专利名称：铸造用涂料组合物的制作方法
铸造用涂料组合物本发明涉及一种铸造用涂料组合物，特别是一种用于模具和型芯的涂料组合物，一种用于涂覆模具和型芯的方法，以及可通过该方法获得的模具和型芯。金属型材通过将熔融的金属注入被模具及任选地被型芯所限定的模腔而铸造。限定铸件外部的铸型称为铸模，而限定铸件内部的铸型称为型芯。当将液态金属浇铸入砂型、撞向型芯时，在砂/金属界面处发生物理效应和化学反应。两者均可以导致最终铸件的表面缺陷。金属渗透和开裂是在砂型和型芯中出现的物理铸造缺陷。渗透缺陷发生于当液态金属进入砂型或型芯的孔洞中时，导致铸件表面粗糙。开裂可以作为砂的不同的热膨胀的结果而发生。石英砂特别倾向于开裂，因为在573°C，作为相变的结果，发生强烈的膨胀。当热金属撞击冷模具或型芯表面时，产生强烈的热梯度，热通过扩散向型芯中耗散。模具或型芯的外层先达到573°C，导致由于突然膨胀而产生的压缩力。更深层(远离热金属)之后达 到573°C，并且当这些层膨胀时，表面处的压缩力变为张力，并可能发生开裂。在模具或型芯表面的液态金属随后可能进入裂缝，导致在铸件表面形成凸纹或结疤。化学缺陷包括粘砂和含碳缺陷。粘砂可以由砂中杂质(特别是碱金属盐)的存在而导致，杂质降低了模具或型芯的耐火性。当有机的模具和型芯粘结剂在高金属注入温度降解时，产生含碳缺陷，形成了含碳的气体，所述含碳的气体可能导致增碳或由于光泽的碳导致的表面麻点。为了试图改善模具和型芯的性质以避免结疤或其它缺陷，已经向型砂中添加了许多品种的不同试剂。这些添加剂(防结疤剂)包括淀粉类产品、糊精、氧化铁(包括氧化铁红和氧化铁黑)和氟化碱土金属或氟化碱金属。典型地，在加工模具或型芯前将所述添加剂与树脂和砂共混。添加剂均匀地分布于整个模具或型芯上。它的缺点是必须使用相对大量的(相对昂贵的)添加剂，而且通常必须增加粘结剂的水平以保持足够的型芯强度。耐火涂料(也称为模具涂料(paints)、敷料(dressings)或涂料(washes))也已经被使用多年，以改善所得铸件的性质。该涂料的目的包括提供光滑的铸件光洁度，防止砂受到熔融金属影响以限制粘砂和金属渗透，防止模具和型芯开裂和结疤，并使从铸件表面除砂更容易。所述涂料通常基于石墨，硅铝酸盐(滑石、云母、叶腊石)或硅酸锆(zirconsilicate)耐火材料。可以在型芯和|旲具上涂布多层耐火涂料，以减少缺陷和提闻铸件品质。W089/09106描述了一种砂质型芯，其首先用含有含细磨熔融石英的第一耐火涂料的水性悬浮液浸溃或喷涂。将涂层干燥，随后涂覆第二软性脱离涂料(例如粉末状石墨的悬浮液)。JP2003191048A公开了一种具有第一和第二涂层的型芯。第一涂层(14)渗入型芯，并且由锆粉和有机粘结剂组成。第二层(16)含有云母作为润滑剂，以帮助移除铸件。在第一涂层之后涂布弟_■涂层。根据本发明的第一方面，提供了一种铸造用涂料组合物，其包含液体载体；粘结剂；
和粒状耐火填料；所述粒状耐火填料包含粒径d > 38 μ m的第一(较粗的)部分，和粒径d < 38 μ m的第二(较细的)部分，其中全部粒状耐火填料中不大于10%具有38μπι< d< 53μπι的粒径，且所述第二(较细的)部分的O至50%由煅烧高岭土构成。图I是已经被本发明的组合物涂覆的铸模或型芯的一部分的示意图。铸模或型芯由砂粒10制成。通过粘结剂(未示出)将砂粒10彼此粘结在一起，以制成想要的形状。铸模或型芯是多孔的；在砂粒10之间存在空间(孔隙)12。当将涂料组合物涂布至铸模或型芯时，第二(较细的)部分14渗透进入多孔的铸模或型芯至一定深度(在图I中由Y示出)。第一(较粗的)部分16的粒径过大，不能渗透进入铸模或型芯，代之以形成表面层 16。不愿受限于理论，本发明人认为，第一(较粗的)部分使铸件易于从砂质型芯或模具中脱离，同时第二(较细的)部分有助于阻止结疤缺陷。此外，本发明人示出了，当所述涂料组合物含有高比例的煅烧高岭土(煅烧粘土)时,涂料组合物的益处减少。可以在单一步骤中将涂料组合物涂布至铸模或型芯，以提供渗透入模具或型芯的吸收层(包含第二(较细的)部分)以及层压在模具或型芯上的表面层(包含第一(较粗的)部分)。与涂布两层单独涂层的，特别是在涂布第二涂层前对第一涂层进行干燥的现有技术方法相比，所述单一步骤是有利的。本发明人已经发现，可以通过除去一定比例粒径在38μπι < d < 53 μ m范围内的粒子，在单一步骤中实现将细粒充分吸收入模具或型芯。本文中，将把粒径为38μπι< d
<53 μ m的粒子称为临界部分。据认为，临界部分阻隔了砂型或型芯中的孔隙，并因此阻碍了细粒部分的渗透。已经示出，所述阻隔效果基本上与使用的砂的类型(粒径和形状)无关。令人惊讶的是，本发明的涂料组合物可以与各自含有细粒部分和粗粒部分的两种分开的涂料同样有效。工作已经显示，可以通过双重涂覆方法，获得令人满意的铸造结果，其中首先涂布仅含有细粒的吸收涂料，随后涂布含有粗粒部分的涂料，在涂布之间带有或没有中间干燥步骤。不过，已经发现，对于特定的含有空腔(袋囊)的复杂型芯，如果没有对第一吸收涂料的中间干燥可能出现问题，第二涂料有时无法均匀附着在某些区域。备选的两步法包括首先涂布仅含有细粒的吸收液涂料，随后，通过将仍然湿润的第一涂覆的模具或型芯保持在粗粒子的流化床中，涂布干燥的粉末状粗粒部分，使得它们附着至表面。第一(较粗的)部分和第二(较细的)部分的粒径可以通过筛分确定。通过孔径尺寸为38 μ m的筛的粒状耐火填料对于本发明而言被定义为第二(较细的)部分，而被孔径尺寸为38 μ m的筛截留的粒状耐火填料为第一(较粗的)部分。所述筛可以是ISO 3310-1标准筛。粒径为38μπι<(1<53μπι的粒子将通过孔径尺寸为53 μ m的筛，但不通过孔径尺寸为38 μ m的筛。在一系列实施方案中，全部粒状耐火填料中不大于10 、7 、4、3 *%、或I 由粒径为38μπι < d < 53 μ m的粒子构成。因为已经表明临界部分阻止吸收，所以本发明人认为，临界部分更低的百分数是有利的。然而，因为实际原因，可能难以完全排除临界部分。所述百分数可以按重量(重量％)或按体积(体积％)确定。此外，临界部分(38 μ m < d < 53 μ m)可以相对于第一(较粗的)部分而确定。在一系列实施方案中，第一(较粗的)部分中不大于或3%是由粒径为38ym<d<53ym的粒子组成的。所述百分数可以按重量(重量％)或按体积(体积％)确定。在一个实施方案中，第一(较粗的)部分的粒径不大于630 μ m，不大于500 μ m，不大于400 μ m,不大于250 μ m或不大于180 μ m。通常，较粗/较大的(球状)粒子具有更粗糙的表面，即，粒径越小，涂层越光滑。对最大尺寸的限制通常取决于型芯边缘的形状，因为在这些边缘上可能发生涂层的开裂。粒子的形貌也是决定涂层表面性质的因素，因为粗大的薄片状的耐火材料典型地比同尺寸的圆粒薄片材料提供更加光滑的铸件表面，这是因为它们非常薄并且可以平放在表面上。 在一个实施方案中，第二(较细的)部分的粒径不大于35 μ m，不大于30 μ m，不大于25 μ m,不大于20 μ m或不大于10 μ m。粒状耐火填料含有粒径d > 38 μ m的第一(较粗的)部分和粒径d < 38 μ m的第二(较粗的)部分。在一系列实施方案中，第一(较粗的)部分与第二(较细的)部分的比率为0.1-2. O 1,0. 5-1. 5 1,0. 8-1. 2 1，I. 2-0. 8 1，I. 5-0. 5 I 或 2. 0-0. I I。所述比率可以是按重量计的或按体积计的。在另一系列实施方案中，第一(较粗的)部分的重量百分数(重量％)与第二(较细的)部分的重量百分数(重量％)的比率为0· I至2·0，0·2至1·7，0·3至1.4或0.5至
I.O。在另一系列实施方案中，第一(较粗的)部分的体积百分数(体积％ )与第二(较细的)部分的体积百分数(体积％ )的比率为0· 5至2. 0，0· 7至I. 8或O. 9至I. 5。对于粒状耐火填料没有特别的限定。适合的耐火填料包括石墨、硅酸盐、硅铝酸盐(例如孔雀石)、氧化铝、硅酸锆、白云母(云母)、伊利石、绿坡缕石(坡缕石)、叶腊石、滑石、以及氧化铁(包括氧化铁红和(水合的)氧化铁黄)。在一个实施方案中，第一(较粗的)部分包含石墨、硅酸盐、硅铝酸盐(例如孔雀石)、氧化铝和硅酸锆中的一种或多种。在特别的实施方案中，第一(较粗的)部分含有具有薄片状或片状形貌的粒子。具有薄片状或片状形貌的粒子包括晶态石墨、白云母(云母)、叶腊石、滑石和云母状氧化铁。在进一步的实施方案中，第一(较粗的)部分含有晶态(薄片状)石墨。在进一步的实施方案中，第一(较粗的)部分由晶态(薄片状)石墨组成。在一个实施方案中，第二(较细的)部分包含具有球状形貌的粒子。氧化铁红(赤铁矿)是具有球状形貌的粒子的实例。在另一个实施方案中，第二(较细的)部分包含具有棒状形貌的粒子。坡缕石(绿坡缕石)、海泡石、氧化铁黄(水合氧化铁例如针铁矿或纤铁矿)、以及硅灰石是具有棒状形貌的粒子的实例。在另一个的实施方案中，第二(较细的)部分同时包含具有球状形貌的粒子和具有棒状形貌的粒子。在特别的实施方案中，第二(较细的)部分包含氧化铁。在一个实施方案中，第二(较细的)部分包含具有层状或板状形貌的粒子。煅烧高岭土和云母是具有层状形貌的粒子的实例。在一个实施方案中，第二(较细的)部分含有煅烧高岭土。在一系列实施方案中，第二(较细的)部分的不大于50% ,45^,40%或35%由煅烧高岭土组成。在一定限度内，煅烧高岭土的存在表明是有利的。高比例的煅烧高岭土表明对涂料组合物有不利影响。在进一步的实施方案中，第二(较细的)部分含有O至50%的不形成凝胶结构的硅酸盐类矿物。在再进一步的实施方案中，第二(较细的)部分含有O至50%的不形成凝胶结构的粒子。在一系列实施方案中，第二(较细的)部分含有不形成凝胶的具有层状或板状形貌的粒子(包括硅酸盐类矿物)，所述粒子占第二(较细的)部分的不大于50%，45%，40%或 35%。所述百分数可以按重量计(重量％ )或按体积计(体积％ )。云母和煅烧高岭土是具有层状形貌且不形成凝胶的硅酸盐类矿物的实例。 第一(较粗的)部分和第二(较细的)部分可以由相同或不同的粒状耐火填料组成。液体载体用于将粒状耐火填料运输至砂质基材上以及砂质基材内。应当在进行铸造之前将其移除。在一个实施方案中，液体载体是水。在其它实施方案中，液体载体是挥发性有机液体载体如异丙醇、甲醇或乙醇。粘结剂的功能是将填料粒子粘结在一起并向模具或型芯提供附着性。在一个实施方案中，粘结剂含有聚合物聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、糊精或聚丙烯酸酯中的一种或多种。该体系的流变性由粒子数和它们(相对于液体载体)所占的体积确定。粒子的大小和形状强烈影响流变性；细粒由于其相对高的与液体载体交互作用的表面积而具有更大的影响，而粒子团聚则降低它们的影响。某些棒状粒子如绿坡缕石会形成凝胶状结构是公知的，而这可由加入一种或多种的分散剂来控制。在一个实施方案中，铸造用涂料组合物附加地含有分散剂。适合的分散剂包括聚丙烯酸盐(钠或铵)，木质素磺酸盐和聚磷酸盐。如果液体载体是水，可以向涂料中加入杀生物剂。根据本发明的第二方面，提供了一种用于制备涂覆的铸模或型芯的方法，所述方法包括提供铸模或型芯；对所述铸模或型芯涂布第一方面所述的铸造用涂料组合物；并且除去液体载体。所述方法的优点在于，在单一步骤中获得同时具有吸收层和表面层的涂覆的铸模或型芯。在一个实施方案中，通过浸、刷、抹、喷或淋(overpouring),涂布所述组合物。在一系列实施方案中，对铸模或型芯涂布铸造用涂料组合物，以获得I至10mm，
I.5mm至8mm, 2至6mm, 2. 5mm至5mm或3至4mm的吸收深度。应当理解,在一定的限度内，可以通过调节铸造用涂料组合物的涂布参数，例如浸溃时间、黏度等，获得增加的吸收深度。当通过浸溃涂布涂料时，可以通过增加浸溃时间获得增加的吸收深度。已经发现，本发明的铸造用涂料组合物与现有技术的涂料相比，提供了更大的吸收深度，并且本发明人认为，所述增加的吸收深度是移除了临界部分的结果。在另一系列实施方案中，将铸造用涂料组合物涂布至铸模或型芯，以得到100至1000 μ m, 100 至 800 μ m, 150 至 600 μ m, 200 至 450 μ m 或 250 至 350 μ m 的表面层厚度。在一个实施方案中，通过干燥除去液体载体。可以通过将涂覆的型芯和模具置于常规的气体或电热干燥烘箱中，或者使用微波炉进行干燥。当液体载体是水或挥发性有机液体时，可以使用干燥。在备选的实施方案中，载体液可以通过燃烧除去。当液体载体是异丙醇时，可以使用这种方法。铸模或型芯可以含有石英砂、锆石砂、铬铁矿砂、橄榄石砂或它们的组合。在一个实施方案中，铸模或型芯含有石英砂。大小、分布和颗粒形状都影响铸件的品质。粗粒砂倾向于导致更大的金属渗透，使铸件的表面光洁度差，而细粒砂给出较好的表面光洁度，但需要更高的粘结剂水平，这可能导致气体缺陷。用于型芯的石英砂典型地具有最少95-65%的SiO2含量、40-60的AFS细度值、220-340微米的平均颗粒尺寸、和优选为圆形或接近圆形的颗粒。用于模具的砂通常稍微粗大一些，其AFS细度值为35-50，且平均颗粒尺寸为280-390微米。 应当理解，砂的大小和其颗粒形状将对渗透性并因此对本发明的特别的涂料的吸收深度产生某些影响。通常而言，与细砂和/或圆形砂型芯和模具相比，使用具有粗的和/或有棱角的或略带棱角的颗粒的砂制备的模具和型芯将更具渗透性并且因此吸收涂料至更深的深度。本发明还在于可通过所述第二方面的方法获得的涂覆的铸模或型芯。所述可通过所述第二方面的方法获得的涂覆的铸模和型芯包括第一(表面)涂层和第二(吸收)涂层，第一和第二涂层各含有粒状耐火材料。第一(较粗的)部分形成第一(表面)涂层，而第二(较细的)部分形成第二(吸收)涂层。在一系列实施方案中，第一(表面)层的厚度为100至800 μ m，150至600 μ m，200至 450 μ m 或 250 至 350 μ m。在另一系列实施方案中，第二(吸收)耐火层的深度为I至10mm，I. 5mm至8mm，2至 6mm, 2. 5mm 至 5mm 或 3 至 4mm η现在将仅参照以下的图通过实施例描述本发明的实施方案。图I是根据本发明的实施方案的模具或型芯的部分的示意图。图2是根据本发明的实施方案的两个型芯及一个比较例的示意图。图3至6是示出了根据本发明的实施方案以及比较例的型芯的选择性质的图。图7a、7b和8是用于进彳丁结症还试验的铸造布局和I旲具的图。图9是说明型芯中的铸造缺陷的图。
图10是结疤坯试验结果的示意图。方法制备水性涂料，所述水性涂料含有作为粘结剂的聚乙烯醇，及聚丙烯酸钠以控制组合物的流变性。各涂料组合物的一般组成为40至60重量％的液体载体(水)；O. 2至2. O重量％的粘结剂O至4重量％的分散剂，O至O. 5重量％杀生物剂10至30重量％的粗粒状耐火填料(第一部分，d > 38 μ m)
20至30重量％的细粒状耐火填料(第二部分，d < 38 μ m)细粒状耐火填料(包括粘土胶凝剂(绿坡缕石)、氧化铁红、氧化铁黄和煅烧粘土)均具有如下粒径分布全部材料< 25 μ m,而大部分材料< 10 μ m。粗粒状耐火填料包括石墨和孔雀石(一种硅铝酸盐)。以来样形式对商购等级的薄片状石墨和孔雀石进行试验，并且在加工以除去特定的材料部分之后，也进行试验。使用分级后的石墨或孔雀石，和或除去的特定筛分部分，制备试验涂料。理论上，分级应当除去了所有的细料(< 38 μ m)，然而，分析显示，存在着非常低水平的残余细部分和临界部分(这归结于松散地附着在较粗大粒子上的材料)，正如在下文的表I中所详述的一样。通过分级以除去更高粒径的材料如石墨C (d > 75 μ m)和石墨D(d > 106 μ m)，得到含有痕量临界部分(在表2b中示为0% )的耐火填料。表I
权利要求
1.一种铸造用涂料组合物，所述铸造用涂料组合物包含 液体载体； 粘结剂； 和粒状耐火填料； 所述粒状耐火填料包含粒径d > 38 μ m的第一较粗部分和粒径d < 38 μ m的第二较细部分， 其中，全部粒状耐火填料按重量或体积计的不大于10%具有38 μ m < d < 53 μ m的粒径，且所述第二较细部分按重量或体积计的O至50%由煅烧高岭土构成。
2.根据权利要求I所述的组合物，其中，所述第一较粗部分的不大于15%具有38μπι<d < 53 μ m的粒径。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的组合物，其中，所述全部粒状耐火填料的不大于4%具有38μπι < d < 53 μ m的粒径。
4.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第二较细部分包含氧化铁红(赤铁矿)和/或氧化铁黄。
5.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第二较细部分的O至50%由不形成凝胶的具有层状形貌的硅酸盐类矿物构成。
6.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第一较粗部分与所述第二较细部分的比率为O. 1-2.0 I。
7.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第一较粗部分包含石墨、硅酸盐、硅铝酸盐、氧化铝、硅酸锆、白云母(云母)、叶腊石、滑石和云母状氧化铁中的一种或多种。
8.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第二较细部分包含氧化铁红(赤铁矿)、坡缕石(绿坡缕石)、海泡石、针铁矿(氧化铁黄)和硅灰石中的一种或多种。
9.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第二较细部分包含具有球状形貌的粒子和具有棒状形貌的粒子。
10.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第二较细部分包含至少10%的氧化铁红。
11.根据在前权利要求中任一项所述的组合物，其中，所述第二较细部分包含煅烧高岭 土。
12.一种用于制备涂覆的铸模或型芯的方法，所述方法包括 提供铸模或型芯； 将根据权利要求I至11中任一项的铸造用涂料组合物涂布到所述铸模或型芯上；和 除去所述液体载体。
13.—种可通过权利要求12所述的方法制备的涂覆的铸模或型芯。
全文摘要
一种用于模具和型芯的铸造用涂料组合物，一种制备涂覆的铸模和型芯的方法，和可通过所述方法获得的涂覆的模具和型芯。所述铸造用涂料组合物包含液体载体；粘结剂；和粒状耐火填料。所述粒状耐火填料包含粒径d＞38μm的第一(较粗的)部分，和粒径d＜38μm的第二(较细的)部分。全部粒状耐火填料的不大于10％具有38μm＜d＜53μm的粒径，且第二(较细的)部分的不大于50％由煅烧高岭土构成。将所述铸造用涂料组合物涂布至模具和型芯上，以帮助将铸件从模具移除并防止铸件缺陷。在单一步骤中涂布所述组合物，以得到具有表面层(含有d＞38μm的颗粒)和吸收层(含有d＜38μm的颗粒)的模具和型芯。
文档编号B22C3/00GK102892529SQ201180012745
公开日2013年1月23日 申请日期2011年2月15日 优先权日2010年3月8日
发明者马丁努斯·雅各布斯·阿纳本, 弗雷德里克·威廉·文皮耶卡兹 申请人:福塞科国际有限公司