明胶涂层砂芯及其制造方法.pdf

在一种用于浇铸工艺的模制品制造的方法中，砂粒与蛋白质和水混合以在砂粒上产生蛋白质涂层。然后在没有有效冷却涂覆砂粒的情况下，干燥涂覆蛋白质的砂粒且吹入型模以形成一种模制品。然后蒸气通过模制品以水合和熔融蛋白质，从而在相邻的砂粒间产生键合。最后，干热空气通过模制品使相邻砂粒间的蛋白质键合硬化。此形成的一种涂覆蛋白质砂芯用于铸造熔融金属。

1.  一种用于浇铸工艺的模制品的制造方法，包括：
a.将砂粒与蛋白质和水混合，以在砂粒上产生蛋白质涂层；
b.干燥涂覆蛋白质的砂粒；
c.在没有有效冷却的情况下将干燥、涂覆蛋白质砂粒吹进模具；
d.使蒸气通过涂覆蛋白质的砂粒以使蛋白质水合和熔融，从而在相邻砂粒间产生键合而形成模制品；和
e.使干热空气通过模制品，以使相邻砂粒间的蛋白质键合硬化。

2.  权利要求1所述的方法，其特征在于，蛋白质为一种明胶。

3.  权利要求2所述的方法，其特征在于，明胶的用量约为砂重量的0.5-2.0％。

4.  权利要求2所述的方法，其特征在于，明胶与水之比约为1∶1到1∶5。

5.  权利要求2所述的方法，其特征在于，明胶与水之比为1∶2到1∶3。

6.  权利要求1所述的方法，其特征在于，干燥工序在使用热量时进行。

7.  权利要求6所述的方法，其特征在于，加热温度约为60-120℃。

8.  权利要求1所述的方法，其特征在于，混合和干燥工序同时进行。

9.  权利要求1所述的方法，其特征在于，约3-4psi的蒸气通过模制品约20秒。

10.  权利要求1所述的方法，其特征在于，干热空气通过模制品的150秒。

11.  权利要求10所述的方法，其特征在于，干热空气的温度约为室温到300℃。

12.  权利要求10所述的方法，其特征在于，干热空气的温度约为100℃到150℃。

13.  一种制造砂芯的方法包括：
a.在加热的同时将砂粒与明胶和水混合，其中，热量使明胶熔融，以在砂粒上产生明胶涂层，且干燥涂覆明胶的砂粒；
b.在没有有效冷却的情况下将干燥、涂覆明胶的砂粒吹进模具；
c.使蒸气通过涂覆明胶的砂粒以使明胶水合并熔融，从而在相邻砂粒间产生键合而形成模制品；和
d.使干热空气通过模制品以使相邻砂粒间的明胶键合硬化。

14.  权利要求13所述的方法，其特征在于热的温度约为60-120℃。

15.  一种制造砂芯的方法，包括：
a.砂粒与明胶和水混合以产生混合物；
b.向混合物供热以起到在砂粒上涂敷明胶的作用，并干燥去除水分，从而使混合物干燥。
c.研磨混合物，使混合物自由流动；
d.将干燥、涂覆明胶的砂粒吹进模具；
e.使蒸气通过涂覆明胶的砂粒，以使明胶水合和熔融，从而在相邻砂粒间产生键合而形成模制品；和
f.使干热空气通过模制品以使相邻砂粒间的明胶键合硬化。

16.  权利要求15所述的方法，其特征在于混合物在烘箱中加热和干燥。

17.  一种制造砂芯的方法，包括：
a.将砂粒加热到40℃以上；
b.将加热的砂粒与明胶和水混合；其中，加热的砂粒使明胶熔融，从而在砂粒上涂敷明胶；
c.使涂覆明胶的砂粒干燥；
d.将干燥的涂覆明胶的砂粒吹进模具；
e.使蒸气通过涂覆明胶的砂粒，以使明胶水合和熔融，从而在相邻砂粒间产生键合而形成模制品；和
f.使干热空气通过模制品以使相邻砂粒间的明胶键合硬化。

18.  权利要求17所述的方法，其特征在于，混合和干燥工序同时进行。

19.  一种制造砂芯的方法，包括：
a.将砂粒与蛋白质和水混合以产生在砂粒上涂敷蛋白质的作用；
b.干燥涂覆蛋白质的砂粒；
c.将干燥、涂覆蛋白质的砂粒吹进模具；
d.使模具内涂覆蛋白质的砂粒再水合，从而在相邻砂粒间产生键合而形成模制品；和
e.使干热空气通过模制品以使相邻砂粒间的蛋白质键合硬化。

20.  权利要求19所述的方法，其特征在于，蛋白质是一种明胶。

明胶涂层砂芯及其制造方法
发明背景
发明的领域
本发明涉及砂芯及制造砂芯的方法。
先有技术的描述
铸造熔融金属用的模具包括几个结合在一起工作以确定模制品内、外形状的模件。这样的模件包括翻砂和成形模制品内腔用型芯件。型芯件的制造方法一般是：使砂与粘合剂混合，将粘合剂-砂混合物导入含有模型的模具，以使粘合剂-砂混合物形成制造金属模制品所需形状，并使粘合剂在型模中固化/硬化，以硬化粘合剂，及固定模具成型材料的形状。
明胶已用作砂的粘合剂。明胶是合乎需要的，因为它是水溶性的，对环境有利，成本低于在许多砂-粘合剂体系中使用的合成树脂。此外，破坏明胶蛋白质结构的键以热降解粘合剂所需热量少于合成树脂所需的热量。结果，在模件为砂芯的情况下，明胶粘合剂易于因熔融金属的热量而破坏，从而可以方便地除掉模制品上的芯砂，所需的辅助加工如摇动或锤打最少。此外，由于明胶是水溶性的，任何无法用机械方法从模制品上除掉的砂用水就能方便地洗去。明胶的溶解性也便于从砂中洗去粘合剂供循环使用，并重复使用砂以制造其他模件，从而节省了每个模具所用新砂的成本。
明胶是用胶原、皮肤、骨头、生皮和动物的白色结缔组织的主要蛋白质组分部分水解所得到的蛋白质材料，基本上是含氨基酸的多肽的非均质混合物，氨基酸主要包括甘氨酸、脯氨酸、羟基脯氨酸、苯丙氨酸和谷氨酸。明胶在商业上是作为肉产业的副产品销售的。“干”的商品明胶实际上含水约9％-12％(按重量计)，基本上是比重在约1.3到1.4之间的无味、无嗅、脆性的固体。明胶有一个约15,000-250,000的宽分子量范围，但本领域技术人员可用已知的合适分馏技术将一种明胶与另一种分离开来。明胶可以用称为“Bloom”标定值或数的等级进行分级。Bloom标定值或数是通过Bloom试验测定的，该试验是标定不同明胶所形成的凝胶强度的系统。高Bloom标定值或数的明胶主要包含多肽，具有平均分子量大于低Bloom标定值或数的明胶。Bloom标定值或数是用评价从明胶形成的凝胶强度确定的。一般来说，明胶的粘度测定所用的明胶试样与进行Bloom试验所用试样相同，与Bloom标定值或数同时测定。明胶的粘度一般与Bloom标定值或数有关。换句话说，随着Bloom标定值或数的增加，粘度增加。
授予Siak等人的美国专利USP 5,320,157提到砂芯构件用的改良的明胶粘合剂，其中在粘合剂中掺入铁化合物。在铸造加工时铁化合物增加了粘合剂的热破坏程度，以此简化了从模制品中清除废砂。披露了形成芯模的典型方法。
授予Siak等人的美国专利5,582,231需要在用或不用再水合的情况下将明胶涂层的砂激冷到室温或室温以下，然后将明胶涂层的砂吹进模具。进行这一激冷工序的目的在于当明胶水合时，明胶涂层会胶凝，砂的粘性会降低。激冷工序需要金属铸造车间中价格昂贵的冷却系统，那里因存在熔融金属故环境温度一般较高。水合时，涂层砂的温度在室温以上，明胶胶涂层熔化，砂是粘性的，阻止了砂的流动。但是，即使水合的、涂层砂受到激冷，它仍不能象干砂或着甚至是用酚醛氨基甲酸乙酯(冷芯盒)树脂涂层的砂那样流动。
在授予Siak等人的另一个美国专利5,749,409中，公开了给明胶涂层砂制成的铸芯面涂折射粒子的方法。在砂芯表面涂上有机防水层，然后将折射粒子作为水液悬液进行涂敷。防水层防止砂芯受到水悬浮液中的水所产生的变质。砂芯是按照美国专利5,320,157的描述制成的。
授予Salzberg的美国专利2,415,317提出采用水溶性蛋白质材料如明胶和可结晶碳水化合物作为粘合材料制造烘干模制品芯。概括地讨论了形成砂芯模件地方法。
授予Moore等人的美国专利5,262,100提出了用水从模制产品中取下砂芯的方法。该专利公开了包括碳水化合物和蛋白质如明胶的粘合剂材料。讨论了形成芯模具的一般方法。
授予Anderson等人的美国专利5,580,400公开了从包括明胶的有机粘合剂粘合在一起的纤维增强聚聚体形成的包装材料。讨论了形成模制品的各种方法。
发明概要
在铸造加工中用于制造模制品的优选实施方案中，将砂粒与蛋白质和水混合，以在砂粒上产生蛋白质涂层。然后在没有有效冷却的情况下将涂覆蛋白质的砂粒吹进模具。然后蒸气吹过涂覆蛋白质的砂粒以便使蛋白质水合并熔融，以此使相邻的砂粒之间产生键合而形成模制品。然后用干热空气吹过模制品，以使相邻砂粒间的蛋白质键合硬化。
在制造砂芯的优选实施方法中，在加热的同时使砂粒与明胶和水混合，其中热量使明胶熔融以起到在砂粒上涂敷明胶的作用，并使涂覆明胶的砂粒干燥。在不进行有效冷却的情况下将干涂覆明胶的砂粒吹进模具，然后使蒸气通过涂覆明胶的砂粒以使明胶水合并熔融，以此使相邻的砂粒之间产生键合而形成模制品。然后用干热空气吹过模制品，以使相邻砂粒间的明胶键合硬化。
在另一个制造砂芯的优选实施方法中，砂粒与明胶和水混合产生混合物。对混合物加热以起到将明胶涂敷到砂粒上的作用，并使水干燥，从而干燥混合物。然后对干混合物研磨，使混合物自由流动，并将于燥的涂覆明胶的砂粒吹进模具。使蒸气通过明胶涂层颗粒以使明胶水合并熔融，使相邻的砂粒之间产生键合而形成模制品。然后用干热空气吹过模制品，以使相邻砂粒间的明胶键合硬化。
在另一个制造砂芯的优选实施方法中，将砂粒加热到40℃以上，然后与明胶和水混合，其中加热砂粒使明胶熔融，以此在砂粒上涂覆明胶。然后将涂覆明胶的砂粒干燥并吹进模具。使蒸气通过明胶涂层颗粒以使明胶水合并熔融，以此使相邻的砂粒之间产生键合而形成模制品。然后用干热空气吹过模制品，以使相邻砂粒间的明胶键合硬化。
在另一个制造砂芯的优选实施方法中，砂粒与蛋白质和水混合以起到将蛋白质涂敷到砂粒上的作用。然后将涂覆蛋白质的砂粒干燥并吹进模具。涂覆蛋白质的砂粒在模具内水合，以此使相邻的砂粒之间产生键合而形成模制品。然后用干热空气吹过模制品，以使相邻砂粒间的蛋白质键合硬化。
图1显示先有技术制造砂芯的工艺流程。
图2显示本发明制造砂芯的工艺流程，和
图3显示用于评价用蒸气使砂芯模具中的明胶涂层砂水合的设备配置。
图1显示先有技术制造砂芯的工艺流程。先有技术一般在约80-100℃用明胶水溶液涂敷砂粒，在砂芯吹送前将涂敷过的砂粒冷却到室温(如21±2℃)以促使明胶胶凝，然后将涂胶砂粒涂层中的水含量调节至70-85wt％。在本工艺中，将砂吹进芯盒之前，使砂冷却很重要，因为如果砂是热的，明胶会变粘，砂粒将不易吹进芯盒。涂敷并经调节的砂在或加热到80-120℃下吹进型模，以促使明胶胶体熔融并在砂粒间形成明胶键合。明胶被吹过多孔模芯的干热空气所硬化，使水含量减少到低于15wt％。吹送工序中温度的控制似乎是防止明胶过早干燥的关键。过早干燥会导致涂层砂变“粘”且堵塞设备。
图2显示在浇铸工艺中使用的模制品制造的优选实施方法。一般来说，本发明工艺是：将干燥的涂覆明胶的砂粒吹进芯盒，用吹过芯盒的蒸气使明胶水合并熔融，然后用干气洗干燥明胶以硬化相邻的砂粒间的明胶。本发明的一个优选实施例使用了授予Siak等人的美国专利5,582,231所公开的那种类型的明胶，在此纳入作参考。还应当明白本领域已知的其他明胶或蛋白质粘合剂也可以用于本工艺。但本发明不需要对涂层砂粒进行有效冷却，且涂层砂粒具有类似于干砂的极好的流动特征。明胶涂层砂的流动特性对于砂在工业化铸造所用自动砂芯机中的正确运行是重要的。为了准备吹砂芯砂必须易于从砂芯机上方的料斗流进砂斗。在用高压空气吹送砂芯时，砂还必须均匀地流进芯盒。
在优选实施例中，首先砂粒、水和明胶在具热源的研磨机中混合，直到沙粒涂敷明胶，然后使明胶干燥。明胶的用量是砂重量的约0.5-2.0％。明胶与水之比应当足够大，这样当加热到明胶的熔点以上时(约40℃)，形成的明胶溶液的粘度低到足以使其在砂粒周围流动以包被它们。明胶与水之比应为1∶1-1∶5左右，最佳明胶与水之比为1∶2-1∶3。在这一点水过量需要更多的能量在干燥工艺中加以去除。混合时向混合物提供超过熔融明胶所需的过量热可干燥明胶涂层砂中的水。实践中这一方法采用60-120℃左右的温度，混合物的最佳温度为80-90℃左右。热源既可以是加热的研磨器，也可以是在研磨器中与水和明胶混合前加热的砂。虽然本发明使用研磨器，应当明白任何类型的能够在合理的时间内均匀混合明胶、砂和水的混合器都可以使用。在混合工序中通过加热使明胶熔融以便涂敷砂粒，过量的热干燥涂覆明胶的砂粒中的水分。应对明胶干燥从而使明胶的含湿量小于15％(按明胶重量计)。在混合器内干燥混合物是方便的，因为混合器能将涂层砂破碎成易于传输并吹进模具的自由流动材料。干燥的涂覆明胶的砂粒从研磨器中移出时温度在65-95℃左右。但是，涂覆明胶的砂粒可在明胶干燥前(空气干燥或在上述温度的烘箱中干燥)从混合器中移出。然后干燥的涂层砂可能需要研磨才能自由流动，以便吹进模具。同样，应对明胶干燥，使其含湿量小于15％(按明胶重量计)。
砂在加热的研磨器中涂敷而且明胶干燥后，在将涂层砂粒吹进模具前不需要象先有技术那样对涂层砂粒进行有效冷却。根据系统的大小，在将涂层砂从研磨器传送到模具期间，涂层砂粒会发生一些冷却，但在本工艺中涂层砂粒的有效冷却不是所需的工序。本发明通过将回收自涂敷工序的干燥涂层砂粒直接吹送进型模取消了模塑前的有效冷却和调节工序。只要涂层砂粒吹进模具时的温度低于水的沸点即可。当吹进型模时，干燥的自由流动的涂层砂粒不会凝集在一起或粘附于型模的边上，这有助于产生均匀的模具，因为在型模中没有形成砂粒中的空隙。
在使用具有中心截面积为一平方英寸的标准形状的“哑铃型”(“dog bone”)试验砂芯模具的优选实施例中，在21-66℃的优选温度范围内将约100g干燥的涂硅砂粒吹进模具。在本发明中使用的“哑铃型”试验砂芯模具直径的显示与描述见“Procedure AFS3301-00-S载《模具和芯试验手册》(Mold&Core TEST Handbook”)，美国铸造学会第三版，Des Plains，Illions，2001版，在此纳入作参考。然后在105℃约20秒内以3-4psi的低压蒸气通过砂芯模具使明胶水合而促进相邻砂粒间明胶的键合。所需蒸气量足以提供足够的水分，这样明胶涂层砂会水合、熔融并在砂粒间流动，在砂粒间形成连接。虽然蒸气的用量难以定量，但蒸气的重量大约是明胶用量的一到二倍。模具和涂层砂的温度应当在使水在砂上凝结的程度，以使明胶熔融，这一般意味着温度应低于100℃。
最后，干热空气通过砂芯模具约150秒以使明胶硬化。干燥空气的温度范围相当宽，从室温到300℃，优选的温度范围为约100-150℃。干燥空气去除模具中砂粒的水分。模具和砂粒中的热量会足以提供蒸发水分所需的能量，使明胶的含水量小于15％(按明胶重量计)，而且是刚性的，这样砂芯在从模具中取出后能保持其形状。使用热空气仅加速干燥过程，并且是优选的，因为它减少了制造砂芯所需的时间。应当明白蒸气和干热空气通过模具的时间是根据模具的尺寸、模具中有多少砂和模具、干燥空气的温度和蒸气用量而变化的。
然后弹射出明胶涂层砂芯备用。本发明取消冷却工序，从而节约了能源，取消了将砂吹进模具前的调节工序，从而提高了工效。它还取消了有效冷却砂铸模斗以及工业化砂芯喷吹设备中吹板的需要。此外，本发明消除了由管与加热砂芯盒接触引起的明胶涂层砂在吹送管中干燥和硬化。
如上所述，用明胶涂层砂制造砂芯的标准方法是将砂冷却到室温或室温以下，然后加2-3％冷水(以假设1％明胶涂层的砂重量为基础)使明胶水合。将该混合物吹进加热的砂芯模具，经过短停留时间后，热空气吹过砂芯，使明胶干燥，使砂芯硬化。水合的砂温度在明胶涂层的熔点以下是重要的。如果明胶在吹砂芯前就开始熔融的话，砂会变粘且不能均匀地吹进模具。对于保持水合砂冷却的这种需要使得铸造车间的实际操作中有必要对砂进行冷却，那里的机械和环境温度通常超过明胶的熔点，明胶的熔点为25-30℃左右。为避免在铸造环境中对水合砂进行冷却的需求，制定了将干燥的涂层砂吹进模具、将蒸气吹过模具然后用热空气干燥的试验。
在最初的试验中，使用了4086g标准的55gfn(颗粒细度数，测量砂的平均粒度)湖砂，它是典型的硅砂。用1999年2月下旬Technisand产的1％GMBOND^TM明胶涂层砂用作室温涂层砂。为了产生加热涂层砂，将砂加热到105℃左右，并放入装有约41g 1％GMBOND^TM明胶的电加热研磨器中。然后在研磨器中加入82g水，将砂混合至干燥并可自由流动。将干砂直接从研磨器中取出用于在55℃左右制造哑铃型砂芯。图3显示设备配置，用来评价使用蒸气来水合砂芯模具中的明胶涂层砂而不是在吹进砂芯模具前水合明胶涂层砂。
在最初的试验中，用以下工艺制成了“哑铃型”砂芯，具有如上所述的良好强度，大于200psi的断裂力，包含约100g标准形状的硅砂，中心截面积为1英寸：首先，在涂层后，立即将在室温或约55℃左右的干燥涂层砂吹进约100℃哑铃型砂芯模具。用干燥空气进口将蒸气吹过模具20秒。使用温度为104-106℃左右的3-4psi的蒸气。然后，用空气进口将50psi、温度约200℃的干热空气吹过模具150秒，该时间为常规哑铃型砂芯工艺用的时间，但可以用更短的时间段。虽然断裂强度良好，但表面光洁度不如标准哑铃型砂芯那样好。这可能是由于用空气进口导入蒸气和/或蒸气管道中有少量冷凝水。
根据这些试验，确定了最佳工艺参数。最佳砂芯模具温度为100℃左右，吹送空气为100psi、室温。蒸气为3psi，砂芯盒包含吹洗器以打开排水口，以防冷凝水在砂芯盒内积聚。重要的是蒸气连续地流过砂芯盒，这样砂芯盒内就不会积聚冷凝水。在开口上方用一块板将砂进口堵住，在干空气吹过模具时用加压的砂斗压住。最佳的干燥空气压力为50psi，温度200℃，停留时间15秒，干燥时间150秒。试验结果如表1所示。这些工艺参数为找到的最佳参数，用于制造断裂强度好并且有理想的表面硬度的哑铃型砂芯。
                         表1