包含有機酸的鹽的鑄造用混合物及其用途的製作方法

2023-06-12 10:46:16

專利名稱：包含有機酸的鹽的鑄造用混合物及其用途的製作方法
包含有機酸的鹽的鑄造用混合物及其用途
背景技術：
石英砂(SiO2，石英)在金屬鑄造工業中作為骨料被廣泛地用於生產鑄型和型芯。所述石英砂用於「溼砂」(與水和粘土粘結的砂)和化學粘結砂。使用多種無機和有機化學粘結劑，包括酚醛尿烷、呋喃、環氧-丙烯酸酯、酯硬化酚醛。粘合劑與砂混合併且在工藝裝備中壓實該混合物以成為期望的鑄型和型芯的成型件，然後粘合劑變硬並將砂粒粘結在一起。隨後將鑄型和型芯部件裝配成鑄型組合件，將金屬傾注到鑄型組合件中並以期望鑄件的成型件填充內腔。來自液體金屬的熱(特別是熔點超過1100°c的鐵合金情況下)開始分解粘結劑並將砂加熱。隨著石英砂加熱，出現熱膨脹。這種膨脹是相對線性的，直至溫度達到約570°c，此時砂粒的晶體結構轉變。這種結構 轉變伴隨著快速的等溫膨脹，繼之以熱收縮工藝，直至980°C左右，此時發生伴隨更多熱膨脹的另一晶體結構變化。據認為砂粒中的這些快速體積變化在鑄件表面附近的砂層中產生機械應力，其可導致與鑄型中熱熔融液體金屬相接觸的鑄型或型芯表面開裂。熔融液體金屬可以流入這些裂紋並在鑄件表面形成毛刺(vein)或飛邊(fin)。這些是不期望的並且需要時間和工作除去。在具有小的內部型芯通道的關鍵應用中，毛刺可能延伸穿過通道並將其阻斷。這些關鍵鑄件的例子是具有水套的發動機本身和汽缸蓋，它們可被難以檢測且更難以除去的位置處的毛刺阻斷。其他類型的骨料也可以用於生產「砂型」鑄型和型芯，所述骨料包括天然鋯石、鉻鐵礦、橄欖石和人造陶瓷以及其他骨料。這些骨料具有無相轉變的較低膨脹率，並且形成毛刺缺損的趨勢明顯減少，但是也要貴得多。已將型砂附加物與石英砂一起使用以減少毛刺趨勢。根據它們的作用機制，這些型砂附加物通常分為三種主要類別。第一類別由「低膨脹骨料」組成，例如石英砂和鋯砂的90 10混合物，其具有比單獨的石英砂更低的膨脹值。除了天然存在的骨料外，可以使用人造骨料，如陶瓷(莫來石)珠、矽酸鋁「微球」或熔合的矽石。第二類別由「有機緩衝材料」組成，例如木粉、糊精和澱粉。當與石英砂混合時，它們佔據石英砂之間的一些體積。因此，當熔融金屬被傾注到鑄型中時，來自於熔融金屬的熱快速將額外的有機材料燒掉。先前被有機材料佔據的體積此時可以提供用於砂膨脹的「緩衝部」或空間，從而減少砂中應力的累積。型砂附加物的第三類別由「熔劑」組成，所述熔劑與砂粒表面反應以化學地改變砂的表層和由此產生的砂的膨脹特性。這些熔劑的例子是長期用作型砂附加物的氧化鐵(赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)兩者)。其他熔劑型型砂附加物包括包含氧化鈦(TiO2)和氧化鋰(Li2O)的材料，例如鋰輝石。還證明幾種不同熔劑型附加物的組合使用可具有有益的效果。當赤鐵礦與其他附加物一起使用時尤其如此。現有的型砂附加物類別可以減少鑄件中的毛刺，但是型砂附加物的全部三種類別都具有一些重要的缺點。相比於石英砂，低膨脹骨料趨於昂貴且需要以相對高水平使用(基於砂大於10% ) O有機緩衝材料傾向於在鑄型或型芯暴露於液體金屬時增加由鑄型或型芯產生的氣體總量，並且在以高於約1%水平使用時會顯著降低鑄型/型芯強度。溶劑型型砂附加物是當前最廣泛使用的附加物，但是它們也具有一些缺陷。例如，在以基於砂(BOS)的高於約2wt%T使用氧化鐵時可引起金屬滲透增加並且在較高水平下使用時減少鑄型/型芯強度。含氧化鋰的鋰輝石昂貴且通常以較高水平使用，例如基於砂(BOS)的4-8wt% ο發明概述本公開內容描述了包含骨料和某些有機酸鹽的鑄造用混合物，所述有機酸鹽優選檸檬酸鹽、乙酸鹽和酒石酸鹽。有機酸鹽可以以基於骨料重量的少於5. Owt %的量使用，甚至以少於I. 0wt%的量使用，以有效減少用鑄造用混合物製造的金屬鑄件的毛刺。還描述了鑄造用混合物經溫芯盒(warm-box)、熱芯盒(hot_box)、自硬(no_bake)、和冷芯盒 (cold-box)工藝製造鑄造成型件(shapes)的用途、這些鑄造成型件製造金屬鑄件的用途，以及經該工藝製造的金屬鑄件。當使用所述鑄造用混合物時，減少或消除了由用於澆鑄金屬部件之鑄造成型件製造的金屬鑄件中的毛刺。出乎意料的是有機酸鹽可以用於鑄造用混合物以改善毛刺，因為這些鹽一般是酸性並且可幹擾砂的粘結劑的化學工藝。例如，因為溫芯盒粘結劑使用酸性催化劑，有機酸鹽的存在可過早的啟動反應。另一方面，酚醛尿烷冷芯盒粘結劑是鹼性催化的，有機酸鹽的存在可阻礙反應或者需要較高的催化劑水平。有機酸鹽還會在遠低於金屬鑄造溫度的溫度分解並且釋放出一般認為不利於鑄型和型芯的水和其他氣體。發明詳述用作鑄造用混合物的型砂附加物的有機鹽的例子包括檸檬酸鈉、檸檬酸鉀、檸檬酸鈣、檸檬酸鎂、乙酸鈉、乙酸鉀、乙酸鈣、乙酸鎂、次氨基三乙酸三鈉鹽、乙二胺四乙酸四鈉鹽和酒石酸氫鉀。鑄造用混合物中使用的有機酸鹽的量是有效減少或消除用於澆鑄金屬部件的、用鑄造成型件(如鑄型和型芯)製造的金屬鑄件中的毛刺的量。通常有機酸鹽的有效量是基於鑄造用骨料重量計O. 25wt %至5. Owt %，優選基於鑄造用骨料重量計O. 5wt %至3. Owt%，且最優選基於鑄造用骨料重量計O. 75 丨％至2. Owt%。除了有機酸鹽，鑄造用混合物還可以包含已知的型砂附加物，例如氧化鐵紅(rediron oxide)、氧化鐵黑(black iron oxide)和含氧化鋰的化合物。特別有用的是與有機酸鹽共同使用氧化鐵紅。如果將氧化鐵紅和有機酸鹽一起使用，通常地，檸檬酸鹽和/或乙酸鹽與氧化鐵紅的重量比是I : I至5 : 1，優選地2 I至4 : I。鑄造用混合物還可以包括鑄造粘結劑。這些鑄造粘結劑是本領域公知的。可以使用任何無機的或有機的溫芯盒、熱芯盒、自硬或冷芯盒粘結劑，只要所述粘結劑足以使鑄造成型件保持在一起並且在硬化催化劑存在下聚合即可。這類粘結劑的例子是酚醛樹月旨、酚醛尿烷粘結劑、呋喃粘結劑、鹼性酚醛甲階酚醛樹脂粘結劑和環氧-丙烯酸系粘結劑等。特別優選的是酚醛尿烷粘結劑和環氧-丙烯酸粘結劑。在美國專利No. 3，485，497和3，409，579中描述了酚醛尿烷粘結劑，其通過引用併入本公開內容。這些粘結劑基於兩組分系統，一部分是酚醛樹脂組分，而另一部分是多異氰酸酯組分。美國專利No. 4，526，219中描述了在氧化劑存在下用二氧化硫硬化的環氧-丙烯酸粘結劑，其通過引用併入本公開內容。所需的粘結劑的量是維持成型件並使其有效硬化的有效量，即產生在硬化後可操作或自支持的鑄造成型件的有效量。通常粘結劑的有效量基於鑄造用骨料重量計大於約O. Iwt %。優選地,粘結劑量的範圍是O. 5wt%至5wt%,更優選O. 5wt%至2wt%。經自硬工藝硬化鑄造用混合物通過以下方式進行將液體硬化催化劑和鑄造用混合物混合(或者首先將液體硬化催化劑與鑄造用混合物混合)；使包含催化劑成型的鑄造用混合物，以及通常在環境溫度下不需加熱地使成型的鑄造用混合物硬化。溫芯盒和熱芯盒工藝與自硬工藝類似，不同之處在於為了促進硬化而對工具和/或鑄造成型件加熱。對於自硬工藝優選的液體硬化催化劑是叔胺，其在通過引用併入本公開內容的美國專利No. 3，485，797中描述。這種液體硬化催化劑的具體例子包括4-烷基吡啶(其中烷基具有I至4個碳原子)、異喹啉、芳基吡啶(如苯基吡啶)、吡唆、吖唆、2-甲氧基吡啶、噠嗪、3-氯吡啶、喹啉、N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、4，4』-聯吡啶、4-苯基丙基吡啶、I-甲基苯並咪唑和1，4_噻嗪。如果在溫芯盒、熱芯盒或自硬工藝中使用呋喃粘結劑，通常使用的硬化催化劑是無機或有機酸，例如強酸如甲苯磺酸、二甲苯磺酸、苯磺酸、HCl和&504。也可以使用弱酸， 如磷酸。經冷芯盒工藝硬化鑄造成型件通過以下方式進行將鑄造用混合物吹入或塞入模樣(pattern)中並使鑄造成型件與蒸氣或氣體催化劑接觸。根據選定的化學粘結劑可以使用不同蒸氣或蒸氣/氣體混合物或氣體(例如叔胺、二氧化碳、甲酸甲酯和二氧化硫)。本領域的技術人員知道哪種氣體硬化劑適合於所用的粘結劑。例如，胺的蒸氣/氣體混合物與酚醛-尿烷脂一起使用，二氧化硫(連同氧化劑)與環氧-丙烯酸樹脂一起使用。參見通過引用併入本公開內容的美國專利No. 4，526，219。將二氧化碳(見通過引用併入本公開內容的美國專利No. 4，985，489)或甲酯(見通過引用併入本公開內容的美國專利No. 4，750，716)與鹼性聚氨樹脂一起使用。還可以將二氧化碳與基於矽酸鹽的粘結劑一起使用。參見通過引用併入本公開內容的美國專利No. 4，391，642。優選地，粘結劑是冷芯盒酚醛尿烷粘結劑，其以如美國專利No. 3，409，579中描述的方式通過使叔胺氣體(如三乙胺)通過成型的鑄造用混合物而硬化；或者如美國專利No. 4，526，219中描述的在氧化劑存在下用二氧化硫硬化的環氧-丙烯酸樹脂粘結劑。對本領域技術人員顯而易見的是，可以將其他附加物(如脫模劑、溶劑、使用壽命延長劑、聚矽氧烷化合物等)添加到鑄造用混合物中。
實施例在實施例A(對比例)和實施例I中，測試型芯(2」直徑、2」高的圓柱芯)經溫芯盒工藝通過以下方式產生將Badger 5574石英砂與I. 25% BOS的CHEM-REZili 995呋喃粘結劑、20% BOB(基於粘結劑計)的CHEM-REZ FC521催化劑(由Ashland Inc.市售)、和表I所示的型砂附加物和量(基於砂的重量，B0S)混合；以及將混合物吹入維持在約235 °C的芯盒中。實施例B(對比例)和實施例2-4中，測試型芯經冷芯盒工藝通過以下方式製備將Wedron 540石英砂與I. 0%的丨SOCURE^TKW 10/20酚醛尿烷粘結劑(由AshlandInc.市售的兩組分的酚醛尿烷粘結劑，組分I和組分II的比例為I : I)及表I中的型砂附加物和量混合，將混合物吹入具有2」圓柱體、2」高的腔的芯盒中，並用TEA催化劑固化型
權利要求
1.一種鑄造用混合物，其包含 (a)鑄造用骨料；和 (b)有機鹽，所述有機鹽的量為有效減少利用所述鑄造用混合物製造的金屬鑄件的毛刺。
2.權利要求I的鑄造用混合物，其還包含選自氧化鐵紅、氧化鐵黑及其混合物的氧化鐵。
3.權利要求2的鑄造用混合物，其中所述氧化鐵是氧化鐵紅。
4.權利要求3的鑄造用混合物，其中所述鑄造用骨料包括石英砂。
5.權利要求4的鑄造用混合物，其中所述有機酸鹽選自檸檬酸鹽、乙酸鹽、酒石酸鹽及其混合物。
6.權利要求5的鑄造用混合物，其中所述鹽為檸檬酸鈉。
7.權利要求4或5的鑄造用混合物，其中有機酸鹽與氧化鐵紅的重量比是I: I至4 I。
8.權利要求7的鑄造用混合物，其中有機酸鹽與氧化鐵紅的重量比是I: I至2 : I。
9.權利要求9的鑄造用混合物，其中所述鑄造用混合物包含有機粘結劑。
10.權利要求9的鑄造用混合物，其中所述粘結劑是酚醛尿烷粘結劑或環氧丙烯酸酯粘結劑。
11.權利要求10的鑄造用混合物，其中所述鑄造用混合物包含催化劑。
12.權利要求9的鑄造用混合物，其中在所述鑄造用混合物中有機酸鹽的量是基於所述鑄造用骨料重量的0. 5被％至4. Owt%。
13.權利要求11的鑄造用混合物，其中在所述鑄造用混合物中有機酸鹽的量是基於所述鑄造用骨料重量的0. 5被％至4. Owt%。
14.權利要求12的鑄造用混合物，其中在所述鑄造用混合物中有機酸鹽的量是基於所述鑄造用骨料重量的0. 5被％至2. 5wt%。
15.權利要求13的鑄造用混合物，其中在所述鑄造用混合物中有機酸鹽的量是基於所述鑄造用骨料重量的0. 5被％至2. 5wt%。
16.一種用於製造鑄造成型件的冷芯盒方法，其包括 (a)將權利要求9的鑄造用混合物引入模樣中以形成鑄造成型件； (b)使(A)的所述鑄造成型件與能夠硬化所述成型件的蒸氣狀硬化催化劑接觸； (c)使由(B)產生的所述成型件硬化直至所述成型件變得可操作；以及 (d)將所述成型件從所述模樣中取出。
17.一種用於澆鑄金屬部件的方法，其包括 (a)將由權利要求16的方法製造的鑄造成型件插入鑄型組合件中； (b)在金屬為液態時將其傾注到所述鑄型組合件中； (c)使所述金屬冷卻並且固化；以及 (d)然後將所述澆鑄金屬部件與所述鑄型組合件分離。
18.一種根據權利要求17製造的金屬部件。
19.一種用於製造鑄造成型件的自硬方法，其包括 (a)將權利要求11的鑄造用混合物引入模樣中以形成鑄造成型件；(b)使(A)的所述成型件硬化直至所述成型件變得可操作；以及(c)將所述成型件從所述模樣中取出。
20.一種用於澆鑄金屬部件的方法，其包括(a)將由權利要求19的方法製造的鑄造成型件插入鑄型組合件中；(b)在金屬為液態時將其傾注到所述鑄型組合件中；(c)使所述金屬冷卻並且固化；以及(d)然後將所述澆鑄金屬部件與所述鑄型組合件分離。
21.一種根據權利要求20製造的金屬部件。
22.一種用於製造鑄造成型件的溫芯盒方法，其包括(a)將權利要求11的鑄造用混合物引入模樣中以形成鑄造成型件；(b)將所述成型件加熱至150°C至260°C的溫度；(c)使(A)的所述成型件硬化直至所述成型件變得可操作；以及(d)將所述成型件從所述模樣中取出。
23.一種用於澆鑄金屬部件的方法，其包括(a)將由權利要求22的方法製造的鑄造成型件插入鑄型組合件中；(b)在金屬為液態時將其傾注到所述鑄型組合件中；(c)使所述金屬冷卻並且固化；以及(d)然後將所述澆鑄金屬部件與所述鑄型組合件分離。
24.一種根據權利要求23製造的金屬部件。
全文摘要
公開了包含有機鹽的鑄造用混合物及其經溫芯盒、熱芯盒、自硬和冷芯盒工藝製造鑄造成型件的用途，這些鑄造成型件用於製造金屬鑄件的用途，以及由該工藝製造的金屬鑄件。
文檔編號C04B14/00GK102762513SQ201080057805
公開日2012年10月31日 申請日期2010年10月28日 優先權日2009年12月16日
發明者拉爾夫·E·肖曼, 肖恩·B·哈蒙 申請人:亞世科化學有限公司