粘合剂。铸造过程中有机粘合剂的热分解使芯微结构变弱，并且允许芯材料从铸件中移除，但还与散发对环境有害的气体相关联。在厚壁部件的情况下，可能增加的热不足以充分分解芯内部中的粘合剂以易于脱模。气体的产生对铸造过程也可能是有问题的。用过的芯沙通常不能重复使用，并且必须作为有害废物进行处理。由于材料的内聚力不会通过粘合剂相的热分解而变弱，所以铸造后的可变形性在无机粘合剂体系的情况下更为关键。而且，高温可以导致开始烧结，从而使芯稍后移除更加困难。

发明内容

从这里开始，本发明的目的就是提供一种铸芯，该铸芯一方面在铸造过程中保持尺寸稳定，另一方面可以在铸造过程后容易地从铸造部件中移除。

该目的通过关于铸芯的权利要求1的特征以及关于用于制备这种铸芯的方法的权利要求11的特征来实现。权利要求14提供了根据本发明的铸芯的用途选项。相应的从属权利要求表示有利的细化。

因此，根据本发明，提供了一种用于铸造模具的铸芯，包括内芯和围绕内芯布置的外芯。外芯包括通过粘合剂粘合的陶瓷颗粒或由其组成。内芯包括通过粘合剂粘合的陶瓷颗粒或由其组成，其中，内芯的陶瓷颗粒包括以下或由以下组成：

在100℃至1500℃，优选地为150℃至1000℃，特别优选地为200℃至600℃，范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分，和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1，优选地为至少8·10^-6K^-1，并且特别优选地为至少11·10^-6K^-1，的热膨胀系数的至少两种成分。

根据DIN 51045可以确定一个热膨胀系数或多个热膨胀系数。也可能以这种方式来确定本专利申请中提供的所有其他膨胀系数。

根据本发明的铸芯有利地包括多个部分，即内部和外部，内部是内芯，外部是外芯。由于这种芯设计包括与熔体接触的外芯和内芯，因此根据本发明的铸芯在铸造过程中和之后最佳地适应于不同的要求。

由于内芯中存在：

在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分，

因此内芯可能由热载荷而不稳定，从而简化了从铸件上移除铸芯。由于在铸造过程中的例如具有在100℃至1500℃范围内的温度的热输入，因此在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分经历相变，从而突然改变其体积(体积跳跃)；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分膨胀到不同程度。

由于至少一种所描述的成分的体积跳跃和/或至少两种所描述的成分的不同膨胀，使内芯的材料内聚力变弱，从而简化了铸芯的移除。换言之，由于热输入而在发生体积变化的位置中出现间隙或腔，使内芯多孔或不稳定。然后，这种不稳定性简化了铸芯的移除。然而，因为具有相变的至少一种成分或具有不同热膨胀系数的至少两种成分仅布置在内芯中，而非外芯中，所以外芯或铸芯具有致密且机械强度高的表面，其适合在铸造过程中与熔体接触，这就是铸芯在铸造过程中保持尺寸稳定的原因。

由于芯设计包括在铸造过程中与熔体接触的外芯和内芯，因此不同芯区域中材料合成物的功能能够适应于相反的要求。例如，可能在外芯中使用与熔体几乎没有相互反应的填料或陶瓷颗粒。在该外芯层中也可以提供较低的孔隙率和较高的机械强度。通过所使用的填料和陶瓷颗粒，可以在外芯中选择热性能，使得随着铸造温度和所施加的热量，发生内芯的时延不稳定。利用这种去耦，可以实现高的工艺可靠性和良好的铸造质量。当放弃使用有机粘合剂时，保证了部分复用性或简单的处置。

内芯的陶瓷颗粒优选地由以下组成：

在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分。

优选地，铸芯的外芯不包括在100℃至1500℃，优选地为150℃至1000℃，并且特别优选地为200℃至600℃，范围内的温度下具有热致相变的任何成分。

优选地，铸芯的外芯不包括具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1，优选地为至少8·10^-6K^-1，并且特别优选地为至少11·10^-6K^-1的热膨胀系数的两种成分。

根据本发明的铸芯的优选实施例的特征在于，外芯的陶瓷颗粒选自由锆砂颗粒、硅铝酸盐颗粒、莫来石颗粒、无机中空微球、氧化铝颗粒及其混合物组成的组。

通过选择外芯中所使用的填料和陶瓷颗粒，能够影响热性能，使得随着铸造温度和所施加的热量，发生内芯的时延不稳定。这样，可以通过外芯的热性能来设置内芯中温度升高的速度以及因此破坏内芯中材料内聚力的开始。这保证了在模具填充期间铸芯的抗压强度的提高，并且在将足够的热施加到芯上之后，产生芯的不稳定。

根据本发明的铸芯的又一优选实施例，外芯的陶瓷颗粒和/或内芯的陶瓷颗粒具有0.5μm至500μm的平均粒径。平均粒径可以通过激光衍射确定。

另一优选实施例的特征在于，外芯的粘合剂和/或内芯的粘合剂选自由以下组成的组：

无机粘合剂，优选地为硅酸盐粘合剂，例如硅溶胶和硅酸钠，磷酸盐粘合剂、石膏以及水泥；

有机粘合剂，优选地为合成树脂，例如酚醛树脂和呋喃树脂，以及蛋白质粘合剂；以及

其混合物。

此外，优选的是，在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分选自由石英、方石英及其混合物组成的组。

在方石英的情况下，在大约240至275℃的温度范围内，发生从四方α-方石英(低方石英)到立方β-方石英(高方石英)的变换。在石英的情况下，在大约573℃时发生从低石英到高石英的变换。

根据本发明的铸芯的又一优选实施例的特征在于，具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分选自由无定形二氧化硅、堇青石、镁橄榄石、氧化镁及其混合物组成的组。

根据本发明的铸芯的另一优选实施例的特征在于，具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分包括至少一种第一成分和至少一种第二成分，至少一种第一成分具有在0.5·10^-6K^-1至4.0·10^-6K^-1范围内的热膨胀系数，至少一种第二成分具有在9.0·10^-6K^-1到13.0·10^-6K^-1范围内的热膨胀系数。

该过程中优选的是，至少一种第一成分选自由无定形二氧化硅、堇青石及其混合物组成的组，和/或至少一种第二成分选自由镁橄榄石、氧化镁及其混合物组成的组。

至少一种第一成分和至少一种第二成分以相等分数(例如，以体积的百分比的分数)优选地存在于内芯中。

优选地，选择无定形二氧化硅(平均线性热膨胀系数为0.5至0.9·10^-6K^-1)和堇青石(铝硅酸镁，平均线性热膨胀系数为2至4·10^-6K^-1)作为具有低热膨胀的填料或成分。优选地，选择镁橄榄石(硅酸镁，平均线性热膨胀系数为9至11·10^-6K^-1)作为具有高热膨胀的填料或成分，并且优选地，对于无水粘合剂体系，选择氧化镁(平均线性热膨胀系数为12至13·10^-6K^-1)。

根据本发明的铸芯的又一优选实施例，外芯和内芯包括具有1μm至50μm的平均孔隙尺寸的孔隙，外芯具有比内芯低的孔隙率。平均孔隙尺寸和/或孔隙率可以通过水银孔隙率度测量法来确定。

又一优选实施例的特征在于，外芯具有3mm至15mm，优选地为3mm至10mm，并且特别优选地为3mm至7mm，的厚度。可以通过外芯的厚度来设置内芯中温度升高的速度以及因此破坏内芯中材料内聚力的开始。这保证了在模具填充期间芯的抗压强度的提高，并且在将足够的热施加到芯上之后，产生芯的不稳定。

此外，优选的是，内芯具有5mm至100mm，优选地为10mm至100mm，并且特别优选地为15mm至100mm的直径。

本发明还涉及一种用于制备根据本发明的铸芯的方法，其中，

制备包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第一水陶瓷悬浮液；

制备包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第二水陶瓷悬浮液；

使第一水陶瓷悬浮液凝固，以形成铸芯的内芯，然后进行干燥；以及

使第二水陶瓷悬浮液凝固，以形成铸芯的外芯，然后进行干燥，

第一水陶瓷悬浮液的陶瓷颗粒包括：

在100℃至1500℃，优选地为150℃至1000℃，特别优选地为200℃至600℃，范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分，和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1，优选地为至少8·10^-6K^-1，并且特别优选地为至少11·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分，

以及

其中，第一水陶瓷悬浮液的凝固和干燥在第二水陶瓷悬浮液的凝固和干燥之前或之后进行。

第一和/或第二水陶瓷悬浮液的凝固可以以不同的方式进行，并且最终取决于悬浮液中使用的粘合剂。利用有机粘合剂，可以例如在冷芯盒制芯过程中，通过与进料的气体成分的反应实现固化。在热芯盒制芯过程的情况下，可以通过施加热使粘合剂成分(例如基于酚醛树脂的粘合剂成分或基于呋喃树脂的粘合剂成分)发生反应。可以通过将CO₂引入模具体中来使基于无机碱硅酸钠的粘合剂凝固。基于磷酸盐、石膏、水泥或二氧化硅的粘合剂是自固化的。

凝固的第一和/或第二悬浮液优选地在50℃至300℃，特别优选地为90℃至200℃，的温度下，和/或在0.1至10小时，优选地为0.5至5小时，并且特别优选地为1至3小时，的时间内干燥。干燥可以跨多个步骤进行，其中，例如，在第一干燥步骤中选择较低的温度，而在第二干燥步骤中选择较高的温度。

根据本发明的方法的优选变型的特征在于，

a)将包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第一水陶瓷悬浮液倒入第一铸模中，第一铸模具有待制备的铸芯的内芯的负轮廓，陶瓷颗粒包括：

在100℃至1500℃，优选地为150℃至1000℃，特别优选地为200℃至600℃，范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分，和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1，优选地为至少8·10^-6K^-1，并且特别优选地为至少11·10^-6K^-1，的热膨胀系数的至少两种成分，

b)使第一铸模中存在的第一水陶瓷悬浮液凝固，以形成铸模的内芯，

c)从第一铸模中移除铸芯的内芯，然后进行干燥，

d)将铸芯的干燥的内芯插入具有待制备的铸模的负轮廓的第二铸模中，然后将包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第二水陶瓷悬浮液倒入第二铸模中，

e)使第二铸模中存在的第二水陶瓷悬浮液凝固，以形成铸模的外芯，以及

f)从第二铸模中移除包括内芯和外芯的铸芯，然后进行干燥。

根据本发明的方法的又一优选变型的特征在于，

a)使包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第二水陶瓷悬浮液凝固，以形成铸芯的外芯，外芯包括用于内芯的腔，

b)对铸模的外芯进行干燥，以及

c)用包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第一水陶瓷悬浮液填充铸芯的外芯中的腔，陶瓷颗粒包括：

在100℃至1500℃，优选地为150℃至1000℃，特别优选地为200℃至600℃，范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分，和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1，优选地为至少8·10^-6K^-1，并且特别优选地为至少11·10^-6K^-1，的热膨胀系数的至少两种成分，

d)使外芯的腔中存在的第一水陶瓷悬浮液凝固，以形成铸模的内芯，以及

e)对外芯的腔中存在的内芯进行干燥，以形成铸模的内芯。

可以在步骤a)中使用常规/已知的方法制备外芯，其中，填料合成物可以适应于待铸造的材料。

在不将本发明限制于此处所示的具体实施例和参数的情况下，基于以下示例更详细地描述本发明。

具体实施方式

示例性实施例1

使用常规/已知的方法制备无机粘合的外芯以用于铝铸造，包括用于内芯的腔。用由30％体积的SiO₂(平均粒径为75μm)、30％体积的镁橄榄石(平均粒径为90μm)以及40％体积的方石英(筛分为63μm)制成的填料混合物和硅酸盐粘合剂来填充腔，然后进行干燥至200℃。

示例性实施例2

制备具有以下填料合成物的与硅酸钠粘合的内芯：25％体积的堇青石(平均粒径为250μm)、25％体积的镁橄榄石(平均粒径为150μm)、40％体积的石英粉(平均粒径为150μm)以及10％体积的方石英(筛分为63μm)。形成的内芯被固化(CO₂)，插入具有所需芯的几何形状的模具中，并用无机粘合的外芯包围它，使其凝固、脱模和干燥。

Claims (14)

1.一种用于铸造模具的铸芯，包括内芯和围绕所述内芯布置的外芯，所述外芯包括通过粘合剂粘合的陶瓷颗粒或由其组成，并且所述内芯包括通过粘合剂粘合的陶瓷颗粒或由其组成，所述内芯的陶瓷颗粒包括以下或由以下组成：

在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分。

2.根据前述权利要求所述的铸芯，其特征在于，所述外芯的陶瓷颗粒选自由锆砂颗粒、硅铝酸盐颗粒、莫来石颗粒、无机中空微球、氧化铝颗粒及其混合物组成的组。

3.根据前述权利要求中任一项所述的铸芯，其特征在于，所述外芯的陶瓷颗粒和/或所述内芯的陶瓷颗粒具有0.5μm至500μm的平均粒径。

4.根据前述权利要求中任一项所述的铸芯，其特征在于，所述外芯的粘合剂和/或所述内芯的粘合剂选自由以下组成的组：

无机粘合剂，优选地为硅酸盐粘合剂，例如硅溶胶和硅酸钠，磷酸盐粘合剂、石膏以及水泥；

有机粘合剂，优选地为合成树脂，例如酚醛树脂和呋喃树脂，以及蛋白质粘合剂；以及

其混合物。

5.根据前述权利要求中任一项所述的铸芯，其特征在于，在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的所述至少一种成分选自由石英、方石英及其混合物组成的组。

6.根据前述权利要求中任一项所述的铸芯，其特征在于，具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的所述至少两种成分包括至少一种第一成分和至少一种第二成分，所述至少一种第一成分具有在0.5·10^-6K^-1至4.0·10^-6K^-1范围内的热膨胀系数，所述至少一种第二成分具有在9.0·10^-6K^-1至13.0·10^-6K^-1范围内的热膨胀系数。

7.根据权利要求6所述的铸芯，其特征在于，所述第一成分选自由无定形二氧化硅、堇青石及其混合物组成的组，和/或所述第二成分选自由镁橄榄石、氧化镁及其混合物组成的组。

8.根据前述权利要求中任一项所述的铸芯，其特征在于，所述外芯和所述内芯包括具有1μm至50μm的平均孔隙尺寸的孔隙，所述外芯具有比所述内芯低的孔隙率。

9.根据前述权利要求中任一项所述的铸芯，其特征在于，所述外芯具有3mm至15mm，优选地为3mm至10mm，并且特别优选地为3mm至7mm，的厚度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的铸芯，其特征在于，所述内芯具有5mm至100mm，优选地为10mm至100mm，并且特别优选地为15mm至100mm，的直径。

11.一种用于制备根据前述权利要求中任一项所述的铸芯的方法，其中，

制备包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第一水陶瓷悬浮液；

制备包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的第二水陶瓷悬浮液；

使所述第一水陶瓷悬浮液凝固，以形成所述铸芯的内芯，然后进行干燥；以及

使所述第二水陶瓷悬浮液凝固，以形成所述铸芯的外芯，然后进行干燥，

所述第一水陶瓷悬浮液的陶瓷颗粒包括：

在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分

以及

所述第一水陶瓷悬浮液的凝固和干燥在所述第二水陶瓷悬浮液的凝固和干燥之前或之后进行。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

a)将包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的所述第一水陶瓷悬浮液倒入第一铸模中，所述第一铸模具有待制备的所述铸芯的内芯的负轮廓，所述陶瓷颗粒包括：

在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分，

b)使所述第一铸模中存在的所述第一水陶瓷悬浮液凝固，以形成所述铸模的内芯，

c)从所述第一铸模中移除所述铸芯的内芯，然后进行干燥，

d)将所述铸芯的干燥的内芯插入具有待制备的铸模的负轮廓的第二铸模中，然后将包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的所述第二水陶瓷悬浮液倒入所述第二铸模中，

e)使所述第二铸模中存在的所述第二水陶瓷悬浮液凝固，以形成所述铸模的外芯，以及

f)从所述第二铸模中移除包括所述内芯和所述外芯的所述铸芯，然后进行干燥。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

a)使包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的所述第二水陶瓷悬浮液凝固，以形成所述铸芯的外芯，所述外芯包括用于所述内芯的腔，

b)对铸模的外芯进行干燥，以及

c)用包括陶瓷颗粒、粘合剂和水的所述第一水陶瓷悬浮液填充所述铸芯的外芯中的腔，所述陶瓷颗粒包括：

在100℃至1500℃范围内的温度下具有热致相变的至少一种成分；和/或

具有在20℃下彼此相差至少5·10^-6K^-1的热膨胀系数的至少两种成分，

d)使所述外芯的腔中存在的所述第一水陶瓷悬浮液凝固，以形成所述铸模的内芯，以及

e)对所述外芯的腔中存在的所述内芯进行干燥，以形成所述铸模的内芯。

14.一种根据权利要求1至10中任一项所述的铸芯在用于铸造一个或多个部件的方法中的用途。