模制砂模的方法以及砂模的制作方法
【专利摘要】通过混合、搅拌和捏制作为粘合剂的水玻璃(11)、砂(7)、表面活性剂(9)和水(10)而产生发泡砂(S)。将发泡砂(S)填充到金属模具的空腔中并使其固化来形成砂模。通过使用砂模，铸造铝。在铸造期间，通过使用水玻璃(无机粘合剂)，不产生有害气体和气味。此外，当水玻璃(Na2O·nSiO2·mH2O)的摩尔比n调节至0.65至1.30的范围内时，可以抑制在铸造期间通过高温熔体加热水玻璃产生的水(H2O)的量。由此，可以抑制根据水(H2O)和铝(Al)之间的反应的氢气(H2)的产生，并可以改善铸造质量。
【专利说明】模制砂模的方法以及砂模
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于模制砂模的方法以及一种砂模，在所述方法中，将砂填充到模具内并使其固化以模制用于铸造的砂模。
【背景技术】
[0002]当铸造发动机的气缸体、气缸盖等时，使用可崩塌的砂芯(砂模)以形成中空部分，例如水套、进气口和排气口等。W02007/058254描述了使用基于淀粉的化合物(一种有机物质)作为粘合剂，将该粘合剂与骨料、表面活性剂、交联剂和水一起搅拌并使其发泡以形成发泡砂，并将该发泡砂固化以模制用于铸造的砂芯。
[0003]据此，尽管在铸造期间通过高温熔体加热而分解时，基于淀粉的粘合剂产生CO2和H2O,但不产生有害气体或气味。另外，由于基于淀粉的粘合剂因热分解而变成可崩塌的，铸造后芯砂也易于排出。
[0004]然而，如上所述，在铸造期间粘合剂被高温熔体加热而产生CO2和H2O,因此，在铸造的金属模具中，必须应用用于排出这些气体的措施。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种用于模制砂模的方法以及一种砂模，其能够抑制气体在铸造期间广生，并能提闻铸造质量。
[0006]本发明的第一方面是一种用于模制砂模的方法，其使用铸造用砂、表面活性剂、水和水玻璃，所述方法包括如下步骤:搅拌所述铸造用砂、所述表面活性剂、所述水和所述水玻璃；将通过搅拌所得的砂混合物填充到模制砂模的空间中；以及固化所述填充的砂混合物，其中，在水玻璃中，二氧化硅相对于氧化钠的摩尔比为0.65至1.30。此处，摩尔比指的是在水玻璃的组分中以摩尔数比例计的二氧化硅相对于氧化钠的混合比。
[0007]在所述第一方面中，所述摩尔比可以设定为1.10至1.30。进一步地，在上述方面中，所述摩尔比可以设定为约1.20。
[0008]在所述第一方面中，所述用于模制砂模的方法可以是这样的用于模制砂模的方法:其中，以通过将所述水玻璃与所述铸造用砂和所述表面活性剂一起搅拌并使其发泡而得到的发泡砂来模制所述砂模。
[0009]在所述第一方面中，所述砂模可以是用于铸造铝的砂模。此外，在该方面中，所述砂模可以是用于低压铸造的砂模。
[0010]此外，根据本发明的第二方面，在由铸造用砂、表面活性剂、水和水玻璃(粘合剂)构造的砂模中，在水玻璃中二氧化硅相对于氧化钠的摩尔比是0.65至1.30。
[0011]在所述第二方面中，所述摩尔比可以设定为1.10至1.30。此外，在上述方面中，所述摩尔比可以设定为约1.20。
[0012]在所述第二方面中，可以使用通过将水玻璃与铸造用砂和表面活性剂一起搅拌并使其发泡而得到的发泡砂来模制砂模。此外，在所述第二方面中，所述砂模可以是用于铸造铝的砂模。此外，在所述第二方面中，所述砂模可以是用于低压铸造的砂模。
[0013]通过使用根据所述两个方面的砂模或者用于模制砂模的方法，在铸造期间当水玻璃被熔体加热时，水的排放变少，因此，可以抑制气体生成并且能够改善铸造质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]以下将参照附图，在本发明的典型实施方式的详细说明中描述本发明的特征、优点以及技术上的和工业上的意义，其中同样的标记表示同样的元件，其中:
[0015]图1是显示与本发明的一种实施方式相关的砂模模制装置的示意结构的垂直剖视图；
[0016]图2A和图2B分别是显示用于图1中所示的装置的发泡砂的组成的图像；
[0017]图3是显示通过加热作为粘合剂的水玻璃而生成H2O的反应的示意图；
[0018]图4A和图4B分别是显示在铸造期间因通过加热粘合剂产生H2O而在铸造金属的表面层上产生缺陷的过程的示意图；
[0019]图5是显示作为粘合剂的水玻璃的组成的摩尔比与因加热造成的重量减少之间的关系的图；以及
[0020]图6A、图6B和图6C分别是显示在铸造期间因通过加热粘合剂产生H2O而在铸造金属的表面层上产生的缺陷的示意图。
【具体实施方式】
[0021]在下文中，将基于附图详细说明本发明的实施方式。用于模制与本实施方式相关的砂模的砂模模制装置I示于图1。如图1所示，所述砂模模制装置I用于固化发泡砂S以模制用于铸造铝的砂芯(砂模)，且该装置包括用于模制砂芯的具有空腔C的金属模具2和用于将发泡砂S填充进金属模具2的空腔C中的填充装置3。
[0022]在该实施方式中所使用的所述发泡砂S是通过将砂(为骨料)与作为粘合剂的水玻璃(硅酸钠)和含有水和表面活性剂的组合物一起混合、搅拌、捏制而处于发泡状态下。构成发泡砂S的颗粒的状态的图像示于图2中。图2A示出了泡沫8吸附在砂的颗粒7的表面的状态，图2B示出了泡沫8的部分放大状态。如图2B所示,在所述发泡砂S中，表面活性剂9覆盖水玻璃的水溶液(包含水:10和水玻璃:11)的表面以形成泡沫8，所述泡沫8通过表面活性剂9吸附在砂颗粒7的表面以形成发泡状态，并有适当的粘度。此处，相对于砂，通过设定水玻璃的摩尔比(二氧化硅相对于氧化钠的混合比例)为0.5至3.0，其重量比为0.4至3.0%，水的重量比为1.5至5.0%，以及表面活性剂的重量比约为0.003%至
2.0%，可以得到具有适当的粘度的发泡砂S。
[0023]所述金属模具2通过夹紧上模和下模形成空腔C。所述金属模具2上设置有填充通道5，其连通空腔C和填充装置3的砂浴12。所述填充装置3包括捏制发泡砂S并存储的砂浴12，以及用于给在砂浴12中的发泡砂S加压的加压机构13 (加压装置)。当所述金属模具2设置至砂浴12，且砂浴12中的发泡砂S由加压机构13加压时，所述发泡砂S通过填充通道5填充到金属模具2的空腔C中。将金属模具2加热至大约150°C至300°C，填充在空腔C中的发泡砂S的水分蒸发，从而使发泡砂S固化。其后，打开金属模具2，取出模制的砂芯。[0024]接着，将对用于产生实施方式的发泡砂S的作为粘合剂的水玻璃的组分进行说明。水玻璃(Na20.nSiO2.mH20)是包含二氧化硅(SiO2)、氧化钠(Na2O)和水(H2O)的混合物，并且其特性根据以摩尔数的比例表示的二氧化硅与氧化钠的混合比的摩尔比(η)而变化。在一般情况下，当摩尔比η小时，水玻璃的晶粒趋于在水溶液中析出；据此，发泡砂S的储存稳定性和加工性能劣化，且模制砂芯(砂模)的强度劣化。
[0025]如图3所示，当在高温下加热时，水玻璃(Na20.nSi02.mH20)在分子之间发生反应而分离水(H2O)。据此，如图4A所示，在铝铸造中，当在铸造期间，用作为粘结剂的水玻璃模制的砂模与铝熔体在高温下接触时，水玻璃被加热而排出水(H2O),水与铝(Al)在高温下反应生成氧化铝(Al2O3)和氢(H)。此时，氢溶解在熔体中。然而，如图4B所示，当产生大量的氢(H)时，过饱和的氢生成氢气(H2)并析出，在铸造金属的表面层上形成许多缺陷(例如许多针孔等)，造成铸造失败。
[0026]由于填充到所述金属模具2的空腔C内部并固化的发泡砂S因发泡变为高内部压力，因此，粘合剂和砂被压缩到相对于空腔C中心部分的内壁侧上，即将要被模制的砂芯的外侧部。结果是，大量水玻璃存在于在铸造期间与熔体接触的砂芯的表面部分，水(H2O)易于通过加热分离，且易于生成氢气(H2)。特别是，在固化时间长的低压铸造中，由于氢气的产生的缺陷成为问题。
[0027]在铝低压铸造的铸造期间由于氢气的生成而在铸造金属的表面层上产生的缺陷的状态示于图6中。图6A示出了在铸造金属的表面层上产生的缺陷(黑点)的分布的状态，图6B显示了通过放大缺陷部分而获得的显微照片。此外，图6C显示了通过放大缺陷内部得到的扫描电子显微照片(SEM)。如图6A至图6C所示，所述缺陷是铸造金属的表面部分的内部产生的枝状晶体。由此，可以发现，在铸造期间当水玻璃与铝熔体在高温下接触时，水被分离出，水与铝反应生成氢，且过饱和氢形成氢气，从而在铸造金属的表面层上产生缺陷。
[0028]接着，将参照图5来说明水玻璃的摩尔比(η)与通过加热分离出的水(H2O)的量之间的关系。通过加热具有不同摩尔比(11)(摩尔比11 = 0.5至2.1)的水玻璃，测量各自的分离出的水的重量作为水玻璃的重量的减少，其结果示于图5中。在图5中，曲线A显示了将水玻璃从200°C加热至700°C的情况，且曲线B显示了将水玻璃从300°C加热至700°C的情况。如图5所示,在η = 0.65至1.30的摩尔比的范围内，重量的减少(产生的水的量)降至4%以下。因此，当具有η = 0.65至1.30范围内的摩尔比的水玻璃用作粘合剂来模制砂模，并铸造铝时，在铸造期间可以抑制水的产生。结果是，通过抑制氢气的产生，且由此通过抑制诸如针孔等缺陷的产生，可以得到优异的铝铸造金属。
[0029]此外，当所述摩尔比优选地设置在η = 1.10至1.30的范围内时，由于可以抑制氢气生成，且抑制水玻璃晶体在水溶液中淀析，砂的贮存稳定性和加工性能增强，且模制砂模的强度和砂模铸造后的可崩塌性增强。根据本实施方式，通过考虑氢气产生的抑制、砂模的强度、砂的贮存性能和加工性能，将水玻璃的摩尔比(η)设定为约1.20。
[0030]当通过使用以像这样调节摩尔比的水玻璃作为粘合剂模制的砂模来铸造铝时，可以改进铸造质量，且进一步通过抑制氢气产生而在铸造期间不产生有害气体和气味。另外，可以得到难以在水溶液中析出水玻璃的晶体且贮存稳定性和加工性能优异，模制后具有足够的强度并在铸造后具有优异崩塌性能的砂。[0031]在上述实施方式中，举例描述了模制一种用于铸造铝的砂芯的情况。然而，本发明可以类似地应用于模制其它砂模而不限于一种砂芯。此外，尽管本发明特别适合于固化时间长，且具有因氢气的产生导致的缺陷问题的低压铸造，但是本发明也可以应用于其它铸造方法。又进一步地，本发明可以应用于其他铸造砂模而不限于铝铸造，而且本发明可应用于不发泡的湿砂而不限于发泡砂。
【权利要求】
1.一种用于模制砂模的方法，其使用铸造用砂、表面活性剂、水和水玻璃，所述方法的特征在于包括如下步骤: 搅拌所述铸造用砂、所述表面活性剂、所述水和所述水玻璃； 将通过搅拌所得的砂混合物填充到用于模制砂模的空间中；以及 固化所述填充的砂混合物， 其中，将所述水玻璃的组成设定为在水玻璃中二氧化硅相对于氧化钠的摩尔比为0.65至 1.30。
2.根据权利要求1所述的用于模制砂模的方法，其特征在于，所述的摩尔比设定为1.10 至 1.30。
3.根据权利要求1或2所述的用于模制砂模的方法，其特征在于，在所述搅拌步骤中，使用通过搅拌所述水玻璃与所述铸造用砂和所述表面活性剂并使其发泡而得到的发泡砂来模制所述砂模。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于模制砂模的方法，其特征在于，所述砂模是用于铸造铝的砂模。
5.一种砂模，其特征在于，所述砂模包括； 铸造用砂， 表面活性剂， 水， 和水玻璃，所述水玻璃是粘合剂， 其中，在所述水玻璃中二氧化硅相对于氧化钠的摩尔比为0.65至1.30。
6.根据权利要求5所述的砂模，其特征在于，所述摩尔比设定为1.10至1.30。
7.根据权利要求5或6所述的砂模，其特征在于，所述砂模是用通过搅拌所述水玻璃与所述铸造用砂和所述表面活性剂并使其发泡而得到的发泡砂来模制的。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的砂模，其特征在于，所述砂模是用于铸造铝的砂模。
【文档编号】B22C1/18GK103974789SQ201280057844
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2011年11月28日
【发明者】光武正臣, 渡边浩庸, 须田智和, 加藤裕介, 善甫敏彦 申请人:丰田自动车株式会社, 新东工业株式会社