专利名称：金属铸造用模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属铸造并涉及用于这样的铸造的模具和型芯的形成。
传统上，金属铸件用三种基本方法之一生产砂型铸造、压模铸造和熔模铸造。
在砂型铸造中，用粘合的砂形成模具和任何相关的型芯(型芯确定铸件中的空腔)。模腔由一个或多个原型形成，即希望的铸件的模型，在其周围成型并粘合砂(利用有机或无机粘合剂)，以便在砂中产生具有希望的尺寸和形状的空腔。型芯(在存在时)通过所谓“型芯注射”或“夯实”形成，其中，通过压缩空气吹制型芯或手工压实到称为型芯盒的模具中并粘合(用与制造模具相同的方法)，以形成希望的型芯尺寸和形状。然后用粘结的砂的两个或多个坯体部分加上任何型芯型组装模具，型芯也由粘结的砂形成，并合适地插入模腔内。然后通过一个或多个预先形成的浇口把熔融金属倒入模腔内，使其冷却并凝固，破碎砂模和型芯，露出金属铸件。
在压模铸造中，模具是永久的模具(即其可以重复使用许多次)并且通常用金属形成。在熔模铸造中，通常使用金属模具来生产用蜡形成的具有希望的铸件形状和尺寸的模型。通过把该模型浸在耐火材料浆料中并使每个涂层干燥，然后涂敷下一个涂层，在蜡型上涂敷一系列耐火(即耐热的)涂层。一旦通过该方法产生了具有足够强度的壳模，就把蜡型烧掉，以便形成向其中浇铸熔融金属的模腔。当金属凝固时，去掉壳模，露出铸件。
所以，在砂型铸造和熔模铸造中，必须生产可以由其构造模具和型芯的模型。这是耗时且成本高的方法，特别是如果仅仅需要制造少量铸件时，因为在这种情况下该方法中用于原型生产的时间和成本的比例明显远远大于生产大量铸件时的情况。这一原理在快速样品设计的情况下是最极端的，在这种情况下，需要快速且廉价地制备少数样品铸件。一般地，这样的快速样品铸造一般先通过立体光刻法生产铸件的原型，在立体光刻法中，利用计算机控制的激光，把可光致固化的树脂固化，产生希望的铸件形状；然后用立体光刻的原型生产砂模和型芯，在砂模中制造铸件。其它快速制造样品的方法也是已知的，其中，例如用木材、或金属或粘结的砂制造原型。
当然，在压模铸造中，需要制造永久模型，并且这明显需要在时间和金钱方面的非常大的投资，并且仅适用于非常长期的铸造生产运行。此外，压模铸造仅适合于铸造低熔点金属，如铝，并且不适合于高温铸造，如用铁或钢所形成的铸件。
EP-A-0913215涉及通过使包含氧化铝含量低于38重量％的硅酸铝空心球、粘结剂和任选的非纤维形式的填料(load)的配方成型，来生产金属环和其它进料口以及用于铸模、隔热和放热的供料部件。
US-A-5632326(让与Foseco International Ltd)公开了把包含空心的含氧化铝和二氧化硅的微球与粘合剂的组合物成型，其中所述微球具有确定的二氧化硅和氧化铝含量。
本发明寻求提供一种铸造方法，以及模具和型芯，为了产生模具和型芯，它们不需要生产和使用原型。具体地，本发明寻求提供一种铸造方法(以及用于这样的方法中的模具和型芯)，其特别是用于快速制造样品和短生产周期的铸造，尽管本发明并不限于这样的情况，并且本发明一般适用于金属的铸造。
根据第一个方面，本发明提供一种形成模具的方法或铸造金属的维护(care)，其包括(a)形成至少部分包含粘结的颗粒状耐火材料的材料的坯体，其中，所述耐火材料颗粒的剪切强度小于颗粒之间结合的剪切强度；和(b)机加工所述坯体以便在所述坯体或者用所述坯体形成希望的模具、型芯或其部件。
本发明的第二个方面提供一种铸造金属的方法，其包括(a)提供至少部分由一个或多个机加工的坯体形成的模具，所述坯体的材料至少部分包含粘结的颗粒状耐火材料，其中，耐火材料颗粒的剪切强度小于颗粒间结合的剪切强度；和(b)向模具中浇铸熔融金属并使金属凝固。
本发明的第三个方面提供铸造模具或型芯或其部件，其由包含粘结的颗粒状耐火材料的机加工坯体形成，其中，耐火材料颗粒的剪切强度小于颗粒间结合的剪切强度。
本发明具有以下优点因为耐火颗粒的剪切强度小于颗粒间结合的剪切强度，所以，随后可以直接通过机加工粘结的材料产生模具或型芯，因此该方法避免了生产原型的必要性。这又产生了进一步的优点，即与传统的铸造方法不同，在模具中产生锥度以便能使原型从模具中脱出变得没有必要。
本文所用的术语“颗粒状”和“颗粒”包括粉末、细粉、团粒、纤维、微球等。至少在本发明最广义的方面，基本可以使用任何耐火材料，只要耐火材料本身的剪切强度小于(优选明显小于)耐火材料颗粒之间结合的剪切强度。特别优选的是轻质耐火材料，包括层状材料，例如云母、珍珠岩、蛭石等。然而，最优选的轻质材料是空心微球(也称为“煤胞(cenospheres)”)。微球一般形成为飞灰，并且常常称为“飞灰飘浮物”，因为它们在水槽中通过飘浮法与飞灰的其余部分分离。大多数微球由氧化铝和/或氧化硅形成，它们通常包含铝硅酸盐，还可能有附加的组分。这些颗粒的颗粒尺寸(直径)通常为5-500pm，更常见的是10-350微米，每个微球的壳厚度通常为微球直径的5-15％(例如约10％)。按莫氏硬度计，微球的硬度一般为5或6。
本发明人已经发现，由于其薄壁空心形状，微球具有较低的剪切强度，即微球本身可以被切割或者用其它方式机加工，并通过合适的粘结剂结合在一起。微球的这种性质使其特别适合于本发明。可以使用空心微球和其它耐火材料如层状材料和/或实心飞灰(即在分离过程中不飘浮的飞灰部分)的混合物。
合适的耐火材料种类具有附加的优点即它们往往具有隔热性质(例如与砂相比)。这产生了以下优点通常降低了铸造时急冷程度即从金属中排出热量的速度。这是有利的，部分是因为它能使用较低的浇铸温度，部分是因为它能使模腔填充更可靠(特别是铸件具有复杂形状时)，因为金属可以更长时间地保持熔融。急冷的降低还可以在铸件上产生改善的表面光洁度。
正如已经提及的，颗粒状耐火材料利用合适的粘结剂结合在一起。基本上可以使用任何有机或无机粘结剂把颗粒状耐火材料结合在一起，只要在颗粒间所形成的结合的剪切强度大于(优选明显大于)颗粒本身的剪切强度。合适的有机粘合剂包括酚-尿烷粘结剂、呋喃粘结剂、碱性酚醛粘结剂、环氧-丙烯酸粘结剂等。合适的无机粘结剂包括硅酸盐粘结剂，例如硅酸钠加上酯粘结剂。特别优选的粘结剂公开在共同未决国际专利申请PCT/GB00/03284中，其全部内容并入本文作为参考。在该文献中公开的粘结剂包括(a)能够在碱存在下形成金属化物的颗粒状金属氧化物，(b)碱，和(c)水。粘结剂的特别优选的形式包含二氧化硅(特别是锻制二氧化硅)作为金属氧化物，氢氧化钠作为碱。
粘结的颗粒状耐火材料的坯体优选通过以下过程生产把耐火材料与粘结剂混合在一起、把该混合物成形成希望的“预成型体”形状(即适合于机加工成要求的模具、型芯或部件的形状)，例如在模具中，并使粘结剂固化。固化方法当然取决于所用粘合剂的种类。例如，酚-尿烷粘结剂利用与酚醛树脂成分混合的聚异氰酸酯成分固化，使用液体或气体叔胺催化剂，如4-苯基丙基吡啶或三甲胺；呋喃(即糠醇加尿素甲醛或酚醛树脂)基粘结剂利用强酸固化，例如二甲苯磺酸或对甲苯磺酸；含水碱性酚醛树脂利用酯如三甘油乙酸酯或利用甲酸甲酯气体来固化。如果使用硅酸盐粘结剂，例如，可以利用酯或利用二氧化碳气体来固化。然而，对于硅酸盐来说，也可以使用其它固化方法，包括没有二氧化碳存在下的干燥。
如上所述，特别优选的粘结剂是锻制二氧化硅/氢氧化钠粘结剂，其公开在共同未决国际专利申请PCT/GB00/03284中。当使用该粘结剂时，其优选通过在炉子中加热所形成的混合物来固化，在常规的炉子中或在微波炉中。
本发明人已经发现，颗粒状耐火材料和粘结剂的相对比例对于本发明的令人满意的性能一般并不重要，只要在一个极端存在足够的粘结剂把全部颗粒状材料令人满意地结合在一起，并且在另一个极端存在足够比例的颗粒状材料以给予对铸造金属的铸造温度和铸件重量合适的必要的“耐火度”。但是，一般来说，应该有至少5％的粘结剂，更优选至少10％的粘结剂，特别是至少20％的粘结剂(按重量计，仅以粘结剂加上颗粒状耐火材料的总量为基准)。通常应该存在至少5％的耐火材料，更优选至少10％的耐火材料，特别是至少20％的耐火材料(按重量计，仅以粘结剂加上颗粒状耐火材料的总量为基准)。20-50％的粘结剂和50-80％的颗粒状耐火材料一般是优选的范围。
除了颗粒状材料和粘结剂以外，还可以存在添加剂，例如非润湿性添加剂和/或涂料，以改善耐火度和/或铸件从模具中的脱出。
本说明书中所用的术语“机加工”、“加工”和“机加工后”是指，至少在本发明的最广泛的方面是指基本上任何切割、铣切、研磨、雕刻、钻孔的方法或类似的方法，通过这些方法，粘结的颗粒状耐火材料坯体可以成型并确定尺寸以产生必要的模具或型芯或其部件。可以使用车床、切削机、铣床、雕刻机、钻床、激光或基本上任何合适的切割或研磨设备。机加工还可以或者可替代地手工进行。特别优选的机加工设备是所谓平台雕刻机。该机器特别适合于例如在粘结的颗粒状耐火材料厚板中形成半模腔。可以用这样的模具生产的铸件种类的实例包括壁板、圆形浮雕、铭盘等。但是，用这种方法也可以生产较为非平板状的更复杂的形状。
现在在以下的非限制性实施例中描述本发明。
总之，本发明具有以下优点该铸造法避免了原型的需要，从而减少了时间和成本，并且它产生了高质量的铸件，因为粘结的颗粒状坯体的机加工精确性可以非常高。此外，由于颗粒状耐火材料常常具有隔热性能(例如与砂相比)，在铸件中金属急冷的程度可以降低，因此能够使用比传统上更低的铸造温度和/或能够进行更可靠的模腔填充。
权利要求
1.一种形成用于铸造金属的模具或型芯的方法，其包括(a)形成至少部分包含粘结的颗粒耐火材料的材料坯体，其中，耐火材料颗粒的剪切强度小于颗粒间结合的剪切强度；和(b)机加工该坯体以便在所述坯体中或者由所述坯体形成希望的模具、型芯或其部件。
2.权利要求1的方法，其中，通过把颗粒状材料和粘结剂混合在一起，把该混合物成型成希望的形状，并使粘结剂硬化，以形成粘结的颗粒状耐火材料，来形成所述的材料坯体。
3.权利要求2的方法，其中，颗粒状耐火材料利用无机粘结剂和/或有机粘结剂来粘结。
4.权利要求2或3的方法，其中，粘结剂包括二氧化硅和碱的混合物。
5.权利要求2-4的任一项的方法，其中，通过加热所形成的混合物来硬化粘结剂。
6.前述权利要求的任一项的方法，其中，颗粒状耐火材料包括耐火纤维。
7.前述权利要求的任一项的方法，其中，颗粒状耐火材料包括轻质耐火材料。
8.前述权利要求的任一项的方法，其中，颗粒状耐火材料包括空心微球。
9.权利要求8的方法，其中，空心微球包含氧化铝和/或二氧化硅，优选的是铝硅酸盐。
10.权利要求1的方法，其中，颗粒的粘结利用硅酸盐和/或二氧化硅粘结剂实现。
11.前述权利要求的任一项的方法，其中，所述模具或型芯材料还包含一种或多种添加剂，优选的是一种或多种非润湿性添加剂和/或涂料。
12.前述权利要求的任一项的方法，其中，所述坯体利用切削机、研磨机、铣床、机床、钻机、激光和雕刻机的一种或多种进行机加工。
13.前述权利要求的任一项的方法，其中，坯体的机加工是计算机控制的。
14.一种铸造金属的方法，其包括把熔融金属浇铸到模具中并使金属凝固，所述模具由根据前述权利要求的任一项生产的一个或多个部件制造。
15.一种铸造金属的方法，其包括(a)提供至少部分由一种或多种机加工的材料坯体形成的模具，所述材料坯体至少部分包含粘结的颗粒状耐火材料，其中，耐火材料颗粒的剪切强度小于颗粒间结合的剪切强度；和(b)把熔融金属浇铸到模具中并且使金属凝固。
全文摘要
一种通过把粘结的颗粒耐火材料机加工(例如切削或钻孔)成希望的形状形成浇铸熔融金属的模具或型芯的方法，其中，耐火材料颗粒的剪切强度小于颗粒间结合的剪切强度。优选的颗粒是铝硅酸盐微球(例如“飞灰飘浮物”)并且粘结剂优选的是基于二氧化硅(例如锻制二氧化硅/氢氧化钠)。粘结的颗粒状材料容易机加工，以形成尺寸精确的模具或其部件。
文档编号B22C1/08GK1473079SQ0181849
公开日2004年2月4日 申请日期2001年10月31日 优先权日2000年11月3日
发明者E·埃尔－德马拉维, S·H·拉万, E 埃尔-德马拉维, 拉万 申请人:福塞科国际有限公司