专利名称：包含碳酸盐的铸造用混合物及其用途的制作方法
包含碳酸盐的铸造用混合物及其用途相关申请的交叉引用本申请要求2009年12月16日提交的序列号为No. 61/286，913的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
背景技术：
石英砂(SiO2，石英)在金属铸造工业中作为骨料被广泛地用于生产铸型和型芯。所述石英砂用于“湿砂”(与水和粘土粘结的砂)和化学粘结砂。使用多种无机和有机粘合·齐IJ，包括硅酸钠粘合剂，和酚醛聚氨酯、呋喃、环氧-丙烯酸酯、和酯硬化酚醛粘合剂，以及酸硬化酚醛粘合剂等。粘合剂与砂混合并且在工艺装备中压实该混合物以成为期望的铸型和型芯的成型件，然后粘合剂变硬并将砂粒粘结在一起。随后将铸型和型芯部件装配成铸型组合件，将金属倾注到铸型组合件中并以期望铸件的成型件填充内腔。来自液体金属的热(特别是熔点超过1100°c的铁合金情况下)开始分解有机粘结剂并将砂加热。随着石英砂加热，出现热膨胀。这种膨胀是相对线性的，直至温度达到约570°c，此时砂粒的晶体结构转变。这种结构转变伴随着快速的等温膨胀，继之以热收缩工艺，直至980°C左右，此时发生伴随更多热膨胀的另一晶体结构变化。据认为砂粒中的这些快速体积变化在铸件表面附近的砂层中产生机械应力，其可导致与铸型中热熔融液体金属相接触的铸型或芯表面开裂。熔融液体金属可以流入这些裂纹并在铸件表面形成毛刺(vein)或飞边(fin)。这些是不期望的并且需要时间和工作除去。在具有小的内部型芯通道的关键应用中，毛刺可能延伸穿过通道并将其阻断。这些关键铸件的例子是具有水套的发动机本身和汽缸盖，它们可被难以检测且更难以除去的位置处的毛刺阻断。其他类型的骨料也可以用于生产“砂型”铸型和型芯，所述骨料包括天然锆石、铬铁矿、橄榄石和人造陶瓷以及其他骨料。这些骨料具有无相转变的较低膨胀率，并且形成毛刺缺损的趋势明显减少，但是也要贵得多。已将型砂附加物与石英砂一起使用以减少毛刺趋势。根据它们的作用机制，这些型砂附加物通常分为三种主要类别。第一类别由“低膨胀骨料”组成，例如石英砂和锆砂的90 10混合物，其具有比单独的石英砂更低的膨胀值。除了天然存在的骨料外，可以使用人造骨料，如陶瓷(莫来石)珠、硅酸铝“微球”或熔合的硅石。第二类别由“有机缓冲材料”组成，例如木粉、糊精和淀粉。当与石英砂混合时，它们占据石英砂之间的一些体积。因此，当熔融金属被倾注到铸型中时，来自于熔融金属的热快速将额外的有机材料烧掉。先前被有机材料占据的体积此时可以提供用于砂膨胀的“缓冲部”或空间，从而减少砂中应力的累积。型砂附加物的第三类别由“熔剂”组成，所述熔剂与砂粒表面反应以化学地改变砂的表层和由此产生的砂的膨胀特性。这些熔剂的例子是长期用作型砂附加物的氧化铁(赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)两者)。其他熔剂型型砂附加物包括包含氧化钛(TiO2)和氧化锂(Li2O)的材料，例如锂辉石。还证明几种不同熔剂型附加物的组合使用可具有有益的效果。当赤铁矿与其他附加物一起使用时尤其如此。现有的型砂附加物类别可以减少铸件中的毛刺，但是型砂附加物的全部三种类别都具有ー些重要的缺点。相比于石英砂，低膨胀骨料趋于昂贵且需要以相对高水平使用(基于砂大于10% )。有机缓冲材料倾向于在铸型或型芯暴露于液体金属时增加由铸型或型芯产生的气体总量，并且在以高于约1%水平使用时会显著降低鋳型/型芯強度。溶剂型型砂附加物是当前最广泛使用的附加物，但是它们也具有ー些缺陷。例如，在以基于砂(BOS)的高于约2wt%下使用氧化铁时可引起金属渗透增加并且在较高水平下使用时减少铸型/型芯強度。含氧化锂的锂辉石昂贵且通常以较高水平使用，例如基于砂(BOS)的4-8wt%o
发明概述本公开内容描述了包含骨料和某些碳酸盐的铸造用混合物。碳酸盐可以以基于骨料重量计少于4. Owt %的量使用，甚至以少于I. Owt %的量使用，以有效减少用铸造用混合物制造的金属铸件的毛刺。还描述了铸造用混合物经温芯盒(warm-box)、热芯盒(hot-box)、自硬(no-bake)、和冷芯盒(cold_box)エ艺制造铸造成型件的用途、这些铸造成型件制造金属铸件的用途，以及经该エ艺制造的金属铸件。当使用所述铸造用混合物吋，減少或消除了由用于浇铸金属部件之鋳造成型件制造的金属铸件中的毛刺。已知无论是纯的或是在天然矿物(如白云石)中的碳酸盐都会降低用于制造鋳造成型件的冷芯盒エ艺的砂混合物的可使用时间，以及降低用于通过温芯盒、热芯盒和自硬エ艺硬化鋳造成型件的酸性催化剂的反应性。因为这个，这里促进去除或最小化在鋳造用混合物中碳酸盐的存在。尽管这妨碍了碳酸盐在鋳造用混合物中的使用，但是所述铸件的评估表示碳酸盐的加入不仅改善了毛刺，而且当使用更少量(该量与已知使用的型砂附加物的量相比)的碳酸盐时，可比较地改善产生的毛刺。发明详述用作鋳造用混合物的型砂附加物的碳酸盐包括，如碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸镁及其混合物。可以使用纯的碳酸盐和/或包含碳酸盐的天然矿物。包含碳酸盐的天然矿物的例子是白云石。白云石由于其可用性和价格具有作为碳酸盐的来源的优势。在鋳造用混合物中使用的碳酸盐的量是有效減少或消除用于浇铸金属部件的、用鋳造成型件(如鋳型和型芯)制造的金属铸件中的毛刺的量。通常碳酸盐的有效量是基于铸造用骨料重量计0. 25wt%至5. Owt %，优选基于铸造用骨料重量计0. 5wt%至3. Owt %,且最优选基于铸造用骨料重量计0. 75wt%至2. Owt%。除了碳酸盐之外，鋳造用混合物还可以包含已知的型砂附加物，例如氧化铁红(red iron oxide)、氧化铁黑(black iron oxide)和含氧化锂的化合物。特别有用的是与碳酸盐共同使用氧化铁红。如果将氧化铁红和碳酸盐一起使用，通常地，硫酸盐和/或硝酸盐与氧化铁红的重量比是I : I至4 : 1，优选地I : I至2 : I。鋳造用混合物还可以包括鋳造粘结剂。这些铸造粘结剂是本领域公知的。可以使用任何无机的或有机的温芯盒、热芯盒、自硬或冷芯盒粘结剂，只要所述粘结剂足以使鋳造成型件保持在一起，并且在有机粘合剂的情况下，在硬化催化剂存在下聚合即可。这类粘结剂的例子是酚醛树脂、酚醛尿烷粘结剂、呋喃粘结剂、碱性酚醛甲阶酚醛树脂粘结剂和环氧-丙烯酸类粘结剂等。特别优选的是酚醛尿烷粘结剂和环氧-丙烯酸粘结剂。在美国专利No. 3，485，497和3，409, 579中描述了酚醛尿烷粘结剂，其通过引用并入本公开内容。这些粘结剂基于两组分系统，一部分是酚醛树脂组分，而另一部分是多异氰酸酯组分。美国专利No. 4，526，219中描述了在氧化剂存在下用二氧化硫硬化的环氧-丙烯酸粘结剂，其通过引用并入本公开内容。所需的粘结剂的量是维持成型件并使其有效硬化 的有效量，即产生在硬化后可操作或自支持的铸造成型件的有效量。通常粘结剂的有效量基于铸造用骨料重量计大于约0. Iwt %。优选地,粘结剂量的范围是0. 5wt*%至5wt*%,更优选0. 5wt*%至2wt*%。经自硬工艺硬化铸造用混合物通过以下方式进行将液体硬化催化剂和铸造用混合物混合(或者首先将液体硬化催化剂与铸造用混合物混合)；使包含催化剂成型的铸造用混合物，以及通常在环境温度下不需加热地使成型的铸造用混合物硬化。温芯盒和热芯盒工艺与自硬工艺类似，不同之处在于为了促进硬化而对工具和/或铸造成型件加热。对于自硬工艺优选的液体硬化催化剂是叔胺，其在通过引用并入本公开内容的美国专利No. 3，485，797中描述。这种液体硬化催化剂的具体例子包括4-烷基吡啶(其中烷基具有I至4个碳原子)、异喹啉、芳基吡啶(如苯基吡啶)、吡啶、吖啶、2-甲氧基吡啶、哒嗪、3-氯吡啶、喹啉、N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、4，4’-联吡啶、4-苯基丙基吡啶、I-甲基苯并咪唑和I，4-噻嗪。如果在温芯盒、热芯盒或自硬工艺中使用呋喃粘结剂，通常使用的硬化催化剂是无机或有机酸，例如强酸如甲苯磺酸、二甲苯磺酸、苯磺酸、HCl和比504。也可以使用弱酸，如磷酸。经冷芯盒工艺硬化铸造成型件通过以下方式进行将铸造用混合物吹入或塞入模样(pattern)中并使铸造成型件与蒸气或气体催化剂接触。根据选定的化学粘结剂可以使用不同蒸气或蒸气/气体混合物或气体(例如叔胺、二氧化碳、甲酸甲酯和二氧化硫)。本领域的技术人员知道哪种气体硬化剂适合于所用的粘结剂。例如，胺的蒸气/气体混合物与酚醛-尿烷脂一起使用，二氧化硫(连同氧化剂)与环氧-丙烯酸树脂一起使用。参见通过引用并入本公开内容的美国专利No. 4，526，219。将二氧化碳(见通过引用并入本公开内容的美国专利No. 4，985，489)或甲酯(见通过引用并入本公开内容的美国专利No. 4，750，716)与碱性聚氨树脂一起使用。还可以将二氧化碳与基于硅酸盐的粘结剂一起使用。参见通过引用并入本公开内容的美国专利No. 4，391，642。优选地，粘结剂是冷芯盒酚醛尿烷粘结剂，其以如美国专利No. 3，409，579中描述的方式通过使叔胺气体(如三乙胺)通过成型的铸造用混合物而硬化；或者如美国专利No. 4，526，219中描述的在氧化剂存在下用二氧化硫硬化的环氧-丙烯酸树脂粘结剂。对本领域技术人员显而易见的是，可以将其他附加物(如脱模剂、溶剂、使用寿命延长剂、聚硅氧烷化合物等)添加到铸造用混合物中。
实施例在实施例A(对比例)和实施例1-3中，测试型芯(2”直径、2”高的圆柱芯)经温芯盒工艺通过以下方式产生JfBadger 5574石英砂与I. 25% BOS ||j( HEM-REZ" 995呋喃粘结剂、20% BOB(基于粘结剂计)的CHEM-REZ FC521催化剂(由Ashland Inc.市售)、和表I所示的型砂附加物和量(基于砂的重量，BOS)混合；以及将混合物吹入維持在约235°C的芯盒中。实施例B(对比例)和实施例4-5中，测试型芯经冷芯盒エ艺通过以下方式制备将Wedron 540石英砂与I. 0%的ISOCURE^TKW 10/20酚醛尿烷粘结剂(由AshlandInc.市售的两组分的酚醛尿烷粘结剂，组分I和组分II的比例为I : I)及表I中的型砂附加物和量混合，将混合物吹入具有2”圆柱体、2”高的腔的芯盒中，并用TEA催化剂固化型芯。测试型芯的毛刺特性用“滲透”测试铸件測量，测试型芯在该测试铸件中粘合成铸型组合件。随后将Molten Class 30灰铸铁，具有约1450°C的温度，倾注到包含测试型芯的铸型组合件中。在AFS Transactions，第149-158页(第84届AFS会议，密苏里州圣路易斯，1980年4月21-25)中Tordoff和Tenaglia描述了针对毛刺和机械渗透的渗透测试。表面缺陷由目測观察确定且铸件等级是基于测试铸件的经验和照片。将铸件冷却并用喷砂清理，对由型芯产生的腔的内表面进行评估并视觉上比较毛刺并且在I至5的范围内评级，其中5代表最坏的毛刺而I表明没有毛刺。结果列于下表I中。表I (测试型芯的毛刺特征)
权利要求
1.一种铸造用混合物，其包含 (a)铸造用骨料；和 (b)碳酸盐，其量为有效减少利用所述铸造用混合物制备的金属铸件的毛刺。
2.权利要求I的铸造用混合物，其还包含选自氧化铁红、氧化铁黑及其混合物的氧化铁。
3.权利要求2的铸造用混合物，其中所述氧化铁是氧化铁红。
4.权利要求3的铸造用混合物，其中所述铸造用骨料包括石英砂。
5.权利要求4的铸造用混合物，其中所述盐选自碳酸钙、碳酸镁及其混合物。
6.权利要求5的铸造用混合物，其中白云石作为所述碳酸钙和碳酸镁的来源用于所述铸造用混合物中。
7.权利要求4的铸造用混合物，其中所述铸造用混合物还包含石膏。
8.权利要求5、6或7的铸造用混合物，其中碳酸盐与氧化铁红的重量比是I: I至4 I。
9.权利要求8的铸造用混合物，其中碳酸盐与氧化铁红的重量比是I: I至2 : I。
10.权利要求9的铸造用混合物，其中所述铸造用混合物包含有机粘结剂。
11.权利要求10的铸造用混合物，其中所述粘结剂是酚醛尿烷粘结剂或环氧丙烯酸酯粘结剂。
12.权利要求11的铸造用混合物，其中所述铸造用混合物包含催化剂。
13.权利要求11的铸造用混合物，其中在所述铸造用混合物中所述盐的量是基于所述铸造用骨料重量的0. 5 丨％至4. Owt%。
14.权利要求12的铸造用混合物，其中在所述铸造用混合物中所述盐的量是基于所述铸造用骨料重量的0. 5 丨％至4. Owt%。
15.权利要求11的铸造用混合物，其中在所述铸造用混合物中所述盐的量是基于所述铸造用骨料重量的0. 5 丨％至2. 5wt%。
16.权利要求12的铸造用混合物，其中在所述铸造用混合物中所述盐的量是基于所述铸造用骨料重量的0. 5 丨％至2. 5wt%。
17.一种用于制造铸造成型件的冷芯盒方法，其包括 (a)将权利要求15的铸造用混合物引入模样中以形成铸造成型件； (b)使(A)的所述铸造成型件与能够硬化所述成型件的蒸气状硬化催化剂接触； (c)使由(B)产生的所述成型件硬化直至所述成型件变得可操作；以及 (d)将所述成型件从所述模样中取出。
18.一种用于浇铸金属部件的方法，其包括 (a)将由权利要求15的方法制造的铸造成型件插入铸型组合件中； (b)在金属为液态时将其倾注到所述铸型组合件中； (c)使所述金属冷却并且固化；以及 (d)然后将所述浇铸金属部件与所述铸型组合件分离。
19.一种根据权利要求18制造的金属部件。
20.一种用于制造铸造成型件的自硬方法，其包括 (a)将权利要求12的铸造用混合物引入模样中以形成铸造成型件；(b)使(A)的所述成型件硬化直至所述成型件变得可操作；以及(c)将所述成型件从所述模样中取出。
21.ー种用于浇铸金属部件的方法，其包括(a)将由权利要求20的方法制造的鋳造成型件插入铸型组合件中；(b)在金属为液态时将其倾注到所述铸型组合件中；(c)使所述金属冷却并且固化；以及(d)然后将所述浇铸金属部件与所述铸型组合件分离。
22.ー种根据权利要求20制造的金属部件。
23.一种用于制造鋳造成型件的温芯盒方法，其包括(a)将权利要求12的鋳造用混合物引入模样中以形成鋳造成型件；(b)将所述成型件加热至150°C至260°C的温度；(c)使(A)的所述成型件硬化直至所述成型件变得可操作；以及(d)将所述成型件从所述模样中取出。
24.ー种用于浇铸金属部件的方法，其包括(a)将由权利要求22的方法制造的鋳造成型件插入铸型组合件中；(b)在金属为液态时将其倾注到所述铸型组合件中；(c)使所述金属冷却并且固化；以及(d)然后将所述浇铸金属部件与所述铸型组合件分离。
25.ー种根据权利要求23制造的金属部件。
全文摘要
公开了包含碳酸盐的铸造用混合物及其经温芯盒、热芯盒、自硬和冷芯盒工艺制造铸造成型件的用途，这些铸造成型件用于制造金属铸件的用途，以及由该工艺制造的金属铸件。
文档编号C04B14/00GK102762512SQ201080057791
公开日2012年10月31日 申请日期2010年10月27日 优先权日2009年12月16日
发明者拉尔夫·E·肖曼, 肖恩·B·哈蒙 申请人:亚世科化学有限公司