CN101952094A - 铸造用模制品的生产 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由颗粒状耐火材料和粘结剂生产铸造用模具及其部件的方法，特别是用于生产壳模、砂型芯以及它们的部件的方法。为此，利用了具有使有前在其上施加了包括至少一种有机硅组分的组合物的部件的设备。另外，本发明还涉及这样的组合物用于生产铸造用模具的用途以及相应的设备。所述设备的特征在于它包括至少一个配备有有机硅的层或涂层的部件。

Description

铸造用模制品的生产

本发明涉及铸造用模具的生产方法，特别是壳模(mask mold)、砂型芯(sand core)及它们的部件的生产方法，以及适用于该方法的组合物和设备。

在铸造技术中，耐热模具可以特别地由颗粒状耐火材料进行生产，并需要粘结剂。

铸造目的所用的模具通常为壳模，它可以用壳型铸造法(Croning process)(以其发明者Johannes Croning命名)来进行生产。通常，壳模由两半组成，当将这两半放置到一起时即形成与模型轮廓相应的模具材料壳。壳模及其部件优选为使用加热造型设备由砂和合成树脂的混合物生产得到。所述混合物被引入到空心模型中，该空心模型的内部空腔确定了待生产的模具或待生产的模具部件的全部表面轮廓。由于在制模过程中热的作用，合成树脂粘结剂固化形成自支承的壳状模具，其优选为低厚度的，该模具界定了待铸造产品的外部轮廓。在之后的浇铸过程，该模具可以例如由颗粒材料回填。

为了生产出铸造产品内部的空腔，需要能够被放置在铸造模具内且其外部形状与待铸造产品的内部轮廓相适应的型芯(core)。从而，型芯能够为模具的成分。浇铸完成后，型芯可以再从铸造产品中被移除(溶出)。

与壳模类似，型芯常常由颗粒状耐火材料和粘结剂来生产。例如，在射芯过程中，掺有粘结剂的砂(被称为型芯砂)可以在界定的压力和界定的温度下被引入到型芯盒(core box)(通常由模具的两个部件或半模组成的设备，在使用时密封至少一个被称为模具空腔的内部空腔，其中，该内部空腔具有待制造型芯的形状)中。粘结剂固化后，成品型芯(其基于其组成通常被称为砂型芯)可以从型芯盒移除和用于其目标应用。

由于在生产金属铸造产品中，不允许液态金属和模具之间发生化学反应，壳模和型芯通常必须用非常高品质的材料制成，例如，由纯硅砂制成。材料的颗粒尺寸优选经选择以使得铸造产品的表面不会太粗糙。

通常，使用有机粘结剂，例如，液体酚醛树脂(phenolic resion)、呋喃树脂和氨基树脂(或它们的组合)作为粘结剂。通过加入硬化剂例如硬脂酸铵，粘结剂与合适的颗粒状耐火材料的混合物在200℃-270℃的温度能够在很短时间内固化。然而，近来，无机粘结剂被越来越多地使用。这种类型的粘结剂特别可能是，水玻璃、硫酸镁、磷酸钠、粘土、蒙脱土、海绿石、高岭土、气凝胶、水泥或石膏粉饰(gypsum plaster)。另外，页矿物特别是页硅酸盐一般也适合于用作无机粘结剂。

然而，无论是使用有机粘结剂还是使用无机粘结剂，都常常出现问题。即颗粒状耐火材料和粘结剂的混合物常常会粘附到前文所述的内部空腔的壁上。随着时间流逝，形成越来越厚的结块材料并从而导致模制品的不精确，这随后在最终的铸造产品中反映出来。

已知这种粘附材料或结块材料能够通过“速贴(Quickpad)”来避免。速贴(Quickpad)是能够例如基于特弗隆(Teflon)层的抗粘附的粘着剂。这必须手工粘至内部空腔然后再移除，当效果减弱再更换，这伴随着相对高的支出。此外，这种速贴(Quickpad)的应用很有限，因为在内部空腔的一些区域会有很复杂的轮廓从而会使其不能使用。再则，速贴(Quickpad)的热稳定性很有限，从而使得其不适合在热固化过程中使用。

作为速贴(Quickpad)的替代，已知的是可以使用一次性脱模剂，尤其是基于蜡的一次性脱模剂。这种脱模剂在内部空腔的壁上形成液体膜。然而，它们在一些关键区域经常会保持无效，因为颗粒状耐火材料和粘结剂的混合物在进入空心模型和芯模(core mold)时，常常处于高压下，因此脱模剂被机械地洗去。

本发明的目的是提供改良的生产用于铸造目的的模具特别是壳模和型芯的工业解决方案，在该解决方案中，没有发生前文所述的问题。

该目的通过具有权利要求1所述特征的生产铸造用模具的方法、包括权利要求8的特征的用途以及具有权利要求24的特征的设备达到。本发明的方法的优选实施方案由从属权利要求2-7限定。本发明的用途和本发明的设备的优选实施方案记载在从属权利要求9-23以及25-28中。在下文中，一些优选的特征可能只在本发明的前述主题之一的描述中做了详细解释。然而，相应的解释仍然打算被应用于本发明的所有主题中。所有权利要求的措辞在此引入本发明说明书作为参考。

本发明的方法用来生产铸造用模具，尤其优选壳模、型芯(特别是砂型芯)及它们的部件。从而，本发明的方法既能用来生产界定待铸造产品外部轮廓的模具，也可以用来生产能够用于产生空腔的模具(型芯)。

在本方法中，包含颗粒状耐火材料和粘结剂的组合物被引入(特别是被吹入)到空心模型中。将其引入后，粘结剂一般马上固化，因而生产的模具可以被移走。空心模型的内部轮廓或其形状决定了待生产的模具或待生产的型芯的全部表面的轮廓。模具本身由可以相互分离以便于让模具移出的至少两个部件组成。为生产砂型芯，优选使用本领域技术人员熟知的传统的模箱(mold box)或传统的砂箱(mold flask)。

本发明所述生产铸造用模具的方法的特征特别在于，在至少一个所述能分离部件使用前，对其施用包含至少一种有机硅组分和优选的至少一种溶剂的组合物。

本发明所述生产铸造过程用型芯的方法优选包括以下步骤：

-通过至少一个加料口将组合物引入(特别是射入)到内部空腔中，该组合物包括颗粒状耐火材料和粘结剂(所述组合物优选基本由颗粒状耐火材料和粘结剂组成)；

-固化该粘结剂，以及

-移出该模具。

包含有机硅组分的组合物优选以如下这种方式施加：使得内部空腔的壁的至少部分，优选全部被层或者涂层覆盖。特别地，组合物被施加到在包括颗粒状耐火材料和粘结剂的组合物被引入时受到特别强烈机械应力的区域，换而言之，特别是位于至少一个进料口的相对侧并因此在射入期间被组合物直接冲击的区域。

组合物优选用喷雾法或浸渍法进行施用。当然需要在每种情况下使用具有合适稠度的组合物。对此要求的特性以及组合物的其它特性都能通过加入适当的添加剂诸如增稠剂、流变添加剂等来调节。合适的添加剂为本领域技术人员已知的，因而不需要在这一点上做详细地解释。

包括有机硅组分的组合物能够在施用后立即固化。在本发明的方法中，组合物的固化优选为加热进行，进一步优选为在室温至350℃范围的温度进行，尤其优选为20℃-300℃，特别为30℃-200℃。

在这种情况下，所述组合物优选包括至少一种能够热交联的组分。特别地，这也可能是所述至少一种有机硅组分。

在本发明方法的另一个优选实施方案中，也可以通过电磁辐射进行固化，使用波长在UV和/或IR区域内的辐射是特别优选的。

在这种情况下，所述组合物优选包括至少一种能够经辐射交联的组分。因此，例如，所述至少一种有机硅组分能够含有可经辐射交联的侧链(特别是含有乙烯属双键的链)。

从原理上来，固化也可能既通过加热又施用辐射进行。从而，能够热交联的组分和能够借助辐射交联的组分能两者都存在于该组合物中，在这种情况下，不需要所有组分都是有机硅组分。这样，例如，也可以优选使用聚酯树脂作为该组合物的组分。

用这种方式生产的有机硅层或有机硅涂层具有优异的脱模功能，有效防止所述包括颗粒状耐火材料和粘结剂的组合物与所述内部空腔的至少关键壁区域之间的直接接触。因此，层或涂层也能被称作脱模层。它们具有高的不润湿性能。另外，其特征还特别在于，具有格外高的抗磨损性能和很好的粘着性能。

所述颗粒状耐火材料特别优选为型砂，特别是硅砂。

作为颗粒状耐火材料的粘结剂可使用开头提到的有机粘结剂。然而，也可使用无机粘结剂，任选地与一种或多种有机粘结剂组合使用。可能的无机粘结剂特别为水玻璃、硫酸镁、磷酸钠、粘土、蒙脱土、海绿石、高岭土、气凝胶、水泥、石膏粉饰、页矿物如页硅酸盐以及所提及组分的组合。

根据上文所述，本发明还涵盖了包含至少一种有机硅组分和优选至少一种溶剂的组合物的用于生产铸造用模具及其部件的用途，特别是在本发明方法中用于生产铸造用模具的用途。

所述至少一种有机硅组分优选为可交联组分，从而包括在辐射和/或加热时能相互发生反应的化合物。其特别优选包括硅烷或硅氧烷或可交联的硅化合物。也可以使用硅烷和硅氧烷或硅酮的组合。

根据本发明，特别适合的硅烷为有机官能的硅烷，诸如氨基硅烷、环氧基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷和异氰酸根合硅烷。在优选实施方案中，特别地，甲基丙烯酰氧基硅烷为可通过辐射交联的硅烷，例如，正如在上文所述，能够通过紫外辐射固化。

合适的硅氧烷和硅酮为，例如，聚硅氧烷比如特别地，聚二烷基硅氧烷(特别地，聚二甲基硅氧烷)、聚有机硅氧烷、环氧基硅酮以及聚醚硅酮。这些物质应分别具有可交联的基团。所述可交联的基团可以为例如这样的基团：能发生缩合反应的游离羟基基团或例如能够形成游离羟基基团的烷氧基基团。

而且，可能优选的是，所述组合物具有另外的有机硅组分；特别地，优选存在烷氧基硅烷。在这些特别优选的烷氧基硅烷中，可以特别提到的是烷基烷氧基硅烷例如，三甲基乙氧基硅烷或三甲基甲氧基硅烷。

总的来说，在优选实施方案中，本发明可以使用的组合物包括至少一种上述可交联的有机硅化合物以及附加的至少一种烷氧基硅烷。

此外，所述组合物可以包括至少一种具有含卤素侧链的硅烷，优选具有含氟侧链的硅烷，尤其是作为至少一种可交联的有机硅组分。这又特别地优选为具有含卤素侧链的烷氧基硅烷，优选为具有含氟侧链的烷氧基硅烷，特别优选为十三氟-1，1，2，2-四氢辛基-1-三乙氧基硅烷。

在实施例中，记载了既具有这样的含卤素侧链的硅烷，又具有烷基烷氧基硅烷的组合物。

除了至少一种可交联的有机硅组分，根据本发明可使用的组合物也可以进一步含有至少一种另外的可交联的有机组分，其不具有有机硅的特性，该有机组分特别为聚酯组分。

在一个特别优选的实施方案中，所述至少一种可交联的有机硅组分和所述至少一种另外的可交联有机组分相组合地作为硅酮聚酯树脂存在于组合物中。适合的硅酮聚酯树脂为，例如，市售聚酯改性甲基-苯基硅酮树脂，这种树脂还适合涂覆用于将面包产品更容易得从模具中移除的烘烤模具。

此外，可能优选的是，本发明可以使用的包括所述至少一种有机硅组分的组合物具有一种或多种脱模剂，特别是至少一种脱模油。该脱模剂优选为直链或支化的聚硅氧烷，特别为式RO-[R’₂Si-O]_n-R的聚硅氧烷，其中，R和R’彼此独立地表示具有1到8个碳原子的烷基或具有6-20个碳原子的芳基。

在其它优选实施方案中，无机颗粒，特别是具有纳米到微米范围的颗粒尺寸的颗粒，也可以存在于含有至少一种有机硅组分的组合物中。无机颗粒的性质并不关键，所有陶瓷颗粒基本上都适用。然而，特别优选的为硅酸盐颗粒。出人意料地已经发现，这种颗粒的存在显著增加了脱模层的抗磨损性能。

作为另外的组分，根据本发明可以使用的包括至少一种有机硅组分的组合物具有适合作为交联剂的组分。惯常的交联剂是本领域技术人员已知的。在本情况下特别优选的是，使用三乙氧基硅烷(TEOS)或三乙酰氧基甲基硅烷。

除了交联剂或作为其替代之外，根据本发明可以使用的组合物还可以具有催化剂，特别是至少一种缩合催化剂。这可以是例如酸比如盐酸或硫酸。

上述的溶剂优选为有机溶剂，特别为至少一种醇、醚和/或酯。也可以使用非极性溶剂诸如石油溶剂油。然而，对于本发明而言，溶剂的性质原则上并不关键。

根据本发明的用于制造铸造用模具的设备特别适合于制造壳模和型芯。该设备包括至少一个提供了有机硅的层或涂层(尤其是固化的有机硅的层或涂层)的部件。因此，本发明的设备自身优选为模具。

正如在上文中全面描述过的那样，层或涂层优选由包括至少一种有机硅组分和优选的至少一种溶剂的组合物制备。

在优选实施方案中，层或涂层具有1μm-100μm的厚度，优选为1μm-20μm。

所述至少一个部件优选至少部分，在优选实施方案中全部地，由金属和/或塑料组成。

所述层或涂层特别优选为永久地或至少半永久地束缚于所述模具的所述至少一个部件。在优选实施方案中，结合如此之强以至于层不能在不破坏的情况下被剥离。在优选实施方案中，在所述至少一个部件的表面上，层或涂层形成有机硅基体，无机颗粒可以嵌入到该基体中。

本发明的其它特征可以结合从属权利要求从实施例中得到。在此，在每个情况下的各个特征既可以单独，也可以以多个特征的组合在一个实施方案中得以实现。描述的优选实施方案仅仅是为了说明目的和更好地理解本发明而不构成对本发明的任何限制。

实施例1：依照本发明能够使用的组合物A的制备

将500g混合有脱模物质(例如市售的适用于将含糖的面包产品从模具移除的聚酯改性的甲基-苯基-聚硅氧烷树脂)的聚酯改性的甲基-苯基-聚硅氧烷树脂和500g作为溶剂的醋酸甲氧基丙酯(可能用深蓝色极深地染成蓝色)在1000ml烧瓶中相互混合，混合物在室温下搅拌1小时。依据所期望的层厚度，可以以2∶1至1∶2的比率稀释。在室温下搅拌4小时后，该产物已经准备好使用并能够通过喷雾法施用。

实施例2：依照本发明能够使用的组合物B的制备

组合物：

原料	％
		2-丙醇	93.8425
具有含氟侧链的硅烷	2.49
		TEOS(Dynasyl A)四乙氧基硅烷	2.035
三甲基乙氧基硅烷	0.5775
		盐酸0.1mol/l	1.055

将所述醇添加到1000ml的玻璃烧瓶中。然后在剧烈搅拌的同时，通过滴液漏斗，在1小时内，顺次加入具有含氟侧链的硅烷(十三氟-1，1，2，2-四氢辛基-1-三乙氧基-硅烷)、TEOS和三甲基乙氧基硅烷。然后逐滴地加入盐酸。在室温下搅拌4小时后，该水解的产物准备好使用而且能够被施用。

实施例3：依照本发明能够使用的组合物C的制备

原料	％
		2-丙醇	93.76
具有含氟侧链的硅烷	2.55
		胶态硅酸盐分散体	3.59
浓硫酸	0.10

所述醇被置入到100ml的玻璃烧瓶中。然后在剧烈搅拌的同时通过滴液漏斗，在1小时内，顺次加入具有含氟侧链的硅烷(十三氟-1，1，2，2-四氢辛基-1-三乙氧基-硅烷)和胶态硅酸盐分散体(在异丙醇中的硅酸盐分散体，其颗粒尺寸为约13nm，固含量为30％)。然后逐滴地加入硫酸。在室温下搅拌4小时后，该产物准备好使用而且能够被施用。

实施例4：组合物A的处理

在准备中，有待被涂覆的部件(例如具有5cm×15cm尺寸的不锈钢测试板作为测试基材)优选用异丙醇清洁。作为替代或者另外地，也可以用喷砂对所述部件进行清洁。

实施例1的产物A通过喷枪(如具有0.8喷嘴的SATA minijet 4 HVLP)，在2bar进行施加。所达到的层厚度约为3μm-75μm。在150℃-230℃固化1-4小时(在干燥箱中)。

实施例5：组合物B和C的处理

实施例2和3的产物B和C通过布(优选无尘布，如Texwype的Betawype TX 2009)和擦入(抛光)进行施加。然后通过热风机在200℃来实现热固化，固化进行的时间为1-3分钟，优选90秒，或者通过(在干燥箱中)在150℃-190℃达1-4小时来实现热固化，优选在190℃达2小时。

实施例6：在汽车铸造中，具有20个雕刻的型芯砂箱用所述产物A进行处理。在这里，关键区域(位于芯模材料的射入喷嘴对面)用该产物处理。该产物被施用并让其在室温固化24小时。然后该型芯砂箱被用来进行大批量生产。发现直至芯模材料会发生严重结块所用的时间增加到三倍。

实施例7：在铸造中，为了生产铸造卫生设施而用的外部模具的空心模型的部件用所述产物A处理。产物A如此施用，使得空心模型的内部空腔的壁完全被该产物的薄层涂覆。随后，该产物被允许在室温下固化24小时。然后该模具被用来大批量生产。即使当该空心模型已经被使用了多次，也没观察到模具材料出现严重结块。

实施例8：在汽车铸造中，使用所述产物A处理具有两个雕刻的金属模盒。在一个雕刻的情况下，使用所述产物处理关键区域(位于芯模材料的射入喷嘴对面)。产物被施用并让其在室温下固化24小时。第二个雕刻通过粘贴速贴(Quickpad)(具有非粘性效果的粘附膜)被覆盖。然后该模具被用来大批量生产。发现，对于这两种方法，芯模材料发生严重结块的时间是相同的。

Claims (28)

1.用于生产铸造用模具的方法，特别是用于生产壳模、砂型芯及它们的部件的方法，在该方法中，包括了颗粒状耐火材料和粘结剂的组合物被引入到空心模型中，所述空心模型的内部空腔确定了待生产的模具或待生产的模具部件的全部表面轮廓，其中所述模型由能够相互分离以便于让生产的模具移出的至少两个部件组成，其特征在于：使用前，向至少一个所述能分离的部件施用包含至少一种有机硅组分和优选至少一种溶剂的组合物。

2.根据权利要求1的方法，其包括以下步骤：

-通过至少一个加料口将包括颗粒状耐火材料和粘结剂的组合物引入到所述内部空腔中；

-固化所述粘结剂，以及

-移出所述模具。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于包括有机硅组分的组合物以如下方式被施用：使得所述内部空腔的壁部分或完全地被该组合物的层覆盖。

4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，包括有机硅组分的组合物在被引入所述内部空腔后固化。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，组合物的固化通过加热实现，特别是在20℃到300℃的温度，优选为30℃到200℃。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于，组合物的固化通过电磁辐射实现，特别是通过在UV和/或IR范围内的电磁辐射实现。

7.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，颗粒状耐火材料为砂，特别是硅砂。

8.包括至少一种有机硅组分和优选至少一种溶剂的组合物用来生产铸造用模具及其部件的用途，特别是用来生产壳模和砂型芯的用途，特别是在权利要求1所述的方法中。

9.根据权利要求8的用途，其特征在于，所述至少一种有机硅组分包括可交联的硅烷、硅氧烷和硅酮化合物中的至少一个成员。

10.根据权利要求8或9的用途，其特征在于，所述组合物包括至少一种烷氧基硅烷，特别是烷基烷氧基硅烷如三甲基乙氧基硅烷或三甲基甲氧基硅烷。

11.根据权利要求8-10中任一项的用途，其特征在于，所述至少一种有机硅组分包括至少一种具有含卤素侧链、特别是含氟侧链，的硅烷，优选为至少一种烷氧基硅烷，特别是至少一种具有含卤素侧链、特别是含氟侧链，的烷基烷氧基硅烷。

12.根据权利要求11的用途，其特征在于，所述至少一种具有含卤素侧链的硅烷为十三氟-1，1，2，2-四氢辛基-1-三乙氧基硅烷。

13.根据权利要求8-12中任一项的用途，其特征在于，所述组合物除了含有所述至少一种有机硅组分外，还含有至少一种另外的不具有有机硅特性的可交联有机组分，特别是聚酯组分。

14.根据权利要求13的用途，其特征在于，在所述组合物中，所述至少一种有机硅组分和所述至少一种另外的可交联有机组分作为硅酮聚酯树脂存在。

15.根据权利要求8-14中任一项的用途，其特征在于所述组合物具有至少一种脱模剂，特别是至少一种脱模油。

16.根据权利要求15的用途，其特征在于，所述组合物具有作为脱模剂的直链或支化的聚硅氧烷，特别是式RO-[R’₂Si-O]_n-R的聚硅氧烷，其中R和R’各自彼此独立地表示具有1到8个碳原子的烷基或具有6-20个碳原子的芳基。

17.根据权利要求8-16中任一项的用途，其特征在于，所述组合物具有无机颗粒，特别是颗粒尺寸在纳米尺寸范围内的颗粒。

18.根据权利要求17的用途，其特征在于，所述颗粒为硅酸盐颗粒。

19.根据权利要求8-18中任一项的用途，其特征在于，所述组合物具有至少一种适合于作为交联剂的组分。

20.根据权利要求19的用途，其特征在于，所述组合物具有三乙氧基硅烷(TEOS)作为交联剂。

21.根据权利要求8-20中任一项的用途，其特征在于，所述组合物具有至少一种催化剂，特别是至少一种缩合催化剂。

22.根据权利要求21的用途，其特征在于，所述组合物具有作为催化剂的至少一种酸，特别是盐酸和/或硫酸。

23.根据权利要求8-22中任一项的用途，其特征在于所述组合物具有至少一种有机溶剂。

24.用于生产铸造用模具的设备，特别是壳模或砂型芯，其特征在于，该设备具有至少一个提供有有机硅的层或涂层的部件。

25.根据权利要求24的设备，其特征在于，所述层或涂层是由包括至少一种有机硅组分和优选至少一种溶剂的组合物产生的。

26.根据权利要求24或25的设备，其特征在于，所述层或涂层具有从1μm-100μm的厚度，特别是1μm-20μm。

27.根据权利要求24-26中任一项的设备，其特征在于，所述至少一个部件至少部分地、优选全部地由金属和/或塑料组成。

28.根据权利要求24-27中任一项的设备，其特征在于，所述层或涂层具有有机硅基体，无机颗粒嵌入到该基体中。