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。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(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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?？梢杂糜诒景l(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?！肮杌摇倍x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(hù)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1
膠態(tài)氧化硅11576 克
去離子水315克
Latrix 6305 聚合物 2189克
Nalcast PK-200 目)熔凝硅石31105 克
Nalcast P2(-l20 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(jìn) 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(jìn)行了調(diào)節(jié)，漿液就可以用于浸漬。清潔蠟?zāi)２⑹褂肗ako 6270模清潔劑進(jìn)行浸蝕，隨后用水沖冼。把蠟塊浸到每 一種漿液中，隨后浸到Nakast 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Naleast 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(M0R)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(jìn)行計算和分析。測定M0R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1X8X [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M0R。
3PLMOR =--
2bh2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M0R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M0R試樣負(fù)載/置換曲線下的面積進(jìn)行積分得到的。當(dāng) 監(jiān)測置換時，該指數(shù)測量(力)X (距離)，或者當(dāng)監(jiān)測負(fù)載時間時，測量(力)X (時間)。 為了將(力)X(時間)轉(zhuǎn)化成(力)x(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%，M0R增加 29%，韌性增力口 67%。表 2未處理條件下的結(jié)果體系A(chǔ).F 負(fù)載(lbs) MOR(psi) MOR(kpsi)彎曲(mils) A. F 指數(shù)P1/P210. 714831817. 0348. 5P1/P2/煙灰 17.706212057. 1080. 5熱條件下的結(jié)果體系A(chǔ).F 負(fù)載(lbs) MOR(psi)P1/P224. 611067P1/P2/煙灰 35.821287燒結(jié)條件下的結(jié)果體系A(chǔ).F 負(fù)載(lbs) MOR(psi)P1/P213. 41600P1/P2/ 煙灰 14. 38538實施例2使用以下配方制備漿液
6
表 3漿液成分膠態(tài)氧化硅去離子水TX-1 1280 聚合物
177. 0g(10. 0% )熔凝硅石共混物(-270/-200/-120 目)
濃度(比例)
1477g
296g
0. 0g(0 % ) ,88. 7g(5. 0 % ), 4550g Nalco 8815陰離子型濕潤劑
1.5g
DowCorning Y-30 消泡劑4. 2g
Stealth [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 PI ("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M0R結(jié)果
表4
0% TX-11280 聚合物
未處理的M0R熱的M0R燒結(jié)的M0R
0.0% 硅灰 449psi1335psi467psi
4.0% 硅灰 589psi1730psi708psi 5% TX-11280 聚合物
未處理的MOR熱的M0R燒結(jié)的M0R
2.0% 硅灰 671psi1646psi506psi 6.0% 硅灰 745psi 1808psi 801psi 80. 12
固體％
76.00 79. 45
固體％
77.7110% TX-11280聚合物
未處理的M0R熱的MOR燒結(jié)的MOR固體％
0. 0%硅灰783psi1398psi711psi77. 44
4. 0%硅灰848psi1914psi805psi79. 24
5. 0%硅灰918psi1821psi745psi79. 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(jìn)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
一種增加熔模鑄造殼強度和固體含量的方法，其特征在于所述殼由在模型上交替淀積的耐熔質(zhì)漿液和耐熔質(zhì)顆粒層形成，該方法包括提供水基堿性漿液并通過漿液向殼中加入至少一種選自硅灰，熱解法二氧化硅，火山灰或其混合物的微粒硅的步驟，所述微粒硅加入到殼中的量為殼的0.5 10.0wt％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于火山灰選自硅藻土，蛋白石質(zhì)燧石和頁巖， 凝灰?guī)r，火山灰，浮巖或飛灰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于微粒硅加入到殼中的量為殼的 0. 5-5. Owt %。
4.一種增加熔模鑄造殼強度和固體含量的方法，其特征在于所述殼由在模型上交替淀 積的耐熔質(zhì)漿液和耐熔質(zhì)顆粒層形成，該方法包括提供水基堿性漿液并通過漿液向殼中加 入殼的0. 5-5襯％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B22C1/08GK101890474SQ20101017006
公開日2010年11月24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 申請人:翁德奧納爾科公司