[发明专利]制造具有陶瓷注射模制型芯结构的金属组件的方法和装置

说明书

交叉引用

本申请要求的是在2009年6月26日提交的美国临时申请No.61/269,624的优先权的权利，该临时申请的全文通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及熔模铸造。更具体地，本发明涉及使用陶瓷型芯模型的工艺和由陶瓷型芯模型形成的结构，所述陶瓷型芯模型用于脱蜡熔模铸造并且能够生产具有一个或多个内部腔室的单体金属结构。

背景技术

与污染有关的环境问题和当前经济发展迫使对传统上用含铅(Pb)的软金属合金构造的水龙头的设计和制造进行改变。几百年来，这种传统的制造工艺已经从砂型铸造改进到壳模法，甚至永久模铸法。此工艺通常使用所需铸造温度低于1050℃的低温金属合金。通过在此工艺中使用树脂砂型芯，可以形成中心中空的多腔室低温合金龙头本体。

目前，大多数龙头本体由包含重元素(例如铅、均是天然生成且部分为铅元素的镉和砷)的低温合金制成。因此，合金的成分可能对人类有害。只要使用龙头，内部的水通道区域就会与水流接触。在单元的正常寿命期间，通过反复的开/关循环使通道周期性地暴露在空气中并且因此水加速了腐蚀过程，该腐蚀过程使得重元素可以在其整个使用寿命中从单元被浸出。因此，包含微量重元素的水流会带出微量的铅，其会随后与水混合，长期用带有微量铅的这种水冲洗水果和蔬菜(或烹饪食物)会直接或间接地食用并吸收进人体。这些重金属元素会积累超过人体和器官的容许量或负载，这将最终导致或引起会影响神经系统、智能、骨骼、肌肉和心脏血管系统的多种已知的有毒金属铅中毒。这些情况对于低龄儿童、孕妇和老人特别有害。如果人类长期或长时间饮用这种水，会不利于他们的身体并且导致对他们的大脑、神经系统、肾和红血球的损害。特别地，如果孕妇和儿童饮用这种水，那么结果会无法想象的糟糕。

由于低温金属合金中含有已经被证明对人类十分有害的铅，美利坚合众国的加利福尼亚州环境保护局(EPA)和欧盟的有害物质限用(RoHS)指令已经开始执行近期公告的多个系列新法规。在新法规中，用在厨房和饮用水系统中的龙头、管道、塞的铅含量分别不能超过0.20％和0.25％。这些规定的目的在于保护与所有水输送装置(例如管道、容器、水管和龙头)直接或间接接触的人类饮用水，其不许含有过高水平的重金属铅元素。最近，低温金属合金作为制造龙头的原材料(例如黄铜龙头本体材料)的应用大部分情况下用在砂模铸造和/或壳模法中。在这种黄铜合金中的铅含量的极限在2010年1月1日前应低于4％。然而，从2010年1月1日起，根据加利福尼亚AB1953的规定，卫生器具中的这种黄铜合金的铅极限必须低于0.25％。

不锈钢和其它高温合金是低温合金的显而易见的代替，但需要不同的制造工艺。熔模铸造是用于形成几何形状复杂的高温金属组件(例如燃气涡轮机组件)的常用技术。然而，由于水龙头主体的内部通道、结构的复杂性及小尺寸，使用当前的制造工艺和熔模铸造技术来形成水龙头主体还存在很多缺陷。这些缺陷包括但不限于以下所述：没有用于在蜡模型内形成中空腔室的可脱模的支撑件；当浸渍以构建层时难以均匀地浸渍浆体和涂覆，所述层具有用于随后的壳烧结工艺和浇铸熔融不锈钢的足够所需的壳强度；以及从铸体移除或移出内壳。因此，这种在熔模铸造工艺的不同阶段中实质的限制无法以相对于低温合金的经济性来以工业规模制造复杂的铸体，该铸体的内部复杂地构造有一个或多个中空的中央腔室。例如，美国专利公开文献No.2004/0221385描述了一种通过使用可溶解的蜡型芯的单腔室通用龙头。此说明书主要代表了目前可用于制造不锈钢通用龙头的熔模铸造的当前水平，但在成形工艺方面具有严格的限制，其不仅限制了单元的功能性和美观，还需要昂贵且复杂的第二工艺(例如焊接、多部件装配)和可能引发氧化、腐蚀、故障点和不必要制造成本的其它步骤。

需要适应于当前和未来的健康监管标准的水用器具及它们的经济的制造方法。还需要不锈钢龙头，其能够形成有带有多个内部腔室的单体结构和中空中心，其超过了前述教导和当前可用生产方法的范围或能力。

发明内容

本发明提供生产由一个单体或单件无缝构造形成的成品的陶瓷注射模制(CIM)制造工艺和结构。