<Desc/Clms Page number 1>
Mémoire descriptif à l'appui de la demande de brevet pour: "LIANT A BASE DE RESINE ARTIFICIELLE POUR SABLES A NOYAUX ET DE FONDERIE"..
EMI1.1
Vereinigte Deutsche Meta.1-liverke A.G.: à Francfortr S/M*, Faisant l'objet de deux demandes de brevets déposées en ALLEMAGNE le 18 décembre 1942 et le 4 février 1943 au nom ci-dessus.
On sait que dans la confection des noyaux synthétiques pour moulages de fonderie il est nécessaire d'ajouter un liant,afin de conférer aux dits noyaux la résistance nécessaire* Puisque, pour diverses raisons,il n'est pas toujours directement possible de se procurer les matières premières pour des liants de haute qualité, on a déjà proposé d'employer des substances de remplaoement. Nais celles-ci n'ont pas toujours donné satisfaction. Ceci provient des difficultés que l'on rencontre dans leur emploi en fonderie. En particulier la constitution non uniforme des liants s'oppose 1 un travail suivant des règles déterminées.
Les noyaux confectionnés avec emploi de substances de remplacement manquent
<Desc/Clms Page number 2>
partiellement de résistance nécessaire à l'état vert,et partiellement de résistance nécessaire à l'état sec, ou à sec,après la cuisson S'y ajoutent les irrégularités qui se produisent lors du coulage en moule, puisque le dégagement des gaz,se pro- duisant pendant la coulée,est sujet à des fluctuations.
En recherchant des substances de remplacement à propriétés meilleures,on a proposé aussi a'employer des liants a base de résines artificielles ou synthétiques. Par:ni les produits de ce genre,connus dans le métier,on compte par exemple les résines alkydiques; de même on a proposé d'une manière tout/a fait générale de faire usage de résines artifioielles durcissables en qualité de liants. Ces dernières pour autant que proposées en qualité de liants, sont constituées par exemple de glycérine et d'un acide vaporisable résinifiant,d'acide phtalique,d'anhydride phtalique, ou ce sont des résines phénoliques.
On a constaté cependant que les noyaux,confectionnés de sables à noyaux additionnés de résine alkydique, présentent partiellement une résistanoe insuffisante et que des incrustation se forment à la surface des pieces de moulage. Pour remédier à ce défaut on a déjà. employé,en qualité de liant pour molles et pour noyaux de fonderie de métaux,des résines artificielles duroissables en combinaison avec du graphite.
On connait des mélanges de sables à noyaux qui renferment des résines phénoliques et de la colophane ou de la gomme arabique. On a choisi ces additions parce que les résines phénoliques seules ne donnent pas de stabilité à l'état vert. On a constaté cependant que le processus de durcissement des résides phénoliques avec de telles additions organiques est très fasilement dérangé par une formation d'émulsions,de sorte que les noyaux ne possèdent pas de résistance à sec.
Les indications générales se trouvant à divers endroits de la littérature correspondante et préconisant l'emploi de produits synthétiques à base de matières artificielles en qualité de liants pour noyaux, ne suffisent toutefois nullement pour que le technicien fondeur puisse en tirer une règle déterminée,suivant laquelle il
<Desc/Clms Page number 3>
pourrait effectivement confectionner avec succès les différentes espèces existantes de noyaux.
Le seul fait consistant en ce que la réaction qui conduit par exemple à la formation de produits de condensation du type phénol-aldéhyde est difficile à surveiller, parce qu'on,peut aboutir à des résultats dé condensation completement différents .suivant que les composantes réciproques et leurs quantités sont changées par.des conditions extérieures et qu'il peut en résulter aussi bien une marche de réaction lente qu' une marche de réaction très tumultueuse, permet de reconnaitre les difficultés qu'il faut surmonter dans les cas envisagés.
En outre,la chimie des,matières artificielles ou synthétiques connait un très grand nombre de produits qui/different chimiquement com- plètement les uns des autres et dont quelques groupes seulement peuvent être employés,en qualité de liants pour noyaux
De plus,il faut tenir compte de ce que les fonderies font valoir également';
',des exigences les plus diverses relativement aux ' sables à noyaux et qu'il ne suffit pas d'y ajouter une certaine quantité d'un liant à base de ou en matière artificielle ou synthétique pour obtenir ainsi des moules et des noyaux qui donnent en fonderie des résultatssatisfaisants. Par exemple,un noyau de grandes dimensions damé à la main,exige une résistance intérieure beaucoup moindre qu'un noyau confectionné à la machine à souffler et qui exige,à cause de sa configuration fortement ramifiée et à parois minces,l'emploi d'un sable possédant un pouvoir liant élevé aussi bien à l'état vert qu'à l'état séché* En outre,maints noyaux doivent 'être confectionnés sans être soutenus,d'autres par contre en les soutenant au moyen de coquilles de séchage,
d'où ces noyaux présentent des différences quant aux propriétés que les sables employés à leur confection doivent avoir l'état vent*
On sait que ces propriétés différentes qui peuvent être ca- ractérisées essentiellement par la plasticité du sable à noyaux à l'état vert, en outre par la cohésion intérieure du sable à noyaux, à l'état, vert, et par la'résistance du noyau à l'état séché, respectivement cuit, sont obt.enues en fonderie par l'emploi
<Desc/Clms Page number 4>
simultané de différents groupes de liants,dont le choix judisieux exige une expérience considérable.
Or, la présente invention résout le problème de l'emploi de substances à base de résines artificielles ou synthétiques de constitution exactement définie pour la confection de noyaux de sable ou de moules de sable,et en outre celui de l'établissement d'une règle suivant laquelle il soit possible de répondre,à l'aide d'un tel liant à constituant unique,sans additions ultérieures, aux différentes exigences relatives au genre et à la qualité du. noyau.donc suivant laquelle on puisse confectionner à l'aide des dits liants à constituant unique par exemple des noyaux de confi- gurations multiples et à parois minces,d'une haute résistance,pro- duits à la machine à souffler, en outre des noyaux à parois minces non soutenus,damés à la main et finalement de simples noyaux damés à la main.
La solution que la présente invention apporte à ce problème est basée sur la constatation que la plasticité du sable à 'noyaux dépend de la viscosité de la résine,donc du degré de condensation , et que, par conséquent,elle peut être réglée à volonté en faisant @ simplement varier la dite viscosité,alors que la seconde propriété déterminative de des sables à teneur de résine,à savoir leur/résis- tance à l'état sec après la cuisson, est influencée,outre par la grandeur de la quantité incorporée de résine solide ou durcie, essentiellement par la teneur en eau ajoutée à la dite quantité de résine.
Ainsi,11 a été trouvé que des noyaux qui ont a subir des efforts considérables exigent l'emploi d'une résine de grande viscosité et d'une teneur relativement faible en eau additionnel-, le, pour autant qu'ils sont confectionnés par soufflage, alors que pour des noyaux semblables une teneur plus élevée en eau est admis- sible lorsque ces noyaux sont confectionnés par damage à la main.
Des noyaux moyens et simples exigent une résine de viscosité moyen- ne, respectivement faible,et ils admettent,dans le cas d'emploi
<Desc/Clms Page number 5>
d'une quantité d'eau relativement importante,une diminution de la teneur en résiner Suivant l'invention on emploie des résines art- ficielles ou synthétiques à base d'urée et,des sous produits de la fabrication de l'amidon,en pouvant le cas échéant ajouter 'du sable de moulage argileux.
Les exemples donnés ci-dessous servent à l'explication de l'invention:
A un sable quartzeux d'une finesse de grain moyenne et lavé, que l'on peut additionner dans le but d'augmenter sa plasticité, @ d'un peu de sable argileux et éventuellement de 1% d'un produit de traitement de pommes de terre,par exemple de fécule de broyage de pommes de terre,on ajoute une résine à base d'urée d'une te- neur de 65% en résine solide. Pour la confection de noyaux compliqués, destinés à subir de grands efforts et a être obtenus sur la machine à souffler, on utilise,en qualité de liant,une résine possédant une grande viscosité, donc d'un degré de conden- sation élevé,que l'on ajoute en une quantité de 2,5 à 3,5%.
Dans ce cas, la teneur en eau additionnelle est faible et varie ap- proximativement entre 1,5 et 3%.'Elle est d'une valeur telle qu'un collage du sable,pouvant se produire sous l'effet de la haute com- pression d'une machine à souffler, est évité* Pour des noyaux de ce genre on trouva une résistance à sec de 30 à 40 kg/cm2,
Pour. la confection de noyaux non soutenus,à parois minces et à ramifioations multiples,obtenus par damage à la main,il faut une quantité de résine de 1,8 à 2,7%. Dans ce cas,la teneur en eau additionnelle est utilement de 3%. La résistance à sec,obte- nue dans ce cascade entre 35 et 45 kg/om.
Pour la confection de noyaux simples damés à ,la main, et de con- figurations diverses, on emploie une quantité de résine comprise en- tre environ I, et 1,7%. La teneur en eau peut varier dans ce cas dans de larges limites et elle peutêtre choisie suivant la desti- nation. Par son augmentation on produit une augmentation de la ré- @ sistance,aussi dans le cas où la quantité de liant est faible pour des raisons économiques. Cette règle est particulièrement recomman-
<Desc/Clms Page number 6>
dable pour les noyaux relativement grands qui exigent un, volume de sable considérable. On/obtint de bons résultais avec une teneur en eau comprise entre ? 1/2 et 4 1/2 %. On put atteindre ainsi des résistances à, sec de 20 à 25 kg/cm2.
On a constaté en outre que dans la confection de noyaux par damage à la main la teneur en eau ajoutée aux quantités de résine artificielle varie dans de larges limites et que, de ce fait, la résistance à, sec après la cuisson est d'une valeur qui peut varier.
Les essais pratiques ont prouvé en outre que,dans la confection de noyaux soufflés,les résines à base d'urée et leurs dérivés subissent, dans la machine à souffler,par suite de l'aération répétée à chaque coup,un léger séchage et commencent déjà à condenser,c'est à, dire que le sable durcit déjà. partiellement dans la machine.
Or,de ce fait,il se produit,d'une part,un durcissement ou une prise de la réserve de sable dans la tête de soufflage, de sorte que cette réserve ne se prête plus convenablement à. une éjection par soufflage,puisque sa moblltté est devenue insuffisante,alors que d'autre part le noyau tout moulé n'acquiert plus, - à cause de la perte partielle de son humidité et cause de l'enlèvement prématuré d'une partie de sa capacité de durcis- sement,- la résistance à sec que présente un sable frais et non aéré. Pour cette ra.iso,n,il est utile de mélanger aux liants pour sables à noyaux et de moulage encore de faibles quantités de substances qui exercent une action protectrice contre les influenoes de l'aération.
Des additions de ce genre sont la mélasse,telle qu'elle provient de la fabrication du sucre.brut,comme produit naturel du traitement des betteraves sucrires. On a constaté qu'il est avantageux d'ajouter à la résine artificielle à base d'urée et au produit secondaire de la fabrication de l'amidon, une quantité de mélasse de 0,3 à 2%,préférablement de 0,3 à 0,7%. Des poix de différents genres, entre autres la poix prove- nant de la distillation des acides gras,produisent également l'effet cherché.
<Desc/Clms Page number 7>
Par l'admixtion de substances 'de ce genre on parvient aussi bien à une augmentation de la durée du sable qu'à une amé- lioration de son aptitude au magasinage.
En outre,on obtient encore un autre avantage par l'addition des substances ,susmentionnées. On sait qu'un sable de soufflage est sensible aux teneurs trop élevées en humidité,parce qu'aux endroits du maximum de densité ou de compression il est enclin au collage, à cause des pressions élevées appliquées. Oependant, la résistance à sec des sables réglementaires augmente, dans une certaine mesure,avec l'augmentation de la teneur en eau.
Or, il a été trouvé que pour obtenir une résistance sec suffisante, tout en évitant le phénomène susmentionné en premier lieu, il est utile de réunir, lors de la composition du sable,les substances protectrices,telles que la mélasse, et les additions plasti- fiantes,comme la fécule de pomme de terre broyées,de même que la résine, avec la quantité totale de la teneur d'eau addition- nelle,avant de les ajouter au sable quartzeux. Par le gonflement intense que les sous-produits de la fabrication de l'amidon subissent de cette manière, il est possible d'augmenter la teneur en eau de 40 à 60%, sans que la tendance du sable au collage en soit augmentée.
Ci-dessous un exemple de composition de sable:
0,5à 3% ( de fécule de pommes de terre broyées.
0,3 à 0,7% de mélasse ou de poix de distillation ( d'acides gras.
0,5 à $ % ( d'eau
2% ( de résine d'urée-formaldéhyde, ou un dérivé.,
5 à 10% de sable'de moulage argileux à grain ( fin
Reste: sable quartzeux, à grain fin,sec,exempt d'ar- gile.
<Desc / Clms Page number 1>
Descriptive memorandum in support of the patent application for: "BINDER BASED ON ARTIFICIAL RESIN FOR CORE SAND AND FOUNDRY" ..
EMI1.1
Vereinigte Deutsche Meta.1-liverke A.G .: à Frankfurtr S / M *, Subject to two patent applications filed in GERMANY on December 18, 1942 and February 4, 1943 in the name above.
It is known that in the manufacture of synthetic cores for foundry moldings it is necessary to add a binder, in order to give said cores the necessary resistance * Since, for various reasons, it is not always directly possible to obtain the As raw materials for high quality binders, it has already been proposed to use substitute substances. But these have not always given satisfaction. This is due to the difficulties encountered in their employment in the foundry. In particular, the non-uniform constitution of the binders precludes work according to specific rules.
Cores made with replacement substances are lacking
<Desc / Clms Page number 2>
partially with the necessary resistance in the green state, and partially with the necessary resistance in the dry state, or in the dry state, after firing Added to this are the irregularities which occur during casting in a mold, since the release of gases is occurring during casting, is subject to fluctuations.
While searching for replacement substances with better properties, it has also been proposed to employ binders based on artificial or synthetic resins. By: neither products of this type, known in the art, include, for example, alkyd resins; likewise, it has been proposed in a completely general manner to make use of curable artificial resins as binders. The latter, insofar as they are offered as binders, consist, for example, of glycerin and of a resinifying vaporizable acid, of phthalic acid, of phthalic anhydride, or they are phenolic resins.
However, it has been observed that the cores, made of core sands added with alkyd resin, partially exhibit insufficient resistance and that incrustation is formed on the surface of the molding parts. To remedy this defect we already have. employed, as a binder for soft and for metal foundry cores, hardenable artificial resins in combination with graphite.
Mixtures of core sands are known which contain phenolic resins and rosin or gum arabic. These additions were chosen because the phenolic resins alone do not give green stability. It has been found, however, that the process of curing phenolic residues with such organic additions is very easily disturbed by the formation of emulsions, so that the cores do not possess dry strength.
The general indications found in various places in the corresponding literature and recommending the use of synthetic products based on artificial materials as binders for cores, are however by no means sufficient for the foundry technician to be able to derive a determined rule from them, according to which he
<Desc / Clms Page number 3>
could effectively make the different existing species of nuclei successfully.
The only fact is that the reaction which leads, for example, to the formation of condensation products of the phenol-aldehyde type is difficult to monitor, because one can lead to completely different condensation results depending on the reciprocal components. and their amounts are changed by external conditions and that both a slow reaction course and a very tumultuous reaction course can result, permits the recognition of the difficulties which must be overcome in the cases envisaged.
In addition, the chemistry of artificial or synthetic materials knows a very large number of products which / chemically differ completely from each other and of which only a few groups can be used, as binders for cores.
In addition, we must take into account what the foundries also claim ';
', the most diverse requirements relative to' core sands and that it is not sufficient to add a certain amount of a binder based on or in artificial or synthetic material to thus obtain molds and cores which give in foundry satisfactory results. For example, a large hand-rammed core requires much less internal resistance than a core made by a blowing machine and which, because of its strongly branched and thin-walled configuration, requires the use of a sand having a high binding power both in the green state and in the dried state * In addition, many cores must 'be made without being supported, others on the other hand by supporting them by means of drying shells,
hence these nuclei present differences in the properties that the sands used in their preparation must have the wind condition *
It is known that these different properties which can be charac- terized essentially by the plasticity of core sand in the green state, furthermore by the internal cohesion of the core sand in the green state, and by the resistance of the kernel in the dried state, respectively fired, are obtained in foundry by the use
<Desc / Clms Page number 4>
simultaneous use of different groups of binders, the judicious choice of which requires considerable experience.
However, the present invention solves the problem of the use of substances based on artificial or synthetic resins of exactly defined constitution for the preparation of sand cores or sand molds, and also that of establishing a rule. according to which it is possible to meet, with the aid of such a single-component binder, without further additions, the various requirements relating to the type and quality of. core. according to which it is possible to produce with the aid of said single-component binders, for example, cores of multiple configurations and with thin walls, of high resistance, produced by the blowing machine, in addition to unsupported thin-walled, hand-rammed cores and ultimately simple hand-rammed cores.
The solution which the present invention brings to this problem is based on the observation that the plasticity of the core sand depends on the viscosity of the resin, therefore on the degree of condensation, and that, therefore, it can be adjusted at will by simply varying said viscosity, while the second determining property of resin-containing sands, namely their resistance in the dry state after firing, is influenced, besides by the magnitude of the quantity incorporated. solid or hardened resin, essentially by the water content added to said quantity of resin.
Thus, it has been found that cores which have undergone considerable stress require the use of a resin of high viscosity and relatively low additional water content, as long as they are made by blow molding. , while for similar cores a higher water content is permissible when these cores are made by hand tamping.
Medium and simple cores require a resin of medium viscosity, respectively low, and they admit, in the case of use
<Desc / Clms Page number 5>
of a relatively large quantity of water, a reduction in the resin content According to the invention, artificial or synthetic resins based on urea and, by-products of the manufacture of starch, can be used. if necessary add clay molding sand.
The examples given below serve to explain the invention:
To a quartz sand of medium grain fineness and washed, which can be added in order to increase its plasticity, @ a little clay sand and possibly 1% of an apple treatment product of potato, for example starch from crushing potatoes, a urea-based resin with a solid resin content of 65% is added. For the preparation of complicated cores, intended to undergo great stresses and to be obtained on the blowing machine, a resin having a high viscosity, therefore a high degree of condensation, which is used as binder is used. add in an amount of 2.5 to 3.5%.
In this case, the additional water content is low and varies approximately between 1.5 and 3%. It is of such a value that sand sticking, which can occur under the effect of the high com - pressure from a blowing machine is avoided * For cores of this kind we found a dry resistance of 30 to 40 kg / cm2,
For. the making of unsupported, thin-walled, multi-branched cores obtained by hand tamping requires an amount of resin of 1.8 to 2.7%. In this case, the additional water content is usefully 3%. The dry resistance, obtained in this cascade between 35 and 45 kg / om.
For making simple hand-rammed cores and various configurations, an amount of resin of between about 1 and 1.7% is used. The water content can vary in this case within wide limits and it can be chosen according to the destination. By its increase, an increase in strength is produced, also in the case where the amount of binder is low for economic reasons. This rule is particularly recommended.
<Desc / Clms Page number 6>
dable for relatively large pits which require a considerable volume of sand. Good results were / were obtained with a water content between? 1/2 and 4 1/2%. It was thus possible to achieve dry strengths of 20 to 25 kg / cm2.
It has further been found that in the preparation of cores by hand tamping the water content added to the amounts of artificial resin varies within wide limits and that, therefore, the resistance to dryness after firing is of a value which may vary.
Practical tests have furthermore proved that, in the manufacture of blown cores, the urea-based resins and their derivatives undergo, in the blowing machine, as a result of the repeated aeration at each stroke, a slight drying and begin already to condense, ie, the sand is already hardening. partially in the machine.
However, because of this, there occurs, on the one hand, a hardening or setting of the reserve of sand in the blowing head, so that this reserve no longer lends itself suitably. ejection by blowing, since its moblltté has become insufficient, while on the other hand the fully-molded core no longer acquires, - because of the partial loss of its humidity and because of the premature removal of part of its hardening capacity, - the resistance to dryness of fresh, unventilated sand. For this purpose, it is useful to mix with the binders for core and casting sands still small amounts of substances which exert a protective action against the influences of aeration.
Additions of this kind are molasses, as it comes from the manufacture of raw sugar, as a natural product of the processing of sugar beets. It has been found to be advantageous to add to the artificial urea-based resin and to the by-product of the manufacture of starch an amount of molasses of 0.3 to 2%, preferably 0.3 to 0.7%. Pitches of different kinds, inter alia the pitch from the distillation of fatty acids, also produce the desired effect.
<Desc / Clms Page number 7>
By the admixture of such substances, both an increase in the life of the sand and an improvement in its storageability are achieved.
In addition, a further advantage is obtained by the addition of the above-mentioned substances. It is known that blowing sand is sensitive to excessively high moisture contents, because in places of maximum density or compression it is prone to sticking, due to the high pressures applied. However, the dry strength of regulatory sands increases, to some extent, with increasing water content.
Now, it has been found that to obtain sufficient dry strength, while avoiding the above-mentioned phenomenon in the first place, it is useful to combine, during the composition of the sand, the protective substances, such as molasses, and plastic additions. - fiantes, such as crushed potato starch, as well as resin, with the total amount of the additional water content, before adding them to the quartz sand. By the intense swelling which the by-products of the manufacture of starch undergo in this way, it is possible to increase the water content from 40 to 60%, without increasing the tendency of the sand to stick together.
Below is an example of sand composition:
0.5 to 3% (from crushed potato starch.
0.3 to 0.7% molasses or distillation pitch (fatty acids.
0.5 to $% (water
2% (urea-formaldehyde resin, or a derivative.,
5 to 10% clay molding sand (fine
Remainder: quartz sand, fine-grained, dry, free from clay.