CN1153688A - 用于铸造的多孔模具材料及其生产方法 - Google Patents

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    • B29D30/0601—Vulcanising tyres; Vulcanising presses for tyres
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Abstract

一种多孔模具材料含有在金属铸造中通气的孔，孔的尺寸从20至50微米，模具材料的体积多孔度值为25至35％。一种生产多孔模具材料的方法，上述多孔模具材料含20至50微米的用于金属铸造时通气的孔，该方法的特征在于：不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的混合比为40wt％∶60wt％65wt％∶35wt％。本发明的多孔模具材料在模具中不会熔融金属流动性差等缺点，在铸件中不会形成缩孔或气孔。

Description

用于铸造的多孔模具材料及其生产方法
本发明涉及用于铸造的多孔模具材料及其生产方法。这种材料用于形成在金属铸造中使用的铸模。这种材料整体含有通气孔。
各种铸造方法如低压压铸法，反重力压铸法及模铸法一直是采用一铸模，用非铁金属如铝来生产缸盖或进气歧管。
但是，当使用诸如SKD61(日本工业标准G4404中规定的合金工具钢)材料时，上述方法就会产生熔融金属流动性不佳及在铸件中形成气体缺陷等问题。其原因在于当注入熔融金属时气体物质或空气不能从铸模内排出。为了避免这个问题，人们已经提出在铸模上形成通气孔或排气系统。但是，不可能在铸模的所有需要部分设置孔，而且需要大的排气系统。
日本专利早期公开文本第4-72004号中公开了一种生产多孔铸模的方法。在这种方法中，SUS434不锈钢颗粒被压成一种压实体。这种压实体经烧结、氮化、炉冷却并快速冷却以形成多孔铸模。这种铸模特别适用于非铁金属铸造或压铸等。在整个这种铸模中均匀分布着细小空穴。因此，完全不必形成通气孔，铸模具有极好的排气性能及传热特性。
但是，以上述专利文献生产的铸模的加工性和强度仍不理想，即使这些性能也取决于使用铸模的方法。另外，一直存在的问题是，这种铸模的强度、硬度及耐压强度不够，而且寿命短。
日本专利早期公开文本第6-33112号公开了一种生产多孔模具材料的方法。该方法旨在提供良好的机械特性和长的寿命，同时保持通气特性和耐腐蚀性。
这种方法包括：压缩下述混合物以形成压实体，这种混合物包括主要由低C和低N-Cr不锈钢颗粒构成的80％重量的粉末和20％重量的不锈钢短纤维，这种不锈钢短纤维的转换直径(纤维的矩形横截面的外接圆)为20至100微米，长度为0.4至3.0mm；将所述压实体烧结成烧结体；在氮气气氛中加热所述烧结体以形成氮化体，并将所述氮化体以5.5℃/分钟或更大的平均冷却速率迅速冷却至250℃或更低的温度；在500至650℃的温度再热所述冷却的氮化体。
但是，只是以上述方法为基础生产的模具材料并不适用于铸造使用的铸模。
本发明的目的是解决上述问题，提供一种适于铸造的多孔铸模材料及其生产方法。
按照本发明的一个方面提供一种用于铸造的多孔模具材料。这种多孔模具材料是使用主要含有铁素体不锈钢颗粒的粉末与不锈钢短纤维的混合物，经过加压、烧结、喷射氮气处理及冷却及再次加热制成的，其特征在于：所述多孔模具材料含有20至50微米范围的孔，所述多孔模具材料的根据体积的多孔度值为25至35％。
按照本发明的另一个方面提供一种生产铸造用的多孔模具材料的方法，上述多孔模具材料含有20至50微米的孔，体积多孔度值为25至35％，该生产方法包括以下步骤：对主要含铁素体不锈钢颗粒的粉末和不锈钢短纤维的混合物加压以形成压实体；烧结所述压实体以形成烧结体；在氮气气氛中对所述烧结体加热进行氮气喷射处理以形成氮化体；迅速冷却所述氮化体，并再次加热所述冷却的氮化体，其特征在于：所述不锈钢颗粒与所述不锈钢短纤维的混合比为40wt％∶60wt％至65wt％∶35wt％。
本发明的多孔模具材料的特征在于孔的尺寸和多孔度值。通过改变不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的混合比可以选择孔的尺寸和多孔度值。
借助本发明，在金属铸造工艺中不必再设置通气孔和排气系统。因此，铸件对模的附着得到改善。另外，在铸模中的孔不会出现堵塞。因此带来许多技术效果，如改善熔融金属在模腔中的流动性及减少气体缺陷等。
附图简要说明如下：
图1是在本发明的实验中使用的模具的剖视图。
下面描述本发明的第一实施例。
(由KOTOBUKI Mix-well V1-30V-混合器混合的)混合物含有50％重量的(借助转刀铣床RCM400)粉碎SUS434不锈钢(C：0.1％，Cr：18％，Mo：1％)长纤维(转换直径为60至80微米)而制备的长度为2.0～3.5mm的不锈钢短纤维，与50％重量的粒度主要为300至500微米的SUS434不锈钢颗粒(C：0.05％，Cr：17％，Mo：2％)相混合，(为提高不锈钢颗粒的烧结和粘合力)该混合物与3％重量的电解铜颗粒，在3吨/cm2的压力下，通过冷等静压法(CIP法)压制成压实体。在真空炉中将压实体的压力减至2×10乇或更低后，提高压实体的温度，在700℃的温度保持2小时以充分除去可挥发成分。然后提高压实体的温度至1145℃保持4小时，同时在5至15乇的压力下引入氮气，从而产生烧结体。然后进行炉冷却至980℃。然后在980℃温度下，在950乇的压力下向炉内引入氮气，对烧结体进行氮气喷射处理，从而使烧结体中氮含量占重量的1.0至1.5％。然后，以5.5℃/分钟或更快的平均冷却速率迅速冷却氮化体至250℃或更低温度，同时在3000乇的压力下引入氮气。另外，在600和680℃之间的温度再次加热压实体，从而制成矩形体(大约700×300×200mm)的多孔模具材料。
表1表示通过上述方法制成的多孔模具材料的特性。
                           表1
孔的尺寸   多孔度值   微维氏硬度(HMV)   抗弯强度
 30微米     28％      350  52.3kgf/mm2
多孔模具中的孔尺寸是用电子显微镜测量的，也可以使用水银压缩法。多孔度值是孔的总体积与多孔模具材料总体积之比。多孔度值是使用孔率计测量的。
微维氏硬度是使用微维式硬度计测量的。
下面描述本发明的第二实施例。
通过粉碎SUS434(C：0.1％，Cr：18％，Mo：1％)不锈钢长纤维(转换直径为60至80微米)制备的35％重量的长度为2.0至3.5mm的不锈钢短纤维与65％重量的SUS434(C：0.05％，Cr：17％，Mo：2％)的不锈钢颗粒的混合物和3％重量的电解铜颗粒在3吨/cm2的压力下通过冷等静压法形成压实体。
然后，压实体接受与第一实施例相似的处理。在多孔模具中的孔的尺寸和多孔度值分别为20微米和25％。
下面描述本发明的第三实施例。
通过粉碎SUS434(C：0.1％，Cr：18％，Mo：1％)不锈钢长纤维(转换直径为60至80微米)而制备的60％重量的长度为2.0至3.5mm的不锈钢短纤维与40％重量的SUS434(C：0.05％，Cr：17％，Mo：2％)的不锈钢颗粒的混合物和3％重量的电解铜颗粒在3吨/cm2的压力下通过冷等静压法压成压实体。
然后，压实体接受与第一实施例相似的处理。在多孔模具中的孔的尺寸和多孔度值分别为50微米和35％。
为了对照，与本发明各实施例相比较的三种模具材料通过与实施例相同的方法制备，不同之处是不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的混合比。对照例1，2和3的上述混合比分别是70wt％∶30wt％，35wt％∶65wt％ 30wt％∶70wt％。实验
对三个实施例和三个对照例制成的上述模具材料的每一种进行切割，形成具有如图1所示阶状空腔3结构的模具。模具材料1a和1b分别安装在模具座2a和2b上。空腔3的内表面4a和4b和模具材料1a和1b的底面5a和5b借助电火花工艺精加工成3微米表面粗糙度，以便打开由于多孔模具材料切削过程中堵塞的孔，从而形成固有的渗透性。
使用Foceco日本有限公司制造的模涂料140ESS(商标)作为模具涂料，一份模具涂料用三份水稀释，稀释的溶液涂在空腔的内表面上以改善熔融金属的流动。
铝合金(AC4C)的熔融金属用作实验。700℃的熔化温度下的合金以240mm/秒的浇口速度从浇口6浇入在300℃的温度下的每个上述模具中。
在三个实施例和三个对照例中的不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的混合比列在表2中。
另外，作为与实施例的对比，使用合金工具钢SKD61制备与实施例相似结构的模具。同样在240mm/秒的浇口速度下，熔化温度为700℃的合金浇入300℃温度下的模具中。
本发明中，术语“铸造”是指使用铸模的铸造方法，不仅指低压铸造和反重力铸造，也指压铸法，重力铸造法或挤压铸造法。为了使本发明实施例的模具材料与对照例的模具材料及模具材料SKD61进行比较，使用了低压铸造法和反重力铸造法。
在表2中列出了使用三个实施例和三个对照例的模具，以及用模具材料SKD61制成的模具所生产的铸造产品的评价特性。
以是否可以观察到铸件上的缩孔或气孔为基础评价铸造产品的缺陷。另外，以熔融金属是否堵塞模具中的孔为基础评价孔的堵塞情况。
在表2中，字母“Y”的意思是可以观察到缺陷或孔的堵塞。字母“S”的意思是可观察到一些缺陷或孔的堵塞。字母“N”的意思是观察不到缺陷或孔的堵塞。
如表2所示，用含20，30和50微米的孔和体积多孔度值为25，28和35％的多孔模具材料的模具制成的铸造产品没有如缩孔或气孔那样的缺陷。另外，熔融金属不会堵塞多孔模具中的孔。其原因是当熔融铝合金浇入模具时，腔中的空气或熔融铝合金中的气体物质可均匀地从模具的孔中排出，从而改善了铸造产品28模具的附着。这些铸造产品是在本发明的第一、二和三实施例中生产的。
由对照例1的模具生产的铸造产品显示熔融铝合金的流动性差，在其模具材料中，不锈钢颗粒对不锈钢短纤维的混合比是70wt％∶30wt％。可以观察到铸造产品上的缩孔或气孔。其原因在于当孔的尺寸为7微米以下时，空气的压力损失增加。
另一方面，由对照例2的模具生产的铸造产品没有缩孔或气孔，但是孔的堵塞会使模具通气性变劣。在其模具材料中不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的混合比是35wt％∶65wt％。产生上述现象的原因是孔的尺寸达70微米。另外，在对照例2的模具中观察到某些孔的堵塞。
对照例4的模具是由模具材料SKD61制成的，熔融铝合金在整个模腔中不流动，因而可观察到缺陷如缩孔或气孔。
从以上描述可以看出，不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的推荐混合比为40wt％∶60wt％至65wt％∶35wt％。在由上述混合比的模具材料的模具制成的铸件中，防止铸造缺陷与铸件机械强度间得到平衡。
本发明的多孔模具材料的特征是孔的尺寸和多孔度值，通过改变不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的混合比可以选择孔的尺寸和多孔度值。
通过本发明可不必在金属铸造工艺中设制通气孔或排气系统。因此改善了铸件对模具的附着。另外，在模具中不会出现孔的堵塞。因此，具有熔融金属在模腔中流动性改善及减少气体缺陷等许多技术效果。这对铸造工业意义重大。
                                           表2
     模具材料种类                 多孔模具材料   SKD61
  对照例号或实施例号     R1     E2     E1     E3     R2     R3
    孔的尺寸(微米)     7     20     30     50     70     100    --
   多孔度值(体积％) 20 25 28 35 42 51 --
混合比   颗粒     70     65     50     40     35     30    --
  短纤维     30     35     50     60     65     70    --
低压铸造   铸件中的缺陷 S N N N N S Y
  孔的堵塞     N     N     N     N     S     S    --
反重力压铸   铸件中的缺陷 S N N N N S Y
孔的堵塞 N N N N S Y --
  N：否S：有些Y：是     R1：对照例1R2：对照例2R3：对照例3     E1：实施例1E2：实施例2E3：实施例3

Claims (3)

1.用于铸造的多孔模具材料，所述多孔模具材料是由主要含铁素体不锈钢颗粒的粉末与不锈钢短纤维的混合物，经过加压、烧结、进行氮气喷射处理及冷却和再加热而形成的，其特征在于：所述多孔模具材料含有尺寸为20至50微米的孔，所述多孔模具材料的体积多孔度值在25至35％的范围内。
2.如权利要求1所述的多孔模具材料，其特征在于：所述多孔模具材料的按重量的氮含量为1.0至1.5％。
3.一种生产铸造用的多孔模具材料的方法，所述多孔模具材料含有20至50微米的孔，其体积多孔度值为25至35％，所述方法包括以下步骤：对由主要含铁素体不锈钢颗粒的粉末和不锈钢短纤维的混合物进行加压以形成压实体；烧结所述压实体以形成烧结体；在氮气气氛中，对烧结体加热实施氮气喷射处理以形成氮化体；迅速冷却所述氮化体，并再次加热所述冷却的氮化体，其特征在于：
所述不锈钢颗粒与不锈钢短纤维的混合比在40wt％∶60wt％至65wt％∶35wt％
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