專利名稱：熔模鑄造模具及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)的用于熔模鑄造的工藝方法和組成。
背景技術(shù)：
利用蠟?zāi)７ǖ娜勰ｈT造可以追溯到古代埃及和中國。然而，作為目前實(shí)施的方法，直到20世紀(jì)30年代都是一種比較新的工藝，并且代表快速增長的行業(yè)(business)和科學(xué)。熔模鑄造技術(shù)通過將熔融金屬澆鑄到圍繞一次應(yīng)用的(disposable)蠟?zāi)Ｋ纬傻牟恢貜?fù)使用陶瓷殼模中，簡化了復(fù)雜金屬形狀的生產(chǎn)，該一次應(yīng)用的蠟?zāi)Ｅc所希望的金屬形狀一模一樣?！熬苋勰ｈT造法”，亦即PIC，是涉及此工藝的技術(shù)中術(shù)語。
常規(guī)的PIC法應(yīng)用六個(gè)主要步驟(1)模型制備一次應(yīng)用的所希望金屬鑄件的陽模用熱塑性材料如蠟制造，該蠟將熔化、蒸發(fā)或完全燃燒，以便在失蠟的陶瓷殼模中不留下玷污的殘?jiān)?。陽模通過將熱塑性材料注射到一陰模、分段式、金屬印?；蛩付ǖ摹肮ぞ摺敝衼碇苽?，以便生產(chǎn)出金屬鑄件所要求的形狀、尺寸和表面光潔度的模型。通過將單個(gè)或多個(gè)模型熔合到一次應(yīng)用的蠟“澆口系統(tǒng)”(“spruesystem”)上，可以將它們組裝在一起，該澆口系統(tǒng)送進(jìn)熔融金屬以充滿殼模；(2)用下述方法進(jìn)行殼模制造(a)將模型組件浸入耐火泥漿中，該耐火泥漿在堿穩(wěn)定的膠體氧化硅粘合劑水溶液中具有細(xì)顆粒的耐火粒料，以便限定模型上的耐火材料涂層；(b)使耐火涂層與粗的干顆粒耐火粒料或“灰泥”(stucco)接觸，以便限定灰泥涂層，和(c)風(fēng)干，以便限定“生坯”(green)風(fēng)干式不溶性的結(jié)合涂層。這些方法步驟可以重復(fù)，以便通過連續(xù)涂層制成一種所希望厚度的“生坯”風(fēng)干式殼模。
(3)脫蠟-利用蒸汽壓熱處理、將生坯的殼模插入已加熱到1000°F-1900°F的內(nèi)燒脫蠟爐中，或利用任何其它快速加熱和液化蠟的方法，從“生坯”風(fēng)干式殼模中除去一次應(yīng)用的蠟?zāi)?，因此所產(chǎn)生的過大壓力不毀損殼模。
(4)爐內(nèi)熔化-在約1600°F-2000°F下加熱脫蠟后的殼模，以便除去揮發(fā)性殘?jiān)⒃跉つＶ行纬煞€(wěn)定的陶瓷結(jié)合。
(5)澆注-從爐中回收加熱后的殼模并定位，以便接受熔融的金屬。金屬可以用氣體、間接電弧，或感應(yīng)加熱法熔化。熔融金屬可以在空氣中或在真空室內(nèi)鑄造。熔融金屬可以靜態(tài)式或離心式澆注，及從澆注桶(ladle)或直接熔化的坩堝中澆注。令熔融金屬冷卻，以便在模具中產(chǎn)生固化的金屬鑄件。
(6)鑄件回收-將其中具有固化金屬鑄件的殼模斷開，并使金屬鑄件與陶瓷殼材料分離開。通過用磨盤鋸開或切割，可以使鑄件與澆口系統(tǒng)分離開。鑄件可以用滾筒清理、噴丸清理或噴砂法清潔。
耐火泥漿中所用的粘合劑影響制造殼體的方法，及最終的殼模質(zhì)量。粘合劑應(yīng)是化學(xué)上穩(wěn)定的，以保證在用來重復(fù)浸漬涂層的耐火泥漿中長期使用。粘合劑在風(fēng)干期間還應(yīng)與耐火粒料形成不溶性的結(jié)合，以便能再浸漬模型及能在爐內(nèi)熔化期間除去模型。在爐內(nèi)熔化模具期間，殼體中產(chǎn)生的穩(wěn)定陶瓷結(jié)合還必須具有足夠的耐火強(qiáng)度和耐熔度，以便經(jīng)得住熔融金屬的鑄件。
已經(jīng)在制造陶瓷殼模中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)耐火泥漿粘合劑，包括水解了的硅酸乙酯和小粒度鈉穩(wěn)定的膠體氧化硅，該膠體氧化硅具有平均粒度約為8-14納米。后者包括用氫氧化鈉穩(wěn)定的膠體氧化硅堿性水溶液分散體，氫氧化鈉是不易燃的并具有很低毒性。前者是在水解期間用所加的硫酸或鹽酸穩(wěn)定的酸，以便就地形成膠體氧化硅。然而，前者應(yīng)用易燃有毒的醇溶液來保持溶解度。但是，硅酸乙酯粘合劑能更快烤干并使用較低品位促進(jìn)熔化的氧化鈉。
在制造陶瓷殼模的常規(guī)方法中，用于各涂層之間烤干所需的時(shí)間間隔，可以從耐火底層的30分鐘變動(dòng)到加固層的8小時(shí)或更長時(shí)間，這取決于模具的復(fù)雜性和殼壁的厚度。完工的殼模通常另外風(fēng)干24小時(shí)或更長時(shí)間，以保證足夠的生坯強(qiáng)度，用于模型拆除。這種由于殼模質(zhì)量而對(duì)風(fēng)干的依賴關(guān)系構(gòu)成生產(chǎn)時(shí)間的主要部分，它造成生產(chǎn)成本高并且是嚴(yán)重的缺點(diǎn)。
由于此缺點(diǎn)，已經(jīng)作出許多努力，通過采用化學(xué)方法快速凝固耐火泥漿粘合劑，來縮短或消除各層之間烤干所需的時(shí)間間隔。這些化學(xué)方法使耐火泥漿候選物的選擇擴(kuò)大到除了水解的硅酸乙酯和鈉穩(wěn)定的膠體氧化硅之外，還包括離子堿金屬硅酸鹽，和對(duì)酸穩(wěn)定的氧化鋁改性的膠體氧化硅。
這些現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)方法包括(1)利用氣態(tài)膠凝劑來膠凝凝固(gel set)泥漿粘合劑系統(tǒng)。
美國專利No．2，829，060講述了利用二氧化碳來膠凝凝固氨改性的硅酸鈉泥漿粘合劑系統(tǒng)。
W．Jones在1979年10月提交到熔模鑄造學(xué)會(huì)(Investment CastingInstitute)的一篇技術(shù)論文中，公開了利用二氧化碳或酸性氧化鋁溶液來凝固堿性硅酸鹽粘合劑泥漿。然而，堿性硅酸鹽粘合劑泥漿在高溫下會(huì)引起不希望有的熔合。
美國專利No．3，455，368講述了利用氨氣來膠凝凝固水解的硅酸乙酯或酸化的膠體氧化硅粘合劑系統(tǒng)。然而，氨氣是有毒的。
美國專利No．3，396，775講述了利用揮發(fā)性有機(jī)氣體來膠凝凝固水解的硅酸乙酯泥漿粘合劑系統(tǒng)。然而，揮發(fā)性有機(jī)氣體存在著鑄造車間內(nèi)很難接受的通風(fēng)問題。(2)利用兩個(gè)相互作用的泥漿粘合劑系統(tǒng)，以便當(dāng)作為交替的涂層涂敷時(shí)，相互膠凝凝固。
美國專利No．2，806，270講述了利用下述條件1)利用硝酸酸化的硅酸鈉泥漿來膠凝凝固堿性硅酸鈉泥漿；2)利用磷酸酸化的硅酸鉀泥漿系統(tǒng)，來膠凝凝固下列其中之一
(a)堿性硅酸鉀泥漿；(b)堿性哌啶改性的硅酸乙酯泥漿，和(c)堿性單乙醇胺改性的硅酸乙酯泥漿系統(tǒng)；3)利用酸性硅酸乙酯來膠凝凝固下列其中之一(a)堿性硅酸鉀泥漿，(b)堿性哌啶改性的硅酸乙酯泥漿，和(c)堿性單乙醇胺改性的硅酸乙酯粘合劑系統(tǒng)。
美國專利No．3，751，276和美國專利No．3，878，034講述了利用酸穩(wěn)定的氨改性膠體氧化硅泥漿粘合劑系統(tǒng)，來膠凝凝固堿穩(wěn)定的離子硅酸鹽粘合劑泥漿系統(tǒng)或堿穩(wěn)定的膠體氧化硅粘合劑泥漿系統(tǒng)。然而，利用兩個(gè)相互作用的泥漿粘合劑系統(tǒng)要求在常規(guī)的制造殼體操作中有改變。(3)利用化學(xué)上處理過的灰泥粒料來膠凝凝固粘合劑泥漿系統(tǒng)。
Dootz，Craig和Payton在1967年5月出版的雜志“ProstheticDentistry”(Vol．17，NO．5，pp 464-471)中論述了利用磷酸-銨和氧化鎂處理過的灰泥來膠凝硅酸鈉粘合劑泥漿系統(tǒng)。然而，這種方法具有它的效率超過時(shí)間(over time)就下降的缺點(diǎn)，并且會(huì)玷污耐火粘合劑泥漿。(4)利用膠凝劑溶液來膠凝凝固粘合劑泥漿系統(tǒng)。
美國專利No．3，748，157講述了利用堿式鋁鹽凝固劑溶液來膠凝凝固1)鈉穩(wěn)定的帶陰電溶膠膠體氧化硅粘合劑泥漿，和2)堿性離子硅酸鹽泥漿粘合劑系統(tǒng)。
盡管該技術(shù)的這些方法改變了制備供PIC中使用的陶瓷殼模時(shí)的效率程度，但它們?nèi)匀灰笥卸鄠€(gè)催化步驟或在耐火泥漿材料連續(xù)涂層之間有相當(dāng)大的時(shí)間間隔。因此，必須有快速形成陶瓷殼模的材料和方法。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及在一次應(yīng)用的支承件上快速形成陶瓷殼模的方法，并且涉及由該方法得到的陶瓷殼模。該方法應(yīng)用大粒度的膠體硅溶膠，該大粒度膠體硅溶膠具有平均粒度約為40納米，很寬的粒度范圍(約6nm至約190nm)，及標(biāo)準(zhǔn)偏差約為20nm。優(yōu)選應(yīng)用的大粒度溶膠是從WesbondCorp．，Wilmington，DE購買的，商品名稱是MegasolTM。MegasolTM具有平均粒度約為40nm，粒度范圍為約6nm至約190nm，粒度的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為20nm，并且與現(xiàn)有技術(shù)膠體硅溶膠的鈉含量約為0．4-0．6％相比，MegasolTM的鈉含量約為0．22％。
本發(fā)明的方法具有許多優(yōu)于上述現(xiàn)有技術(shù)方法制造陶瓷殼模的優(yōu)點(diǎn)。例如，采用MegasolTM膠體硅溶膠水溶液，能夠制造生坯陶瓷殼模，該生坯陶瓷殼模，比用粒度范圍小得多的現(xiàn)有技術(shù)硅溶膠制造的生坯陶瓷殼模的生坯強(qiáng)度為約40％至約70％。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用MegasolTM的耐火泥漿組成能夠適應(yīng)很寬范圍的殼模熱膨脹。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在耐火泥漿中，應(yīng)用MegasolTM的耐火泥漿組成具有約40％至約50％的膠體氧化硅固體含量。這些固體含量，比采用常規(guī)的小粒度硅溶膠粘合劑的耐火泥漿中所達(dá)到的約22％至約27％的膠體硅固體含量大許多。在應(yīng)用MegasolTM的耐火泥漿中，較高的膠體氧化硅固體含量有利地能更快烤干耐火底層和耐火加固層。
在耐大底層泥漿和耐火加固層泥漿的至少其中之一中，優(yōu)選地在該兩種泥漿中應(yīng)用MegasolTM，產(chǎn)生泥漿的穩(wěn)定性增加，及更高強(qiáng)度的陶瓷殼模。本發(fā)明有利地消除了在耐火泥漿中使用聚合物或是在耐火泥漿中使用聚合物增強(qiáng)的粘合劑的普通工業(yè)實(shí)踐。消除聚合物有利地克服了現(xiàn)有技術(shù)制造陶瓷殼模存在的問題，該陶瓷殼模由于在爐內(nèi)熔化期間聚合物燒盡所產(chǎn)生的孔隙，而且有低溫(Low fire)的斷裂模量。消除聚合物還克服了現(xiàn)有技術(shù)耐火泥漿超過時(shí)間不穩(wěn)定的問題，及與耐火泥漿質(zhì)量控制有關(guān)的問題。
應(yīng)用MegasolTM的底層和加固層還比現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用較小粒度的膠體硅溶膠烤干快約30％-40％。這樣能縮短烤干時(shí)間，因而降低了制造殼體的成本。
對(duì)附圖的簡要說明

圖1示出所希望的金屬鑄件一次應(yīng)用的陽模1。
圖2是除去模型1之前生坯殼體10的等軸視圖。
圖3是脫蠟后烤干的生坯陶瓷殼體20的等軸視圖。
實(shí)施本發(fā)明的方式耐火粒料在耐火底層泥漿和耐火加固層泥漿中，各種各樣的耐火粒料可以和MegasolTM一起使用。這些耐火粒料的例子包括但不限于富鋁紅柱石、煅燒過的瓷土及其它硅酸鋁類、玻璃狀石英和結(jié)晶二氧化硅、氧化鋁、鋯英石和鉻鐵礦。耐火粒料最好是沒有離子污染物，這些污染物總量可能會(huì)對(duì)耐火粒料的不穩(wěn)定性和對(duì)熱感應(yīng)相變產(chǎn)生影響，該熱感應(yīng)相變?cè)诮饘勹T造期間可能會(huì)發(fā)生。正如該技術(shù)中眾所周知的，通過用煅燒或不用煅燒的純化方法，可以生產(chǎn)沒有污染物的耐火粒料，這些污染物總量可能會(huì)對(duì)耐火粒料的不穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。耐火泥漿的制備耐火底層漿料和耐火加固層漿料都利用大粒度的硅溶膠粘合劑如MegasolTM和耐火粒料，該耐火粒料總量足夠有一理想的粘度，供在殼體浸沒法中使用。最好是，應(yīng)用的MegasolTM具有比表面積約為68m2／gm，平均粒度約為40納米(nm)，粒度范圍為約6nm-約190nm，粒度的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為20nm，及鈉含量約為0．22％。MegasolTM的平均粒度是用數(shù)值2727除以比表面積計(jì)算出來的。在耐火泥漿組成中MegasolTM和耐火粒料的量可以在很寬的范圍內(nèi)改變。
MegasolTM硅溶膠粘合劑具有比現(xiàn)有技術(shù)的膠體硅溶膠粘合劑大得多的粒度和低得多的比表面積。MegasolTM硅溶膠粘合劑可以在pH約8．0-約10．0下使用，優(yōu)選地是在pH約9．0-約9．5下使用。MegasolTM硅溶膠粘合劑可以在可滴定Na2O含量為約0．02％-約0．35％下使用，優(yōu)選地是在可滴定Na2O含量為約0．1％-約0．25％下使用。最優(yōu)選的是，MegasolTM硅溶膠粘合劑在可滴定Na2O含量為約0．20％-約0．22％下使用。
本發(fā)明用的MegasolTM硅溶膠粘合劑可以具有不同的固體含量。例如，MegasolTM可以在含約30％-約50％的固體量下使用，優(yōu)選地是含約40％-約47％的固體量下使用。更優(yōu)選的是，在耐火底層泥漿和耐火加固層泥漿的至少其中之一中，最優(yōu)選的是在這兩種泥漿中，MegasolTM在含約45％的固體量下使用。
耐火底層泥漿和耐火加固層泥漿是通過將MegasolTM硅溶膠粘合劑放入一干凈的、水清洗過的混合槽中，并且在混合時(shí)加耐火材料來制備。在混合槽中可以用該技術(shù)中眾所周知的各種混合裝置。例如，這些裝置包括螺旋槳式混合器、缸式磨機(jī)、高速分散混合機(jī)，和轉(zhuǎn)臺(tái)固定葉片式混合機(jī)。
混合時(shí)加入耐火材料，直至達(dá)到所希望的粘度時(shí)為止。對(duì)耐火底層泥漿而言，該粘度通常約為18-30秒No．4 Zahn，優(yōu)選的是20-30秒，最優(yōu)選的是24-30秒。應(yīng)用MegasolTM和熔融氧化硅粒料的耐火加固層泥漿的合適粘度約為10-18秒粘度Zahn #4，優(yōu)選的是約為10-16秒Zahn#4，最優(yōu)選的是約為12-15秒Zahn #4。在另外混合以除去截留的空氣并達(dá)到平衡之后，通過再補(bǔ)加MegasolTM膠體硅溶膠粘合劑或耐火材料、來進(jìn)行最后的粘度調(diào)節(jié)。也可以加非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑到耐火泥漿中。殼模制造殼模制造從將1-3層耐火底層泥漿涂敷到一個(gè)干凈的一次性模型(最好是蠟?zāi)?上開始，該耐火底層泥漿包括耐火粒料和MegasolTM。蠟?zāi)Ｗ詈檬怯萌魏纬涮罨蛭闯涮钍灮災(zāi)ｈT造級(jí)蠟，或微晶蠟制成。將蠟?zāi)＝肽突鸬讓幽酀{中，以便用連續(xù)的耐火底層泥漿涂覆蠟?zāi)５谋砻?，充分瀝干以除去過量的泥漿，然后用底層耐火灰泥抹灰泥。形成的底層可以具有厚度為0．02英寸-0．2英寸，優(yōu)選的厚度是0．04英寸-0．2英寸，最優(yōu)選的厚度為0．04英寸-0．1英寸。
在耐火底層泥漿和耐火加固層泥漿中，可以采用不同的耐火泥漿組成。具體的耐火底層泥漿和耐火加固層泥漿由希望從一次應(yīng)用模型生產(chǎn)金屬鑄件的陶瓷殼模特性決定，該金屬鑄件具有所希望的尺寸和表面光潔度。
耐火底層泥漿應(yīng)用最細(xì)粒度的耐火粒料，該粒度通常約為-200目，而更細(xì)的低達(dá)約-325目。可以用的耐火底層泥漿包括MegasolTM和一種-200目熔融氧化硅和-325目鋯英石粉的混合物在一起。鋯英石粉提供很高的耐熔融金屬性。鋯英石粉的細(xì)粒度也能生產(chǎn)具有平滑精細(xì)表面光潔度的鑄件。每個(gè)底層都用粗耐火粒料抹灰泥，該耐火粒料典型地是-20至約200目的鋯英石砂，優(yōu)選的是-70至140目鋯英石砂。
在應(yīng)用MegasolTM、熔融氧化硅和鋯英石的耐火底層泥漿中，熔融氧化硅最優(yōu)選地具有約-120至約-200目的粒度，而鋯英石最優(yōu)選地具有約-325目的粒度。熔融氧化硅的粒度也可以用約-100目、約-120目、約-140目、約-170目，約-270目和約-325目。鋯英石的粒度可以是例如約-200目、約-325目和約-400目。優(yōu)選的是，鋯英石約為-200目?？梢匀芜x地將非離子表面活性劑加到耐火底層泥漿中?？梢圆捎玫奶貏e適用的非離子表面活性劑是從Buntrock Industris，Willamsburg，VA購買的PS 9400?？梢詫⑦@種表面活性劑加到耐火底層的耐火泥漿中，表面活性劑用量最高約占MegasolTM粘合劑總重量的0．2％。這種表面活性劑改善了耐火底層耐火泥漿潤濕蠟?zāi)５哪芰?，并且還有助于排水。
將耐火加固泥漿涂敷到抹灰泥后的底層上，以便產(chǎn)生加固層。耐火加固泥漿應(yīng)用比耐火底層泥漿粗的耐火粒度。在熔融氧化硅和MegasolTM一起應(yīng)用的耐火加固泥漿中，熔融氧化硅具有粒度約為-80目至約-270目，優(yōu)選的是約為-100目至約-200目。最優(yōu)選的是約為-100目至約-120目。每個(gè)加固層都用粗的耐火粒料抹灰泥，以便在殼模中形成增加強(qiáng)度的厚度?？梢杂米骷庸虒由夏ɑ夷嘤玫哪突鹆Ａ希梢詮募s-10目改變到約50目，優(yōu)選的是約-20目至約50目。最優(yōu)選的是，這些耐火粒料具有粒度約為-30目至約50目。
將加固層加到抹過灰泥的底層上，直至殼體達(dá)到所希望的厚度和強(qiáng)度時(shí)為止。涂敷的加固層層數(shù)取決于陶瓷殼體中欲形成的金屬鑄件尺寸和重量。對(duì)大多數(shù)鑄件，約0．20英寸至0．5英寸的陶瓷殼體厚度就足夠了。兩個(gè)底層，和4至5個(gè)加固層通常產(chǎn)生0．25英寸厚的生坯殼體并且有足夠經(jīng)得住脫蠟和爐內(nèi)熔化的強(qiáng)度。
在一可供選擇的實(shí)施例中，可以在涂覆耐火加固泥漿層之前，將一種過渡性灰泥的耐火材料涂覆到底層抹過灰泥的一次應(yīng)用模型上，上述過渡性灰泥耐火材料最好是鋯英石或硅酸鋁，這種耐火材料的粒度介于細(xì)?；牡讓踊夷嗪痛至＜庸虒踊夷嘀g?？梢杂眠^渡性灰泥層來增加生坯殼體的強(qiáng)度，并使底層泥漿的細(xì)涂層和第一耐火泥漿涂層之間的剝離可能性減至最小。
在約60°F至約90°F，最好是在約70°F至約75°F下將生坯殼?？靖伞？靖煽梢越柚焖倏諝饬髟诘蜐穸群透邷氐募铀贄l件下進(jìn)行。
在連續(xù)的底層和加固層之間的烤干時(shí)間，取決于一次應(yīng)用模型形狀的復(fù)雜程度。具有深空腔的一次應(yīng)用模型要花更長時(shí)間將各層之間烤干，在該深腔中氣流最小。具有平側(cè)邊的簡單模型烤干更快速。由應(yīng)用MegasolTM的耐火泥漿形成的底層和加固層，比工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的耐火泥漿烤干約快30％至約40％，上述工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的耐火泥漿使用小得多粒度的膠體硅溶膠粘合劑，并含有較高量的水。脫蠟生坯陶瓷殼模可以用下述方法脫蠟浸入沸水中；高壓蒸汽壓熱處理；及該技術(shù)中眾所周知的閃燒脫蠟。高壓蒸汽壓熱處理可以按下述步驟進(jìn)行1．利用盡可能高的蒸汽壓力，優(yōu)選的是約為60psi或更高，更優(yōu)選的是約80-90psi。
2．盡可能快地關(guān)閉高壓壓熱器并加壓，優(yōu)選的是少于約15至20秒。
3．將風(fēng)干的生坯殼模放到蒸汽中暴露約10至15分鐘。
4．將高壓壓熱器在30至60秒鐘內(nèi)緩慢減壓。
可以通過將風(fēng)干的生坯殼模插入加熱到約1000°F至1900°F的爐子中進(jìn)行閃燒脫蠟。在這些溫度下，靠近陶瓷模壁的蠟快速熔化，因此由于蠟膨脹而產(chǎn)生的壓力不會(huì)毀損陶瓷殼。然后可以將該陶瓷殼體移到約為200°F至600°F的較冷溫區(qū)，以便完成除蠟。熔化的蠟可以通過熔化室中的底部開口排入水浴或回收容器中。爐內(nèi)熔化爐內(nèi)熔化必須將超過約1600°F至2000°F生產(chǎn)的脫蠟陶瓷殼模加熱，以便除去揮發(fā)性殘?jiān)?，并通過由燒結(jié)而形成的穩(wěn)定陶瓷結(jié)合，來生產(chǎn)高強(qiáng)度陶瓷殼模。將脫臘的陶瓷殼模放在爐內(nèi)保溫，以便達(dá)到熱平衡，達(dá)到熱平衡之后，從爐中取出殼模并用所希望的熔融金屬澆鑄。
下面將參照下列非限制性例子進(jìn)一步說明本發(fā)明。例1將如圖1所示的8英寸×7／8英寸×3／8英寸的蠟條模型1浸入耐火泥漿中，該耐火泥漿組成示于表1。為方便起見，對(duì)底層和加固層二者采用相同的耐火泥漿。
表1材料用量MegasolTM11000gTecosil 120F21500gZircon 3253400gPS 9400 Surfactant42ml1．MegasolTM膠體硅溶膠粘合劑具有50％的固體量，它從Wesbond Corp．購買。
2．從C-E Minerals購得的熔融氧化硅，粒度為44-177微米。
3．從Continental Materials購買的煅燒過的弗羅里達(dá)鋯英石，粒度為-325目。
4．從Buntrock Industries，Williamsbug，VA購買的非離子表面活性劑，PS 9400是一種多乙基的癸醇，其比重約為0．1。
將蠟?zāi)Ｐ?浸入耐火泥漿中5秒鐘，取出，并瀝干10秒鐘，以便形成第一底層。將從杜邦公司(Dupont Corp)購買的-70至140目的鋯砂作為灰泥涂敷在第一底層上。將鋯砂抹灰泥的、底層涂敷的條形模型烤干1小時(shí)，然后再浸入耐火泥漿中5秒鐘，以便形成第二底層，并且再用-70至140目的鋯砂抹灰泥。
然后，將具有兩層抹過灰泥底層的蠟?zāi)Ｐ?浸入耐火泥漿中5秒鐘，排干10秒鐘以提供第一加固層。然后，用Tecosil對(duì)第一耐火加固層進(jìn)行抹灰泥，該Tecosil是從C-E Minerals購買-30目至50目的熔融氧化硅。然后，將抹過灰泥的加固層烤干1小時(shí)。重復(fù)這一步驟，以便提供總共5層用-30目至50目熔融氧化硅抹灰泥后的加固層。在涂敷每個(gè)底層和耐火加固層之后，擦凈模型1的垂直側(cè)邊5，以除去涂層和灰泥。將模型1上形成的最終的生坯陶瓷殼體10浸入耐火泥漿中，以便提供一個(gè)密封涂層，該殼體10具有兩層底層鋯砂抹灰層和5層加固層-抹灰層，此處灰泥是-30至+50目熔融氧化硅Tecosil，Tesosil從C-EMineralCo．購買，如圖所示。該密封層不從模型1的各側(cè)邊上除去。
將密封涂敷的、生坯陶瓷殼體于70-75°F下烤干過夜。將烤干的生坯陶瓷殼體插入沸水中以除去模型1。最終形成圖3所示的脫蠟、烤干和生坯陶瓷殼體20在縱向上切成兩半，并烤干過夜。量出1英寸寬×6英寸長×0．3英寸厚的一段生坯陶瓷殼體，通過對(duì)這段的2英寸跨距加負(fù)載，來對(duì)彎曲時(shí)斷裂的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。用下面公式計(jì)算出生坯陶瓷殼體的斷裂模量(“MOR”)R=(3WI)／(2bd2)式中R=斷裂模量，磅／英寸2(1bs／in2)W=試樣斷裂時(shí)的負(fù)載，磅I=下面支承邊緣中心線之間的距離(跨距)，英寸b=試樣寬度，英寸d=試樣深度，英寸斷裂模量示于表2中。
將一段1英寸寬×6英寸長×0．3英寸寬的生坯陶瓷殼體于1800°F下烤1小時(shí)。然后將該烤過的分段通過如上所述的對(duì)該段加2英寸跨距的負(fù)載，來對(duì)彎曲時(shí)的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。利用上面公式計(jì)算煅燒后陶瓷殼體的斷裂模量(“MOR”)。結(jié)果示于表2中。例2除了MegasolTM用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為45％之外，其余按例1的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。例3除了MegasolTM用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為40％之外，其余按例1的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。例4
除了MegasolTM用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為35％之外，其余按例1的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。例5除了用粒度為-20至+50目的Mulgrain M47-22S代替-30至+50目的Tecosil熔融氧化硅之外，其余按例1的操作進(jìn)行。Mulgrain M47-22S從CE Minerals Co．購得。象例1中那樣測量MOR。例6除了MegasolTM用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為45％之外，其余按例5的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。例7除了MegasolTM用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為40％之外，其余按例5的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。對(duì)照例8-12例8除了用平均粒度約為8納米(nm)和膠體氧化硅固體含量為30％的NYACOL 830膠體硅溶膠代替具有50％固體含量的MegasolTM膠體硅溶膠之外，其余按例1的操作進(jìn)行。NYACOL 830從EKA Chemicols Co．購得。象例1中那樣測量MOR。例9除了NYACOL 830用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為24％之外，其余按例8的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。例10除了用-20到+50目粒度Mulgrain M47-22S代替-30至+50目的Tecosil熔融氧化硅之外，其余按例8的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。例11除了NYACOL 830用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為27％之外，其余按例10的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。例12除了NYACOL 830用水稀釋，以提供膠體氧化硅固體含量為24％以外，其余按例10的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量MOR。
為了說明用MegasolTM可達(dá)到縮短烤干時(shí)間，將在例1和8中所用的5個(gè)加固層的總烤干時(shí)間進(jìn)行比較。用連接到試樣上的熱電偶測量烤干時(shí)間。用Pace Scientific Pocket Logger XR340型儀器記錄時(shí)間-溫度曲線。每個(gè)涂層當(dāng)其溫度與室溫相差兩度時(shí)，就認(rèn)為是干的。室溫為70±5°F，而相對(duì)濕度約為30％±5％。結(jié)果示于表2。如表2所示，由耐火加固泥漿(用固體含量為50％的MegasolTM)所形成的加固層烤干時(shí)間，約為烤干由采用NYACOL 830的耐火加固層泥漿所形成的5個(gè)加固層所需時(shí)間的67％。對(duì)照例13-18這些例子說明由于采用MegasolTM的耐火泥漿，陶瓷殼模增加的強(qiáng)度超過由用平均粒度為14納米和20納米的硅溶膠的泥漿制造的陶瓷殼模的強(qiáng)度。結(jié)果示于表3。例13除了用平均粒度為14納米和膠體氧化硅固體含量為35％的Ludox_HS40膠體硅溶膠代替具有50％固體含量的MegasolTM之外，其余按例1的操作進(jìn)行。Ludox_HS 40可從E．I．Dupont deNemours，Inc．購買。象例1中那樣測量生坯和燒過后(fired)的MOR。
表2

1．在1800°F下煅燒殼體1小時(shí)之后，得到的燒后斷裂模量。
*5個(gè)加固層的總烤干時(shí)間為141分鐘。
**5個(gè)加固層的總烤干時(shí)間為236分鐘。
表3

例14除了Ludox_HS 40膠體硅溶膠具有膠體氧化硅固體含量為40％之外，其余按例13的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MORs。例15除了用平均粒度為20納米和膠體氧化硅固體含量為35％的Ludox_TM膠體硅溶膠代替具有50％固體含量的MegasolTM之外，其余按例1的操作進(jìn)行。Ludox_HS 40從E．I．dupont deNemours，Inc．購買。象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MORs。例16除了Ludox_TM膠體硅溶膠具有的膠體氧化硅固體含量為40％之外，其余按例14的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MORs。例17除了MegasolTM膠體硅溶膠具有固體含量為35％之外，其余按例1的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MORs。例18除了MegasolTM膠體硅溶膠具有的固體含量為40％之外，其余按例1的操作進(jìn)行。象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MORs。
在本發(fā)明還有另一個(gè)實(shí)施例中，如利用非限制性例子19-20所述，將硅酸鉀與MegasolTM混合。硅酸鉀和MegasolTM的混合物存在于底層和加固層的至少其中之一中。最好是，硅酸鉀和Megasol的混合物存在于底層組成和加固層組成二者之中。在每個(gè)底層和加固層中，硅酸鉀可以按高達(dá)占Megasol重量50％的量存在。優(yōu)選的是，硅酸鉀以占Megasol重量約6-8％的量存在，最優(yōu)選的是占Megasol重量約6％的量存在。例19除了底層和加固層二者所用的耐火泥漿具有示于表4的組成之外，其余按例1的操作進(jìn)行。表4中所用的Megasol具有40％的固體含量。
表4材料 用量MegasolTM1700g400目氧化硅21375gPS 9400表面活性劑32ml硅酸鉀416．8g1．MegasolTM膠體硅溶膠粘合劑具有40％的固體含量，它從WesbondCorp．購買。
2．熔融氧化硅3．表面活性劑，它從Buntrock Industries，Williamsburg，VA購買。
4．Kasil硅酸鉀，它從PQ Corporation購買。SiO2／K2O的重量比為2．5，含8．3％K2O、20．8％SiO2和29．1％固體。
象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MORs。未燒過的MOR為913psi。煅燒后的MOR為1424psi。例20除了底層和加固層具有表5所示的組成之外，其余按例19的操作進(jìn)行。
表5材料 用量MegasolTM1700g140目氧化硅21375gPS 9400表面活性劑32ml硅酸鉀422．4g1．MegasolTM膠體硅溶膠粘合劑具有40％的固體含量，它從WesbondCorp．購買。
2．熔融氧化硅3．表面活性劑，它從Buntrock Industries，Williamsburg，VA購買。
4．Kasil硅酸鉀，它從PQ Corporation購買。
SiO2／K2O的重量比為2．5，含8．3％K2O、20．8％SiO2和29．1％固體。
象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MORs。生坯的MOR為912psi。煅燒后的MOR為1362psi。
在本發(fā)明的還有另一個(gè)實(shí)施例中，如非限制性的例子21-24中所述，將市售的小粒度膠體硅溶膠與Megasol混合。膠體硅溶膠與Megasol的混合物存在于底層組成和加固層組成二者之一中。在每個(gè)底層和加固層之中，市售小粒度膠體硅溶膠可以按Megasol重量高達(dá)約18％-約85％的量存在于該混合物中。
可以如上所述與Megasol混合的特別有用的市售小粒度膠體硅溶膠是NYACOL 830，它具有平均粒度為8納米和24％的氧化硅固體，從EKAChemical Co．購買。按照該實(shí)施例，可以與Megasol混合的另一些有用的市售小粒度硅溶膠可以具有平均粒度為12納米、14納米、20納米和22納米。例21除了底層和加固層二者所用的耐火泥漿具有示于表6中的組成之外，其余按例1的操作進(jìn)行。表6中所用的Megasol具有50％的固體含量。
表6材料 用量MegasolTM1100gTecosil 120F21190g鋯英石3253330gPS 9400表面活性劑42mlNYACOL 8305562g1．MegasolTM膠體硅溶膠具有50％的固體含量，它從Wesbond Corp．購買。
2．熔融氧化硅3．煅燒過的弗羅里達(dá)(Florida)鋯英石，粒度為-325目，它從Continental Minerals購買。
4．表面活性劑從Buntrock Industries，Williamsburg，VA購買。
5．NYACOL 830 @具有24％的固體含量，它從EKA Chemicals Co．購買。
象表1中那樣測量生坯和煅燒后的MOR。生坯的MOR為740psi。煅燒過后的MOR為1618psi。例22除了Megasol以172g的量存在和NYACOL 830以490g的量存在之外，其余按例21的操作進(jìn)行。
象例1中那樣測量生坯和煅燒后的MOR。生坯的MOR為870psi。煅燒后的MOR為1493psi。例23除了MegasolTM以542g的量存在和NYACOL 830以120g的量存在之外，其余按例21的操作進(jìn)行。
象例1中那樣測量生坯和煅燒過后的MOR。生坯的MOR為858psi。煅燒過后的MOR為1668psi。
在本發(fā)明的還有另一個(gè)實(shí)施例中，如例24-26所述，將一種應(yīng)用硅酸鉀的膠體粘合劑、一種市售小粒度膠體硅溶膠和MegasolTM應(yīng)用于底層和加固層的至少其中之一中。最好是，膠體粘合劑存在于底層和加固層二者之中。在每個(gè)底層和加固層中，硅酸鉀、小粒度膠體硅溶膠、和MegasolTM都可以變動(dòng)的量存在于膠體粘合劑中。MegasolTM可以按膠體粘合劑重量高達(dá)約10％至約87％的量存在于此實(shí)施例的膠體粘合劑中；硅酸鉀可以按膠體粘合劑重量高達(dá)約3％-約8％的量存在；而小粒度的膠體溶膠可以按膠體粘合劑重量高達(dá)約5％至約87％的量存在于膠體粘合劑中。在此實(shí)施例中，硅酸鉀最好是從PQ Corporation購買的Kasil硅酸鉀。Kasil硅酸鉀具有SiO2／K2O重量比為2．5，含8．3％K2O、20．8％SiO2和29．1％固體。另外，在此實(shí)施例中，優(yōu)選的小粒度膠體溶膠是NYACOL 830，它具有平均粒度為8納米和24％的氧化硅固體，從EKA Chemical Co．購買。例24除了底層和加固層二者所用的耐火泥漿具有示于表7的組成之外，其余按例1的操作進(jìn)行。
表7材料 用量膠體粘合劑11000gTecosil 120F21500g鋯英石3253400gPS 9400表面活性劑42ml1．MegasolTM、Kasil硅酸鉀和NYA COL 830的混合物，其中，MegasolTM具有50％的固體含量，它從Wesbond Corp．購買，按膠體粘合劑重量87％的量存在，Kasil硅酸鉀按膠體粘合劑重量約8％的量存在，而NYACOL830按膠體粘合劑重量約5％的量存在。
2．熔融氧化硅，它從C-E Minerals購買，粒度為44-177微米3．煅燒過的Florida鋯英石，粒度為-325目，它從ContinentMinerals購買4．表面活性劑，它從Buntrock Industries，Williamburg，VA購買例25除了在膠體粘合劑中，MegasolTM按膠體粘合劑重量10％的量存在、Kasil按膠體粘合劑重量約3％的量存在，及NYA COL 830按膠體粘合劑重量約87％的量存在之外，其余按照例24的操作進(jìn)行。例26除了在膠體粘合劑中，MegasolTM按膠體粘合劑重量57％的量存在、Kasil按膠體粘合劑重量57％的量存在、Kasil按膠體粘合劑重量約5％的量存在，及NYA COL 830按膠體粘合劑重量約38％的量存在之外，其余按例24的操作進(jìn)行。
權(quán)利要求
1．制造陶瓷殼模的方法，包括將一底層泥漿涂層涂敷到熱塑性材料制的一次應(yīng)用模型上，以便生產(chǎn)一種涂敷底層的預(yù)成型坯件，上述底層泥漿包括耐火材料和一種膠體硅溶膠，烤干上述涂敷底層的預(yù)成型坯件，將一耐火加固層泥漿涂層涂敷到上述涂敷底層的預(yù)成型坯件上，以便生產(chǎn)一種涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件，上述耐火加固層泥漿包括耐火材料和一種膠體硅溶膠，烤干上述涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件，除去上述涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件中的熱塑性模型，以便生產(chǎn)一種生坯陶瓷殼模，將上述生坯殼模加熱到足夠產(chǎn)生陶瓷殼模的溫度，其特征在于在上述底層泥漿或耐火加固層泥漿的至少其中之一中，上述溶膠具有平均粒度約為40納米。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在烤干上述涂敷底層的預(yù)成型坯件或涂敷耐火加固層預(yù)成型坯件之前，將灰泥材料涂敷到上述涂敷底層的預(yù)成型坯件或涂敷加固層的預(yù)成型坯件的至少其中之一上。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于上述膠體硅溶膠具有平均粒度的范圍為約6nm至約190nm。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于上述膠體硅溶膠具有顆粒的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為20nm。
5．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于上述溶膠具有的鈉含量約為0．02％至0．35％。
6．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于上述硅溶膠具有固體含量為約30％至約50％。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于上述硅溶膠具有固體含量約為40％。
8．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于上述底層泥漿包括一種耐火粒料，它是從一組耐火粒料中選定的，這組耐火粒料包括熔融氧化硅和鋯英石，上述耐火粒料具有粒度約為-200目至-350目。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于上述耐火加固層泥漿包括熔融氧化硅，該熔融氧化硅具有粒度約為-80目至-270目。
10．按權(quán)利要求2所述的方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
11．制造陶瓷殼模的方法，包括將一底層泥漿涂層涂敷到熱塑性材料制的一次應(yīng)用模型上，以便生產(chǎn)一種涂敷底層的預(yù)成型坯件，上述底層泥漿包括耐火材料和一種膠體粘合劑，該膠體粘合劑包括硅溶膠和硅酸鉀，烤干上述涂敷了底層的預(yù)成型坯件，將一耐火加固層泥漿涂層涂敷到上述涂敷了底層的預(yù)成型坯件上，以便生產(chǎn)一種涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件，上述耐火加固層泥漿包括耐火材料和一種膠體硅溶膠，烤干上述涂敷了耐火加固層的預(yù)成型坯件，除去上述涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件中的熱塑性模型，以便生產(chǎn)一種生坯殼模，和將上述生坯殼模加熱到足夠生產(chǎn)陶瓷殼模的溫度，其特征在于在上述底層泥漿或耐火加固層泥漿的至少其中之一中，在上述膠體氧化硅粘合劑中應(yīng)用的膠體硅溶膠具有平均粒度約為40nm。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在烤干上述涂敷底層的預(yù)成型坯件或涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件之前，將灰泥材料涂敷到上述涂敷底層的預(yù)成型坯件或涂敷加固層的預(yù)成型坯件的至少其中之一上。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于硅酸鉀按膠體硅溶膠重量高達(dá)50％的量存在，該膠體硅溶膠具有平均粒度約為40納米。
14．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于硅酸鉀按膠體硅溶膠重量約6-8％的量存在，該膠體硅溶膠具有平均粒度約為40納米。
15．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于硅酸鉀按膠體硅溶膠重量約6％的量存在，該膠體硅溶膠具有平均粒度約為40納米。
16．按權(quán)利要求12所述的方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
17．制造陶瓷殼模的方法，包括將一底層泥漿涂層涂敷到熱塑性材料制的一次應(yīng)用模型上，以便生產(chǎn)一種涂敷底層的預(yù)成型坯件，上述底層泥漿包括耐火材料和一種膠體粘合劑，烤干上述涂敷底層的預(yù)成型坯件，將一耐火加固層泥漿涂敷到上述涂敷了底層的預(yù)成型坯件上，以便生產(chǎn)一種涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件，上述耐火加固層泥漿包括耐火材料和一種膠體硅溶膠，烤干上述涂敷了耐火加固層的預(yù)成型坯件，除去上述涂敷耐火加固層的預(yù)成型坯件中的熱塑性模型，以便生產(chǎn)一種生坯殼模，和將上述生坯殼模加熱到足夠生產(chǎn)陶瓷殼模的溫度，其特征在于在上述底層泥漿或耐火層泥漿的至少其中之一中，上述膠體粘合劑是一種混合物，該混合物由一種平均粒度約為40納米的膠體硅溶膠、一種平均粒度約為8納米的膠體硅溶膠，和硅酸鉀組成。
18．如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在烤干涂敷底層的預(yù)成型坯件或涂敷加固層的預(yù)成型坯件之前，將灰泥材料涂敷到上述涂敷底層的預(yù)成型坯件或涂敷加固層的預(yù)成型坯件的至少其中之一上。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于在上述膠體粘合劑中，膠體硅溶膠具有平均粒度約為40納米，它按膠體粘合劑重量的約10％至約87％的量存在，硅酸鉀按膠體粘合劑重量的約3％至約8％的量存在，并且小粒度的膠體硅溶膠具有平均粒度約為8納米，它按膠體粘合劑重量高達(dá)約5％至約87％的量存在。
20．按權(quán)利要求18所述的方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
全文摘要
公開了在一次應(yīng)用的模型(1)上快速形成陶瓷殼模的方法。該方法要求使用耐火泥漿,該耐火泥漿包括大粒度的膠體硅溶膠粘合劑。膠體硅溶膠粘合劑具有平均粒度約為40納米,亦即比迄今為止在制造陶瓷殼模時(shí)所用的膠體硅溶膠粘合劑約大3—4倍。利用大顆粒的溶膠生產(chǎn)出生坯的陶瓷殼模(20),它比用觀有技術(shù)的小粒度硅溶膠制造的陶瓷殼體的生坯強(qiáng)度約大40%至70%。利用大粒度溶膠的底層和耐火加固層,比應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的小粒度硅溶膠的底層和加固層烤干要快大約30%至40%。
文檔編號(hào)B22C1/08GK1290198SQ99802918
公開日2001年4月4日 申請(qǐng)日期1999年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月11日
發(fā)明者約翰·范德米爾 申請(qǐng)人:邦特羅克工業(yè)公司