专利名称：在流态的能坚固硬化的砂的型腔中浇注金属的制作方法
技术领域：
本发明涉及在砂型中浇注金属物品。
在砂型中浇注熔融金属有多种方法。为人们普遍知晓的一种工艺是“失泡沫材料工艺”，其模样由一种能蒸发的材料(例如泡沫材料)制成，在此模样的周围充填松散的(未粘结的)流态的型砂，熔融金属直接浇注在泡沫材料模样上，使其蒸发，并将凝固后的金属留在模样的位置。由于模样在浇注金属的同时被蒸发，砂型不要求硬度。模样必须具有低密度，以便减少在此工艺中产生的蒸气的体积。揭示这种“失泡沫材料工艺”的典型专利包括威特莫斯(Wittmoser)的美国专利4085790;比斯霍泼(Bishop)的美国专利4448235;鲁特(Reuter)的美国专利4482000以及丹尼斯(Denis)的美国专利4616689。采用所述的“失泡沫材料工艺”可能碰到各种各样的问题，包括浇注金属表面粗糙，以及产品零件内有来自模样分解产物的气体夹杂物。
另一种铸造技术包括在铸型中使用一种较为致密的模样(例如蜡)，此铸型是坚硬的，而且相对而言是非多孔的。通常，大部分蜡模在例如约350°F的温度下，采用蒸汽脱蜡法除去，剩余的模样材料留在铸型中，必须在特别高的温度下除去，以避免在铸造工件中出现碳夹杂物。这样的铸型需要用相当多数量的耐火粘结剂(大约超过5%)，因为为了除去(蒸发和燃烧)所有的蜡必须经受住所述的特别高的温度(例如1600°F)。参见美国专利，例如布朗耐特(Brownetal)的美国专利3422880;司各脱(Scott)的美国专利3396775以及卡特(Carter)的美国专利2948935。所述耐火粘结剂混合料可以在模样周围涂挂多层，形成一个壳形，或者在多个模样的周围做出一个外壳，形成一个整体铸型。
我们已经发现，用控制砂-粘结剂混合料的方法，使用可熔化材料制成的可去除模样，就能形成一种全新的砂型铸造工艺。这种型砂含有足够的能硬化而形成铸型的非耐火粘结剂，而且此粘结剂的含量仍足够低，使型砂能流到模样的周围。形成的铸型是多孔的，其孔隙足以容纳和截留模样的液态和汽态的分解产物;并且，此铸型是坚硬的，足以在模样去除后仍保持着模样的形状。在粘结剂加入量适当时，铸型具有多孔结构(例如超过铸型体积的30%、最好超过45-50%是空隙)，这样就能在浇注前在不影响铸型的比较低的温度下去除模样。在熔融金属浇入之前，用加热模样使其变成流体的方法除去模样。一些模样材料自孔口流出，而占有相当大的百分比的剩余部分则流入或吸入到砂型之中，在此处它是无害的，因此就不再需要高温去除模样残留物。至少15%、最好更多(例如超过50%)的工件型腔中的模样材料被吸入并且保留在型砂混合料中。然后将熔融金属充填型腔，并可以在通常的方式下凝固。
最佳实施例包括下列特点模样是由包括蜡、泡沫材料或者塑料在内的聚合材料制成的。在加热模样期间，将充填熔融金属时放置在顶面的铸型部位放置在底面，以便于往型腔浇注熔融金属期间排出分解产物。熔融金属可以逆着重力被吸入或浇入除去模样后而形成的型腔之中。
这种方法成本较低，其原因部分地是由于型砂能以一种比较简单的操作，例如振动，流至模样的周围。此外，砂能被回收，并且所用的粘结剂数量较少，也减少了费用。这种方法提供了高质量的零件，避免了模样分解产生的夹杂，而所述夹杂在“失泡沫材料工艺”中是经常沸腾通过金属的。不用单独的砂芯也能做出复杂的形状。这种方法之所以能用于比较复杂的模样，是因为它不失去模样的形状。而“失泡沫材料工艺”则可能产生这种现象。使用复杂模样时，甚至可使用旋转铸型的方法，使型砂流到该模样的周围接近从一个给定方向不容易接近的部位。这种方法还能使用光滑的蜡制或塑料模样，提供比用膨胀后的泡沫材料模样可能取得的表面光滑得多的表面。这种方法由于铸型相当薄弱，也能比较容易地从铸型中取出金属零件。
从下述的最佳实施例及权利要求可看出本发明的其它特征和优点。
图1A-D是在本方法不同阶段中铸型和模样的简图。
在图1A中，模样10被安置在砂箱11中。模样10可用包括蜡、塑料或膨胀后的泡沫材料等多种已知材料，采用为人们熟悉的技术制造而成，其中，蜡尤为合适。金特-柯林斯(Kindt-Collins)公司销售的KC-610就是一种适用的蜡料。
在图1B中，模样10的周围已充填了砂-粘结剂混合料12，混合料12包括一种本领域中人们所熟知的适于铸造使用的砂(例如硅砂)，其表面被粘结剂包覆，所述粘结剂可以是当前用于砂铸型的多种铸造粘结剂(如有机粘结剂)中的任何一种，例如可以使用标准酚醛尿烷或者经过硬化剂变性的苯酚甲醛树脂(参见美国专利3，725，333;4，148，177和4，311，631)。
本发明的关键在于控制所用粘结剂的数量。如果使用粘结剂过多，砂-粘结剂混合料将不能容易地流到模样的周围。此外，粘结剂过多还会形成多孔性不良的铸型，这样的铸型无法为捕集模样生成的液体和蒸汽而提供足够的容积。在这种情况下，留在型腔中的模样材料就可能妨碍浇注。粘结剂过多也有碍于从铸型中取出浇注好的工件的操作。
反之，如果粘结剂过少，铸型将无法硬化到使型腔保持模样形状所需的足够硬度，因而导致劣质工件。
出人意料，这一有抵触的要求能用一种工艺来解决。采用这种工艺时，铸型不需要从永久性模样上机械地起模，而是代之以吸收可清除的模样材料，这是由少粘结剂铸型特有的多孔性能造成的。我们已经发现，粘结剂与型砂之比应在0.25-1%范围内，并且以型砂重量百分比为0.4-0.7%左右最为合适。也可使用无水的可硬化粘结剂(如甲基甲酸盐硬化粘结剂)，它能流到模样周围，并且凝固硬化。使用后者时，加入粘合剂的百分比可以较高。
一旦砂-粘结剂混合料流到模样周围，就采用适合于所用粘结剂的例如加热或硬化方法，硬化混合料，以便形成硬的铸型。一般说来，粘结剂制造商都会提供硬化其产品的适当说明。
在铸型硬化之后，将模样去除，以便形成接纳熔融金属的型腔，去除模样阶段有两个重要特征a)去掉模样发生在熔融金属浇入之前;b)去除模样工作在相对较低的温度下完成，在砂型中(而不是在型腔中)剩有许多模样材料残留物。所述模样材料残留物必须被吸入到砂型的足够深度，以避免在浇注时泄放出大量蒸汽，导致工件内部出现气体夹杂物。有代表性的作法如图1C所示，在去除模样时，将铸型倒置，使一些模样材料能从浇口杯像液体那样流出。在图1C和1D中用圆点18表示。在型砂混合料中存在模样材料。
我们已经确定，最好在温度为250-500°F的情况下去除模样。更明确地说，蜡模在250-450°F时用加压蒸汽去除，而苯乙烯和低熔点泡沫材料应该在稍微高一些的温度(最好是400-500°F)时去除。在上述温度下至少大约10分钟以后，型腔中通常将不再存在有害的模样残留物。这些温度与去除陶瓷型中的蜡模所用的非常高的标准温度(例如1600°F)相比较，有着明显的差别。
在模样材料被全部从型腔14中去除以后，铸型就可用来浇注熔融金属，浇注方法可以是如图1D所示的重力浇注，或者是美国专利3，900，064中所介绍的反重力真空吸注。
熔融金属进入型腔(例如通过浇口杯16)，模样形成的形状由于铸型硬度而加以保持，直至金属凝固，一旦工件凝固，就可敲开铸型，取出工件。上文所述的粘结剂水平使铸型很容易破碎，因而工件实际上则没有损坏的危险，这是一个显著的优点。如果需要，铸型碎块能进行处理(例如剧烈加热)，以便除净粘结剂和模样材料，回收砂子。
上述方法广泛适用于多种模样形状和多种材料和产品，在汽车发动机零件，例如发动机汽缸体和进气歧管等处得到特别有效的应用。
本发明工艺可以概括如下a)将模样放入砂箱;
b)使砂-粘结剂混合料流至模样周围;
c)使该混合料硬化，形成一个多孔的铸型;
d)加热，将模样材料驱出或使其进入铸型，从而形成一个型腔;
e)用熔融金属充填型腔;
f)凝固金属;
g)从铸型中取出浇注金属。
权利要求
1.一种浇注金属物品的方法，它包括提供一种能熔化材料制成的可去除模样；将所述模样包在砂-粘结剂混合料内部；硬化所述砂-粘结剂混合料；加热所述可去除模样以便在混合料内部此模样处形成一个型腔；然后将熔融金属充填所述型腔；使所述金属凝固；最后从该铸型中取出所述金属物品，此方法的特征为a)首先将所述可去除模样放置在一个容器内；b)砂-粘结剂混合料流到所述模样周围，并且所述混合料包含一定含量的非耐火粘结剂；ⅰ)含量足够高，使所述铸型能够硬化；ⅱ)含量足够低，允许所述混合料无阻碍地流到模样周围；ⅲ)含量足够低，使所述铸型容易地从其后在那里形成的铸件上除去；ⅳ)含量足够低，以保持所述铸型的多孔性；c)所述砂-粘结剂混合料硬化之后，在所述模样处形成型腔，其方法为在一定温度下加热所述模样和铸型，且符合下列条件使模样材料变为流体，不仅流入硬化的混合料中，而且也从铸型的孔口流出。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步的特征为所述模样是由蜡，聚合泡沫或塑料制成的;
3.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步的特征为模样和铸型被加热(步骤C)到250-500°F的温度;
4.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，其进一步的特征为所述粘结剂的含量是砂重量的大约0.25-0.6%;
5.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，其进一步的特征为所述熔融金属被逆着重力吸入所述型腔之中;
6.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，其进一步的特征为在加热模样以便去除(步骤C)期间放在底面的铸型部位，在浇注金属期间则放在顶面，以便从该铸型中排出模样分解产物;
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步特征为所述铸型包括一个浇入熔融金属的进口，在加热模样(步骤C)期间，铸型被倒置，以便允许一些模样材料流出;
8.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，其进一步的特征为所述砂混合料铸型，在硬化后至少含有30%的空隙空间;
9.根据前面权利要求中的任一项所述的方法，其进一步的特征为在步骤d至少15%的模样材料被捕集在所述砂混合料铸型之中。
全文摘要
对砂铸型中的砂-粘结剂混合料加以控制，所得的硬化铸型是多孔的，足以接纳来自可去除模样的液体和蒸汽，并且此铸型的硬度也足够，能在去除模样后保持模样的形状。用比较低的温度加热时，模样能从型腔中撤出，并且所述加热温度不会对铸型产生有害影响，也不需要从铸型中去除所有的模样材料。
文档编号B22C9/04GK1041299SQ8810666
公开日1990年4月18日 申请日期1988年9月14日 优先权日1987年9月15日
发明者乔治·D·钱德利, 罗德尼·G·里克 申请人:金属铸造有限公司