專利名稱：制造鑄件的方法,型砂及其實施此方法的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用金屬熔體，尤其輕金屬熔體，如鋁熔體，制造鑄件的方法。
此外，本發(fā)明涉及一種鑄模材料及其用于制造鑄模部分，這些鑄模部分用于澆鑄金屬熔體，尤其輕金屬熔體，如鋁熔體。此類鑄模部分可例如涉及鑄造型芯，通過它在待制造的鑄件內部構成空腔。同樣，按本發(fā)明的鑄模部分也可涉及一些構件，由它們組合成一個多部分的鑄模，由鑄模確定待制造鑄件的外形。
背景技術：
在用金屬通過澆鑄技術制造構件時需要鑄模部分，通過它們一方面確定要澆鑄的工件的內部形狀以及另一方面確定其外形。此類鑄模部分可如前所述涉及鑄造型芯，借助它在待制造的鑄件內部構成空腔，或涉及鑄模構件，由它們組合成一個多部分的鑄模，此鑄模確定待制造的鑄件外形。
為了制造鑄模部分通常使用鑄模材料系統(tǒng)，它們由一種鑄模原料和一種粘合劑組成。這兩種成分互相混合、成形以及在恰當?shù)挠不^程中加工成緊湊的機體。在這里，作為鑄模原料通常使用石英砂，在絕大多數(shù)應用中它與一種有機粘合劑結合。
采用石英砂作為制造鑄模部分的原料，尤其在澆鑄輕金屬材料時，業(yè)已證實在許多方面是恰當?shù)?。例如這種石英砂可以便宜地獲得，以及其特點在于便于加工以及在構成各個待制造的鑄模部分的鑄模構件時有良好的質量。
作為有機粘合劑與環(huán)境相容的替換物，建議采用水玻璃基的粘合劑。這種水玻璃粘合劑與型砂混合。所得到的混合物然后注入造型機的型箱內，在那里構成一個反映待制造的鑄模部分形狀的空腔。接著，通過供熱為在鑄模內的混合物除水。在這里，供熱可通過相應地加熱型箱或通過直接作用在混合物上的微波加熱進行(WO-A-86/00033、EP 0 917 499B1、DE 196 32 293 A1)。
為保證澆鑄金屬熔體時得到最佳的加工成果，使用于制造鑄模部分的鑄模材料必須有高的強度和尺寸一致性，它們即使在制造鑄模和澆鑄熔體過程中在產(chǎn)生負荷的情況下仍然保持。此外，在澆鑄后鑄模材料應能方便地除去。尤其在使用鑄造型芯時這一點業(yè)已證實是特別重要的，型芯在鑄件內構成形狀復雜的內腔。
最后，鑄模材料在使用后應能再生，使鑄模原料達到盡可能高的重復利用率。為此可按已知的方式通過采用無機粘合劑達到，無機粘合劑在制造鑄模部分的過程中釋放少量的排放物，以及在鑄造過程結束后通過足夠高溫度的作用可幾乎無殘渣地燃燒。
在實際使用中表明，已知的鑄模材料系統(tǒng)與含有機或含無機的粘合劑無關，在正常條件下具有為獲得最佳加工成果所需要的特性。
然而，尤其對于薄壁的鑄模部分，如它們例如用于鑄造發(fā)動機體或汽缸蓋作為油路的型芯，由于不可避免的熱膨脹，可能導致不再滿足對鑄件尺寸精確度的要求。
當澆鑄復雜形狀的鑄件時，在采用傳統(tǒng)制造的鑄模部分時，存在的另一個問題是，型砂在冷卻后只能困難地從鑄件除去。通常為此使鑄件受振動或沖擊，它們應導致處于鑄件內部的鑄造型芯和粘附在鑄件外部的鑄模部分碎裂，以及應促使鑄模材料顆粒流出。但是，這種用于去除鑄模部分的機械方法同時帶來損壞鑄件的危險。尤其對于形狀纖細或薄壁的構件可能造成裂紋。
因此建議，取代作用在鑄件上的機械措施，將鑄件強烈地加熱到使粘合劑燃燒和只留下鑄模原料，并能作為松散的材料輕易地從鑄件內和由鑄件上除去。為此所需的設備成本很高。此外，為燃燒粘合劑所要求的溫度如此之高，以致在加熱的同時不可避免地也會造成金屬鑄件性能的變化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種方法，用它可以制造高質量形狀復雜的鑄件，以及按此方法在鑄造過程結束后鑄模部分可用簡單的方式安全地從或由鑄件去除。此外應提供一種鑄模材料，用它可制造鑄模部分，這種鑄模材料可以制造適用于生產(chǎn)形狀復雜的高質量鑄件的鑄模部分，以及在鑄造過程結束后可以用簡單的方式安全地從或由鑄件除去。
此有關方法方面的目的按本發(fā)明通過一種由金屬熔體，尤其由輕金屬熔體制造鑄件的方法達到，此方法實施下列步驟-用一種鑄模材料制造鑄模部分，鑄模材料由一種與金屬熔體相比為惰性的、松散的鑄模原料和一種粘合劑混合而成，其中，鑄模原料和粘合劑的熱膨脹特性彼此協(xié)調為，使金屬熔體的熱膨脹系數(shù)大于由鑄模材料制的鑄模部分的熱膨脹系數(shù)，-使用鑄模部分組合成一個鑄模，-將金屬熔體澆鑄在鑄模內，制成一個鑄件，-在凝固和冷卻時間內，使鑄件冷卻，在此時間過程中，鑄模部分自動碎裂成碎塊，-從或由鑄件上除去鑄模部分的碎塊，-將鑄模材料的碎塊加工為松散的鑄模原料。
上述另一方面的目的通過一種用于制造澆鑄金屬熔體，尤其輕金屬熔體用的鑄模部分的鑄模材料達到，它由一種混合物組成，混合物包括一種與金屬熔體相比為惰性的、松散的鑄模原料和一種與鑄模原料混合的粘合劑，其中，鑄模原料和粘合劑的熱膨脹特性彼此協(xié)調為，使金屬熔體的熱膨脹系數(shù)總是大于由鑄模材料制的鑄模部分的熱膨脹系數(shù)。
本發(fā)明以下列認識為基礎通過選擇一種恰當?shù)蔫T模材料可以制成鑄模部分，它們以最佳的方式將為了簡單、安全和有利于環(huán)境地制造高質量、尺寸精確的鑄件所需要的特性互相結合在一起。
按本發(fā)明的鑄模材料按最佳的方式組合那些作為在制造方式簡單的同時制成以高質量鑄件為前提條件的特性。為此目的，按本發(fā)明的鑄模材料含有一種以粒狀或類似顆粒狀的形式存在的松散的原料，即，當其在澆鑄期間不可避免地出現(xiàn)加熱時，呈現(xiàn)出一種與通常使用的石英砂相比小得多的熱膨脹量。這種鑄模原料保證，即使材料厚度小也能在制造形狀復雜的鑄件時得到高的尺寸準確性。
在未結合狀態(tài)為松散的原料與粘合劑混合，粘合劑在加熱時有與原料不同的膨脹特性?；阼T模原料與粘合劑不同的熱膨脹，所以在被鑄造熱加熱后導致粘合劑與鑄模原料顆粒分離。因此，其結果是，當粘合劑比原料更強烈地膨脹時它將鑄模部分脹開，使之失去其固定的形狀以及能輕易地從或由鑄件除去。反之，可按這樣的方式造成鑄模原料的膨脹特性，即，通過隨加熱而來的體積改變切斷與粘合劑的聯(lián)系以及重新使原料成為松散狀態(tài)。關鍵在于隨著加熱導致型芯或鑄模構件脹裂，從而使之在鑄件冷卻后碎裂成能易于去除和松散的個體。
通過將按本發(fā)明的鑄模材料的熱膨脹特性按本發(fā)明的方式與要澆鑄的金屬熔體的熱膨脹特性進行協(xié)調，以及，與此同時通過此鑄模材料以松散的原料為基礎制成，達到在鑄件冷卻后使得被鑄件至少部分包圍的或與鑄件鄰接的鑄模部分，基于在冷卻過程出現(xiàn)的力破碎成松散的個體，它們可方便地去除。在這里，鑄模部分的破裂由澆鑄的金屬與鑄模材料因不同膨脹產(chǎn)生的力造成。
本發(fā)明在澆鑄鋁熔體的構件時有特別有利的效果。鋁有比較大的熱膨脹系數(shù)，所以在熔體澆鑄和凝固的過程中，在與澆鑄的構件處于接觸狀態(tài)的鑄模部分上施加大的力，從而可靠地將涉及的鑄模部分破碎成較小的個體。業(yè)已證明特別有利的是，此鑄模部分涉及型芯。
按本發(fā)明取得并使用的鑄模材料另一個有利于本發(fā)明的特性在于，粘合劑和鑄模原料互相協(xié)調，使得在用鑄模材料制造的鑄型部分中原料的顆粒被粘合劑熱穩(wěn)定和無彈性地結合在一起。用取得的這種鑄模原料制的鑄模部分，在澆鑄熔體時經(jīng)過的全部溫度范圍內表現(xiàn)出脆性，由此促使鑄模部分按本發(fā)明期望地破碎。
鑄模部分的粘合劑優(yōu)選地選擇為，它不會由于熱的作用而分解。以此方式避免在型芯內釋放出容積，這種容積可能導致涉及的鑄模部分按本發(fā)明不希望的彈性。
本發(fā)明另一項有利的設計是，鑄模原料的顆粒有基本上圓形、球形。鑄模原料的球形和與之相聯(lián)系地在鑄模原料顆粒之間占優(yōu)勢的點接觸，促使鑄模部分在熔體澆鑄和凝固時產(chǎn)生的機械力作用下自動分裂。一種能特別好地滿足此要求的鑄模原料是合成富鋁紅柱石。因此，本發(fā)明另一項有利的設計規(guī)定，鑄模原料有至少一部分，優(yōu)選地置換50％以上或70％以上石英砂的氧化鋁砂(富鋁紅柱石(Mullit))。富鋁紅柱石有圓的顆粒形狀和有與石英砂類似的密度。因此，用它制成的鑄模材料比例如已知的ZrO2砂加工簡單得多。除了在按本發(fā)明謀求的鑄模部分機械碎裂方面的優(yōu)點外，富鋁紅柱石顆粒的圓球狀在實際工作中導致簡化用這種鑄模原料制的鑄模材料的加工，并同時導致減少使用于制造鑄模部分的工具和機器的磨損。此外，富鋁紅柱石含量高的鑄模材料由于其小的熱膨脹，所以即使材料厚度小，在制造形狀復雜的鑄件時仍有高的尺寸精確度。
出人意料地業(yè)已證明，用按本發(fā)明組成的鑄模材料制造的鑄模部分的破碎，在時間上相對于金屬熔體的澆鑄自動出現(xiàn)延遲至這樣的程度，即，這種破碎不再對在此時刻已充分凝固的鑄件帶來任何負面的影響。
基于其特殊的性質，按本發(fā)明組成的鑄模材料特別適用于制造鑄造型芯。它們可在澆鑄后沒有損壞已制成的鑄件的危險地去除。
用富鋁紅柱石-石英砂混合物組成的鑄模原料與由此制成的鑄模材料寧可說有隔熱作用。因此這些材料可有目的地利用于這樣一些澆鑄技術應用場合，即，在這些應用場合中盡管導致超過石英砂臨界溫度573℃的加熱，但這種情況下用所涉及的材料制的鑄模部分的熱導率起次要的作用或應有意識地限制熱傳導。
實際試驗表明，通過向石英砂添加足夠量的富鋁紅柱石砂，可以阻止自發(fā)的幾何形狀改變，在單獨使用石英砂作為用于制造苗條、纖細的鑄件時便會產(chǎn)生這種幾何形狀改變。在這里關鍵在于，Al2SiO5砂的比例在任何情況下要足夠大，以便能補償要不然在加熱超過臨界溫度時會在石英砂中產(chǎn)生的石英的長度改變。
在按本發(fā)明取得的鑄模材料中，粘合劑和原料除此之外優(yōu)選地按這樣的方式互相協(xié)調，即，使得用此鑄模材料制成的鑄模部分有小的熱導率。這一特性導致在澆鑄金屬熔體后，在澆鑄材料與鑄模部分之間的溫度差仍保持較大，從而將鑄模部分提前引發(fā)熱或化學分解的危險降到最低程度。
除此之外，鑄造型芯的碎裂可采取措施予以支持，即，使鑄模材料的組分互相協(xié)調為，鑄模原料和粘合劑在加熱時不同地膨脹，其結果是，使它們之間的聯(lián)系因在熔體澆鑄的同時造成的加熱而破壞。
特別符合實際的是，本發(fā)明可這樣實現(xiàn)，即，加工一種鑄模材料，它由一種以粒狀或類似顆粒狀的形式存在的松散的原料與無機粘合劑的混合物構成。
使用無機粘合劑的優(yōu)點在于其更好的環(huán)境相容性，以及用這種粘合劑制成的鑄模部分可以毫無問題地回歸鑄模材料的循環(huán)之中。業(yè)已證實在這方面特別恰當?shù)蔫T模材料是，它們由一種以水玻璃為基的粘合劑和一種按本發(fā)明組成的鑄模原料混合而成。在這里的要點在于，互相混合的成分的膨脹特性彼此有足夠的差別。
在這方面特別有利的是鑄模原料與粘合劑不同地膨脹。在這種情況下，在被鑄造熱加熱后導致粘合劑與鑄模原料的顆粒分離。例如當粘合劑比鑄造原料更強地膨脹時粘合劑將鑄模部分脹開，使之失去其固定的形狀并破裂成碎塊。這些碎塊可以沒有造成機械損傷的危險輕易地從或由鑄件脫落。為此，在此方案中重要的是，導致按本發(fā)明謀求的鑄模部分自動破碎，是基于鑄模原料與粘合劑不同膨脹并以這樣的方式，即，在鑄造熱的作用下使粘合劑由于在鑄模原料與粘合劑之間形成的熱應力從鑄模原料微粒上脫落或自動破裂。通過粘合劑的這種在鑄模部分硬化后的脆性斷裂特性，破壞了鑄模原料各顆粒之間的聯(lián)系以及使鑄模部分碎裂。遺留的由鑄模原料碎塊與粘合劑碎塊組成的松弛的混合物是松散的和可以方便地從或由鑄件去除。
鑄模部分也可以按本發(fā)明的方法這樣制造，即，將按本發(fā)明組成的鑄模材料混合物按已知的方式注入型芯造型機的型芯箱內。接著，鑄模材料例如按在DE 196 32 293 A1中說明的方法硬化，為此，在型芯箱加熱到溫度100℃至160℃的空腔內加上負壓，以及型芯坯件被型芯箱加熱持續(xù)時間為20至30秒。
在此時間期間，鑄模部分固化到能從型芯箱取出并置入設在型芯箱外部的加熱裝置例如微波爐內。在加熱裝置內它用足夠的熱功率加熱，直至從鑄模部分排出為了完全硬化充分的水量。
作為替換或補充設在型芯箱外部的微波加熱，排水也可以通過充分加熱型芯箱本身或通過鼓送熱空氣實現(xiàn)。這些措施可分別與在型芯箱外部進行的加熱組合起來。同樣可以通過直接在仍處于型芯箱內的型芯坯件上實施微波加熱導致排水。
若為了硬化在型芯箱外部進行鑄模部分的加熱，則為了提高型芯表面強度可用粘合劑液體噴灑有關的鑄模部分。經(jīng)如此處理的鑄模部分在同樣提高了耐磨強度的同時有更高的穩(wěn)定性，所以它們可以沒有問題地儲存和滿足對其尺寸準確度的最高要求。業(yè)已證明，當使用水玻璃粘合劑時，在待制造的鑄件質量優(yōu)化方面特別有利。


下面借助表示實施例的附圖進一步說明本發(fā)明。唯一的圖用剖面圖示意表示用于一個沒有進一步表示的澆鑄鑄造鋁合金氣缸蓋的鑄模的凸輪軸型芯1。
具體實施例方式
凸輪軸型芯1下側2沿縱向互相隔開間距地成型兩個凹槽3、4，通過它們分別確定要生產(chǎn)的氣缸蓋上規(guī)定用于支承凸輪軸的軸承座的形狀。在凹槽3、4內分別放入一個以其主段7平行于凸輪軸型芯1并與之相隔一定距離延伸的油路型芯8的分支5、6。在這里，分支5、6的長度A比其直徑B大許多倍。同樣，油路型芯8主段7的長度C也比其直徑D大許多倍。
油路型芯8按已知的方式用按本發(fā)明的鑄模材料在傳統(tǒng)的射砂造型機中制造，鑄模材料通過混合一種由富鋁紅柱石砂和石英砂組成的鑄模原料與一種水玻璃粘合劑制成?；诟讳X紅柱石砂的比例，保證油路型芯8即使其在澆鑄要生產(chǎn)的氣缸蓋的過程中加熱到超過573℃，仍能均勻地并因而可唯一性預先確定地膨脹。
以此方式可靠地避免，如在按傳統(tǒng)的方式中以含有純石英砂的鑄模原料為基礎制造油路型芯時發(fā)生的，諸如在分支5、6內斷裂、主段7在分支5、6之間的區(qū)域內伸長、以及在主段7自由端區(qū)域內彎曲。因此，通過使用按本發(fā)明的方式組成的鑄模材料，可以在大批量輕金屬鑄造時，可靠地制成高精度的有沿大的長度延伸的細小通道的氣缸蓋和類似的鑄件。
在澆鑄金屬熔體(優(yōu)選地涉及鋁熔體或其他輕金屬熔體)期間以及當鑄件的金屬尚能流動時，由于鑄模原料與粘合劑彼此按本發(fā)明的方式協(xié)調的特性，所以鑄造型芯1、8的變形很輕微。鑄模原料這種微小的熱膨脹有助于過程可靠地達到鑄件的尺寸要求。
經(jīng)過凝固和冷卻時間，在此期間鑄件獲得為進一步加工所需的足夠的強度，以及各鑄造型芯1、8由于鑄造熱的作用和基于鑄模原料與粘合劑不同的熱膨脹特性自動碎裂成碎塊，它們從鑄件排空和再加工。在凝固過程中以及在金屬完全凝固后的冷卻階段中，由于鑄造金屬與鑄造型芯1、8相比大得多的固體收縮量，所以使各鑄造型芯1、8受到高的機械應力?；阼T造型芯1、8脆的非彈性性質，這種機械應力導致鑄造型芯1、8破裂成塊狀的碎片。它們的體積和強度如此之小，以致僅通過加入振動能量就可以從鑄件脫落，因為全部的型芯砂現(xiàn)已與鑄件分離。為了脫砂不需要如在先有技術中還要求的那樣通過氣錘施加錘擊。
鑄造型芯碎塊的再生可包括仔細地破碎成粒狀顆粒。然后，獲得的粒狀顆粒可進行金屬分離和除塵，以便達到其再使用時必要的狀態(tài)。接著，再循環(huán)成粒狀材料的鑄模部分重新用作按本發(fā)明組成的鑄模材料的原料。
若按本發(fā)明的方式使用鑄模材料，它們由與水玻璃粘合劑混合的鑄模原料如合成富鋁紅柱石組成，則在制造鑄模部分時不會產(chǎn)生明顯的排放物量。由此可以避免在傳統(tǒng)的實施方式中由于形成氣體經(jīng)常出現(xiàn)的鑄造缺陷、為抽除氣體所需采取的大量預防措施以及麻煩的工具清洗。環(huán)境和操作人員的負擔因而減少到最小程度。
若采用富鋁紅柱石或類似的惰性耐火材料作為按本發(fā)明鑄模材料系統(tǒng)的原料，則本發(fā)明另一個優(yōu)點在于鑄模原料與粘合劑及熔體相比的化學穩(wěn)定性。這一性質保證，在實施按本發(fā)明的方式時獲得的鑄件，其表面在排空鑄模型芯和鑄模部分的碎塊后，無需采取附加的清潔措施便可完全沒有粘附殘留的砂粒。
附圖標記一覽表1 凸輪軸型芯2 凸輪軸型芯1下側3，4 凹槽5，6 油路型芯8的分支7 油路型芯8的主段78 油路型芯A 分支5、6的長度AB 分支5、6的直徑BC 主段7的長度D 主段7的直徑
權利要求
1.用一種金屬熔體尤其輕金屬熔體制造鑄件的方法，包括下列步驟-用鑄模材料制造鑄模部分，鑄模材料由一種與金屬熔體相比為惰性的、松散的鑄模原料和一種粘合劑混合而成，其中，鑄模原料和粘合劑的熱膨脹特性彼此協(xié)調為，使金屬熔體的熱膨脹系數(shù)大于由鑄模材料制成的鑄模部分的熱膨脹系數(shù)，-使用鑄模部分組合成一個鑄模，-將金屬熔體澆鑄到鑄模內制成一個鑄件，-在凝固和冷卻時間內，使鑄件冷卻，在此時間過程中，鑄模部分自動碎裂成碎塊，-從或由鑄件上除去鑄模部分的碎塊，-將鑄模材料的碎塊加工為松散的鑄模原料。
2.按照前列諸權利要求之一所述的方法，其特征為鑄模部分的制造包括將鑄模材料注入到一個設計在型芯箱內的空心模內、通過供熱使注入型芯箱內的鑄模材料預硬化為鑄模部分以及使鑄模部分在一個設在型芯箱外部的加熱裝置內硬化。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征為加熱裝置包括一個微波加熱器。
4.按照權利要求2或3之一所述的方法，其特征為鑄模部分在硬化前用粘合劑噴灑。
5.按照前列諸權利要求之一所述的方法，其特征為鑄模材料碎塊的加工包括粉碎碎塊、分離金屬、顆粒分類和/或除塵。
6.用于制造澆鑄金屬熔體尤其輕金屬熔體用的鑄模部分的鑄模材料，由一種混合物組成，混合物包括一種與金屬熔體相比為惰性的、松散的鑄模原料和一種與鑄模原料混合的粘合劑，其中，鑄模原料和粘合劑的熱膨脹特性彼此協(xié)調為，使金屬熔體的熱膨脹系數(shù)總是大于由鑄模材料制成的鑄模部分的熱膨脹系數(shù)。
7.按照權利要求6所述的鑄模材料，其特征為加熱時粘合劑的膨脹不同于鑄模原料。
8.按照權利要求6或7之一所述的鑄模材料，其特征為粘合劑在鑄造熱作用下是穩(wěn)定的。
9.按照權利要求6至8之一所述的鑄模材料，其特征為粘合劑是一種水玻璃粘合劑。
10.按照權利要求6至9之一所述的鑄模材料，其特征為鑄模原料有一部分合成富鋁紅柱石。
11.按照權利要求10所述的鑄模材料，其特征為鑄模原料完全由富鋁紅柱石組成。
12.按照權利要求7至11之一所述的鑄模材料，其特征為金屬熔體是一種鋁熔體。
13.按照權利要求7至12之一所述的鑄模材料，其特征為鑄模原料由顆粒組成，顆粒的形狀基本上是球形。
14.按照權利要求7至13之一所述的鑄模材料，其特征為它的熱導率小于待澆鑄的金屬的熱導率。
15.按照權利要求7至14之一構成的鑄模原料用于實施按照權利要求1至5之一設計的方法的應用。
16.按照權利要求15所述的應用，其特征為用鑄模材料制成的鑄模部分是一個鑄造型芯。
17.按照權利要求16所述的應用，其特征為鑄模部分的長度(A、C)比其直徑(B、D)大許多倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，用它可以制造高質量的形狀復雜的鑄件，以及按此方法，在鑄造過程結束后鑄模部分可以簡單的方式安全地從或由鑄件去除。為此實施下列步驟通過混合一種與金屬熔體相比為惰性的松散的鑄模原料與一種粘合劑制成一種鑄模材料，鑄模原料在加熱時的、膨脹小于石英砂，而粘合劑在加熱時的膨脹與鑄模原料不同；用鑄模材料制造一個鑄模部分；使用鑄模部分組合成一個鑄模；將金屬熔體澆鑄到鑄模內制成一個鑄件；在凝固和冷卻時間內，冷卻鑄件，在此期間，鑄模部分自動破碎成碎塊；從或由鑄件上除去碎塊；將鑄模材料的碎塊加工為松散的鑄模原料。
文檔編號B22D33/00GK1599651SQ02820431
公開日2005年3月23日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權日2001年9月14日
發(fā)明者伯恩哈德·施陶德爾, 瓦爾特·金特納 申請人:曼德爾和貝格爾氫化鋁有限公司