專利名稱：形成熔模鑄造殼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及熔模鑄造，更具體地講，涉及一種增加熔模鑄造殼強度和固體含量的方法。
背景技術(shù)：
熔模鑄造，還被稱作失蠟、失模和精密鑄造，用于制備滿足相對精密尺寸容差的高質(zhì)量金屬制品。典型地，在熔模鑄造時，首先要構(gòu)造一個可以向其中導(dǎo)入熔融金屬的薄壁陶瓷鑄型，通稱熔模鑄造殼。
殼通常這樣制備通過熔模鑄造首先由將要制備的金屬物體的可熔化基材制成摹真本或者模型。適當(dāng)?shù)目扇刍目梢园ǎ?，蠟，聚苯乙烯或塑料?br> 接著，在模型周圍形成陶瓷殼。這可以通過將模型浸到含液態(tài)耐熔質(zhì)粘合劑，如膠態(tài)氧化硅或者硅酸乙酯，與難熔粉末，如石英、熔凝硅石、鋯石、氧化鋁或者硅鋁酸鹽的漿液中，然后把干燥的耐熔質(zhì)顆粒篩到剛浸漬過的模型上來實現(xiàn)。最通常使用的干燥耐熔質(zhì)顆粒包括石英、熔凝硅石、鋯石、氧化鋁和硅鋁酸鹽。
將模型浸到耐熔質(zhì)漿液然后將干燥的耐熔質(zhì)顆粒篩到剛浸漬過的模型上，這樣的步驟可以重復(fù)多次，直到得到希望的殼厚。但是，優(yōu)選在隨后涂敷之前，對每一層漿液和耐熔質(zhì)顆粒涂層進行風(fēng)干。
殼厚度要增加到約1/8-約1/2英寸(約0.31-約1.27厘米)的范圍。在最后的浸漬和篩濾之后，把殼進行充分地風(fēng)干。通過這種方式制備的殼由于殼表面的結(jié)構(gòu)而被稱為“灰泥”殼。
然后把殼加熱至少達(dá)到可熔化基材的熔點。在這一步驟中，模型融化，只留下殼和一些殘留的可熔化基材。之后把殼加熱到能足以從殼中蒸發(fā)出任何殘留的可熔化基材的溫度下。通常在殼從這一高溫加熱過程冷卻下來之前要在殼中充滿熔融的金屬。已經(jīng)有許多方法用于把熔融金屬導(dǎo)入到殼中，包括重力法、壓力法、真空法和離心法。當(dāng)鑄模中的熔融金屬固化并充分冷卻時，可以將鑄件從殼中移開。
盡管熔模鑄造已經(jīng)是已知的并且已經(jīng)用了數(shù)千年，但由于對更復(fù)雜部件的需求在不斷增加，因此熔模鑄造市場也在不斷地發(fā)展。因為對于高質(zhì)量的精密鑄件存在非常大的需求，因此，仍不斷需要開發(fā)出新的方式來更有效，更經(jīng)濟和更完美地制備熔模鑄造殼。例如，如果可以增加熔模鑄造殼的強度，那么將會需要更少的材料。強度更好的殼還將會更耐開裂，這樣會使鑄件具有更少的缺陷。此外，如果可以增加熔模鑄造殼的固體含量，則殼將會干燥得更快，并且可用更少的涂層制成，這樣就可節(jié)約時間、材料和成本。
因此，將希望提供一種增加熔模鑄造殼強度和固體含量的改進方法。
發(fā)明概述本發(fā)明的方法需要向熔模鑄造殼中引入至少一種微粒硅。加入微粒硅可有效地增加熔模鑄造殼的強度和固體含量。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種增加熔模鑄造殼強度和固體含量的方法。根據(jù)本發(fā)明，至少要將一種微粒硅引入到殼中?？梢酝ㄟ^用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的通用方法將微粒硅加入到漿液中而將該微粒硅引入到熔模鑄造殼中。
可以用于本發(fā)明實踐中的微粒硅包括人造微粒硅，如硅灰和熱解法二氧化硅，天然存在的稱作火山灰的微粒硅，和其混合物。適當(dāng)?shù)幕鹕交业膶嵗ü柙逋?，蛋白石質(zhì)燧石(opaline chert)和頁巖，凝灰?guī)r，火山灰，浮巖和飛灰。用于增加熔模鑄造殼強度和固體含量的優(yōu)選微粒硅是硅灰。“硅灰”定義為硅、高硅鑄鐵或者熔凝硅石制備過程中的副產(chǎn)物。
微粒硅的使用濃度要使其能有效地增加熔模鑄造殼的強度和固體含量。優(yōu)選微粒硅加入到殼中的量為殼的約0.1-約15.0wt％。更優(yōu)選，微粒硅的量為約0.2-約10.0％，最優(yōu)選約0.5-約5.0％。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將至少一種微粒硅引入到熔模鑄造殼中可有效地增加殼的強度和固體含量。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，加入微粒硅時可用較少的涂料產(chǎn)生強度較高的殼，這樣就可節(jié)約材料，提高生產(chǎn)能力，以及提供更高質(zhì)量的塑模來制備缺陷更少的鑄件。
實施例以下實施例旨在說明本發(fā)明，并教導(dǎo)普通技術(shù)人員如何制造和使用本發(fā)明。這些實施例決不用來限制本發(fā)明或者其保護范圍。
實施例1使用以下配方來制備漿液表1漿液成分濃度(比例)膠態(tài)氧化硅1 1576克去離子水 315克Latrix6305聚合物2189克NalcastP1(-200目)熔凝硅石31105克NalcastP2(-120目)熔凝硅石43315克Nalco8815陰離子型濕潤劑51.5克Dow CorningY-30消泡劑64.2克Stealth[1/8]″聚丙烯纖維719.5克硅灰8260克1稀釋到25％二氧化硅的Nalcoag1130(8納米，鈉穩(wěn)定的)(得自安代奧納爾科公司)2基于稀釋的膠態(tài)氧化硅，10％的苯乙烯-丁二烯膠乳(得自安代奧納爾科公司)3得自安代奧納爾科公司4得自安代奧納爾科公司570％的二辛基磺基琥珀酸鈉(得自安代奧納爾科公司)630％的乳化硅油(得自密歇根州Midland的Dow Corning公司)7得自喬治亞州Chickamauga的合成工業(yè)公司8普通級(微粒硅)，來自于俄亥俄州Beverly的Globe Metallugical混合72小時之后，測定漿液的粘度并使用5數(shù)薩恩杯(number fiveZahn cup)進行調(diào)節(jié)。粘度在9-12秒間變化。加入少量粘合劑(膠態(tài)氧化硅+水+聚合物)以獲得希望的流變能力。只要進行了調(diào)節(jié)，漿液就可以用于浸漬。
清潔蠟?zāi)２⑹褂肗alco6270模清潔劑進行浸蝕，隨后用水沖冼。把蠟塊浸到每一種漿液中，隨后浸到NalcastS2(30*50目)熔融石英砂中(通過降水法施用)。加入涂料之后1.5小時開始干燥并處理至3.5小時。最后的殼具有4層NalcastS2灰泥涂層加上一個覆蓋涂層(沒有灰泥)。所有的涂層均在73-75°F，35-45％的相對濕度和200-300英尺/分的氣流下干燥。在最后24小時的干燥之后，將殼投入干燥器中再干燥24小時，之后測試。
使用由試驗漿液制備的彈性模量(MOR)塊來評價幾種殼性質(zhì)。使用三角彎曲夾具在ATS萬能試驗機(得自Applied Test Systems，Inc.，Butler，PA)上將所述塊斷裂。模擬輸出信號(電壓)輸入含模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換板和數(shù)據(jù)采集軟件的個人電腦中。數(shù)據(jù)存為負(fù)載相對時間的曲線圖，或者是負(fù)載相對置換的曲線圖。使用數(shù)據(jù)采集軟件或者數(shù)據(jù)表程序進行計算和分析。測定MOR樣品的以下物理性能斷裂負(fù)載斷裂負(fù)載是試樣能夠承載的最大負(fù)載。負(fù)載越高，試樣強度就越大。它受到殼厚、漿液和殼組成的影響。該性質(zhì)對于預(yù)測殼開裂和相關(guān)的鑄件缺陷是很重要的。測定并記錄試樣在未處理(風(fēng)干的)、燒結(jié)(保持在1800°F下1小時并冷卻到室溫下)和熱(在1800°F保持1小時并在此溫度下斷裂)條件下的斷裂負(fù)載。校正結(jié)果并表示為調(diào)整斷裂負(fù)載(AFL)。對于兩英寸試驗間距來說，AFL簡單地用斷裂負(fù)載除以樣品寬度得到。
殼厚度殼厚度受到漿液和殼組成、以及殼制造方法的影響。厚度波動是工藝不穩(wěn)定的表現(xiàn)。在干燥、脫蠟、預(yù)加熱和傾倒過程中，殼厚度不均勻會在所述殼內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致塑模失敗。塑模包圍并隔離冷卻的金屬。厚度的變化可能會影響鑄錠的微觀結(jié)構(gòu)、收縮性、裝填和凝固速率。
彈性模量使用矩形蠟塊作為模具來制備平板狀的陶瓷板。典型尺寸為1×8×[1/4]英寸。使用希望的殼系統(tǒng)來鑄造所述塊。干燥之后，用皮帶砂光機除去邊緣。將兩個殘留的板與蠟分離開來，得到兩個試樣。使用三角負(fù)載設(shè)備在ATS萬能試驗機上將樣品斷裂。計算所述塊在未處理、燒結(jié)和熱條件下的MOR。
MOR=3PL2bh2]]>其中P＝斷裂負(fù)載，單位為磅L＝樣品長度，單位為英寸(載體之間的距離)b＝斷裂點的樣品寬度，單位為英寸h＝斷裂點的樣品厚度，單位為英寸MOR是斷裂應(yīng)力。它受到斷裂負(fù)載和樣品尺寸的影響。因為應(yīng)力與殼厚度的平方成反比，所以該值是特別重要的。殼表面的不均勻性會使該尺寸難以準(zhǔn)確測量，導(dǎo)致出現(xiàn)大的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這一缺陷通過斷裂并測量足夠數(shù)量的試樣得到了克服。
彎曲或者偏轉(zhuǎn)當(dāng)施加負(fù)載時，試樣彎曲。當(dāng)樣品斷裂時記錄下最大偏轉(zhuǎn)。彎曲隨著彈性和聚合物濃度而增加。在殼制造過程中，撓性殼能夠經(jīng)受住蠟?zāi)５纳炜s。測量塊在未處理條件下的彎曲。
斷裂指數(shù)斷裂指數(shù)是斷裂處于未處理條件下的殼所需求的功或者能量的尺度。它是殼“韌性”的表示，即該指數(shù)越高，材料的韌性越大。例如，聚丙烯瓶比玻璃瓶“更韌”，因此它具有更高的斷裂指數(shù)。該指數(shù)表示抗裂性。高指數(shù)的殼比低指數(shù)體系需要更大的斷裂能。
斷裂指數(shù)受到漿液和殼組成的影響。聚合物添加劑會使該指數(shù)增大。軟聚合物會比硬聚合物生成更高指數(shù)的殼。該指數(shù)與殼的彈性成正比。能彎曲的殼會比剛性易碎的殼吸收更多的能量。
斷裂指數(shù)的測定是通過對MOR試樣負(fù)載/置換曲線下的面積進行積分得到的。當(dāng)監(jiān)測置換時，該指數(shù)測量(力)×(距離)，或者當(dāng)監(jiān)測負(fù)載時間時，測量(力)×(時間)。為了將(力)×(時間)轉(zhuǎn)化成(力)×(距離)，要使用載荷速率。對于兩英寸的測試間距來說，簡單地通過用指數(shù)值除以樣品寬度來標(biāo)準(zhǔn)化試驗結(jié)果。
如下表2所示，在降低燒結(jié)強度時，硅灰的強度和韌度增加。與不含煙灰的P1/P2纖維增強的系統(tǒng)相比，最好的系統(tǒng)(P1/P2/煙灰)顯示出，其斷裂負(fù)載增加65％，MOR增加29％，韌性增加67％。
表2未處理條件下的結(jié)果體系 A.F.負(fù)載(1bs) MOR(psi) MOR(kpsi) 彎曲(mils) A.F.指數(shù)P1/P2 10.71 483 1817.03 48.5P1/P2/煙灰17.70 621 2057.10 80.5熱條件下的結(jié)果體系 A.F.負(fù)載(1bs) MOR(psi)P1/P2 24.61 1067P1/P2/煙灰35.82 1287燒結(jié)條件下的結(jié)果體系 A.F.負(fù)載(1bs) MOR(psi)P1/P2 13.41 600P1/P2/煙灰14.38 538實施例2使用以下配方制備漿液
表3漿液成分濃度(比例)膠態(tài)氧化硅 1477g去離子水296gTX-11280聚合物10.0g(0％)，88.7g(5.0％)，177.0g(10.0％)熔凝硅石共混物(-270/-200/-120目)24550gNalco8815陰離子型濕潤劑 1.5gDowCorningY-30消泡劑 4.2gStealth[1/8]″聚丙烯纖維 16.3g硅灰0.0g(0％)，130g(2.0％)，260g(4.0％)，325g(5.0％)，390g(6.0％)1基于稀釋的膠態(tài)氧化硅，0-10％的苯乙烯-丁二烯膠乳(SBR)(得自安代奧納爾科公司)2-270目熔凝硅石(得自C-E Minerals of King，Prussia，PA)，NalcastP1(-200目)和NalcastP2(-120目)(得自安代奧納爾科公司的Nalcast產(chǎn)物)的共混物。共混物的大致比例是20/20/60。
漿液和殼的制備方法同上述實施例1。殼的試驗方法也相同。
如下表4所示，加入硅灰會降低漿液的粘度，增加固體含量，并且增加殼強度。固體含量越高，導(dǎo)致干燥時間越短，殼強度越高并可提高生產(chǎn)率。當(dāng)與聚丙烯纖維結(jié)合使用時，生成具有最小涂層的高性能塑模。如下為含有和不含硅灰的漿液在未處理、熱和燒結(jié)狀態(tài)時的MOR結(jié)果表40％TX-11280聚合物未處理的MOR熱的MOR燒結(jié)的MOR 固體％0.0％硅灰 449psi 1335psi467psi 76.004.0％硅灰 589psi 1730psi708psi 79.455％TX-11280聚合物未處理的MOR熱的MOR燒結(jié)的MOR 固體％2.0％硅灰 671psi 1646psi506psi 77.71
6.0％硅灰 745psi1808psi 801psi 80.1210％TX-11280聚合物未處理的MOR 熱的MOR 燒結(jié)的MOR固體％0.0％硅灰 783psi1398psi 711psi 77.444.0％硅灰 848psi1914psi 805psi 79.245.0％硅灰 918psi1821psi 745psi 79.81雖然以上結(jié)合優(yōu)選的或示例性的實施方案對本發(fā)明進行了描述，但這些實施方案并不意味著是窮舉的或者是對本發(fā)明的限定。相反，如所附權(quán)利要求書所述，本發(fā)明意欲涵蓋落入其精神和范圍之內(nèi)的所有替換方案、修改和等同方案。
權(quán)利要求
1.一種增加熔模鑄造殼強度和固體含量的方法，它包括向殼中加入至少一種有效量的微粒硅的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中微粒硅選自硅灰，熱解法二氧化硅，火山灰和其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中火山灰選自硅藻土，蛋白石質(zhì)石和頁巖，凝灰?guī)r，火山灰，浮巖和飛灰。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中微粒硅是硅灰。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中微粒硅加入到殼中的量為殼的約0.1-約15.0wt％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中微粒硅加入到殼中的量為殼的約0.2-約10.0wt％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中微粒硅加入到殼中的量為殼的約0.5-約5.0wt％。
8.一種增加熔模鑄造殼強度和固體含量的方法，它包括向殼中加入殼的約0.5-約5wt％的硅灰的步驟。
全文摘要
本發(fā)明通過向殼中引入至少一種微粒硅而增加熔模鑄造殼的強度和固體含量。
文檔編號B22C1/00GK1512923SQ02811336
公開日2004年7月14日 申請日期2002年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月7日
發(fā)明者R·S·多勒斯, R S 多勒斯 申請人:翁德奧納爾科公司