專利名稱：用于高壓鑄造的潰散芯、制造該芯的方法以及抽取該芯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造用于高壓鑄造如壓模鑄造或壓力鑄造的潰散芯的方法。更具體地，本發(fā)明涉及用水溶性鹽制造復(fù)雜潰散芯。本發(fā)明也涉及這樣的水溶性鹽芯。另外，本發(fā)明還涉及一種抽取這種水溶性鹽芯的方法。
現(xiàn)有技術(shù)通常，為了制備具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)或內(nèi)凹的鑄件，芯的制備技術(shù)是必需的。
在重力鑄造的情況下，將一種由硬砂或陶瓷粉制成的潰散芯或水溶性鹽芯放置在模型的內(nèi)部，然后將一種熔融金屬導(dǎo)入模型并在模型中凝固。此后，將潰散芯通過機械和化學(xué)方法去除或用水或蒸汽將鹽芯溶出。
對于內(nèi)燃機活塞，在活塞內(nèi)部形成一個環(huán)形油冷卻通道時，鹽芯制備技術(shù)是有用的。
美國專利US3645491，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種芯制備技術(shù)，在該技術(shù)中粉碎的水溶性鹽與10％作為粘接劑的合成樹脂結(jié)合。美國專利US4629708，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種芯制備技術(shù)，在該技術(shù)中，一種水溶性鹽如氯化鈉和氯化鉀與陶瓷如氧化鋁以及作為粘接劑的有機硅樹脂混合并燒結(jié)。
然而，在實際情況下，為了制備一種高性能的鋁合金或復(fù)合材料活塞，活塞須經(jīng)高壓鑄造如壓模鑄造和壓力鑄造。
在這種高壓鑄造中，因為熔融金屬通過鑄造壓力滲入芯的內(nèi)部或芯因高壓而崩潰，用砂制成的常規(guī)潰散芯或常規(guī)鹽芯不能用于高壓鑄造方法。
最近，開發(fā)了幾種能夠用于高壓鑄造要求的芯制備技術(shù)。例如，美國專利US3963818，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種芯制備技術(shù)，在該技術(shù)中一種粉碎的水溶性鹽如氯化鈉和氯化鉀，加入約1％的水，在1.8～4.0噸/cm2的高壓下成型，然后在100～300℃下燒結(jié)20分鐘。
美國專利US4438804，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種芯成型方法，在該方法中一種水溶性鹽粉與硬粉如鋯砂混合，與作為粘接劑的碳酸鉀、碳酸鋇或堿金屬硅酸鹽一起在高壓下模制成型。
美國專利US3407864，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合,披露了一種芯成型方法，在該方法中一種水溶性鹽粉如氯化鈉和氯化鉀與3％重量的硼砂、1％重量的氧化鎂和1％重量的云母混合，然后在高壓下模制成型。
英國專利GB2156720，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種將粉碎的水溶性鹽液壓成型的芯制備技術(shù)。
在這些利用高壓或液壓的制備方法中，將顆粒之間的空隙減到最小，其結(jié)合力增強，只要該芯在5000～20000psi(磅/平方英寸)的鑄造壓力下保持形狀不變，就能防止熔融金屬滲入芯的內(nèi)部。
然而這些常規(guī)方法具有如下缺點，其應(yīng)用被芯子的尺寸和形狀所限制，且因為鹽粉的顆粒尺寸要求嚴格控制，其生產(chǎn)成本增加。
另外，因為用水溶解芯子，所以從高壓鑄造的鑄件中完全去除芯子需要大量的時間。
同時，美國專利US4446906、US4875517和US5303761，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種芯制備方法，在該方法中將一種水溶性鹽如氯化鈉和氯化鉀加熱、熔化，并可選擇地與硬顆粒如硅石和氧化鋁結(jié)合進行壓模鑄造。
實際上在芯子形狀的成型方法和生產(chǎn)率方面稍微好一些，但這些常規(guī)方法由于芯子的尺寸其應(yīng)用被限制。另外，當用水溶解芯子時，常規(guī)方法需要大量的時間來從高壓鑄造的鑄件中完全去除芯子。
美國專利US4840219，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種芯制備方法，在該方法中含有40％重量氯化鈉和40％重量碳酸鈉的混合物的熔融鹽加入10～50％的硬粉以形成一種漿料，該漿料被導(dǎo)入一個模型中。美國專利US3459253，其內(nèi)容在這里參考結(jié)合，披露了一種芯制備方法，在該方法中金屬絲或玻璃纖維加入到含有硫酸鹽和碳酸鹽的熔融混合物鹽中，以形成一種被導(dǎo)入一個模型的漿料。
這些方法比壓制方法或壓模鑄造方法在芯子的形狀和尺寸上有更多的變化。其間，因為所用的鹽的熔化溫度高達660℃以上，由于凝固收縮容易產(chǎn)生碎裂，所以芯子變得易碎并難于操作。而且，因為芯子必須用水溶解，因此需要一個相當長的時間去除高壓鑄造鑄件的芯子，因而所得到的芯鹽也不能重新使用。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題和考慮，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于制造一種用于高壓鑄造的潰散芯的方法，能夠簡單地制造一個復(fù)雜形狀的芯子，并通過使用一種可重新使用的鋁合金或一種鎂合金來得到一種用于高壓鑄造的芯子。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于高壓鑄造的芯子。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種抽取該芯子的方法。
在一個實施方案中，本發(fā)明的一個目的通過制造用于高壓鑄造的芯子的方法來實現(xiàn)，其中一種水溶性鹽，單獨或與一種細硬粉結(jié)合，熔化并在一個芯模中凝固；或者處理成一種細粉，并在壓力下在一個芯模中成型，所說水溶性鹽具有高潛熱，其熔點在280～520℃范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)(k)為9.8×10-2至1.2×10W/m·℃，由此潰散芯用該水溶性鹽制成。
在另一個實施方案中，本發(fā)明的另一個目的通過用所說方法制造的用于高壓鑄造的潰散芯來實現(xiàn)。
在另外一個實施方案中，本發(fā)明的另外一個目的是通過從一高壓鑄造鑄件中抽取用于高壓鑄造的潰散芯的方法實現(xiàn)的，其中將芯加熱到一個熔化溫度，在該溫度下高壓鑄造鑄件沒有熱變形，芯熔化物被抽出，將鑄件用水沖洗。
完成本發(fā)明的最佳實施方式下面本發(fā)明描述一種用于高壓鑄造的潰散芯，以及制造和抽取該芯子的方法。
用于高壓鑄造的潰散芯是用一種水溶性鹽制造的，其中一種水溶性鹽，單獨或與一種細硬粉結(jié)合，熔化并在一個芯模中凝固；或者處理成一種細粉，并在壓力下在一個芯模中成型，所說水溶性鹽的熔點在280～520℃范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)(k)為9.8×10-2至1.2×10W/m·℃，具有高潛熱，由此潰散芯能夠應(yīng)用于一種輕金屬如鋁合金或鎂合金進行高壓鑄造如壓模鑄造或壓力鑄造。
因為其具有280～520℃范圍的熔點，傳熱系數(shù)(k)為9.8×10-2至1.2×10W/m·℃，具有高潛熱，水溶性鹽是從由硝酸鉀(KNO3)、亞硝酸鉀(KNO2)、硝酸鈉(NaNO3)、亞硝酸鈉(NaNO2)、氯化銅(CuCl2)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、氯化鋰(LiCl)、氯化鉛(PbCl2)、氯化鎂(MgCl2)、氯化鋇(BaCl2)、氯化鈣(CaCl2)和其混合物構(gòu)成的組中選擇的。
關(guān)于熔點，已知硝酸鉀(KNO3)為333℃，亞硝酸鉀(KNO2)為290℃、硝酸鈉(NaNO3)為308℃、亞硝酸鈉(NaNO2)為270℃。
測量的含有NaCl∶CuCl2重量比為82∶17的混合鹽的熔點為315℃，含有KNO3∶KCl重量比為92∶8的混合鹽的熔點為320℃，含有KCl∶LiCl重量比為54∶46的混合鹽的熔點為320℃，含有PbCl2∶NaCl重量比為93∶7的混合鹽的熔點為410℃，含有MgCl2∶NaCl重量比為54∶44的混合鹽的熔點為430℃，含有CaCl2∶BaCl2重量比為53∶47的混合鹽的熔點為450℃，以及含有NaCl∶CaCl2重量比為54∶46的混合鹽的熔點為510℃，每種鹽的傳熱系數(shù)(k)范圍為9.8×10-2至1.2×10W/m·℃。
該水溶性鹽在模型中凝固。此時，熔融的水溶性鹽在比其熔點高30～80℃的溫度下導(dǎo)入模型中，從而減少了由于凝固收縮所引起碎裂的發(fā)生。
在這點上，如果熔融水溶性鹽的溫度高出其熔點80℃以上，在凝固時就會產(chǎn)生收縮導(dǎo)致的碎裂和孔隙。另一方面，如果溫度高出其熔點不足30℃，水溶性鹽就難于注入模型中。
另外，模型溫度被控制不超過每種所導(dǎo)入鹽的熔點的一半。其理由是，如果模型溫度較低，鹽就不能很好地導(dǎo)入模型中。另一方面，如果模型溫度較高，凝固芯的表面結(jié)構(gòu)變得粗糙，這樣在高壓鑄造時芯的深部將產(chǎn)生熱變形。
因此，適于模型的材料是石墨，它具有極佳的熱傳導(dǎo)性。當模型用石墨制造時，熔融鹽容易導(dǎo)入模型中，凝固速度變得很快，這樣凝固芯的表面組織優(yōu)良。
在熔融鹽中，可以加入細的熱穩(wěn)定硬顆粒如化學(xué)非反應(yīng)金屬或陶瓷的粉末、纖維和晶須。為了使用，它們是均勻分散的。
作為舉例，而并非限制，適于金屬的顆粒是具有高硬度以及與所說鹽類似比重的硅。同樣，氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)等也可用作陶瓷顆粒。可以使用這樣的纖維或晶須。
最好硬顆粒的加入量為5～30％重量比。如果硬顆粒的加入量超過30％重量比，能夠抑制凝固時的收縮，由分散作用所產(chǎn)生的芯的強度變高。但它會產(chǎn)生部分硬顆粒粘附到高壓鑄造鑄件表面上的問題。另一方面，如果加入的量低于5％重量比，就不能得到硬顆粒的添加效果。
將水溶性鹽處理成一種粉末，導(dǎo)入一個芯模中并模制成一個芯子。在這點上，最適宜的是，水溶性鹽粉具有40～100μm的尺寸，以用于在壓力下成型。同樣，最好使用一種不與該鹽起化學(xué)反應(yīng)的潤滑劑，以使得鑄造件容易與模型分離。
此時，由加壓而產(chǎn)生的成型壓力的范圍最好為60～100MPa。另外，模制的芯最好在其熔點保持0.5～1分鐘，以使得芯子的表面組織細化。
根據(jù)本發(fā)明的方法所得到的芯子能夠使用于一種金屬合金如鋁合金或鎂合金的高壓鑄造。
在低熱容量金屬如鋁合金和鎂合金高壓鑄造時，在0.5～3秒之內(nèi)模型立即充滿熔融物。因為金屬合金如鋁合金或鎂合金，雖然具有低于普通熔融金屬的通常澆注溫度(640～720℃)的熔點(280～520℃)，但是僅具有鋼傳熱系數(shù)(331～403W/m·℃)1/1500～1/3000的傳熱系數(shù)(k)(9.8×10-2～1.2×10W/m·℃)，鋼是高壓鑄造模具的典型材料。熔融合金一導(dǎo)入模型就劇烈冷卻。
具體地說，因為芯子的導(dǎo)熱率比鋼即模型的材料低，所以熔融物保留的大部分熱量傳向模型，而熱量幾乎不傳向芯子。同時，芯子的高潛熱僅允許在表面至2～3μm深度而不是在整個形狀上產(chǎn)生熱變形。換句話說，由于芯子的高潛熱，芯子在其整體形狀上不變形、沒有變化。
在如瞬時完成的高壓鑄造的常規(guī)鑄造中，本發(fā)明的水溶性鹽適于作低熱容量鑄造金屬如鋁和鎂的芯子。
同時提供一種從高壓鑄造的鑄件中去除芯子的方法，也就是，一種從鑄件中抽取芯子的方法，通過下面的步驟進行，即將該芯子加熱到熔化溫度，在該融化溫度高壓鑄造的鑄件沒有熱變形，抽取芯子熔融物，并用水沖洗鑄件。
當將高壓鑄造鑄件加熱到320～550℃3～5分鐘時，熱量傳遞給芯子的內(nèi)部，這樣芯子熔化并取出。這樣得到的材料可以再用于芯子的成型，以獲得經(jīng)濟上的效益。
根據(jù)下面的實施例可以獲得對本發(fā)明的更好的理解，這些實施例是舉例闡述的，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
實施例1將KNO3(熔點333℃)、KNO2(熔點290℃)、NaNO3(熔點308℃)NaNO2(熔點270℃)、NaCl∶CuCl2(82∶17)混合物(熔點315℃)、KNO3∶KCl(92∶8)混合物(熔點320℃)、KCl∶LiCl(54∶46)混合物(熔點320℃)、PbCl2∶NaCl(93∶7)混合物(熔點410℃)、MgCl2∶NaCl(54∶44)混合物(熔點430℃)、CaCl2∶BaCl2(53∶47)混合物(熔點450℃)、NaCl∶CaCl2(54∶46)混合物(熔點510℃)分別單獨加熱到高于其熔點約30～80℃的溫度。將每種熔融鹽緩慢地導(dǎo)入一個模型中和分別導(dǎo)入一個石墨模型中，這兩種模型均預(yù)熱到該鹽熔點一半的溫度，以制造一個直徑20mm長度100mm的圓柱芯。
將所得芯在模型中進行壓模鑄造和壓力鑄造，模型的壁與芯子之間在直徑上的空隙距離設(shè)置成3mm、5mm、7mm、9mm、12mm和15mm，并測量其性能。結(jié)果在下面的表1和表2中給出。
為了分析試驗芯子的性能，將ADC12 Al合金加熱到670℃將熔融物以1.8m/sec的供給速度進行壓模鑄造的高壓鑄造，以0.32m/sec的供給速度進行壓力鑄造的高壓鑄造，壓模鑄造和壓力鑄造的壓力為980kg/cm2。在高壓鑄造之后，芯子的抽取是通過在320～550℃下加熱高壓鑄造鑄件3～5分鐘、熔化芯子并用水沖洗鑄件而實現(xiàn)的。
表1在鋼模中所制備芯子的性能

注)○適合(表面狀況好)×不適合(表面狀況差)表2在石墨模型中所制備芯子的性能

注)○適合(表面狀況好)×不適合(表面狀況差)實施例2將KNO3(熔點333℃)、KNO2(熔點290℃)、NaNO3(熔點308℃)NaNO2(熔點270℃)、NaCl∶CuCL2(82∶17)混合物(熔點315℃)、KNO3∶KCl(92∶8)混合物(熔點320℃)、KCl∶LiCl(54∶46)混合物(熔點320℃)、PbCl2∶NaCl(93∶7)混合物(熔點410℃)、MgCl2∶NaCl(54∶44)混合物(熔點430℃)、CaCl2∶BaCl2(53∶47)混合物(熔點450℃)、NaCl∶CaCl2(54∶46)混合物(熔點510℃)分別單獨加熱到高于其熔點約30～80℃的溫度，將直徑40～100μm的重量比20～30％的氧化鋁(Al2O3日本Isolite.Co.Ltd.生產(chǎn))加入到加熱的熔體中并均勻分散。然后將該分散體緩慢地導(dǎo)入一個石墨模型中，該模型預(yù)熱到該分散體熔點一半的溫度，以制造一個直徑20mm長度100mm的圓柱芯。
同樣，將直徑0.5～1μm、長度100～400μm的重量比5～15％的碳化硅晶須(SiC日本TongHae Carbon Co.Ltd.生產(chǎn))均勻分散，以制造一個芯子。
將所得芯在模型中進行壓模鑄造和壓力鑄造，模型的壁與芯子之間在直徑上的空隙距離設(shè)置成3mm、5mm、7mm、9mm、12mm和15mm，并測量其性能。結(jié)果在下面的表3中給出。
為了分析試驗芯子的性能，將ADC12 Al合金加熱到670℃將熔融物以1.8m/sec的供給速度進行壓模鑄造的高壓鑄造，以0.32m/sec的供給速度進行壓力鑄造的高壓鑄造，壓模鑄造和壓力鑄造的壓力為980kg/cm2。在高壓鑄造之后，芯子的抽取是通過在320～550℃下加熱高壓鑄造鑄件3～5分鐘、熔化芯子并用水沖洗鑄件而實現(xiàn)的。
表3用硬顆粒的混合物在石墨模型中所制備芯子的性能


注)○適合(表面狀況好)×不適合(表面狀況差)實施例3將KNO3(熔點333℃)、KNO2(熔點290℃)、NaNO3(熔點308℃)NaNO2(熔點270℃)、NaCl∶CuCl2(82∶17)混合物(熔點315℃)、KNO3∶KCl(92∶8)混合物(熔點320℃)、KCl∶LiCl(54∶46)混合物(熔點320℃)、PbCl2∶NaCl(93∶7)混合物(熔點410℃)、MgCl2∶NaCl(54∶44)混合物(熔點430℃)、CaCl2∶BaCl2(53∶47)混合物(熔點450℃)、NaCl∶CaCl2(54∶46)混合物(熔點510℃)粉碎成約40～100μm的顆粒，加入重量比1％的云母作為潤滑劑，并加壓到80～100MPa的壓力，以模制成一個直徑20mm長度100mm的圓柱芯。將所模制的芯子在其鹽的熔點下保持0.5～1分鐘，以制造一個芯子。
將直徑40～100μm的重量比15％的氧化鋁(Al2O3日本Isolite.Co.Ltd.生產(chǎn))和直徑0.5～1μm、長度100～400μm的重量比8％的碳化硅晶須(SiC日本TongHae Carbon.Co.Ltd.生產(chǎn))加入到鹽粉中并均勻混合，以制造一個芯子。
將所得芯在模型中進行壓模鑄造和壓力鑄造，模型的壁與芯子之間在直徑上的空隙距離設(shè)置成3mm、5mm、7mm、9mm、12mm和15mm，并測量其性能。結(jié)果在下面的表4中給出。
為了分析試驗芯子的性能，將ADC12 Al合金加熱到670℃將熔融物以1.8m/sec的供給速度進行壓模鑄造的高壓鑄造，以0.32m/sec的供給速度進行壓力鑄造的高壓鑄造，壓模鑄造和壓力鑄造的壓力為980kg/cm2。在高壓鑄造之后，芯子的抽取是通過在320～550℃下加熱高壓鑄造鑄件3～5分鐘、熔化芯子并用水沖洗鑄件而實現(xiàn)的。
表4用硬顆粒的混合物在壓力下成型所制備芯子的性能

注)○適合(表面狀況好)×不適合(表面狀況差)工業(yè)實用性如前所述，可以用一種水溶性鹽簡單地制造復(fù)雜形狀的芯子，其中所說水溶性鹽，單獨或與一種細硬粉結(jié)合，熔化并在一個芯模中凝固，所說水溶性鹽的熔點在280～520℃范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)(k)為9.8×10-2至1.2×10W/m·℃，具有高潛熱。另外，該芯子可應(yīng)用于輕金屬如鋁合金或鎂合金的高壓鑄造如壓模鑄造和壓力鑄造。最后，加熱、熔化并抽出的芯子可以重新使用，從而產(chǎn)生經(jīng)濟上的效益。
權(quán)利要求
1.一種制造用于高壓鑄造的潰散芯的方法，其特征在于，一種水溶性鹽，單獨或與一種細硬粉結(jié)合，熔化并在一個芯模中凝固；或者處理成一種細粉，并在壓力下在一個芯模中成型，所說水溶性鹽的熔點在280～520℃范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)(k)為9.8×10-2至1.2×10W/m·℃，具有高潛熱，由此該潰散芯可應(yīng)用于一種輕金屬如鋁合金或鎂合金進行高壓鑄造如壓模鑄造或壓力鑄造，該潰散芯是由該水溶性鹽制成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說水溶性鹽是從由KNO3、KNO2、NaNO3、NaNO2及其混合物組成的組中選擇的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說水溶性鹽是從由下面的鹽混合物所構(gòu)成的組中選擇的，所說鹽混合物為重量百分比為82∶17的NaCl∶CuCl2、重量百分比為92∶8的KNO3∶KCl、重量百分比為54∶46的KCl∶LiCl、重量百分比為93∶7的PbCl2∶NaCl、重量百分比為54∶44的MgCl2∶NaCl、重量百分比為53∶47的CaCl2∶BaCl2、重量百分比為54∶46的NaCl∶CaCl2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所說水溶性鹽在高于其熔化溫度30～80℃的溫度下熔化并在一個模型中凝固。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所說模型是用石墨制成的，并加熱到所說鹽熔化溫度一半的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所說水溶性鹽處理成一種顆粒尺寸40～100μm的粉末，導(dǎo)入模型中并在80～100MPa壓力下成型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所說熔融的水溶性鹽中加入重量比5～30％的非化學(xué)反應(yīng)的細硬顆粒，所說細硬顆粒選自由金屬或陶瓷粉末、纖維和晶須及其混合物組成的組。
8.一種用于高壓鑄造的潰散芯，是按照權(quán)利要求1至7任一方法所制造的。
9.一種抽取用于高壓鑄造的潰散芯的方法，其特征在于，將所說芯加熱到熔化溫度，在該溫度高壓鑄造的鑄件沒有熱變形，將該芯子的熔融物抽取，并用水沖洗所說鑄件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，將高壓鑄造的鑄件加熱到320～550℃ 3～5分鐘，由此將熱量傳遞給所說芯子的內(nèi)部，這樣芯子被熔化并取出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造用于高壓鑄造的潰散芯的方法,所說潰散芯可應(yīng)用于一種輕金屬如鋁合金或鎂合金進行高壓鑄造如壓模鑄造或壓力鑄造,所說潰散芯是用一種水溶性鹽制造的,該水溶性鹽具有高潛熱,其熔點在280～520℃范圍內(nèi),傳熱系數(shù)(k)為9.8x10
文檔編號B22C9/10GK1365306SQ00809823
公開日2002年8月21日 申請日期2000年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月6日
發(fā)明者廣川弘治 申請人:株式會社技術(shù)連合