TWI873599B - 芯材粉體組成物、芯材及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種芯材粉體組成物、芯材及其製造方法。基於芯材粉體組成物為100 wt%，芯材粉體組成物包含70 wt%至90 wt%的基質材料以及10 wt%至15 wt%的膠黏劑。基質材料包含40 wt%至50 wt%的水溶性金屬鹽、20 wt%至40 wt%的碳酸鈣以及10 wt%至30 wt%的礦物石材。前述芯材粉體組成物可形成具有水溶性的芯材，更可達到降低材料成本及減少廢棄物的功效。

Description

芯材粉體組成物、芯材及其製造方法

本發明是關於一種芯材粉體組成物，特別是關於一種芯材粉體組成物、芯材及其製造方法。

現有精密鑄造方法中，常用於金屬的精密鑄造方法為熔模鑄造法，亦可稱為脫蠟鑄造法。此方法係將蠟經沾漿淋砂而形成殼模，然後將工件模型(或稱芯材)自殼模中熔出(即將芯材燒失)，以獲得可燒製的中空殼模。接著，將熔融的金屬倒入中空殼模中固化，然後去除中空殼模，即可獲得金屬鑄件。

習知鑄造用的芯材主要由氧化鋁、氧化鋯、氧化矽及碳化矽等粉體所組成，故此種芯材又稱為陶心。前述粉體材料通常為進口的昂貴材料。再者，習知的芯材在經過高溫鑄造後，原料性質的差異變化大，故其廢棄物無法循環再利用，且廢棄物的處理成本高昂。

由於鑄件結構的複雜度增加，例如當欲製造的鑄件具有複雜的縫隙或孔穴(例如深孔、彎孔或截槽 (under-cut))時，則必須使用一或多個芯材置於適當處以形成此縫隙或孔穴。當蠟模移去後，芯材仍應保留至鑄造完成後，再將芯材移除。習知的芯材由於主要組成為氧化矽，故通常以鹼煮的方式將陶心中的氧化矽濾蝕，以使陶心崩解，或以機械方法去除。然而，習知陶心所用的陶瓷耐火材料在經高溫燒結後，會因高溫膨脹形成較緻密的表面，故不易以前述鹼煮或機械方法來清除。

有鑑於此，亟須提供一種芯材粉體組成物，以製得水溶性的芯材，而有利於在後續移除芯材的過程中有效地被去除，且去除後的芯材之材料可回收再利用。

本發明之一態樣是提供一種芯材粉體組成物，其係包含特定比例的基質材料及膠黏劑，以形成具有耐高溫及水溶性的芯材，更可達到降低材料成本及減少廢棄物的功效。

本發明之另一態樣是提供一種芯材的製造方法，其係可不進行燒結步驟即可製得芯材。

本發明之再一態樣是提供一種芯材，其係具有較佳的水溶性而便於去除。

根據本發明之一態樣，提供一種芯材粉體組成物，基於芯材粉體組成物為100wt%，芯材粉體組成物包含70wt%至90wt%的基質材料以及10wt%至30wt%的膠黏劑。基質材料包含40wt%至50wt%的水溶性金屬鹽、 20wt%至40wt%的碳酸鈣以及10wt%至30wt%的礦物石材。

根據本發明之一實施例，上述礦物石材包含80wt%至90wt%的二氧化矽以及不大於10wt%的氧化鋁。

根據本發明之一實施例，上述水溶性金屬鹽的溶解度為大於150g/L。

根據本發明之一實施例，上述膠黏劑包含酚醛樹脂、矽膠液、呋喃樹脂及矽酸乙酯。

根據本發明之一實施例，上述基質材料包含第一粒徑分布與第二粒徑分布，第一粒徑分布為32μm至75μm，第二粒徑分布為250μm至2000μm。

根據本發明之一實施例，上述基質材料中第一粒徑分布與第二粒徑分佈的含量比例為30：70至50：50。

根據本發明之另一態樣，提供一種芯材的製造方法，其係包含將上述態樣的芯材粉體組成物進行加壓成型步驟，以形成芯材。前述加壓成型步驟不包含進行燒結製程。

根據本發明之另一態樣，提供一種芯材，其係包含利用上述態樣之方法所製得。

根據本發明之一實施例，上述芯材對水的溶解度為大於150g/L。

根據本發明之一實施例，上述芯材的應用溫度為不大於900℃。

應用本發明之芯材粉體組成物、芯材及其製造方法， 其利用包含特定含量的粉體組成物，並可簡化製程步驟，以製得具有合適水溶性及應用性的芯材。

100:方法

110,120,130:操作

200:方法

210,220,230:操作

根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本揭露的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵並不是按照比例繪示的。事實上，為了進行清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。

[圖1]係繪示根據本發明一些實施例之芯材的製造方法之流程圖。

[圖2]係繪示根據本發明一些實施例之鑄件的製造方法之流程圖。

如本發明所使用的「大約(around)」、「約(about)」、「近乎(approximately)」或「實質上(substantially)」一般係代表在所述之數值或範圍的百分之20以內、或百分之10以內、或百分之5以內。

承上所述，本發明提供一種芯材粉體組成物、芯材及其製造方法，其利用包含特定含量且較低成本的粉體組成物，且可不進行燒結步驟，以製得具有合適的水溶性及應用性的芯材。當鑄造製程完成後，此芯材的組成材料還可有效地回收再利用。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明一些實施例之芯 材的製造方法100之流程圖。首先，進行方法100的操作110，混合芯材粉體組成物。基於芯材粉體組成物為100wt%，芯材粉體組成物包含約70wt%至約90wt%的基質材料。在一些實施例中，基質材料包含約40wt%至約50wt%的水溶性金屬鹽、約20wt%至約40wt%的碳酸鈣以及約10wt%至約30wt%的礦物石材。須理解的是，水溶性金屬鹽係指溶解度大於約150g/L的金屬鹽類。在一些具體例中，水溶性金屬鹽包含氯化鈉、磷酸鹽及矽酸鹽。基質材料中若包含太多的水溶性金屬鹽(例如大於50wt%)，則芯材的強度不足；反之，若水溶性金屬鹽太少(例如小於40wt%)，則在後續去除芯材的步驟中無法輕易且快速地去除芯材。

在一些具體例中，基質材料中的碳酸鈣可選用生物性碳酸鈣的材料，例如但不限於蚵殼、貝殼、蝦殼、魚骨或其任意組合。特定含量(如上述之約20wt%至約40wt%)的碳酸鈣可提高芯材的耐熱衝擊性能，且具有較佳的成型效果。在一些具體例中，基質材料中的礦物石材可為廢棄礦物性礦物石材，例如大理石砂粉、花崗岩砂粉、廢棄鑄造用砂粉或其混合。若礦物石材的含量太少(例如小於10wt%)，則芯材的強度不足；但若礦物石材的含量太多(例如大於30wt%)，則所製得之芯材的水溶性較差，較不易在後續步驟中以水去除。在一些實施例中，礦物石材包含約80wt%至約90wt%的二氧化矽以及不大於約10wt%的氧化鋁。礦物石材中含有較多的二氧化矽，可使所 製得之芯材的強度較佳。

上述基質材料中在混合前可先篩選分為具有第一粒徑分布的粉材及具有第二粒徑分布的砂材。在一些實施例中，第一粒徑分布為約32μm至約75μm，而第二粒徑分布為約250μm至約2000μm。一般而言，較小粒徑(即第一粒徑分布)的粉材與較大粒徑的砂材間存在熱膨脹係數的差異，藉此維持該芯材於高溫鑄模過程中不發生變形，以確保鑄件成形的精準度。在一些實施例中，第一粒徑分布的粉材及第二粒徑分布的砂材的含量比率為30：70至50：50。藉由此含量比率，可免於進行燒結製程即可製得芯材，且所得的芯材具有適當的強度及透氣度。

芯材粉體組成物還包含約10wt%至約30wt%的膠黏劑，較佳為約10wt%至約15wt%。在一些實施例中，膠黏劑包含酚醛樹脂、矽膠液、呋喃樹脂及矽酸乙酯。本發明藉由適量添加膠黏劑，以省略後續的燒結製程。要說明的是，以酚醛樹脂為例，當溫度升高至約200℃以上時，酚醛樹脂會明顯地氧化；當溫度達約340℃至約360℃時，酚醛樹脂會開始熱分解；然後，當溫度繼續上升到約600℃至約900℃時，酚醛樹酯的分解會開始產生一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、水及苯酚等物質。因此，在高溫鑄造時，酚醛樹脂發生分解搭配基質材料的熱脹冷縮特性，會使芯材表面具有較佳的透氣性。

舉例而言，在一些具體例中，芯材粉體組成物包含30wt%至40wt%的氯化鈉、10wt%至20wt%的碳 酸鈣、20wt%至30wt%的大理石材及10wt%至15wt%的酚醛樹脂。在另一些具體例中，芯材粉體組成物包含40wt%至50wt%的氯化鈉、30wt%至40wt%的碳酸鈣、0wt%至10wt%的大理石材及10wt%至15wt%的酚醛樹脂。

接著，方法100可繼續進行操作120及操作130，將上述芯材粉體組成物粉末進行模具成型，以製得芯材。相較於習知方法，本發明之方法100不對芯材粉體組成物粉末進行燒結步驟，即可利用基質材料的特定組成及特定膠黏劑，製得耐高溫的芯材。在一些實施例中，操作120可利用壓縮成型或射出成型的方式進行。

在一些實施例中，方法100所製得之芯材中可溶於水的水溶性金屬鹽對水的溶解度為大於約150g/L，較佳為約150g/L至約360g/L。在一些實施例中，上述芯材之後端應用溫度為不大於約900℃。

請參閱圖2，其係繪示根據本發明一些實施例之鑄件的製造方法200之流程圖。首先，進行方法200的操作210，將方法100所製得之芯材放入鑄模中進行澆鑄，以形成鑄件的中空特徵。接著，進行操作220及操作230，利用水進行脫模處理，以去除芯材，而獲得鑄件。在一些實施例中，操作220可利用水浸泡或水柱衝擊的方式來去除芯材。由於芯材粉體組成物中含有大量的水溶性金屬鹽，故可有效地加速芯材的後端處理時程及降低處理成本。除了可溶於水的水溶性金屬鹽之外，芯材中其他不溶於水的 成分(例如碳酸鈣及二氧化矽)則可回收，並重新應用於陶殼模背層材料繼續使用，或研磨成粉末應用於陶瓷藝品釉料、濾石及人工珊瑚等。

根據上述，本發明提供之芯材粉體組成物、芯材及其製造方法，其利用包含特定含量的粉體組成物，不僅可降低材料成本及簡化製程步驟，且所製得的芯材具有合適的水溶性及應用性。再者，在後續芯材的去除步驟時可簡單且快速地去除芯材，且可有效地回收並再生利用。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:方法 110,120,130:操作

Claims (9)

1. 一種芯材粉體組成物，其中基於該芯材粉體組成物為100wt%，該芯材粉體組成物包含：70wt%至90wt%的一基質材料，其中該基質材料包含：40wt%至50wt%的一水溶性金屬鹽；20wt%至40wt%的碳酸鈣；以及10wt%至30wt%的一礦物石材；以及10wt%至30wt%的一膠黏劑。
2. 如請求項1所述之芯材粉體組成物，其中該礦物石材包含：80wt%至90wt%的二氧化矽；以及不大於10wt%的氧化鋁。
3. 如請求項1所述之芯材粉體組成物，其中該水溶性金屬鹽之一溶解度為大於150g/L。
4. 如請求項1所述之芯材粉體組成物，其中該膠黏劑包含酚醛樹脂、矽膠液、呋喃樹脂及矽酸乙酯。
5. 如請求項1所述之芯材粉體組成物，其中該基質材料包含一第一粒徑分布與一第二粒徑分布，該第一粒徑分布為32μm至75μm，該第二粒徑分布為250μm 至2000μm。
6. 如請求項5所述之芯材粉體組成物，其中該基質材料中該第一粒徑分布與該第二粒徑分佈的一含量比例為30：70至50：50。
7. 一種芯材的製造方法，包含：將如請求項1至6中之任一項的芯材粉體組成物進行一加壓成型步驟，以形成該芯材，其中該加壓成型步驟不包含進行一燒結製程。
8. 一種芯材，利用如請求項7所述之製造方法所製得。
9. 如請求項8所述之芯材，其中該芯材的應用溫度為不大於900℃。

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