[发明专利]熔模铸造模具及制造方法

说明书

                      技术领域

本发明涉及改进的用于熔模铸造的工艺方法和组成。

                      背景技术

利用蜡模法的熔模铸造可以追溯到古代埃及和中国。然而，作为目前实施的方法，直到20世纪30年代都是一种比较新的工艺，并且代表快速增长的行业(business)和科学。熔模铸造技术通过将熔融金属浇铸到围绕一次应用的(disposable)蜡模所形成的不重复使用陶瓷壳模中，简化了复杂金属形状的生产，该一次应用的蜡模与所希望的金属形状一模一样。“精密熔模铸造法”，亦即PIC，是涉及此工艺的技术中术语。

常规的PIC法应用六个主要步骤：

(1)模型制备

一次应用的所希望金属铸件的阳模用热塑性材料如蜡制造，该蜡将熔化、蒸发或完全燃烧，以便在失蜡的陶瓷壳模中不留下玷污的残渣。阳模通过将热塑性材料注射到一阴模、分段式、金属印模或所指定的“工具”中来制备，以便生产出金属铸件所要求的形状、尺寸和表面光洁度的模型。通过将单个或多个模型熔合到一次应用的蜡“浇口系统”(“spruesystem”)上，可以将它们组装在一起，该浇口系统送进熔融金属以充满壳模；

(2)用下述方法进行壳模制造：

(a)将模型组件浸入耐火泥浆中，该耐火泥浆在碱稳定的胶体氧化硅粘合剂水溶液中具有细颗粒的耐火粒料，以便限定模型上的耐火材料涂层；

(b)使耐火涂层与粗的干颗粒耐火粒料或“灰泥”(stucco)接触，以便限定灰泥涂层，和

(c)风干，以便限定“生坯”(green)风干式不溶性的结合涂层。这些方法步骤可以重复，以便通过连续涂层制成一种所希望厚度的“生坯”风干式壳模。

(3)脱蜡-利用蒸汽压热处理、将生坯的壳模插入已加热到1000°F-1900°F的内烧脱蜡炉中，或利用任何其它快速加热和液化蜡的方法，从“生坯”风干式壳模中除去一次应用的蜡模，因此所产生的过大压力不毁损壳模。

(4)炉内熔化-在约1600°F-2000°F下加热脱蜡后的壳模，以便除去挥发性残渣，并在壳模中形成稳定的陶瓷结合。

(5)浇注-从炉中回收加热后的壳模并定位，以便接受熔融的金属。金属可以用气体、间接电弧，或感应加热法熔化。熔融金属可以在空气中或在真空室内铸造。熔融金属可以静态式或离心式浇注，及从浇注桶(ladle)或直接熔化的坩埚中浇注。令熔融金属冷却，以便在模具中产生固化的金属铸件。

(6)铸件回收-将其中具有固化金属铸件的壳模断开，并使金属铸件与陶瓷壳材料分离开。通过用磨盘锯开或切割，可以使铸件与浇口系统分离开。铸件可以用滚筒清理、喷丸清理或喷砂法清洁。

耐火泥浆中所用的粘合剂影响制造壳体的方法，及最终的壳模质量。粘合剂应是化学上稳定的，以保证在用来重复浸渍涂层的耐火泥浆中长期使用。粘合剂在风干期间还应与耐火粒料形成不溶性的结合，以便能再浸渍模型及能在炉内熔化期间除去模型。在炉内熔化模具期间，壳体中产生的稳定陶瓷结合还必须具有足够的耐火强度和耐熔度，以便经得住熔融金属的铸件。

已经在制造陶瓷壳模中应用的标准耐火泥浆粘合剂，包括水解了的硅酸乙酯和小粒度钠稳定的胶体氧化硅，该胶体氧化硅具有平均粒度约为8-14纳米。后者包括用氢氧化钠稳定的胶体氧化硅碱性水溶液分散体，氢氧化钠是不易燃的并具有很低毒性。前者是在水解期间用所加的硫酸或盐酸稳定的酸，以便就地形成胶体氧化硅。然而，前者应用易燃有毒的醇溶液来保持溶解度。但是，硅酸乙酯粘合剂能更快烤干并使用较低品位促进熔化的氧化钠。

在制造陶瓷壳模的常规方法中，用于各涂层之间烤干所需的时间间隔，可以从耐火底层的30分钟变动到加固层的8小时或更长时间，这取决于模具的复杂性和壳壁的厚度。完工的壳模通常另外风干24小时或更长时间，以保证足够的生坯强度，用于模型拆除。这种由于壳模质量而对风干的依赖关系构成生产时间的主要部分，它造成生产成本高并且是严重的缺点。

由于此缺点，已经作出许多努力，通过采用化学方法快速凝固耐火泥浆粘合剂，来缩短或消除各层之间烤干所需的时间间隔。这些化学方法使耐火泥浆候选物的选择扩大到除了水解的硅酸乙酯和钠稳定的胶体氧化硅之外，还包括离子碱金属硅酸盐，和对酸稳定的氧化铝改性的胶体氧化硅。

这些现有技术的化学方法包括：(1)利用气态胶凝剂来胶凝凝固(gel set)泥浆粘合剂系统。