改进的熔模铸造法.pdf

本发明提供一种生产壳模的方法。该方法包括下述顺序步骤：(i)将预成型可熔消模型浸泡在由耐火材料颗粒和胶态液体粘结剂组成的浆料中，从而在所述的模型上形成涂层，(ii)使耐火材料沉积在所述的涂层上，以及(iii)干燥，步骤(i)至(iii)常常按需要重复进行，生产一种具有一个初始涂层和至少一个二次涂层的壳模，其特征在于在至少一次实施步骤(ii)期间，成凝胶材料也沉积在步骤(i)中形成的涂层上。本发明还涉及采用这种方法生产的壳模。

权利要求书
1.  一种生产壳模的方法，该方法包括下述顺序步骤：
(i)将预成型可熔消模型浸泡在由耐火材料颗粒和胶态液体粘结剂组成的浆料中，从而在所述的模型上形成涂层，
(ii)使耐火材料颗粒沉积在所述的涂层上，以及
(iii)干燥，
步骤(i)至(iii)常常需要重复进行，以生产一种具有一个初始涂层和至少一个二次涂层的壳模，其特征在于在至少一次实施步骤(ii)期间，成凝胶材料也沉积在步骤(i)中形成的涂层上。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中这种方法还包括在最后步骤(iii)后进行的附加步骤(iv)，该步骤是涂布一种含有耐火材料颗粒和液体粘结剂的浆料的密封涂层，接着进行干燥。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其中该成凝胶材料涂布到每个二次涂层上。

4.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中该成凝胶材料涂布到初始涂层上。

5.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述成凝胶材料是一种超级吸收剂聚合物。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中该聚合物是聚丙烯酰胺或聚丙烯酸酯。

7.  根据权利要求5或6所述的方法，其中该聚合物是一种颗粒材料，且至少50重量％该聚合物颗粒是300μm或300μm以下。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中至少95重量％该聚合物颗粒是300μm或300μm以下。

9.  根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的方法，其中该耐火材料颗粒用成凝胶材料涂布。

10.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，该方法包括在最后步骤(iii)后或有步骤(iv)时在步骤(iv)后从壳模除去可熔消模型的步骤，以及优选地焙烧所得到的壳模的最后步骤。

11.  根据权利要求10所述的方法，其中以加热速率1-5℃/min加热到温度400-700℃，接着以加热速率5℃/min或5℃/min以上加热到至少950℃进行焙烧。

12.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中在每个步骤(ii)期间加入的成凝胶材料是在那个步骤(ii)期间加入的耐火材料颗粒重量的10％以下。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中该成凝胶材料是其耐火材料颗粒的3重量％以下。

14.  根据权利要求1-13中任一项权利要求所述方法生产的壳模。

15.  一种生产铸件的壳模，所述壳模包括具有其中呈铸件形状型腔的壳，该壳模包括多层，其特征在于所述多层中至少一层含有成凝胶材料、耐火材料颗粒和胶凝的液体粘结剂。

16.  根据权利要求15所述的壳模，其中该成凝胶材料是一种超级吸收剂聚合物。

17.  根据权利要求16所述的壳模，其中所述的聚合物是聚丙烯酰胺。

18.  根据权利要求16或17所述的壳模，其中至少95重量％聚合物颗粒是300μm或300μm以下。

19.  根据权利要求15-18中任一项权利要求所述的壳模，其中在任何一层中成凝胶材料的量不大于那层中耐火材料颗粒重量的10％。

说明书改进的熔模铸造法
本发明涉及改进的熔模铸造法，特别地涉及一种比通常方法快得多的方法。
一种典型的熔模铸造方法涉及采用可熔消模型生产工程金属铸件。这种模型是一种树脂、填料和蜡的复杂掺合物，在压力下将其注入金属阴模中。几个这样模型一旦固化就装配成组，并安装到蜡浇注系统中。把这种蜡组件浸泡在由液体粘结剂和耐火材料粉末组成的耐火材料浆料中。在排水后，耐火材料灰泥颗粒沉积到潮湿表面，得到初始耐火材料涂层(用耐火材料覆盖组件称之″熔模铸造″，因此有其方法名称)。该初始涂层固化时(通常采用空气干燥直到粘结剂胶凝)，将该组件重复浸泡到浆料中，然后涂布灰泥直到达到所要求的模体厚度。在其浸泡之间都要让每个涂层彻底硬化，因此每次浇铸可能花24-72小时准备。灰泥的用途是因其具有许多降低任何局部应力大小的分布式应力汇聚中心而使这些涂层干燥应力降至最小。每个灰泥表面还为调控下一个涂层提供粗糙表面。添加更多涂层以保持最大铸件渗透性并为铸件提供主体时，灰泥粒度也增加。
近年来，已研制先进的陶瓷(例如氮化硅)元件，它们比可比较金属元件有一些显著的优点。许多可以生产这样一些陶瓷元件的方法都是已知的，这些方法包括机械加工、注塑法、粉浆浇注、压力铸造和凝胶铸造。在凝胶铸造中，将陶瓷粉末在有机单体溶液中的浓浆料灌注到模具中，就地聚合形成呈型腔形状的料坯。在脱模后，干燥新陶瓷料坯，如果必要，再进行机械加工，热解除去粘结剂，然后烧结达到真密度。曾研制水基系统，例如丙烯酰胺系统，其中使用了水溶性单体，水用作溶剂。
本发明的目的是提供一种改进的熔模铸造法，这种方法克服或减轻了一个或多个与已知熔模铸造方法相关的问题，并且这种方法还优选地明显减少了生产壳模所需要的时间。
根据本发明，提供一种生产壳模的方法，该方法包括下述顺序步骤：
(i)将预成型可熔消模型浸泡到由耐火材料颗粒和胶态液体粘结剂组成的浆料中，从而在所述的模型上形成涂层，
(ii)使耐火材料颗粒沉积在所述的涂层上，以及
(iii)干燥，
步骤(i)至(iii)常常按需要重复进行，以生产一种具有所需涂层数的壳模，其特征在于在至少一次实施步骤(ii)期间，成凝胶材料颗粒也沉积在步骤(i)中形成的涂层上，以致在与该涂层接触后，其水分被成这种凝胶材料吸收，从而引起胶态粘结剂胶凝，于是降低了在步骤(iii)干燥所需要的时间。
优选地，这种方法还包括在最后步骤(iii)后进行的附加步骤(iv)，该步骤是涂布一种含有耐火材料颗粒和胶态液体粘结剂浆料的密封涂层，接着进行干燥。
在形成壳模时，涂到可熔消模型上的涂层通常称之初始涂层，后续的浆料涂层称之二次涂层。典型地，要涂布3-12个二次涂层。
优选地，将这种成凝胶材料涂布到每个二次涂层上(即在第一个步骤后的每个重复步骤(ii)期间)。更优选地，这种成凝胶材料涂布到初始涂层上。
应该理解，可以采用任何通常的方法，例如采用降雨式磨沙机或流化床实现在步骤(ii)中沉积耐火材料颗粒和成凝胶材料。这种耐火材料颗粒和成凝胶材料可以独自和/或相继地涂布，或优选地它们可以预混合。在一个特别优选的具体实施方案中，使用这种成凝胶材料预涂这种耐火材料颗粒。
优选地，在步骤(ii)中使用成凝胶材料的量以重量计不高于在那个步骤(ii)中使用耐火材料颗粒的10％，更优选地不高于5％，甚至更优选地不高于3％，非常优选地不高于2重量％。
优选地，所述的成凝胶材料是一种聚合物，更优选地用聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯作为例子的超级吸收剂聚合物。
一般而言，至少50重量％(甚至更优选地至少80重量％)成凝胶材料颗粒(在那些具体实施方案中，其中该成凝胶材料没有涂布这些耐火材料颗粒)优选地是不大于1mm，更优选地不大于300μm，非常优选地不大于200μm。在一个特别优选的具体实施方案中，基本上所有的(即至少95重量％)聚合物颗粒尺寸不大于300μm。尽管这种成凝胶材料无任何理论最小粒度，但细粉末可能是有问题的，采用降雨式磨沙机涂布时尤其如此。因此，优选的最小粒度是50μm，更优选地75μm。所有这些颗粒可以是基本同样大小，或可以是小于最大尺寸的粒度分布。
有利地，这种方法(除使用吸收水分材料和由此达到减少干燥时间外)可以与使用通常机器和材料的标准熔模铸造法基本相同。因此，应该理解，可熔消模型性质、步骤(i)中使用的浆料组成(有步骤(iv)时以及步骤(iv))和在步骤(ii)中使用的耐火材料颗粒，都是该熔模铸造技术领域中的技术人员任何已知的那些。
此外，该方法优选地包括在最后步骤(iii)(有步骤(iv)时或步骤(iv))后从壳模除去可熔消模型的步骤，更优选地该方法包括一个最后步骤为焙烧所得的壳模。
可以加热到950℃或950℃以上进行焙烧。但是，优选地可以采用多段焙烧方法。例如，第一段可以涉及以加热速率1-5℃/min(优选地1-3℃/min)加热到温度400-700℃，接着以加热速率5-10℃/min加热到温度至少950℃(优选地约1000℃)。该温度在第一段和第二段可以保持很短的时间(例如10min以下)。可分三段或更多段加热到至少950℃。
本发明还在于采用本发明方法生产的壳模。
参看下述实施例将进一步描述本发明。
对比实施例1
试图将该对比实施例作为铝合金铸造时使用的标准壳模的代表，该对比实施例进行如下：
将充满蜡的试验件浸泡在第一浆料(初始)30秒，排水60秒。然后采用降雨式磨沙方法(沉积高度约2m)将粗-粒状灰泥材料沉积到湿浆料表面。把涂布试验件放在干燥圆盘传送带上，在控制低空气流动的条件下进行干燥达到所需要的时间。延长干燥可除去胶态粘结剂中的水分，使这些颗粒胶凝形成硬凝胶。
通过浸泡(30秒)在第二(二次)浆料中涂布后续涂层，接着排水(60秒)，相继涂布灰泥(降雨式磨沙方法，沉积高度约2m)，再在每次涂布灰泥后进行干燥达到所需要的时间。全部地，涂布四个二次涂层。最后，涂布密封涂层(浸在二次浆料中，但不涂布灰泥)，接着干燥。
表1列出了初始和二次浆料规格，表2列出了其它各种方法的参数。表1中添加胶乳涉及使用水基胶乳系统，这种系统加到基础粘结剂中以提高未焙烧强度。
           表1：制造铝壳模的浆料规格(所有数字都以重量％表示)  浆料  粘结剂二氧  化硅含量  (重量％)  添加胶乳  聚合物  (重量％)  填料类型  耐火材料  加入量(占  浆料总重量  的％)  初始  26  6  (a)200目二氧化锆  (b)200目熔融法二氧  化硅  77％  a∶b 3∶1  二次  22  8  200目熔融法二氧化硅  57％
            表2：对比实施例的制造壳模规格  涂层  灰泥  干燥空气速度  (ms-1)  干燥时间  (min)  初始  50/80目  硅铝酸盐  0.4  1440  二次1  30/80目  硅铝酸盐  3  90  二次2  30/80目  硅铝酸盐  3  90  二次3  30/80目  硅铝酸盐  3  90  二次4  30/80目  硅铝酸盐  3  90  密封涂层  无  3  1440  总计  3240
实施例1
使用表1的浆料，以与对比实施例1同样方式制造实施例1的壳模，只是涂布到二次涂层上的灰泥含有聚丙烯酰胺颗粒(按照10份灰泥加1份聚丙烯酰胺的比例)。该方法参数列于表3。这种聚丙烯酰胺沉积到湿浆料表面时，它快速吸收相邻胶体部分中的水分，无须延长干燥时间就可使其浆料胶凝成硬凝胶。
预料到，在涂布到初始浆料涂层上的灰泥中聚丙烯酰胺聚合物包含物甚至还会进一步降低干燥时间。
            表3：实施例1的制造壳模规格  涂层  灰泥  干燥空气速  度(ms-1)  干燥时间  (min)  初始  50/80目硅铝酸盐  0.4  1240  二次1  30/80目硅铝酸盐-聚丙  烯酰胺*(10∶1)  3  10  二次2  30/80目硅铝酸盐-聚丙  烯酰胺*(10∶1)  3  10  二次3  30/80目硅铝酸盐-聚丙  烯酰胺*(10∶1)  3  10  二次4  30/80目硅铝酸盐-聚丙  烯酰胺*(10∶1)  3  10  密封涂  层  无  3  10  总计  1490
*粒度86重量％＞1mm，500μm≤14重量％≤1mm。
与对比实施例1相比，实施例1的壳模不密实和均匀。由于单个聚合物颗粒吸收了胶体粘结剂的水分而产生溶胀，所以实施例1的壳模在某些地方较多开裂和分层。就这方面来讲，大地粒度是不利的，因此应预料到，使用加到这些标准灰泥胶料中的较小且极易控制粒度的聚丙烯酰胺会大大减少这些缺陷。
壳模厚度比较
由表4可以看到丙烯酰胺改性(实施例1)的和标准(对比实施例1)的壳模系统所达到陶瓷壳模厚度对比结果。这种聚丙烯酰胺提高了壳模厚度，因为其粒度比灰泥自身的大得多。在这些数据中还给出其大尺寸的相对大的标准偏差。
                      表4：壳模厚度比较  状态  样品号  平均厚度  (mm)  标准偏差  (mm) 实施例1  未焙烧  5  6.81  0.92 对比实施例1  未焙烧  10  4.60  0.26
室温扁棒强度测定
根据BS 1902进行测定。注成蜡棒用作采用前面指出方法制成陶瓷壳的模型。成型后，这种壳在8bar压力下进行蒸汽Boilerclave(TM)脱蜡处理4分钟，接着以1bar/min进行可控减压循环。使用砂轮切割试验件，约20mm×80mm，再在室温下以3点弯曲方式进行试验(压缩初始涂层)。
表5对在室温下以3点弯曲方式达到最大强度进行了比较。对比实施例1壳高度干燥的新强度是这种胶乳聚合物含量的直接结果，这个结果反映在这种样品于1000℃焙烧和烧去胶乳(未列出数据后强度降低)后强度降低。实施例1壳的强度相对低些，这是因使用非常大粒度的聚丙烯酰胺而导致分层和缺陷的直接结果。应预料到使用较小的聚合物粒度时，这种丙烯酰胺聚合物溶胀应该降低到熔模铸造更能接受的水平。
                   表5：扁棒断裂强度  样品  试验件  状态  断裂强度  对比实施例1  扁棒  新的，干  7.8+/-0.7  实施例1  扁棒  新的，干  2.2+/-0.9
实施例2
为了解决上述这些问题，准备了另一个实施例，与实施例1关键不同之处在于：
(i)使用较小粒度的更强吸收剂聚合物，
(ii)使用较少量的聚合物，以及
(iii)把聚合物加到初始灰泥涂料中。
下面表6列出制造壳模规格。这些浆料如表1所示。
           表6：实施例2的制造壳模规格  涂层  灰泥  干燥空气速  度(ms-1)  干燥时间  (min)  初始  50/80目硅铝酸盐-  Liquiblock144(2.5重量％)  1.8  10  二次1  30/80目硅铝酸盐-  Liquiblock144(2.5重量％)  3  10  二次2  30/80目硅铝酸盐-  Liquiblock144(2.5重量％)  3  10  二次3  30/80目硅铝酸盐-  Liquiblock144(2.5重量％)  3  10  二次4  30/80目硅铝酸盐-  Liquiblock144(2.5重量％)  3  10  密封涂  层  无  3  10  总计  60
*聚丙烯酰胺粒度＜300μm。
实施例2新的干强度测定为2.83+/-0.63MPa。采用了与实施例1不同的降雨式磨沙机系统得到这个结果，这种砂是从较低高度(约10cm)沉积的，已知这个高度降低了强度值。为了比较起见，重复进行对比实施例1(下面称之对比实施例2)，发现具有新的干强度4.86+/-0.54MPa。因此，已发现，在不到生产标准壳模所需时间的2％之内，本发明方法生产出的模具具有接近于足以能进行铸造的强度的60％，如下面所指出的。
除了新的干强度测定外，实施例2和对比实施例2进行了其新的湿强度(模拟脱蜡时的强度)以及在不同加热条件下其焙烧强度的试验。这些结果列于下表7。
             表7：实施例2扁棒断裂强度  实施例  状态  断裂强度(MPa)  对比实施例2  新的，干  4.86+/-0.54  新的，湿  4.55+/-0.47  焙烧(方法A)  4.24+/-0.61  焙烧(方法B)  3.80+/-0.38  实施例2  新的，干  2.83+/-0.63  新的，湿  2.47+/-0.43  焙烧(方法B)  2.17+/-0.13  焙烧(方法C)  2.03+/-0.45
焙烧方法A：以20℃/min焙烧到1000℃，停留60min，炉子冷却，
焙烧方法B：以1℃/min焙烧到700℃，停留6min，再以5℃/min焙烧到1000℃，停留30min，炉子冷却，
焙烧方法C：以2℃/min焙烧到700℃，停留6min，再以10℃/min焙烧到1000℃，停留60min，炉子冷却。
实施例2模具在脱蜡时没有破裂。因此，已证明本发明的方法能够在标准方法所需一小部分时间内生产出熔模铸造使用足够结实的壳模。