铸造方法以及用于进行该方法的制品

技术领域

本发明涉及用铸型铸造金属和复合物制品的方法，该铸型包括多孔 粉末制品作为牺牲模样。本发明进一步涉及制造这些铸型和模样的方 法，以及这些铸型和模样本身。优选的，这种多孔粉末制品是用快速原 型法(rapid prototyping process)制造的。

技术背景

浇铸或者铸造制品单指由熔融金属在铸型中固化制得的制品。铸件 具有浇铸时所用的铸型的形状。铸件被用作许多工业和生活品中的部 件。

所用铸型的类型很大程度上依赖于所选用的浇铸方法。从金属铸造 产生起直到最近，砂子一直就是浇铸熔融金属最常用的模制介质。铸型 可以用其它材料制造，例如，有金属铸型，石墨铸型和石膏铸型。在很 多情况下，在制造形成铸件的铸型的过程中要使用模样。一些模样可以 重复使用上百乃至上千遍，而其它模样则是一次性使用的，其在铸型制 造过程中被破坏。

已知的铸造法有很多，每种有各自的优点和缺点。这些方法包括砂 型铸造，熔模铸造，重力或者低压永久型铸造，高压压力铸造，搅溶铸 造，离心铸造，石膏或者壳型铸造以及压实铸造。

制造铸型经常是费时费钱的工作。需要有专业技工，有时要用到复 杂昂贵的自动机加工方法，来对铸型或者铸型的模样进行精确的细节加 工。铸造方法的制造铸型或者模样的要求常常导致要有很长的时间才能 交付第一批铸件。例如，为了准备第一批铸件，熔模铸造需要三个月。 压力铸造和永久型铸造需要更长的交付时间，可达6个月。然而，新产 品设计者越来越需要短的周转时间，以能够从初始构想到最终部件可对 设计进行多次修改。

设计者可用快速原型法来快速得到一种新设计的三维模型。“快速 原型”一词指的是这样一类技术，其用计算机辅助设计(CAD)数据在 相对短的时间内构建出实体模型。快速原型在“固相自由成型制造工艺” 领域中也是熟知的。快速原型法有时称为“三维打印机”，因为它们允 许设计者快速的将其设计从计算机文件生成切实的三维模型，而不仅仅 是二维图片。由快速原型法生成的模型有很多应用。例如，使得在和同 事或者客户交流想法时有很好的视觉辅助。另外，由快速原型法制得的 蜡模型已经在失蜡铸造工艺中用作模样。尽管快速原型法非常适合于制 造原型，但本领域技术人员明白，快速原型法的产品并不仅仅局限在原 型上。

商业可获的快速原型系统的两个例子是三维打印(3DP)和选择性 激光烧结(SLS)。这两种方法都是逐层建造实体模型，用聚合物粘结 剂将粉末粘结起来制出三维制品。这些方法能够制造出具有复杂内部特 征的物品，例如通道，这是用其它方法不能制造的。3DP法在概念上与 喷墨打印相似。然而，3DP法沉积的是聚合物胶，而不是墨。根据想要 的物品的三维计算机重现的二维切片，将这种聚合物胶打印到粉末层 上。SLS法通过将用聚合物包覆的粉末颗粒熔融在一起来建造物件。计 算机驱动的激光束扫描每层粉末，将相邻颗粒的聚合物包覆层熔融在一 起，从而将颗粒粘结到一起形成粘结体。

3DP和SLS法制造的多孔粉末制品一般这样构成，大约30％到超过 60％体积比的粉末，这依赖于粉末的堆积密度，以及大约10％体积比的粘 结剂，余下的为空隙。用这两种方法之一制造的多孔粉末制品是有些易 碎的，一般需要热处理，以得到机械性能提高了的完全致密的物件。典 型的热处理方法由去粘结(debinding)，粉末烧结和用第二种熔融金 属对烧结体进行渗透构成。

发明简述

本发明涉及使用相对密度小于大约80％的多孔粉末制品作牺牲铸造 模样。相对密度用百分比表示，是多孔粉末制品的实际密度和其如果没 有孔隙或者聚合物粘结剂所能具有的密度之比。完全致密的制品的相对 密度是100％。在词组“多孔粉末制品”中用的“多孔”一词表明粉末制 品不是完全致密的。优选的，该多孔粉末制品具有低的相对密度，例如 30-40％。以使相对多部分的熔融金属浇铸到铸型中。

本发明的一些实施方案通过结合采用快速原型技术和传统铸造法， 可在短的交付时间内制得铸件。在这些实施方案中，用快速原型技术制 造由用聚合物粘结剂粘结到一起的粉末构成的多孔粉末制品。用这种多 孔粉末制品作为牺牲模样来制作铸型，其中，在铸造砂箱中，用铸砂将 该多孔粉末制品围起来。将整个砂箱组件加热，以去除或者分解多孔粉 末制品中的聚合物粘结剂。将熔融金属浇铸到包含这种多孔粉末制品的 铸型中，其中的多孔粉末制品会熔融或者部分熔融，这取决于熔融金属 的温度，然后和熔融金属一起固化形成铸件。在一些优选的实施方案中， 在用铸砂围起来之前，为多孔粉末制品提供陶瓷涂层。

多孔粉末制品还可以用其它方法制造。这些方法的例子包括，但不 限于，模压，冷等静压，以及将疏松的粉末以一定形式烧结。尽管在一 些情况下，采用由快速原型法之外的方法制造的多孔粉末制品作牺牲模 样或许不会缩短从初始设计到浇铸之间的时间，然而，多孔粉末制品的 这种用途提供了制造铸型的至今末知的方法。

用作牺牲铸造模样的多孔粉末制品决定了在其周围制备的砂型或 者陶瓷壳的形状。像传统的牺牲铸造模样一样，多孔粉末制品在一次性 使用过程就会基本被破坏。然而，不像传统的牺牲铸造模样，该粉末的 组成材料会成为整个铸件的一部分。在一些情况下，随着将熔融金属浇 铸到含有这种多孔粉末制品的铸型里，这种多孔粉末制品的粉末会完全 或者部分熔融，并与浇铸的熔融金属混和或者合金化。在其它情况下， 这种粉末与浇铸的熔融金属形成复合材料。

还涉及制造包括多孔粉末制品作牺牲模样的铸型的方法。这些方法 包括步骤：例如采用快速原型法制造多孔粉末制品，用这种多孔粉末制 品作牺牲模样制造铸型。一些实施方案包括步骤：为多孔粉末制品提供 陶瓷涂层。

本发明还涉及包括多孔粉末制品的牺牲模样和铸型。

本发明的实施方案采用快速原型法制造多孔的粉末制品作牺牲模 样，具有的优点是在某些情况下，可以铸造具有复杂形状和内部特征比 如通道的铸件，而不必在铸型中插入型芯。

本发明的另一个优点是，在一些实施方案中所制造的铸件可以具有 均匀的显微组织，并且是可以通过热处理冶金硬化的。相反，传统的浸 渗快速原型件通常既不均匀，也不是可硬化的。

对于本领域技术人员来讲，通过下面对优选实施方案的详细描述和 附图，本说明书和权利要求主旨中固有的其它特征和优点将变明显。

附图简述

参照附图将能更好的理解本发明的详细特征和优点。然而，应该明 白，设计附图的目的仅是为了说明，而不能被看成是对本发明的限制。

图1A-D说明的是用传统的快速原型法制造多孔粉末制品的连续步 骤。

图1A说明的是制造多孔粉末制品的单层的三个步骤。

图1B说明的是部分完成阶段的多孔粉末制品。

图1C说明的是在最后一层打印完成后的多孔粉末制品。

图1D说明的是最终的多孔粉末制品。

图2A-E说明的是利用了图1中所示的多孔粉末制品的方法的连续 步骤。

图2A说明的是在其外表面和内表面形成了陶瓷耐火涂层后的多孔 粉末制品。

图2B说明的是在铸造砂箱中用铸砂将图2A中的多孔粉末制品围起 来，进行预热，以制造铸型。

图2C说明的是将熔融金属浇铸到图2B所示的铸型中。

图2D说明的是在图2C中浇铸的铸件的固化和冷却。

图2E说明的是从铸砂中取出之后的图2D中的铸件。

图2F说明的是去除了直浇道之后的图2E中的铸件。

本发明的最佳实施方案

在本部分中，对本发明的一些现有优选实施方案进行详细描述，以 使本领域技术人员可以实践本发明。

本发明的优选实施方案可以用来制造复杂的紧公差铸件。在一些优 选的实施方案中，用快速原型法制造多孔粉末制品，然后用其作牺牲模 样制造铸型。这些实施方案使用的快速原型法可采用如下步骤：

1.创建该设计的CAD模型。用计算机辅助设计(CAD)软件对待 建造制品建立模型。设计者可以采用已存在的CAD文件，或者也可以为 原型目的专门创建一个。

2.将CAD模型转成称为STL格式的立体印刷文件格式。STL格式 已经在快速原型工业中作为标准采用。

3.用切片运算程序将STL计算机模型切片成大量的薄截面层。这 样的可用程序有多种，多数允许用户调节模型的尺寸，位置和取向。

4.在快速原型机上制造该制品。用快速原型机逐层构建真正的制 品，以进行制品的实际构建。

5.对制品进行清理和修整。这包括将该制品从快速原型机上取 下，去掉所有的松散粉末。对制品进行一些小的清理和表面处理也是必 要的。

本发明的这些实施方案可以采用本领域技术人员熟知的任何形式的 能够制造多孔粉末制品的快速原型法。两种尤其优选的方法是3DP和 SLS。应该明白，通过它们独特的结构特征，本领域技术人员能将用快速 原型法制得的多孔粉末制品与用其它方法制得的多孔粉末制品区分开 来。这是因为，不像其它的造型方法，快速原型法不会使粉末颗粒变形， 或者在相邻的粉末颗粒之间产生界面结合。另外，快速原型法能够制造 出具有内部特征比如通道的多孔粉末制品，这是用其它方法不能制造的。

图1A-D示意说明了用传统快速原型法制造多孔粉末制品的连续步 骤。所示的多孔粉末制品是一个小部件的模样2。参照这些附图，图1A 所示的是制备这种小部件模样的单层，在这个阶段的小部件模样2只是 部分完成。部分完成的小部件模样2被快速原型机6中的粉末床4包围。 在最左端的一幅中，用辊8将粉末床4的上表面滚平，在部分完成的小 部件2上分布粉末层10。在中间的一幅中，打印头装置12从粉末层10 上扫过，形成部分完成的小部件模样2的新顶层14。在3DP方法中，打 印头装置12向粉末层10上提供聚合物粘结剂将相邻的粉末颗粒粘结到 一起。在SLS方法中，打印头装置12把激光束引导到粉末层10上，将 相邻粉末颗粒的聚合物涂层熔融到一起。最右端的一幅所示的是新层14 已完成。将支撑着粉末床4的活塞16向下定位移动，以容纳往粉末床4 中加入的粉末，以制造小部件模样2的下一粉末层。

图1B所示的小部件模样2处在已沉积了更多层的中间阶段。图1C 所示的是已经打印了最后一层的小部件模样2。图1D所示的是已经从快 速原型机6中的粉末床4上取下来的最终的小部件2。注意小部件模样 2中含有内部通道18，20。

用快速原型或者其它方法制造的多孔粉末制品可在铸型中用作一 次性的模样。例如，在类似于传统的失泡沫(lost foam)或者失蜡工 艺的铸造方法中，可以用多孔粉末制品代替泡沫或者蜡模样。失泡沫或 者失蜡法也是熟知的熔模铸造法，其中“熔模”一词指的是在可消耗的 泡沫或者失蜡模样上包覆陶瓷外层。在传统的熔模铸造法中，所用的陶 瓷层在泡沫或者蜡模样的外面形成固体壳。将涂层了的模样加热去除或 者失去泡沫或蜡。得到的中空陶瓷壳靠砂箱里的铸砂支撑来制造铸造铸 型。陶瓷壳还防止熔融金属与周围的铸砂相接触。

本发明的一些实施方案改进了传统的熔模铸造法，其中，在浇铸熔 融金属之前，作为牺牲模样的多孔粉末制品没有去除或者失去，而是与 浇铸的熔融金属结合到一起形成铸件。这样的实施方案可包括图2A-F 中所示的如下步骤。

参照图2A，所示的多孔粉末制品是图1A-D中的小部件模样2。在 小部件模样2的外表面和其具有的所有内表面，例如内通道18，20的 表面上，涂覆陶瓷形成陶瓷壳22。形成陶瓷壳22的陶瓷涂层可以用传 统的熔模铸造例如浸渍，喷涂或者用陶瓷浆料灌注得到。为了避免浆料 浸渍到多孔粉末制品中去，浆料与多孔粉末制品，例如小部件模样2的 表面之间的浸润角要大约大于90度。涂层可以在环境条件或者特定的 干燥条件下干燥，例如在加热炉所得到的条件下。陶瓷可以是任何的陶 瓷，包括那些传统的用在熔模铸造中的，物理和化学上与要浇铸的熔融 金属相容，并且与多孔粉末制品的组分材料相容的陶瓷。

参照图2B，在敞开的铸造砂箱26中，具有陶瓷涂层的小部件模样 2被铸砂24包围。由于特定的多孔粉末制品所具有的复杂几何形状，铸 砂难以流到某些区域中，例如小部件模样2的通道18，20中。通过采 用震动台，可以促进铸砂24在小部件模样2周围以及向其内部通道18， 20中的流动和适当压实。必须小心，压实铸砂2 4不能使小部件模样2 或者陶瓷涂层22变形。在用铸砂24将陶瓷涂层的小部件模样2围起来 之前，要将一部分陶瓷涂层去掉，并在该处装上直浇道28，以将熔融金 属注入到小部件模样2的粉末金属骨架29中。为了有助于把熔融金属 浇铸到多孔粉末制品中，还可以采用内浇道和/或者横浇道。在一些实 施方案中，在多孔粉末制品中设计构建有整体内浇道和/或横浇道。

在将铸砂24压实到合适的程度之后，用预热装置32，例如炉子或 者气炬，将整个砂箱组件30加热到一定的温度，使小部件模样2中的 粘结剂通过蒸发或者分解而部分或者完全去除。在这个去粘结过程中放 出的气体和蒸汽可从直浇道28以及所用的任何内浇道和横浇道中排出。 预热还可以在铸造过程中降低熔融铸造金属的热损耗。预热过程可在空 气中进行，但更优选的，要在受控的气氛中进行，这样可以为铸造工艺 对多孔粉末制品的金属粉末表面的条件进行优化。例如，在预热过程中， 为了防止金属粉末的氧化，要采用保护性气氛。这样的保护性气氛的例 子包括氢气，氮气，氩气以及它们的结合。

参照图2C，在将砂箱组件30预热后，将熔融金属34通过直浇道 28浇铸到小部件模样2中。熔融金属34将粉末骨架29熔融，并具有小 部件模样2的几何形状。在一些实施方案中，熔融金属34将粉末骨架 29完全熔融，而在其它的实施方案中，粉末整体或者部分与熔融金属 34形成复合物。如预热步骤一样，铸造步骤也可在空气或者保护性气氛 中进行。

参照图2D，将砂箱组件30冷却，使铸造的熔融金属34固化。

参照图2E，将固化了的铸造小部件36从铸砂24中取出来，并将陶 瓷涂层22和直浇道28从铸造小部件36上去掉。

参照图2F，将直浇道铸件38从铸造小部件36上去除，然后还可对 铸造小部件36进行清理和检查。

尽管在图2A-F的讨论中，浇铸熔融金属的步骤是在将粘结剂从多 孔粉末制品去除的预热步骤后立即进行的，这些步骤并不必要紧接着进 行。第一，要明白，只有在必须去除多孔粉末制品中的粘结剂以防止粘 结剂与熔融金属发生有害反应的情况下才需要去除粘结剂的步骤。在一 些实施方案中，因为多孔粉末制品中含有很少的或者不含粘结剂，比如 在有些情况下，多孔粉末制品是靠使用压力来将粉末通过机械互锁或者 触点焊接结合到一起的方法而制成的，所以不需要去除粘结剂的步骤。 第二，要明白，当用到粘结剂去除步骤时，其可以在铸造步骤之前的任 何时候进行。例如，在一些采用陶瓷涂层的实施方案中，甚至在将涂层 的多孔粉末制品放入铸造砂箱中之前，就已经去除了粘结剂。在这些实 施方案中，涂层的多孔粉末制品在去除了粘结剂之后，在放入铸造砂箱 中之前可以存放一段时间。在一些实施方案中，可以在去除了粘结剂之 后将整个铸造砂箱存放起来，此后在铸造之前再进行预热。第三，应该 明白，除了为了去除或者分解粘结剂或者为了调节铸砂或者陶瓷涂层必 须要进行预热之外，只在必须要防止过早固化或者为了促进充模的情况 下才需要预热。

在本发明的一些实施方案中，多孔粉末制品的粉末是可以被铸造的 熔融金属完全熔融并可与之混和或者合金化的金属粉末。在这些实施方 案中，重要的是熔融金属要足够过热，以将多孔粉末制品的金属粉末熔 融。假设熔融金属和砂子之间没有热传递，这种情况下，熔融金属的温 度和砂箱组件的预热温度之间的关系可以简单的表示为：

其中：

Tph是砂箱组件的预热温度，其中包括多孔的粉末制品；

Tmp是粉末材料的熔点；

Cpp是粉末材料的比热；

Hmp是粉末材料的熔化热；

Tmm是熔融金属的熔点；

Toh是熔融金属的过热温度；

Cpm是熔融金属的比热。

在本发明的一些实施方案中，用来作为铸造铸型中的模样的多孔粉 末制品上没有形成陶瓷壳。尽管这些实施方案不能像采用陶瓷壳的那些 那样制得光滑的表面，并且或许需要在制造铸型的过程的使用脱模剂， 或者其它的清洁和处理，以避免多孔粉末制品的变形，但它们去除了制 造和去除陶瓷壳的成本。然而，由于涂层有助于在铸造之前保护多孔粉 末制品的结构完整性，采用陶瓷涂层是优选的。

制造多孔粉末制品可以采用任何的与所选用的制品制造方法相容 的粉末。粉末类型的选用依赖于将使用的铸造金属以及铸件所希望得到 的性能。在许多情况下，所选用的粉末是元素金属或者金属合金，但也 可以用陶瓷粉末和金属陶瓷。例如，粉末可以是铁或者铁合金，包括钢， 例如，低碳钢，中碳钢，高碳钢，工具钢或者不锈钢。粉末还可以是镍， 镍合金，铝，铝合金，钛，钛合金，铜，铜合金，镁，镁合金，锌，锌 合金，金属间化合物，难熔金属或者难熔金属合金。在其中的粉末包括 难熔金属，陶瓷或者金属陶瓷的大多数实施方案中，粉末和铸造金属形 成具有复合结构的铸件。

粉末可以具有任何的颗粒形状。然而，由于优选的多孔粉末制品的 相对密度低，例如，在30-40％的范围，所以，相对于球形，不规则的粉 末形状是更加优选的，此时，伴随着不规则形状粉末的较低的堆积密度 会使多孔粉末制品具有低的相对密度。

铸造金属可以是任何适合于铸造的金属。铸造金属的熔点可以比多 孔粉末制品的粉末的熔点低，也可以高。在一些实施方案中，铸造金属 和多孔粉末制品的粉末具有相同的或者相似的组成。例如，铸造金属可 以是未合金化的铝，粉末可以是一种铝合金。

实施例

近年来，商业上的压力使冶金厂需要以更快的步伐引入新的铸件设 计。这使得一种新设计从概念到原型阶段再到工业生产所能利用的时间 变短。下面的预言性的例子描述的是本发明的实施方案的应用。

用铜-锡青铜制造与图2F所示的铸造小部件36具有相同设计的小 部件，其最终组成为90％的铜和10％的锡。该小部件3cm宽，1.5cm 高，1cm深。创建该小部件三维模型的CAD文件。将该CAD文件转换成 STP格式的文件。对该STP文件应用切片算法得到用来在3DP法快速原 型机上制造该部件的多孔粉末制品的小部件文件。采用的是高锡的青铜 粉末，其组成为80％的铜和20％的锡，将其通过140目筛(开口尺寸106 微米)，并用325目筛(开口尺寸45微米)接住。用Extrude Hone Corporation of Irwin，Pennsylvania，US制造的PROMETAL RTS 300 快速原型机，利用小部件文件和高锡青铜粉末，采用3DP法制造多孔粉 末制品，其相对密度为50％。

将此多孔粉末制品从快速原型机上取下，将多孔粉末制品上多余的 粉末去除。在多孔粉末制品上接上内浇道和横浇道。通过反复将该组件 浸渍到氮化硼浆料中，在多孔颗粒制品以及接上的内浇道和横浇道整个 组件上涂上陶瓷壳，并使涂上的涂层干燥。在形成了陶瓷涂层之后，将 整个组件放入到铸造砂箱中，在其上再接上直浇道。向铸造砂箱中加入 铸砂，用震动台帮助铸砂分布在组件的周围，填充所有内部的和外部的 空隙，那些要浇铸熔融金属的空隙除外。用标准压实技术将组件周围的 铸砂压实。

将砂箱组件在氮保护气氛下加热到大约790℃，以去除多孔粉末制 品中的在3DP过程中使用的粘结剂。同时，将纯铜在粘土坩埚中通过感 应加热在大约1200℃熔融。仍然在氮气保护下，将熔融的纯铜浇铸到预 热过的砂箱组件的直浇道中。熔融的纯铜流入多孔粉末制品中，将粉末 熔融并与之合金化，而且具有它的形状。在铸件固化冷却后，将其从铸 砂中取出。将陶瓷涂层清理掉，再从小部件上将直浇道，内浇道和横浇 道去掉。该制品的组成为90％的铜和10％的锡，然后准备检测，加工， 测试或者使用。

尽管仅仅给出和描述了本发明的几个实施方案，显然，只要不脱离 如下权利要求中所描述的本发明的主旨和范围，本领域技术人员可以做 很多更改和完善。

相关申请参照

本申请要求2002年8月20日申请的U.S.临时申请No.60/404642 的优选权，这里将这个申请作为参照。