TW202245933A - 殼模材料組成物、殼模的製作方法與殼模 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種殼模材料組成物、殼模的製作方法與殼模。此殼模材料組成物包含基質材料與黏結劑，且其所形成之殼模可用以製作澆鑄材。當進行脫模製程時，殼模可僅利用水來去除，且脫除之殼模材料可再回收利用，故具有較佳之回收性質。

Description

殼模材料組成物、殼模的製作方法與殼模

本發明係有關一種殼模材料組成物、殼模的製作方法與殼模，特別是提供一種可用水脫除之殼模材料組成物。

由於金屬材料具有高強度的性質，故常藉由澆鑄製程來製成具有各種外型的構件。隨著應用的推廣與澆鑄技術的精進，具有複雜外型的構件之需求日益增長。然而，構件之外型越複雜，澆鑄殼模的製備越困難。於殼模的製作過程中，當構件具有複雜的縫隙或孔穴(如深孔、彎孔或截槽(under-cut))時，一般須設置陶心於殼模中的適當位置，以確保所製得之鑄件具有相應的構型。

然而，於脫模時，習知材料所製成之殼模與前述之陶心一般係藉由鹼煮或機械方式來移除，惟經高溫燒結後，殼模與陶心的表面較為緻密，而不易藉由鹼煮方式移除，且包埋於鑄件內部的陶心亦難以採用機械方式移除。為了便於移除殼模與陶心，一般係提高殼模的崩散性，惟殼模之強度亦隨之下降，而難以滿足應用的需求。

另外，為了符合不同澆鑄液體的特性，殼模的製作材料係多樣化的，而增加其製作的原料成本，並降低脫模後的回收便利性。再者，一般的殼模經脫模後即無法回收再利用。

有鑑於此，亟須提供一種殼模材料組成物、殼模的製作方法與殼模，以解決習知殼模於製作和脫模的缺陷。

因此，本發明之一態樣是在提供一種殼模材料組成物，其具有特定的組成，而可製得兼具良好崩散性與強度的殼模。

本發明之另一態樣是在提供一種殼模的製作方法，其藉由調整燒結步驟的升溫速率，以調控殼模的組成與其含量，進而提升殼模的崩散性，與其脫模便利性。

本發明之又一態樣是在提供一種殼模，其係藉由前述之製作方法所製得。

根據本發明之一態樣，提出一種殼模材料組成物。此殼模材料組成物包含基質材料，且基質材料包含50重量份至90重量份之碳酸鈣、10重量份至50重量份之二氧化矽與不可避免之成分。

依據本發明之一些實施例，前述之基質材料可選擇性地包含氧化鋁，其中基於基質材料的用量為100重量份，氧化鋁之使用量不大於7重量份。

依據本發明之一些實施例，前述之基質材料具有第一粒徑分布與第二粒徑分布。其中，第一粒徑分布為32 μm至75 μm，而第二粒徑分布為250 μm至2000 μm。

依據本發明之一些實施例，前述之基質材料可選擇性地包含填充材，其中基於基質材料的用量為100重量份，填充材之使用量為1重量份至10重量份。

依據本發明之一些實施例，前述之填充材包含纖維材料及/或顆粒材料。

根據本發明之另一態樣，提出一種殼模的製作方法。此製作方法係先對前述之殼模材料組成物混合黏結劑，並進行成型步驟，以形成殼模生胚。然後，對殼模生胚進行燒結步驟，以使殼模生胚中的碳酸鈣轉化為氧化鈣，而形成殼模，其中殼模含有不小於50重量份之氧化鈣。燒結步驟之溫度為800℃至1200℃，且燒結步驟之加熱速率不大於150℃/hr。

依據本發明之一些實施例，前述之成型步驟係沾漿淋砂製程。

依據本發明之一些實施例，前述之成型步驟係積層製造製程。

依據本發明之一些實施例，於進行前述之燒結步驟前，此製作方法可選擇性地對殼模生胚進行預熱步驟。

根據本發明之又一態樣，提出一種殼模。此殼模係由前述之製作方法所形成。

應用本發明殼模材料組成物、殼模的製作方法與殼模，其藉由特定之組成與含量，而可製得兼具崩散性與強度的殼模。其次，控制燒結步驟的升溫速率可有效地調整所得殼模中氧化鈣與矽酸鈣的含量，進而調整殼模的崩散性與強度。於澆鑄材的製程中，本發明之殼模僅須利用水即可輕易地脫除，故具有較佳的脫模便利性。另外，於脫模製程中，氧化鈣與水可反應轉變為易溶於水的氫氧化鈣，並進一步與二氧化碳脫水反應為碳酸鈣，而不溶於水的回收矽酸鈣亦具有廣泛的應用範疇。據此，本發明之殼模可利用常見生物性廢棄材與礦物性廢棄材來製得，而經脫模後之材料亦具有良好的回收性，故具有較低的原料成本與較佳的循環利用性質。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一些實施例之殼模的製作方法之流程圖。於方法100中，先混合殼模材料組成物，以形成殼模生胚，如操作110所示。殼模材料組成物可包含基質材料，且基質材料包含碳酸鈣、二氧化矽與不可避免之成分。基於基質材料的用量為100重量份，碳酸鈣之使用量為50重量份至90重量份，且二氧化矽之使用量為10重量份至50重量份。若碳酸鈣與/或二氧化矽之使用量不為前述的範圍時，雖後續仍可製得應用於澆鑄製程的殼模，但其難以僅利用水來脫模，故無法滿足應用之需求。較佳地，基於基質材料的用量為100重量份，碳酸鈣之使用量可為50重量份至70重量份，且二氧化矽之使用量為30重量份至50重量份。更佳地，當碳酸鈣為65重量份至70重量份，且二氧化矽為30重量份至35重量份時，所製得之殼模具有較佳之水溶性，且可維持鑄造所需的高溫強度(約730 N/cm ²)。在一些實施例中，碳酸鈣之使用量係大於二氧化矽之使用量。當碳酸鈣之使用量大於二氧化矽之使用量時，所形成之殼模具有較佳之脫模表現，且具有較適當之機械強度。

可理解的，在一些實施例中，本發明之基質材料可藉由混合含有碳酸鈣之材料或含有二氧化矽之材料來形成。舉例而言，含有碳酸鈣之材料可例如但不限於貝殼、蚵殼、蝦殼及/或魚骨等，或上述材料之任意混合；含有二氧化矽之材料可例如但不限於大理石或花崗岩等廢棄石材、鑄造用廢棄鑄砂，或上述材料之任意混合。當然也可同時含有碳酸鈣與二氧化矽之材料或相類似之材料，此為該領域具有通常知識者可理解。據此，本發明之基質材料可藉由廢棄之生物性材料及/或廢棄礦物性材料來製成，而可提升此些材料之回收再利用性，且降低殼模之材料成本。在一些實施例中，本發明之基質材料不包含有機高分子材料。在一些實施例中，本發明之基質材料主要係由碳酸鈣與二氧化矽所組成，惟其亦可含有後續不影響脫模表現之其他無機材料。在其他實施例中，基質材料僅具有碳酸鈣與二氧化矽。

基質材料具有兩種粒徑分布。換言之，前述之碳酸鈣與二氧化矽分別具有相應之粒徑分布。在一些實施例中，此兩種粒徑分布分別為32 μm至75 μm與250 μm至2000 μm。當基質材料中之各組成具有此兩種粒徑分布時，後續所製得之殼模可具有較佳之透氣性與崩散性質。

在一些實施例中，基質材料可選擇性地包含氧化鋁。基於基質材料之使用量為100重量份，氧化鋁之使用量係不大於7重量份，較佳為1重量份至7重量份，且更佳為3重量份至4重量份。當基質材料含有氧化鋁時，後續所製得之殼模可維持較佳之機械性質。

本發明之殼模材料組成物可選擇性地包含黏結劑。黏結劑係用以混合黏結基質材料，以製成殼模。本發明之黏結劑沒有特別之限制，其僅須可結合基質材料中之組成即可。在一些實施例中，黏結劑可包含偏矽酸鈉及/或其他適當之黏結劑。在其他實施例中，黏結劑可包含溶劑與結合材。溶劑可例如為水，以降低殼模之汙染性與其製作成本。結合材可例如為偏矽酸鈉等矽氧樹脂、石膏、水泥、聚乙烯、其他具有結合性之材料，或上述材料之任意混合。依據結合材之選用，結合材中亦可含有碳酸鈣及/或二氧化矽。據此，當結合材含有碳酸鈣及/或二氧化矽時，基質材料中之碳酸鈣的總含量及二氧化矽的總含量亦須滿足前述之範圍，以確保所製得之殼模具有良好之崩散性，而可滿足應用之需求。在一些具體例中，基於黏結劑之使用量為100重量份，溶劑之含量可例如為70重量份至95重量份，而結合材之含量可例如為5重量份至30重量份。相應地，若所選用之結合材含有氧化鋁，殼模材料組成物中之氧化鋁的總含量較佳係滿足前述之範圍，以使所製得之殼模可具有較佳的機械性質。

基質材料與黏結劑的重量比例可為2：1至4：1。當基質材料與黏結劑之重量比例為前述之範圍時，黏結劑可較有效地結合基質材料中之各組成，且不影響殼模之強度。較佳地，基質材料與黏結劑的重量比例可為2.5：1至3.2：1。

在一些實施例中，本發明之殼模材料組成物可選擇性地包含填充材。填充材可例如但不限於纖維材料、顆粒材料、其他適當之填充材，或上述材料之任意混合。須說明的是，本發明之填充材須可於高溫(如不小於1200℃)汽化分解。換言之，於進行後述之鑄造步驟時，填充材將因高溫而被分解去除，而於所製得之殼模中形成複數個微孔。當殼模具有此些微孔時，於脫模階段時，此些微孔將有助於殼模崩散，其原理詳述如後。舉例而言，填充材可為但不限於動物性纖維(如蠶絲纖維或羊毛纖維等)、植物性纖維(如棉花纖維或稻草梗等)，及/或顆粒填充材(如硼砂或蛭石等)。

在一些具體例中，纖維材料之直徑可例如為0.01公釐至1公釐，且較佳為0.1公釐至0.5公釐。其中，纖維材料之長度沒有特別的限制，惟基於殼模之強度表現，纖維長度較佳可為1公釐至3公釐。在其他具體例中，前述顆粒材料的粒徑可例如為前述基質材料的較大粒徑分布(如32 μm至75 μm)，以使所形成之微孔可較佳地兼顧殼模之崩散性與強度。在一些實施例中，基於基質材料的用量為100重量份，填充材的使用量可為1重量份至10重量份，且較佳為3重量份至4重量份。當填充材的使用量為此範圍時，填充材對於殼模之崩散性具有較佳的助益，且所製得之殼模具有較佳之強度表現。

於混合本發明之殼模材料組成物後，藉由所屬技術領域慣用之成型手段來形成殼模生胚。舉例而言，利用沾漿淋砂成型、立體印刷成型、雷射燒結成型、其他適當之技術手段，或上述方法之任意組合來形成殼模生胚。其中，基於所選用之手段的不同，前述殼模材料組成物之混合亦有相應的方法。

當利用沾漿淋砂成型時，前述之基質材料係依據粒徑分布分類為粗材料與細材料，並混合細材料與黏結劑，以形成漿液。然後，以慣用之蠟件沾附漿液，並接續淋上粗材料。重複數次後，即可於蠟件表面上形成殼模生胚。在一些具體例中，殼模生胚之厚度可例如為1公分至1.5公分，以兼顧所形成殼模之透氣性與強度。

當利用立體印刷成型時，前述之基質材料係直接混合黏結劑，並以積層製造慣用之手段來形成殼模生胚。可理解的，由於立體印刷可依據鑄件的構型來直接形成殼模，故此手段將不須使用習知的蠟件，惟基於容易成型的需求，立體印刷時亦可選擇性地使用蠟件。

請繼續參照圖1，當形成殼模生胚後，對所形成之殼模生胚進行燒結步驟，以形成殼模，如操作120與操作130所示。燒結步驟之溫度區間為800℃至1200℃，且燒結步驟之升溫速率不大於150℃/hr。若燒結步驟之升溫速率大於150℃/hr時，雖然後續仍可製得殼模，惟過快之升溫速率將大幅提升其強度，且降低殼模之崩散性，因此難以僅利用水來脫模。燒結步驟之升溫速率較佳可為50℃/hr至100℃/hr，且更佳為50℃/hr至60℃/hr。進行燒結步驟時，殼模生胚中之碳酸鈣可轉化為氧化鈣，且部分之碳酸鈣可與二氧化矽結合轉變為矽酸鈣(Ca ₂SiO ₄)。若基質材料選擇性地含有氧化鋁時，前述其餘的碳酸鈣可與二氧化矽和氧化鋁結合轉變為鋁矽酸鈣(CaAl ₂Si ₂O ₈)。基於殼模基質之使用量為100重量份，氧化鈣的含量可例如係不小於50重量份，較佳為55重量份至70重量份，且更佳為65重量份至68重量份。當氧化鈣之含量為前述之範圍時，後續所製得之殼模可兼具較佳之強度與崩散性。

在一些實施例中，於形成殼模生胚後，本發明之製作方法可選擇性地對所形成之殼模生胚進行預熱步驟，以加熱至800℃。於預熱步驟中，升溫速率沒有特別之限制，所屬領域具有通常知識者可根據設備規格與能力來調整升溫速率。在一些具體例中，預熱步驟之升溫速率可為100℃/hr至200℃/hr。於預熱步驟中，若殼模生胚係利用蠟件製成時，蠟件亦將於此階段熔融排出，類似於傳統沾漿淋砂成型之脫蠟步驟，該領域具通常知識者可理解。

在其他實施例中，於進行前述之燒結步驟後，所形成之殼模可進一步進行鑄造步驟，以進一步加熱至澆鑄溫度。其中，依據後續殼模之應用範疇與澆鑄液體的組成，具有通常知識者可依據要求調整澆鑄溫度。換言之，基於澆鑄液體所須之溫度，鑄造步驟之澆鑄溫度可調整至相應的溫度區間。可理解的，澆鑄溫度一般係大於1200℃。另外，當殼模材料組成物選擇性地含有填充材時，填充材於鑄造步驟的升溫過程中會汽化分解，而於殼模中形成微孔。於鑄造步驟中，燒結步驟所形成之氧化鈣，及矽酸鈣與/或鋁矽酸鈣的含量不會再有所改變。因此，於鑄造步驟中，升溫速率沒有特別之限制，所屬領域具有通常知識者可根據設備規格與能力來調整升溫速率。在一些具體例中，鑄造步驟之升溫速率可例如為100℃/hr至150℃/hr。

在一些應用例中，方法100所製得之殼模含有氧化鈣，及矽酸鈣與/或鋁矽酸鈣，而具有良好之崩散性與強度，故可滿足應用之需求，且於脫模時可簡便地被脫除。

請參照圖2，其係繪示依照本發明之一些實施例之澆鑄材的製作方法之流程圖。於方法200中，熔融之澆鑄液體係注入殼模中，如操作210所示。在一些實施例中，於前述殼模之製作後，可接續地注入澆鑄液體至殼模中，以節省再次升溫所耗費的能源成本。其中，澆鑄液體可於殼模被加熱至澆鑄溫度時或之後，注入至殼模中。可理解的，為避免殼模中之氧化鈣、矽酸鈣與鋁矽酸鈣的含量有所變化，而降低殼模之崩散性，故再次升溫時，於前述燒結步驟之溫度區間內，升溫速率須不大於150℃/hr。

當澆鑄液體注入完畢後，進行固化製程，如操作220所示。固化製程之冷卻參數沒有特別之限制，所屬技術領域具有通常知識者可根據慣用之技術手段來調整。當澆鑄液體冷卻固化後，進行脫模製程，即可獲得澆鑄材，如操作230與操作240所示。本發明之脫模製程僅須利用水即可將殼模脫除。於脫模時，殼模中之氧化鈣可與水反應，而形成氫氧化鈣，進而崩解於水中，故殼模可輕易地崩散。其中，當氧化鈣與水反應時，反應過程所釋放之熱能可使氫氧化鈣膨脹，並更進一步撐開殼模中之微孔(即填充材汽化後所形成之微孔結構)。故，膨脹之氫氧化鈣與被撐開之微孔可顯著地促進殼模的崩散。溶於水中之氫氧化鈣可與二氧化碳反應，而生成為碳酸鈣與水，進而循環再作為殼模材料組成物之基質材料。另外，雖然殼模之矽酸鈣與鋁矽酸鈣無法溶解於水中，但其可回收作為殼模或一般模具之背層材料，或者經研磨應用於釉料與濾石等應用範疇。

在一些具體例中，本發明之脫模製程可將殼模浸泡於水中、用水柱沖擊殼模、其他僅用水之脫模方法，或上述方法的任意組合來崩散脫除殼模。其次，崩散後的殼模材料亦具有良好的回收再利用性。

在一些應用例中，本發明之殼模組成物除可做為應用於澆鑄之殼模，其亦可作為砂芯與陶芯等芯材材料，此為該領域具有通常知識者可理解。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

製作殼模

實施例1

首先，混合65重量百分比之碳酸鈣與廢棄石材，其中廢棄石材含有35重量百分比之二氧化矽。然後，於800℃至1200℃進行燒結步驟，且燒結步驟之升溫速率控制在100℃/hr至150℃/hr緩慢升溫。於進行燒結步驟後，即可製得實施例1之殼模，且經組成分析後，殼模含有大於55重量百分比之氧化鈣與小於45重量百分比之鋁矽酸鈣(CaAl ₂Si ₂O ₈)。所製得之殼模進一步以後述之耐高溫性、高溫強度、熱膨脹係數、殘留強度與初始崩散率等評價方式來量測，且其評價結果如第2表所示，在此不另贅述。

實施例2至實施例5與比較例1至比較例3

實施例2至實施例5與比較例1至比較例3係使用與實施例1之殼模相同之製備方法和原料種類，不同之處在於實施例2至實施例5與比較例1至比較例3係改變殼模組成物中原料的使用量，其配方與所製得之殼模組成分別如第1表所示，此處不另贅述。其次，實施例4與實施例5和比較例1與比較例2之評價結果如第2表所示。

評價方式

1.耐高溫性

將實施例與比較例所製得之殼模升溫至檢測溫度，並持續觀察殼模表面是否開始產生裂紋，並記錄產生裂紋之溫度，藉以推斷殼模能否耐受高溫金屬溶液之衝擊，以評價殼模之耐高溫性。

2.高溫強度

將實施例與比較例所製得之殼模經高溫焙燒至設定溫度(如澆鑄溫度)時，以三點破斷/三點彎曲測試，得到殼模的高溫強度。

3.熱膨脹係數

將實施例與比較例所製得未經燒結的殼模設計為厚度為10公釐的圓柱試片，將其加熱至100℃，並利用熱膨脹測試儀器，量得圓柱試片的熱膨脹係數。

4.殘留強度

相同於前述高溫強度的評價方法，不同的是經高溫焙燒後，將殼模冷卻至常溫，並以三點破斷/三點彎曲測試，而量得殼模之殘留強度。

5.初始崩散率

將實施例與比較例所製得之殼模放入清水中，計數在同一時間內，殼模表面開始產生崩解時的崩散物重量，並與殼模之原始重量相比，即可算得初始崩散率。

以上方法皆為該領域慣用的實驗量測方法，該領域具有通常知識者可輕易理解，故不再贅述。

根據第1表與第2表可知，當殼模組成物含有前述範圍之碳酸鈣與二氧化矽，且燒結步驟之溫度為800℃至1200℃時，部分之碳酸鈣可轉化為氧化鈣，且其餘之碳酸鈣可與二氧化矽結合轉化為鋁矽酸鈣，進而可提供殼模良好之崩散性與機械性質。於比較例1中，若碳酸鈣與二氧化矽之含量不為前述之範圍時，雖然其仍可於800℃至1200℃轉化生成氧化鈣和鋁矽酸鈣，但其氧化鈣之含量過低，而無法確保殼模具有良好之崩散性。另外，由於比較例2與比較例3不於800℃至1200℃進行燒結步驟，故碳酸鈣無法轉化生成氧化鈣，而無法達成利用水脫模的功效，或者生成過多之鋁矽酸鈣，而具有過高之強度，且難以用水脫模。

據此，於殼模的製作過程中，本發明特定之殼模材料組成物可形成氧化鈣及矽酸鈣，而有助於使殼模兼具良好的崩散性與強度。其中，藉由調控加熱製程之燒結步驟的升溫速率，矽酸鈣之含量可被調整，以使所製得之殼模可具有滿足應用需求的強度表現，且同時兼顧氧化鈣於殼模中之含量，以提升殼模之崩散性與脫模便利性。其次，本發明之殼模材料組成物可選擇性地含有填充材，而可於殼模中形成微孔結構，進而提升殼模之透氣性與崩散性。如此一來，於澆鑄過程中，本發明之殼模可具有良好的澆鑄表現，且於脫模製程中，僅須利用水即可輕易地脫除殼模。其中，經脫模製程所回收之氫氧化鈣與矽酸鈣具有良好的再利用性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100,200:方法 110,120,130,210,220,230,240:操作

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下。 圖1係繪示依照本發明之一些實施例之殼模的製作方法之流程圖。 圖2係繪示依照本發明之一些實施例之澆鑄材的製作方法之流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:方法

110,120,130:操作

Claims (10)

1. 一種殼模材料組成物，包含： 一基質材料，包含： 50重量份至90重量份之碳酸鈣； 10重量份至50重量份之二氧化矽；以及 不可避免之成分。
2. 如請求項1所述之殼模材料組成物，其中該基質材料更包含： 氧化鋁，其中基於該基質材料的用量為100重量份，該氧化鋁之使用量不大於7重量份。
3. 如請求項1所述之殼模材料組成物，其中該基質材料具有一第一粒徑分布與一第二粒徑分布，該第一粒徑分布為32 μm至75 μm，該第二粒徑分布為250 μm至2000 μm。
4. 如請求項1所述之殼模材料組成物，其中該基質材料更包含： 一填充材，其中基於該基質材料的用量為100重量份，該填充材之使用量為1重量份至10重量份。
5. 如請求項4所述之殼模材料組成物，其中該填充材包含纖維材料及/或顆粒材料。
6. 一種殼模的製作方法，包含： 對請求項1至5中之任一項所述之殼模材料組成物混合一黏結劑，進行一成型步驟，以形成一殼模生胚；以及 對該殼模生胚進行一燒結步驟，以使該殼模生胚中的碳酸鈣轉化為氧化鈣，而形成該殼模，其中該殼模含有不小於50重量份之氧化鈣； 其中，該燒結步驟之一溫度為800℃至1200℃，且該燒結步驟之一加熱速率不大於150℃/hr。
7. 如請求項6所述之殼模的製作方法，其中該成型步驟係沾漿淋砂製程。
8. 如請求項6所述之殼模的製作方法，其中該成型步驟係積層製造製程。
9. 如請求項6所述之殼模的製作方法，其中於進行該燒結步驟前，該製作方法更包含對該殼模生胚進行一預熱步驟。
10. 一種殼模，由請求項6至9中之任一項所述之製造方法所形成。

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