专利名称：制造铸件的方法,型砂及其实施此方法的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用金属熔体，尤其轻金属熔体，如铝熔体，制造铸件的方法。
此外，本发明涉及一种铸模材料及其用于制造铸模部分，这些铸模部分用于浇铸金属熔体，尤其轻金属熔体，如铝熔体。此类铸模部分可例如涉及铸造型芯，通过它在待制造的铸件内部构成空腔。同样，按本发明的铸模部分也可涉及一些构件，由它们组合成一个多部分的铸模，由铸模确定待制造铸件的外形。
背景技术：
在用金属通过浇铸技术制造构件时需要铸模部分，通过它们一方面确定要浇铸的工件的内部形状以及另一方面确定其外形。此类铸模部分可如前所述涉及铸造型芯，借助它在待制造的铸件内部构成空腔，或涉及铸模构件，由它们组合成一个多部分的铸模，此铸模确定待制造的铸件外形。
为了制造铸模部分通常使用铸模材料系统，它们由一种铸模原料和一种粘合剂组成。这两种成分互相混合、成形以及在恰当的硬化过程中加工成紧凑的机体。在这里，作为铸模原料通常使用石英砂，在绝大多数应用中它与一种有机粘合剂结合。
采用石英砂作为制造铸模部分的原料，尤其在浇铸轻金属材料时，业已证实在许多方面是恰当的。例如这种石英砂可以便宜地获得，以及其特点在于便于加工以及在构成各个待制造的铸模部分的铸模构件时有良好的质量。
作为有机粘合剂与环境相容的替换物，建议采用水玻璃基的粘合剂。这种水玻璃粘合剂与型砂混合。所得到的混合物然后注入造型机的型箱内，在那里构成一个反映待制造的铸模部分形状的空腔。接着，通过供热为在铸模内的混合物除水。在这里，供热可通过相应地加热型箱或通过直接作用在混合物上的微波加热进行(WO-A-86/00033、EP 0 917 499B1、DE 196 32 293 A1)。
为保证浇铸金属熔体时得到最佳的加工成果，使用于制造铸模部分的铸模材料必须有高的强度和尺寸一致性，它们即使在制造铸模和浇铸熔体过程中在产生负荷的情况下仍然保持。此外，在浇铸后铸模材料应能方便地除去。尤其在使用铸造型芯时这一点业已证实是特别重要的，型芯在铸件内构成形状复杂的内腔。
最后，铸模材料在使用后应能再生，使铸模原料达到尽可能高的重复利用率。为此可按已知的方式通过采用无机粘合剂达到，无机粘合剂在制造铸模部分的过程中释放少量的排放物，以及在铸造过程结束后通过足够高温度的作用可几乎无残渣地燃烧。
在实际使用中表明，已知的铸模材料系统与含有机或含无机的粘合剂无关，在正常条件下具有为获得最佳加工成果所需要的特性。
然而，尤其对于薄壁的铸模部分，如它们例如用于铸造发动机体或汽缸盖作为油路的型芯，由于不可避免的热膨胀，可能导致不再满足对铸件尺寸精确度的要求。
当浇铸复杂形状的铸件时，在采用传统制造的铸模部分时，存在的另一个问题是，型砂在冷却后只能困难地从铸件除去。通常为此使铸件受振动或冲击，它们应导致处于铸件内部的铸造型芯和粘附在铸件外部的铸模部分碎裂，以及应促使铸模材料颗粒流出。但是，这种用于去除铸模部分的机械方法同时带来损坏铸件的危险。尤其对于形状纤细或薄壁的构件可能造成裂纹。
因此建议，取代作用在铸件上的机械措施，将铸件强烈地加热到使粘合剂燃烧和只留下铸模原料，并能作为松散的材料轻易地从铸件内和由铸件上除去。为此所需的设备成本很高。此外，为燃烧粘合剂所要求的温度如此之高，以致在加热的同时不可避免地也会造成金属铸件性能的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，用它可以制造高质量形状复杂的铸件，以及按此方法在铸造过程结束后铸模部分可用简单的方式安全地从或由铸件去除。此外应提供一种铸模材料，用它可制造铸模部分，这种铸模材料可以制造适用于生产形状复杂的高质量铸件的铸模部分，以及在铸造过程结束后可以用简单的方式安全地从或由铸件除去。
此有关方法方面的目的按本发明通过一种由金属熔体，尤其由轻金属熔体制造铸件的方法达到，此方法实施下列步骤-用一种铸模材料制造铸模部分，铸模材料由一种与金属熔体相比为惰性的、松散的铸模原料和一种粘合剂混合而成，其中，铸模原料和粘合剂的热膨胀特性彼此协调为，使金属熔体的热膨胀系数大于由铸模材料制的铸模部分的热膨胀系数，-使用铸模部分组合成一个铸模，-将金属熔体浇铸在铸模内，制成一个铸件，-在凝固和冷却时间内，使铸件冷却，在此时间过程中，铸模部分自动碎裂成碎块，-从或由铸件上除去铸模部分的碎块，-将铸模材料的碎块加工为松散的铸模原料。
上述另一方面的目的通过一种用于制造浇铸金属熔体，尤其轻金属熔体用的铸模部分的铸模材料达到，它由一种混合物组成，混合物包括一种与金属熔体相比为惰性的、松散的铸模原料和一种与铸模原料混合的粘合剂，其中，铸模原料和粘合剂的热膨胀特性彼此协调为，使金属熔体的热膨胀系数总是大于由铸模材料制的铸模部分的热膨胀系数。
本发明以下列认识为基础通过选择一种恰当的铸模材料可以制成铸模部分，它们以最佳的方式将为了简单、安全和有利于环境地制造高质量、尺寸精确的铸件所需要的特性互相结合在一起。
按本发明的铸模材料按最佳的方式组合那些作为在制造方式简单的同时制成以高质量铸件为前提条件的特性。为此目的，按本发明的铸模材料含有一种以粒状或类似颗粒状的形式存在的松散的原料，即，当其在浇铸期间不可避免地出现加热时，呈现出一种与通常使用的石英砂相比小得多的热膨胀量。这种铸模原料保证，即使材料厚度小也能在制造形状复杂的铸件时得到高的尺寸准确性。
在未结合状态为松散的原料与粘合剂混合，粘合剂在加热时有与原料不同的膨胀特性。基于铸模原料与粘合剂不同的热膨胀，所以在被铸造热加热后导致粘合剂与铸模原料颗粒分离。因此，其结果是，当粘合剂比原料更强烈地膨胀时它将铸模部分胀开，使之失去其固定的形状以及能轻易地从或由铸件除去。反之，可按这样的方式造成铸模原料的膨胀特性，即，通过随加热而来的体积改变切断与粘合剂的联系以及重新使原料成为松散状态。关键在于随着加热导致型芯或铸模构件胀裂，从而使之在铸件冷却后碎裂成能易于去除和松散的个体。
通过将按本发明的铸模材料的热膨胀特性按本发明的方式与要浇铸的金属熔体的热膨胀特性进行协调，以及，与此同时通过此铸模材料以松散的原料为基础制成，达到在铸件冷却后使得被铸件至少部分包围的或与铸件邻接的铸模部分，基于在冷却过程出现的力破碎成松散的个体，它们可方便地去除。在这里，铸模部分的破裂由浇铸的金属与铸模材料因不同膨胀产生的力造成。
本发明在浇铸铝熔体的构件时有特别有利的效果。铝有比较大的热膨胀系数，所以在熔体浇铸和凝固的过程中，在与浇铸的构件处于接触状态的铸模部分上施加大的力，从而可靠地将涉及的铸模部分破碎成较小的个体。业已证明特别有利的是，此铸模部分涉及型芯。
按本发明取得并使用的铸模材料另一个有利于本发明的特性在于，粘合剂和铸模原料互相协调，使得在用铸模材料制造的铸型部分中原料的颗粒被粘合剂热稳定和无弹性地结合在一起。用取得的这种铸模原料制的铸模部分，在浇铸熔体时经过的全部温度范围内表现出脆性，由此促使铸模部分按本发明期望地破碎。
铸模部分的粘合剂优选地选择为，它不会由于热的作用而分解。以此方式避免在型芯内释放出容积，这种容积可能导致涉及的铸模部分按本发明不希望的弹性。
本发明另一项有利的设计是，铸模原料的颗粒有基本上圆形、球形。铸模原料的球形和与之相联系地在铸模原料颗粒之间占优势的点接触，促使铸模部分在熔体浇铸和凝固时产生的机械力作用下自动分裂。一种能特别好地满足此要求的铸模原料是合成富铝红柱石。因此，本发明另一项有利的设计规定，铸模原料有至少一部分，优选地置换50％以上或70％以上石英砂的氧化铝砂(富铝红柱石(Mullit))。富铝红柱石有圆的颗粒形状和有与石英砂类似的密度。因此，用它制成的铸模材料比例如已知的ZrO2砂加工简单得多。除了在按本发明谋求的铸模部分机械碎裂方面的优点外，富铝红柱石颗粒的圆球状在实际工作中导致简化用这种铸模原料制的铸模材料的加工，并同时导致减少使用于制造铸模部分的工具和机器的磨损。此外，富铝红柱石含量高的铸模材料由于其小的热膨胀，所以即使材料厚度小，在制造形状复杂的铸件时仍有高的尺寸精确度。
出人意料地业已证明，用按本发明组成的铸模材料制造的铸模部分的破碎，在时间上相对于金属熔体的浇铸自动出现延迟至这样的程度，即，这种破碎不再对在此时刻已充分凝固的铸件带来任何负面的影响。
基于其特殊的性质，按本发明组成的铸模材料特别适用于制造铸造型芯。它们可在浇铸后没有损坏已制成的铸件的危险地去除。
用富铝红柱石-石英砂混合物组成的铸模原料与由此制成的铸模材料宁可说有隔热作用。因此这些材料可有目的地利用于这样一些浇铸技术应用场合，即，在这些应用场合中尽管导致超过石英砂临界温度573℃的加热，但这种情况下用所涉及的材料制的铸模部分的热导率起次要的作用或应有意识地限制热传导。
实际试验表明，通过向石英砂添加足够量的富铝红柱石砂，可以阻止自发的几何形状改变，在单独使用石英砂作为用于制造苗条、纤细的铸件时便会产生这种几何形状改变。在这里关键在于，Al2SiO5砂的比例在任何情况下要足够大，以便能补偿要不然在加热超过临界温度时会在石英砂中产生的石英的长度改变。
在按本发明取得的铸模材料中，粘合剂和原料除此之外优选地按这样的方式互相协调，即，使得用此铸模材料制成的铸模部分有小的热导率。这一特性导致在浇铸金属熔体后，在浇铸材料与铸模部分之间的温度差仍保持较大，从而将铸模部分提前引发热或化学分解的危险降到最低程度。
除此之外，铸造型芯的碎裂可采取措施予以支持，即，使铸模材料的组分互相协调为，铸模原料和粘合剂在加热时不同地膨胀，其结果是，使它们之间的联系因在熔体浇铸的同时造成的加热而破坏。
特别符合实际的是，本发明可这样实现，即，加工一种铸模材料，它由一种以粒状或类似颗粒状的形式存在的松散的原料与无机粘合剂的混合物构成。
使用无机粘合剂的优点在于其更好的环境相容性，以及用这种粘合剂制成的铸模部分可以毫无问题地回归铸模材料的循环之中。业已证实在这方面特别恰当的铸模材料是，它们由一种以水玻璃为基的粘合剂和一种按本发明组成的铸模原料混合而成。在这里的要点在于，互相混合的成分的膨胀特性彼此有足够的差别。
在这方面特别有利的是铸模原料与粘合剂不同地膨胀。在这种情况下，在被铸造热加热后导致粘合剂与铸模原料的颗粒分离。例如当粘合剂比铸造原料更强地膨胀时粘合剂将铸模部分胀开，使之失去其固定的形状并破裂成碎块。这些碎块可以没有造成机械损伤的危险轻易地从或由铸件脱落。为此，在此方案中重要的是，导致按本发明谋求的铸模部分自动破碎，是基于铸模原料与粘合剂不同膨胀并以这样的方式，即，在铸造热的作用下使粘合剂由于在铸模原料与粘合剂之间形成的热应力从铸模原料微粒上脱落或自动破裂。通过粘合剂的这种在铸模部分硬化后的脆性断裂特性，破坏了铸模原料各颗粒之间的联系以及使铸模部分碎裂。遗留的由铸模原料碎块与粘合剂碎块组成的松弛的混合物是松散的和可以方便地从或由铸件去除。
铸模部分也可以按本发明的方法这样制造，即，将按本发明组成的铸模材料混合物按已知的方式注入型芯造型机的型芯箱内。接着，铸模材料例如按在DE 196 32 293 A1中说明的方法硬化，为此，在型芯箱加热到温度100℃至160℃的空腔内加上负压，以及型芯坯件被型芯箱加热持续时间为20至30秒。
在此时间期间，铸模部分固化到能从型芯箱取出并置入设在型芯箱外部的加热装置例如微波炉内。在加热装置内它用足够的热功率加热，直至从铸模部分排出为了完全硬化充分的水量。
作为替换或补充设在型芯箱外部的微波加热，排水也可以通过充分加热型芯箱本身或通过鼓送热空气实现。这些措施可分别与在型芯箱外部进行的加热组合起来。同样可以通过直接在仍处于型芯箱内的型芯坯件上实施微波加热导致排水。
若为了硬化在型芯箱外部进行铸模部分的加热，则为了提高型芯表面强度可用粘合剂液体喷洒有关的铸模部分。经如此处理的铸模部分在同样提高了耐磨强度的同时有更高的稳定性，所以它们可以没有问题地储存和满足对其尺寸准确度的最高要求。业已证明，当使用水玻璃粘合剂时，在待制造的铸件质量优化方面特别有利。
下面借助表示实施例的附图进一步说明本发明。唯一的图用剖面图示意表示用于一个没有进一步表示的浇铸铸造铝合金气缸盖的铸模的凸轮轴型芯1。
具体实施例方式
凸轮轴型芯1下侧2沿纵向互相隔开间距地成型两个凹槽3、4，通过它们分别确定要生产的气缸盖上规定用于支承凸轮轴的轴承座的形状。在凹槽3、4内分别放入一个以其主段7平行于凸轮轴型芯1并与之相隔一定距离延伸的油路型芯8的分支5、6。在这里，分支5、6的长度A比其直径B大许多倍。同样，油路型芯8主段7的长度C也比其直径D大许多倍。
油路型芯8按已知的方式用按本发明的铸模材料在传统的射砂造型机中制造，铸模材料通过混合一种由富铝红柱石砂和石英砂组成的铸模原料与一种水玻璃粘合剂制成。基于富铝红柱石砂的比例，保证油路型芯8即使其在浇铸要生产的气缸盖的过程中加热到超过573℃，仍能均匀地并因而可唯一性预先确定地膨胀。
以此方式可靠地避免，如在按传统的方式中以含有纯石英砂的铸模原料为基础制造油路型芯时发生的，诸如在分支5、6内断裂、主段7在分支5、6之间的区域内伸长、以及在主段7自由端区域内弯曲。因此，通过使用按本发明的方式组成的铸模材料，可以在大批量轻金属铸造时，可靠地制成高精度的有沿大的长度延伸的细小通道的气缸盖和类似的铸件。
在浇铸金属熔体(优选地涉及铝熔体或其他轻金属熔体)期间以及当铸件的金属尚能流动时，由于铸模原料与粘合剂彼此按本发明的方式协调的特性，所以铸造型芯1、8的变形很轻微。铸模原料这种微小的热膨胀有助于过程可靠地达到铸件的尺寸要求。
经过凝固和冷却时间，在此期间铸件获得为进一步加工所需的足够的强度，以及各铸造型芯1、8由于铸造热的作用和基于铸模原料与粘合剂不同的热膨胀特性自动碎裂成碎块，它们从铸件排空和再加工。在凝固过程中以及在金属完全凝固后的冷却阶段中，由于铸造金属与铸造型芯1、8相比大得多的固体收缩量，所以使各铸造型芯1、8受到高的机械应力。基于铸造型芯1、8脆的非弹性性质，这种机械应力导致铸造型芯1、8破裂成块状的碎片。它们的体积和强度如此之小，以致仅通过加入振动能量就可以从铸件脱落，因为全部的型芯砂现已与铸件分离。为了脱砂不需要如在先有技术中还要求的那样通过气锤施加锤击。
铸造型芯碎块的再生可包括仔细地破碎成粒状颗粒。然后，获得的粒状颗粒可进行金属分离和除尘，以便达到其再使用时必要的状态。接着，再循环成粒状材料的铸模部分重新用作按本发明组成的铸模材料的原料。
若按本发明的方式使用铸模材料，它们由与水玻璃粘合剂混合的铸模原料如合成富铝红柱石组成，则在制造铸模部分时不会产生明显的排放物量。由此可以避免在传统的实施方式中由于形成气体经常出现的铸造缺陷、为抽除气体所需采取的大量预防措施以及麻烦的工具清洗。环境和操作人员的负担因而减少到最小程度。
若采用富铝红柱石或类似的惰性耐火材料作为按本发明铸模材料系统的原料，则本发明另一个优点在于铸模原料与粘合剂及熔体相比的化学稳定性。这一性质保证，在实施按本发明的方式时获得的铸件，其表面在排空铸模型芯和铸模部分的碎块后，无需采取附加的清洁措施便可完全没有粘附残留的砂粒。
附图标记一览表1 凸轮轴型芯2 凸轮轴型芯1下侧3，4 凹槽5，6 油路型芯8的分支7 油路型芯8的主段78 油路型芯A 分支5、6的长度AB 分支5、6的直径BC 主段7的长度D 主段7的直径
权利要求
1.用一种金属熔体尤其轻金属熔体制造铸件的方法，包括下列步骤-用铸模材料制造铸模部分，铸模材料由一种与金属熔体相比为惰性的、松散的铸模原料和一种粘合剂混合而成，其中，铸模原料和粘合剂的热膨胀特性彼此协调为，使金属熔体的热膨胀系数大于由铸模材料制成的铸模部分的热膨胀系数，-使用铸模部分组合成一个铸模，-将金属熔体浇铸到铸模内制成一个铸件，-在凝固和冷却时间内，使铸件冷却，在此时间过程中，铸模部分自动碎裂成碎块，-从或由铸件上除去铸模部分的碎块，-将铸模材料的碎块加工为松散的铸模原料。
2.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为铸模部分的制造包括将铸模材料注入到一个设计在型芯箱内的空心模内、通过供热使注入型芯箱内的铸模材料预硬化为铸模部分以及使铸模部分在一个设在型芯箱外部的加热装置内硬化。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征为加热装置包括一个微波加热器。
4.按照权利要求2或3之一所述的方法，其特征为铸模部分在硬化前用粘合剂喷洒。
5.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为铸模材料碎块的加工包括粉碎碎块、分离金属、颗粒分类和/或除尘。
6.用于制造浇铸金属熔体尤其轻金属熔体用的铸模部分的铸模材料，由一种混合物组成，混合物包括一种与金属熔体相比为惰性的、松散的铸模原料和一种与铸模原料混合的粘合剂，其中，铸模原料和粘合剂的热膨胀特性彼此协调为，使金属熔体的热膨胀系数总是大于由铸模材料制成的铸模部分的热膨胀系数。
7.按照权利要求6所述的铸模材料，其特征为加热时粘合剂的膨胀不同于铸模原料。
8.按照权利要求6或7之一所述的铸模材料，其特征为粘合剂在铸造热作用下是稳定的。
9.按照权利要求6至8之一所述的铸模材料，其特征为粘合剂是一种水玻璃粘合剂。
10.按照权利要求6至9之一所述的铸模材料，其特征为铸模原料有一部分合成富铝红柱石。
11.按照权利要求10所述的铸模材料，其特征为铸模原料完全由富铝红柱石组成。
12.按照权利要求7至11之一所述的铸模材料，其特征为金属熔体是一种铝熔体。
13.按照权利要求7至12之一所述的铸模材料，其特征为铸模原料由颗粒组成，颗粒的形状基本上是球形。
14.按照权利要求7至13之一所述的铸模材料，其特征为它的热导率小于待浇铸的金属的热导率。
15.按照权利要求7至14之一构成的铸模原料用于实施按照权利要求1至5之一设计的方法的应用。
16.按照权利要求15所述的应用，其特征为用铸模材料制成的铸模部分是一个铸造型芯。
17.按照权利要求16所述的应用，其特征为铸模部分的长度(A、C)比其直径(B、D)大许多倍。
全文摘要
本发明涉及一种方法，用它可以制造高质量的形状复杂的铸件，以及按此方法，在铸造过程结束后铸模部分可以简单的方式安全地从或由铸件去除。为此实施下列步骤通过混合一种与金属熔体相比为惰性的松散的铸模原料与一种粘合剂制成一种铸模材料，铸模原料在加热时的、膨胀小于石英砂，而粘合剂在加热时的膨胀与铸模原料不同；用铸模材料制造一个铸模部分；使用铸模部分组合成一个铸模；将金属熔体浇铸到铸模内制成一个铸件；在凝固和冷却时间内，冷却铸件，在此期间，铸模部分自动破碎成碎块；从或由铸件上除去碎块；将铸模材料的碎块加工为松散的铸模原料。
文档编号B22D33/00GK1599651SQ02820431
公开日2005年3月23日 申请日期2002年9月13日 优先权日2001年9月14日
发明者伯恩哈德·施陶德尔, 瓦尔特·金特纳 申请人:曼德尔和贝格尔氢化铝有限公司