CN1512923A - 形成熔模铸造壳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过向壳中引入至少一种微粒硅而增加熔模铸造壳的强度和固体含量。

Description

形成熔模铸造壳的方法

发明领域

本发明总体上涉及熔模铸造，更具体地讲，涉及一种增加熔模铸造壳强度和固体含量的方法。

发明背景

熔模铸造，还被称作失蜡、失模和精密铸造，用于制备满足相对精密尺寸容差的高质量金属制品。典型地，在熔模铸造时，首先要构造一个可以向其中导入熔融金属的薄壁陶瓷铸型，通称熔模铸造壳。

壳通常这样制备：通过熔模铸造首先由将要制备的金属物体的可熔化基材制成摹真本或者模型。适当的可熔化基材可以包括，例如，蜡，聚苯乙烯或塑料。

接着，在模型周围形成陶瓷壳。这可以通过将模型浸到含液态耐熔质粘合剂，如胶态氧化硅或者硅酸乙酯，与难熔粉末，如石英、熔凝硅石、锆石、氧化铝或者硅铝酸盐的浆液中，然后把干燥的耐熔质颗粒筛到刚浸渍过的模型上来实现。最通常使用的干燥耐熔质颗粒包括石英、熔凝硅石、锆石、氧化铝和硅铝酸盐。

将模型浸到耐熔质浆液然后将干燥的耐熔质颗粒筛到刚浸渍过的模型上，这样的步骤可以重复多次，直到得到希望的壳厚。但是，优选在随后涂敷之前，对每一层浆液和耐熔质颗粒涂层进行风干。

壳厚度要增加到约1/8-约1/2英寸(约0.31-约1.27厘米)的范围。在最后的浸渍和筛滤之后，把壳进行充分地风干。通过这种方式制备的壳由于壳表面的结构而被称为“灰泥”壳。

然后把壳加热至少达到可熔化基材的熔点。在这一步骤中，模型融化，只留下壳和一些残留的可熔化基材。之后把壳加热到能足以从壳中蒸发出任何残留的可熔化基材的温度下。通常在壳从这一高温加热过程冷却下来之前要在壳中充满熔融的金属。已经有许多方法用于把熔融金属导入到壳中，包括重力法、压力法、真空法和离心法。当铸模中的熔融金属固化并充分冷却时，可以将铸件从壳中移开。

尽管熔模铸造已经是已知的并且已经用了数千年，但由于对更复杂部件的需求在不断增加，因此熔模铸造市场也在不断地发展。因为对于高质量的精密铸件存在非常大的需求，因此，仍不断需要开发出新的方式来更有效，更经济和更完美地制备熔模铸造壳。例如，如果可以增加熔模铸造壳的强度，那么将会需要更少的材料。强度更好的壳还将会更耐开裂，这样会使铸件具有更少的缺陷。此外，如果可以增加熔模铸造壳的固体含量，则壳将会干燥得更快，并且可用更少的涂层制成，这样就可节约时间、材料和成本。

因此，将希望提供一种增加熔模铸造壳强度和固体含量的改进方法。

发明概述

本发明的方法需要向熔模铸造壳中引入至少一种微粒硅。加入微粒硅可有效地增加熔模铸造壳的强度和固体含量。

发明详述

本发明涉及一种增加熔模铸造壳强度和固体含量的方法。根据本发明，至少要将一种微粒硅引入到壳中。可以通过用本领域技术人员公知的通用方法将微粒硅加入到浆液中而将该微粒硅引入到熔模铸造壳中。

可以用于本发明实践中的微粒硅包括人造微粒硅，如硅灰和热解法二氧化硅，天然存在的称作火山灰的微粒硅，和其混合物。适当的火山灰的实例包括硅藻土，蛋白石质燧石(opaline chert)和页岩，凝灰岩，火山灰，浮岩和飞灰。用于增加熔模铸造壳强度和固体含量的优选微粒硅是硅灰。“硅灰”定义为硅、高硅铸铁或者熔凝硅石制备过程中的副产物。

微粒硅的使用浓度要使其能有效地增加熔模铸造壳的强度和固体含量。优选微粒硅加入到壳中的量为壳的约0.1-约15.0wt％。更优选，微粒硅的量为约0.2-约10.0％，最优选约0.5-约5.0％。

本发明人已经发现将至少一种微粒硅引入到熔模铸造壳中可有效地增加壳的强度和固体含量。本发明人还发现，加入微粒硅时可用较少的涂料产生强度较高的壳，这样就可节约材料，提高生产能力，以及提供更高质量的塑模来制备缺陷更少的铸件。

实施例

以下实施例旨在说明本发明，并教导普通技术人员如何制造和使用本发明。这些实施例决不用来限制本发明或者其保护范围。

实施例1

使用以下配方来制备浆液：

                     表1

    浆液成分                            浓度(比例)

    胶态氧化硅1                          1576克

    去离子水                             315克

    Latrix^6305聚合物²                189克

    Nalcast^P1(-200目)熔凝硅石³       1105克

    Nalcast^P2(-120目)熔凝硅石⁴       3315克

    Nalco^8815阴离子型湿润剂⁵         1.5克

    Dow Corning^Y-30消泡剂⁶           4.2克

    Stealth^[1/8]″聚丙烯纤维⁷        19.5克

    硅灰⁸                               260克

¹稀释到25％二氧化硅的Nalcoag^1130(8纳米，钠稳定的)(得自安代奥纳尔科公司)

²基于稀释的胶态氧化硅，10％的苯乙烯-丁二烯胶乳(得自安代奥纳尔科公司)

³得自安代奥纳尔科公司

⁴得自安代奥纳尔科公司

⁵70％的二辛基磺基琥珀酸钠(得自安代奥纳尔科公司)

⁶30％的乳化硅油(得自密歇根州Midland的Dow Corning公司)

⁷得自乔治亚州Chickamauga的合成工业公司

⁸普通级(微粒硅)，来自于俄亥俄州Beverly的Globe Metallugical

混合72小时之后，测定浆液的粘度并使用5数萨恩杯(number fiveZahn cup)进行调节。粘度在9-12秒间变化。加入少量粘合剂(胶态氧化硅+水+聚合物)以获得希望的流变能力。只要进行了调节，浆液就可以用于浸渍。

清洁蜡模并使用Nalco^6270模清洁剂进行浸蚀，随后用水冲冼。把蜡块浸到每一种浆液中，随后浸到Nalcast^S2(30*50目)熔融石英砂中(通过降水法施用)。加入涂料之后1.5小时开始干燥并处理至3.5小时。最后的壳具有4层Nalcast^S2灰泥涂层加上一个覆盖涂层(没有灰泥)。所有的涂层均在73-75°F，35-45％的相对湿度和200-300英尺/分的气流下干燥。在最后24小时的干燥之后，将壳投入干燥器中再干燥24小时，之后测试。

使用由试验浆液制备的弹性模量(MOR)块来评价几种壳性质。使用三角弯曲夹具在ATS万能试验机(得自Applied Test Systems，Inc.，Butler，PA)上将所述块断裂。模拟输出信号(电压)输入含模拟-数字转换板和数据采集软件的个人电脑中。数据存为负载相对时间的曲线图，或者是负载相对置换的曲线图。使用数据采集软件或者数据表程序进行计算和分析。测定MOR样品的以下物理性能：

断裂负载

断裂负载是试样能够承载的最大负载。负载越高，试样强度就越大。它受到壳厚、浆液和壳组成的影响。该性质对于预测壳开裂和相关的铸件缺陷是很重要的。测定并记录试样在未处理(风干的)、烧结(保持在1800°F下1小时并冷却到室温下)和热(在1800°F保持1小时并在此温度下断裂)条件下的断裂负载。校正结果并表示为调整断裂负载(AFL)。对于两英寸试验间距来说，AFL简单地用断裂负载除以样品宽度得到。

壳厚度

壳厚度受到浆液和壳组成、以及壳制造方法的影响。厚度波动是工艺不稳定的表现。在干燥、脱蜡、预加热和倾倒过程中，壳厚度不均匀会在所述壳内产生应力。严重的情况会导致塑模失败。塑模包围并隔离冷却的金属。厚度的变化可能会影响铸锭的微观结构、收缩性、装填和凝固速率。

弹性模量

使用矩形蜡块作为模具来制备平板状的陶瓷板。典型尺寸为1×8×[1/4]英寸。使用希望的壳系统来铸造所述块。干燥之后，用皮带砂光机除去边缘。将两个残留的板与蜡分离开来，得到两个试样。使用三角负载设备在ATS万能试验机上将样品断裂。计算所述块在未处理、烧结和热条件下的MOR。

$\mathrm{MOR}=\frac{3\mathrm{PL}}{2{\mathrm{bh}}^2}$

其中：

P＝断裂负载，单位为磅

L＝样品长度，单位为英寸(载体之间的距离)

b＝断裂点的样品宽度，单位为英寸

h＝断裂点的样品厚度，单位为英寸

MOR是断裂应力。它受到断裂负载和样品尺寸的影响。因为应力与壳厚度的平方成反比，所以该值是特别重要的。壳表面的不均匀性会使该尺寸难以准确测量，导致出现大的标准偏差。这一缺陷通过断裂并测量足够数量的试样得到了克服。

弯曲或者偏转

当施加负载时，试样弯曲。当样品断裂时记录下最大偏转。弯曲随着弹性和聚合物浓度而增加。在壳制造过程中，挠性壳能够经受住蜡模的伸缩。测量块在未处理条件下的弯曲。

断裂指数

断裂指数是断裂处于未处理条件下的壳所需求的功或者能量的尺度。它是壳“韧性”的表示，即该指数越高，材料的韧性越大。例如，聚丙烯瓶比玻璃瓶“更韧”，因此它具有更高的断裂指数。该指数表示抗裂性。高指数的壳比低指数体系需要更大的断裂能。

断裂指数受到浆液和壳组成的影响。聚合物添加剂会使该指数增大。软聚合物会比硬聚合物生成更高指数的壳。该指数与壳的弹性成正比。能弯曲的壳会比刚性易碎的壳吸收更多的能量。

断裂指数的测定是通过对MOR试样负载/置换曲线下的面积进行积分得到的。当监测置换时，该指数测量(力)×(距离)，或者当监测负载时间时，测量(力)×(时间)。为了将(力)×(时间)转化成(力)×(距离)，要使用载荷速率。对于两英寸的测试间距来说，简单地通过用指数值除以样品宽度来标准化试验结果。

如下表2所示，在降低烧结强度时，硅灰的强度和韧度增加。与不含烟灰的P1/P2纤维增强的系统相比，最好的系统(P1/P2/烟灰)显示出，其断裂负载增加65％，MOR增加29％，韧性增加67％。

                             表2

未处理条件下的结果

体系         A.F.负载(1bs)  MOR(psi)  MOR(kpsi)  弯曲(mils)  A.F.指

数

P1/P2         10.71           483       181        7.03       48.5

P1/P2/烟灰    17.70           621       205        7.10       80.5

热条件下的结果

体系         A.F.负载(1bs)       MOR(psi)

P1/P2         24.61               1067

P1/P2/烟灰    35.82               1287

烧结条件下的结果

体系         A.F.负载(1bs)       MOR(psi)

P1/P2         13.41               600

P1/P2/烟灰    14.38               538

实施例2

使用以下配方制备浆液：

                       表3

浆液成分                                 浓度(比例)

胶态氧化硅                                  1477g

去离子水                                    296g

TX-11280聚合物¹                   0.0g(0％)，88.7g(5.0％)，177.0g(10.0％)

熔凝硅石共混物(-270/-200/-120目)²          4550g

Nalco^8815阴离子型湿润剂                  1.5g

DowCorning^Y-30消泡剂                     4.2g

Stealth^[1/8]″聚丙烯纤维                 16.3g

硅灰0.0g(0％)，130g(2.0％)，260g(4.0％)，325g(5.0％)，390g(6.0％)

¹基于稀释的胶态氧化硅，0-10％的苯乙烯-丁二烯胶乳(SBR)(得自安代奥纳尔科公司)

²-270目熔凝硅石(得自C-E Minerals of King，Prussia，PA)，Nalcast^P1(-200目)和Nalcast^P2(-120目)(得自安代奥纳尔科公司的Nalcast^产物)的共混物。共混物的大致比例是20/20/60。

浆液和壳的制备方法同上述实施例1。壳的试验方法也相同。

如下表4所示，加入硅灰会降低浆液的粘度，增加固体含量，并且增加壳强度。固体含量越高，导致干燥时间越短，壳强度越高并可提高生产率。当与聚丙烯纤维结合使用时，生成具有最小涂层的高性能塑模。如下为含有和不含硅灰的浆液在未处理、热和烧结状态时的MOR结果：

                             表4

0％TX-11280聚合物

           未处理的MOR    热的MOR    烧结的MOR      固体％

0.0％硅灰     449psi      1335psi    467psi         76.00

4.0％硅灰     589psi      1730psi    708psi         79.45

5％TX-11280聚合物

           未处理的MOR    热的MOR    烧结的MOR      固体％

2.0％硅灰     671psi      1646psi    506psi         77.71

6.0％硅灰      745psi        1808psi         801psi       80.12

10％TX-11280聚合物

               未处理的MOR   热的MOR         烧结的MOR    固体％

0.0％硅灰      783psi        1398psi         711psi       77.44

4.0％硅灰      848psi        1914psi         805psi       79.24

5.0％硅灰      918psi        1821psi         745psi       79.81

虽然以上结合优选的或示例性的实施方案对本发明进行了描述，但这些实施方案并不意味着是穷举的或者是对本发明的限定。相反，如所附权利要求书所述，本发明意欲涵盖落入其精神和范围之内的所有替换方案、修改和等同方案。

Claims (8)

1.一种增加熔模铸造壳强度和固体含量的方法，它包括向壳中加入至少一种有效量的微粒硅的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中微粒硅选自硅灰，热解法二氧化硅，火山灰和其混合物。

3.根据权利要求2所述的方法，其中火山灰选自硅藻土，蛋白石质石和页岩，凝灰岩，火山灰，浮岩和飞灰。

4.根据权利要求2所述的方法，其中微粒硅是硅灰。

5.根据权利要求1所述的方法，其中微粒硅加入到壳中的量为壳的约0.1-约15.0wt％。

6.根据权利要求1所述的方法，其中微粒硅加入到壳中的量为壳的约0.2-约10.0wt％。

7.根据权利要求1所述的方法，其中微粒硅加入到壳中的量为壳的约0.5-约5.0wt％。

8.一种增加熔模铸造壳强度和固体含量的方法，它包括向壳中加入壳的约0.5-约5wt％的硅灰的步骤。