CN109475928B - 一种用于制造壳模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从待制造的零件的蜡或其它类似材料的模型(6)制造壳模(1)的方法，所述壳模具有包括至少一个接触层(2)的若干层(2、3、4、5)，该方法包括将模型(6)浸入包括无机或有机粘合剂和粉末的接触浆料形成接触层(2)的步骤，其中粉末是莫来石‑氧化锆复合物。

Description

一种用于制造壳模的方法

本发明涉及以称为“失蜡”的方法制造铸造模具，所述铸造模具用于制造精密金属零件。这种类型的模具也称为壳模。

“失蜡”模具的生产是众所周知的并且被广泛使用，所述模具特别是用于制造具有复杂几何形状的精密零件或非常小或甚至独特系列的精密零件。

为了制造失蜡模具，要制造的零件的模型首先由蜡或可移除材料制成，其可以容易地从制造的模具熔化或移除。

该模型依次回火、喷砂和/或被涂覆增强介质并干燥。淬火操作在一个或多个浆料中进行。喷砂操作，也称为灰泥操作，在于增强由淬火期间沉积在模型上的浆料层构成的沉积物。在每次淬火和喷砂和/或涂覆操作之后，从不同的层中除去水。然后，例如在高压釜中通过期间(压力和温度处理)除去模型。最后，对模具进行热处理，以使其具有铸造金属所需的特性。

对于精密金属零件的制造，铸造熔融金属时模具必须是稳定的。稳定意味着熔融金属不得使模具材料反应而变形。

为了使模具具有完美的表面光洁度以生产零件，重要的是与模型接触的第一层(通常称为接触层)的组合物在化学上是相容的并且精确地匹配模型轮廓。该接触层是将模型浸泡在接触浆料中的结果。接触层必须是均匀的、稳定的、流畅的、致密的，与待制造的精密零件的熔融金属不反应并且与模具的后续层相容。另外，构成模具的接触层和后续层的膨胀系数必须是相容的，以避免由层的热膨胀差异引起的任何损坏。

包括氧化铝、锆石或电熔二氧化硅的不同浆料材料的使用在本领域中是已知的。这些化合物中的每一种都具有至少一个特别的缺点。例如，氧化铝与构成要生产的精密金属零件的某些合金不相容，电熔二氧化硅缺乏耐火性，而锆石除了放射性之外，随着熔融合金的温度增加而失去稳定性。

本发明更具体地旨在为这些问题提供简单、有效和合算的解决方案。

为此，本发明提出了一种从待制造的零件的蜡或其它类似材料的模型制造多层壳模的方法，该多层壳模包括至少一个接触层，该方法包括将模型侵入包括粘合剂和粉末的接触浆料形成接触层的步骤，粉末包括莫来石-氧化锆复合物。

使用莫来石-氧化锆复合物粉末限制了壳模和通过铸造引入到壳模中的金属合金之间的化学相互作用。上述复合物优选主要或几乎完全由莫来石和氧化锆组成。当然，应理解它可包括可忽略量的杂质。这些杂质可包括钙或钠。根据本发明的特征，粘合剂可以是无机或有机或有机和无机化合物的混合物。

莫来石-氧化锆复合物粉末使得可以产生具有良好流变稳定性、对熔融合金具有良好化学惰性并且允许受控制造的接触浆料。

应该记住，复合物是由几种基本组分组成的材料，其组合赋予整个性质，单独的组分都不具备。

采用莫来石前体如氧化铝和/或二氧化硅和氧化锆前体如氧化锆进行化学合成可获得莫来石-氧化锆复合物粉末。然后粉末颗粒由莫来石和氧化锆的聚集体形成。

优选地，莫来石-氧化锆复合物粉末的颗粒具有5至20μm的平均尺寸和从亚微米尺寸到100μm尺寸的尺寸分布。

根据另一个特征，接触层可以具有1mm或更小的厚度。期望限制接触层的厚度以避免由于氧化锆的存在而机械地削弱壳模。

为了获得良好质量的接触浆料，粉末中的氧化锆含量为5％至90％w/w，优选10％至50％w/w，甚至更优选30％至50％w/w。

有利地，粘合剂是硅胶。

为了促进模型表面上的接触层的润湿，接触浆料还包括至少一种润湿剂和/或至少一种消泡剂。

为了制造用于制造精密零件的耐磨模具，该方法在接触浆料中浸泡模型之后的步骤，其中：

-将模型喷砂，

-将喷砂模型干燥，

-将喷砂和干燥的模型浸入第二浆料中，该浆料优选不含氧化锆，以使其具有改进的机械耐磨性，

-将浸渍有第二浆料的模型涂覆增强材料，

-将涂覆有增强材料的模型干燥，以及

-将涂覆有增强材料并干燥的模型进行热处理。

有利地，重复浸泡在第二浆料的步骤，涂覆增强材料的步骤并干燥涂覆有增强材料并干燥的模型的步骤。

在该方法中的一系列步骤以及必要时重复某些步骤，将产生高质量的模具，其将忍耐精密零件的制造并且为制造的精密零件提供良好的外部表面光洁度。

在将模型浸泡在接触浆料中之前，该方法包括准备接触浆料的阶段，该阶段包括子步骤，其中：

-将粘合剂引入容器中，

-将莫来石-氧化锆复合物粉末添加到混合器中，

-使矿物胶体粘合剂和复合物粉末的混合物稳定。

有利地，接触浆料制造阶段还包括添加消泡和/或润湿剂的子步骤。

此外，本发明还涉及使用根据上述描述的方法的模具，制造铸件和固化的涡轮机零件。

通过参考附图的非限制性示例给出的以下描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1是根据本发明失蜡铸造模具的制造步骤的流程图，以及

-图2是在热处理步骤之前的铸模的示意性剖面图。

-图3和4是根据本发明可用于该方法的两种不同的莫来石-氧化锆复合物的颗粒得到的扫描电子显微镜图像；

-图5示出了莫来石-氧化锆复合物粉末的不同颗粒。

图1示出了制造用于制造精密零件的失蜡模具1所涉及的步骤的流程图。名称“壳模”也用于指代这种类型的模具，然而，在以下描述中，我们将使用简化术语模具1。

模具1，如图2中的横截面所示，包括多个层2、3、4、5，它们彼此叠加并覆盖由蜡或类似材料即具有类似特性且容易去除的材料制成的模型6。

制造模具1的方法包括步骤100至700，现在将对其进行描述。

在第一步骤100中，制造精密零件的模型6由蜡制成。

为了确保生产出完美精密的零件，模型6按照精密零件的精确尺寸制造，并包括高质量的外表面7光洁度。因此，模型6的外表面7上只能看到或检测到一些轻微的不规则，使得最终精密零件仅需要一次精加工(即加工操作)来研磨由此获得的精密零件的外表面。

有利地，模型6将具有这样的表面光洁度，使得不需要精加工，并且精密零件可以直接在模具的出口处使用。

例如，要制造的精密零件将是涡轮机叶片，其必须具有无粗糙度的外表面，以便：

-在使用中受到高离心力时，限制刀片破损的风险，或

-限制在叶片外表面上流动的气流的扰动。

在第二步骤200中，将模型浸入接触浆料中以在模型6周围形成接触层2，接触层2可具有小于或等于1mm的厚度。

接触层2在模具1的使用中具有重要作用，因为接触层2将其外表面赋予所生产的精密零件。因此，接触浆料必须同时致密且具有抵抗性，并且其粘度和覆盖能力受到控制。

粘度和密度是必要的，以便在浸泡期间，接触浆料完美匹配蜡模6，更准确地说是蜡模6的外表面7，而不会在接触浆料和模型6的外表面7之间产生气泡，这种气泡会在模具1的内表面8上形成在精密零件的外表面上产生粗糙度的空腔。

另一方面，接触浆料的抵抗性是必要的，使得接触层2在精密零件的制造期间不会变形。

为了满足这种粘度和强度的双重标准，接触浆料由无机和/或有机粘合剂和粉末组成，在本例中是莫来石-氧化锆复合物。

优选地，粘合剂是无机胶体粘合剂，诸如硅胶，其重量百分比在10％至40％，优选在20％至30％。

作为实施例，无机粘合剂可以是硅酸钠或硅酸乙酯，有机粘合剂包括水。

该粉末含有重量百分比的氧化锆含量为5％至90％，优选10％至50％，甚至更优选30％至50％。

根据优选实施方式，构成接触浆料的组成的质量分布如下：

-粘合剂(硅胶)：29.8％；

-复合物粉末(莫来石-氧化锆)：70.0％；

-润湿剂、消泡剂和其他添加剂：0.2％。

这里给出质量分布作为示例，应当理解，质量分布的变化在0.1％和10％之间是可能的。

例如，可以添加的其他添加剂可以是用于限制细菌和增加浆料稳定性的杀菌剂、或其他有机粘合剂，以确保在蜡模6上的接触层2的均匀和抵抗性的沉积。

有利地，接触浆料还包括润湿剂和消泡剂。

接触浆料的生产可以如下进行：

-将矿物胶体粘合剂和润湿剂引入容器中并混合，容器在本例中是混合器，

-然后将莫来石-氧化锆复合物粉末添加到混合器中，

-添加消泡剂，

-混合器保持运行1小时至48小时，优选24小时，

-将得到的混合物转移到用于浸泡模型的容器中，诸如浸泡槽，以及

-使混合物稳定24小时至48小时，优选24小时。

在这些步骤之后，回火槽中的混合物就是接触浆料。

与现有技术的浆料相比，接触浆料的组合物具有许多优点，包括更好的耐久性、良好的化学稳定性、更短的制造时间、非放射性配方和改进的模具质量。

例如，与现有技术的浆料相比，根据本发明的接触浆料提供：

-生产时间至少减半，

-至少16％的更高密度，

-制造结束时粘度降低至少60％，制造结束后30天降低约50％，以及

-更好地覆盖蜡模6，尤其是其复杂的形状，诸如凹处或凹槽。

在第三步骤300中，浸渍在接触浆料中的模型6被打磨然后干燥。喷砂以温和的方式进行，粉末不会影响接触层2，特别是模具1的内表面8的状态。

喷砂使得可以增强接触层2并且便于模具1的第二层的附着。

在第四步骤400中，由经过打磨和干燥的接触层2涂覆的模型6在第二浆料中回火，第二浆料可以具有与接触浆料相同的组成或与接触浆料不同的组成。

在第五步骤500中，将从第二浆料出来的模型被打磨然后干燥。

在步骤500结束时，获得模型6，在该模型上叠加接触层2和第一加强层3。

如图1中的虚线箭头所示，可以根据模具1的厚度重复步骤400和500。

在图2所示的模具1的示例中，第二加强层4和第三加强层5叠加在第一加强层上。

然而，模具1的这个例子决不是限制性的，可以提供更多或更少数量的加强层3。

在第六步骤600中，将蜡模6熔化，使得仅保留模具1。

最后，在第七(和最后)步700中，包括足够数量的加强层(这里是三个加强层3、4、5)的模具1经受热处理，在本例中是在烤箱中烘烤，以便固化模具1。

然而，通常，在模具1的热处理之前进行蜡模6的去除(也称为上蜡步骤)。也可以在热处理步骤700中去除蜡模6，固化模具1的温度足以熔化来自模型6的蜡，然后步骤600和700合并成单个步骤。

当模具1完成时，可以将材料(例如用于制造叶片的金属合金)对着内表面8浇铸到模具1中。冷却后，该铸造材料然后形成待制造的精密零件。

为了从模具1移除精密零件，可以机械地(模具1断裂)或化学地(模具1溶解)移除模具1，或者通过两种方法的组合。

选择用于接触浆料的莫来石-氧化锆复合物粉末的另一个优点是接触层2与可以铸造以形成精密零件的各种材料的化学反应的风险低(或没有)。

此外，莫来石-氧化锆复合物确保了浆料的良好易用性，并且允许覆盖具有复杂几何形状的蜡模6，并且特别是容纳在凹槽和其他难以接近的空腔中，以便蜡模6的所有细节在接触层2上再现。

最后，莫来石-氧化锆复合物具有不具放射性的优点，因此可以在没有特定设备的情况下进行处理。

现在参考图3和4，它们代表根据本发明可用于该方法的两种不同的莫来石-氧化锆复合物颗粒获得的两个扫描电子显微镜图像。莫来石-氧化锆复合物可以通过熔融合成(图3)或通过固态反应烧结合成(图4)获得，然后在两种情况下通过冷却固化。然后将所得的莫来石-氧化锆复合物块微粉化或超细研磨。

在图3的图像中，几个颗粒9可以与莫来石-氧化锆复合物粉末区分开，其中莫来石用附图标记10表示，氧化锆用附图标记11表示。在图4的图像中，颗粒9中莫来石和氧化锆没有区别，由于莫来石-氧化锆复合物粉末的颗粒内的莫来石和氧化锆的分布更均匀。

图5是莫来石-氧化锆复合物粉末的几个颗粒的示意图，显示出颗粒形状的多样性。优选地，莫来石-氧化锆复合物粉末的颗粒具有5至20μm的平均尺寸和从亚微米尺寸到100μm尺寸的尺寸分布。

Claims (16)

1.一种从待制造的零件的蜡的模型(6)制造壳模(1)的方法，所述壳模具有包括至少一个接触层(2)的若干层(2、3、4、5)，该方法包括将模型(6)浸入包括粘合剂和粉末的接触浆料形成接触层(2)的步骤，其特征在于，粉末包括莫来石-氧化锆复合物，所述粉末的颗粒由莫来石-氧化锆的聚集体形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，粉末中的氧化锆含量为5重量％至90重量％。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，粉末中的氧化锆含量为10重量％至50重量％。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，粉末中的氧化锆含量为30重量％至50重量％。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，莫来石-氧化锆复合物粉末的颗粒具有5至20μm的平均尺寸。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，接触层的厚度小于或等于1mm。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，粘合剂是硅胶。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，接触浆料还包含至少一种润湿剂和/或至少一种消泡剂。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其包括在接触浆料中浸泡模型(6)之后的步骤，其中：

-将模型(6)喷砂，

-将喷砂模型(6)干燥，

-将喷砂和干燥的模型(6)浸入第二浆料中，

-将浸渍有第二浆料的模型(6)涂覆增强材料，

-将涂覆有增强材料的模型(6)干燥，以及

-将涂覆有增强材料并干燥的模型(6)进行热处理。

10.根据利要求9所述的方法，其中，重复浸泡在第二浆料中的步骤，涂覆增强材料的步骤以及干燥涂覆有增强材料并干燥的模型(6)的步骤。

11.根据利要求9所述的方法，其中，所述第二浆料不含有氧化锆。

12.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其在将模型(6)浸泡在接触浆料中之前包括制作接触浆料的阶段，该阶段包括以下步骤：

-将矿物胶体粘合剂引入容器中，

-将莫来石-氧化锆复合物粉添加到混合器中，

-使矿物胶体粘合剂和粉末的混合物稳定。

13.根据利要求12所述的方法，其中，制备接触浆料的阶段还包括添加消泡剂和/或润湿剂的步骤。

14.根据利要求12所述的方法，其中，所述容器是混合器。

15.由权利要求1-14中任一项所述的方法获得的模具(1)在制造铸件中的用途。

16.根据权利要求15所述的用途，所述铸件是固化的涡轮机零件。

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