具有施加到表面的材料的陶瓷工具 【技术领域】
本发明涉及陶瓷工具(tooling)。
背景技术
在本发明的申请人所拥有的国际申请号为PCT/GB2005/004196的专利中，描述了陶瓷工具在模制处理中的使用。使用金属或复合材料制作的传统工具具有以下局限性：通常需要脱模剂来帮助从模具中移除模制部件，在复合材料模具的情况下，模具的寿命相对有限。通过采用高质量的原版凸模具(master male pattern)制造的陶瓷模制工具或直接制造的陶瓷模制工具，可消除对脱模剂的需求，并且可能增加工具寿命，例如，从复合材料工具的情况下每个工具制造约250个模制产品，增加到每个工具制造约10,000个模制产品。后一个数字接近金属工具可达到的生产能力。然而，陶瓷工具表面的多孔性会对模制处理带来负面影响。本发明的目的是消除或减轻该不利情况。
【发明内容】
根据本发明的一个方面，提供了一种陶瓷工具，其表面上被施加材料，使得施加的材料被浸渍到陶瓷的表面中。
根据本发明的另一方面，提供了一种模制工具的制造方法，该方法包括以下步骤：形成所需形状的陶瓷基底，以及向陶瓷基底的模制表面施加材料，使得施加的材料浸渍陶瓷材料。
在本发明的优选实施例中，施加到陶瓷表面上的材料提供了坚硬、耐久、光滑、耐高温的表面，并消除了在使用工具时对脱模剂的需求。该材料有利地是金属类化合物，优选为氧化铬。材料浸渍的深度在0.1mm至2mm之间，优选为0.25mm。温度、热变速率、水分、干燥顺序、焙烧和陶瓷配方都被选择成能将工具表面的凹坑减到最小。生成的凹坑可被填平。在陶瓷的部分焙烧过程或全部焙烧过程之后，但在施加材料之前，有利地，对陶瓷工具表面进行蒸汽喷砂处理、燕麦(oat)喷砂处理或细沙(light sand)喷砂处理，以改善表面光洁度。优选地，工具设置有加热装置。优选地，加热装置包括设置在形成于陶瓷中的微孔中的电加热线。这些微孔有利地通过在湿铸造阶段期间在陶瓷中设置的细长塑料管或塑料杆形成。在工具固化后，塑料被熔化，从而留下孔。可替代地，加热装置包括用于流通加热油的回油孔。优选地，提供热电偶或替代装置，以便测量工具的表面温度，并提供用于改变元件的输入瓦特数的装置。电加热装置优选地包括改变电线的电阻的装置。
通过在工具衬底中置入包括例如马鬃、硅酸盐陶瓷纤维或氧化铝纤维等强化纤维或衬垫，陶瓷工具的结构完整性可得到相当大的改善。然而，很重要的是，任何这种掺杂物的热特性或化学特性都要与主要的陶瓷模具材料相匹配。
【附图说明】
为了可以更清楚地理解本发明，以下将通过举例的方式，并通过参考附图来描述本发明的实施例。
附图示出了陶瓷工具的平面透视图。
【具体实施方式】
参考附图，基础的陶瓷工具是常规的，并通过常规方式制成。合适的陶瓷为氧化铝类或硅酸类，但也可使用其它陶瓷，诸如硼化物、碳化物，或氮化物。通过静电沉积(electrostatic deposition)，有控制地喷涂溶液或施加含有所需金属类化合物的液体浆液，将诸如氧化铬等的金属类化合物施加到陶瓷表面上。优选地，沉积的厚度被精确控制，以便优化工具的表面硬度、工具的耐久性和工具光洁度品质。此外，施加的金属类化合物的化学配方可被修改，以便优化沉积率以及实现所需的表面性能。表面光洁度的品质对于之后的任何加工使用和生产的模制零件地使用来说极其重要。在施加处理期间，氧化铬被浸渍(infuse into)到陶瓷工具的表面中。
在替代优选方式中，通过将氧化铬作为铬酸溶液施加到陶瓷工具，氧化铬被浸渍。可在工具表面上涂布或喷涂几层溶液。通常，此施加步骤在对陶瓷的第一次焙烧之后但在最后一次焙烧之前进行。在该处理期间，铬酸蒸发，留下氧化铬被浸渍到工具陶瓷的表面中。通常，氧化铬渗入到陶瓷中的深度为0.1mm至1mm之间，优选地为0.25mm。
在以上两种情况下，氧化铬在陶瓷表面中的沉积是实际浸渍(trueinfusion)。然而，氧化铬的小颗粒可能会存在于陶瓷表面上，并且在某些情况下，残留在表面上的氧化铬可能会形成表面上的涂层。
如果工具被用于制造金属喷涂部件，则工具表面上必须没有任何微小的凹坑(caster)或凹痕(pock mark)，因为喷涂的金属可能会嵌入到这些凹坑或凹痕中，这样就会难以从工具上取出部件。这些凹坑通常因为工具表面层的水分、(从其模型/模具上移除陶瓷所需进行的)凝固的速率，和模具表面的空间方位角(attitude)而产生。
尽管，浸渍处理有利地在室温下进行，但可通过仔细控制陶瓷混合(ceramic mixing)和工艺控制(温度、热变速率、水分/干燥顺序、焙烧和陶瓷配方)以及工具设计，来最小化凹坑的数目。凹坑也可被填平(filled)。
可通过在部分焙烧处理或全部焙烧处理之后且在施加氧化铬之前，对工具表面进行蒸汽喷砂、燕麦喷砂或细沙喷砂，来改变工具光洁度的品质。
这种喷砂在表面上留下了极其小而细微的波纹，这种波纹的尺寸通常为30微米(几乎不可见)。这种喷砂处理提供了喷涂金属能够粘在上面的表面。波纹还将被转印到所制造的部件的喷涂金属表面上。然而，如果部件将被涂漆，则不必要将转印上的波纹除去，因为这些波纹还有助于锁住漆。类似地，如果部件不需要一级光洁度或者将被电镀，则波纹是可接受的。然而，如果部件需要镜面级的光洁度，则部件可如普通金属冲压件(metal pressing)那样被抛光，。
在燕麦喷砂处理中，燕麦的谷壳被推进到待处理的表面。谷壳的柔软特性在工具的表面上产生抛光的光洁度，而不是之前提到的波纹。对谷壳的利用还使得该处理可用于更柔软的部分焙烧的工具。
并且，在陶瓷模具被用于制造金属喷涂的产品的情况下，模具的表面被喷涂以成为模制产品的表面层的金属，还要根据将被喷涂的材料来选择浸渍材料。例如，已经发现氧化铬对于不锈钢特别有利，但对于铜、铝、原子间致电导性的钢(phoretic steel)和钛，其他材料可能是合适的。
在利用以上工具进行模制操作之前或模制操作期间，有必要加热工具。在制模之前，可将工具加热至170℃。对于环氧树脂，适当的制模凝固温度是大约180℃。对于其他制模材料，可能其他温度是适合的。例如，热塑性材料可能需要410℃左右的凝固温度。为了在这个温度范围内加热模具以及对这种加热过程进行控制，模具配备了电加热线(附图中标注为W)，或诸如碳纤维衬垫(mat)等其它电加热装置。作为非电气的替代方式，可在工具中提供导油孔(oil conducting gallery)，但利用回油孔(oil gallery)很难提供如利用电加热线时那样宽的温度范围。电加热线优选地是安装在工具的微孔中的细加热线，以便能最大化工具的完整性(integrity)。微孔可通过在陶瓷工具的湿铸造阶段中在陶瓷工具中放入细长的塑料管或塑料杆来产生。在工具被固化并从模型中移除之后，工具接着被焙烧，塑料熔化掉，从而留下细线孔。然后，可将加热元件穿到工具中。
在采用碳纤维衬垫的替代方式中，在进行焙烧之前，将衬垫置于第一层陶瓷上，并将第二层陶瓷置于上面。
可利用热电偶或其他适当装置，来测量工具的表面温度，并且输入到元件的瓦特数可被调节以适应所需温度。
通过采用这种技术，元件可被改变，使得电线的电阻可被选择，以改变对于任何所选长度的电线所需的热量输入。
应理解，以上实施例仅仅是通过举例的方式描述的，在本发明的范围内，可作出许多修改。例如，尽管氧化铬优选作为施加到陶瓷工具表面上的金属类化合物，但可以利用其他材料，只要所选的材料能提供坚硬、耐久、光滑、耐高温的表面，并且这种表面便于脱离模制产品。