BR0209326B1

BR0209326B1 - mÉtodo de produÇço de um nécleo de areia para fundiÇço de metais.

Info

Publication number: BR0209326B1
Application number: BRPI0209326-0A
Authority: BR
Inventors: Stephen G Baker; Joshua M Werling
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2010-12-14
Also published as: JP4315685B2; US6972302B2; EP1385655A1; US20050155741A1; BR0209326A; US20040044097A1; CA2445929A1; US20020165292A1; MXPA03009876A; WO2002087807A1; CA2445929C; JP2004524977A; KR20040015217A

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODODE PRODUÇÃO DE UM NÚCLEO DE AREIA PARA FUNDIÇÃO DE METAIS".

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção refere-se a núcleos de areia para uso na produçãode fundidos metálicos, e mais particularmente a núcleos de areia com ex-pansão térmica controlada e a métodos para controlar a expansão térmicade núcleos de areia durante as operações de fundição metálica.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Os núcleos de areia são usados para formar as cavidades inter-nas de um fundido acabado. Quando são colocados núcleos de areia em ummolde e um metal fundido é introduzido no molde, ocorre uma rápida expan-são térmica da areia dos núcleos de areia. Como resultado da expansãotérmica da areia no núcleo de areia, o núcleo de areia se fratura, e o metalfundido corre nas fraturas do núcleo, criando uma nervura que se projeta dasuperfície do fundido (em termos de fundição, uma "veia") à medida que ometal fundido se solidifica. Esses defeitos de veias, causados pela expansãotérmica descontrolada dos núcleos de areia, são mais freqüentemente con-trolados por agentes antiveias ou de controle de expansão, que são mistura-dos uniformemente com a areia e com aglutinantes de núcleos de areia an-tes da formação dos próprios núcleos de areia. Agentes antiveias ou de con-trole de expansão mudam o coeficiente térmico da expansão do núcleo deareia para controlar sua fratura e a formação de veias.

Durante anos, foram usados óxidos de ferro em fundições paramelhorar os núcleos de areia e a qualidade dos fundidos. Os óxidos de ferroprovaram ser vantajosos em núcleos de areia pela redução da formação dedefeitos de expansão térmica tais como veias. Os óxidos de ferro em usoincluem óxido de ferro vermelho (Fe203), também conhecido como hematita,óxido de ferro preto (Fe3O4), conhecido como magnetita e amarelo ocre. Osmétodos mais comuns de emprego de tais óxidos de ferro são através daadição de aproximadamente 1% a 3% em peso ao núcleo de areia durantea mistura. O mecanismo através do qual os óxidos de ferro melhoram o aca-bamento da superfície não é conhecido. Uma teoria é que os óxidos de ferroaumentam a plasticidade do núcleo de areia durante a fundição através daformação de interfaces de grãos de areia que se deformam, ou dão, semfraturar, evitando assim as fraturas no núcleo que possam formar veias nofundido.

A Patente U. S. n5 4.735.973 descreve um aditivo para as areiasde fundição usadas para produzir núcleos e moldes que melhoram a quali-dade dos fundidos reduzindo a expansão térmica e os defeitos de gás, redu-zindo assim as veias formadas em um fundido. O aditivo descrito compreen-de uma composição contendo de cerca de 15% até cerca de 95% de dióxidode titânio (T1O2), incluindo um aditivo preferível compreendendo cerca de 2%até cerca de 38% de dióxido de silício (S1O2), cerca de 5% até cerca de 40%de óxido férrico (Fe203), cerca de 15% até cerca de 95% de dióxido de titâ-nio (T1O2), e cerca de 2% até cerca de 45% de óxido de alumínio (AI2O3). Osnúcleos de areia resultantes são descritos como compreendendo cerca de80% até cerca de 98% de agregados de areia de núcleos selecionados deum grupo consistindo em areia sílica, areia de zircônio, areia olivina, areia decromita, areia do lago, areia comum, sílica fundida, e suas misturas, cercade 0,5% até cerca de 10% de um aglutinante de núcleo de areia, e cerca de0,5% até cerca de 5% de uma composição aditiva contendo de cerca de15% até cerca de 95% de dióxido de titânio (TiO2). O uso de tais aditivos emnúcleos de areia é descrito como redutor dos defeitos de fundição associa-dos ao uso de plástico aglutinado e outros sistemas de aglutinantes de nú-cleo, aumentando a resistência do núcleo de areia aglutinado resultante, epermitindo uma redução na quantidade de aglutinante plástico necessário.

A Patente U. S. n9 5.911.269 descreve um método de produçãode núcleos de areia de sílica utilizando-se materiais que contenham lítio quefornecem uma fonte de óxido de lítio (LiO2) para melhorar a qualidade dosfundidos reduzindo-se a expansão térmica dos núcleos de areia e as veiasdela resultantes nos fundidos metálicos. O método descrito de produzir nú-cleos de areia compreende as etapas de preparar um agregado de núcleode areia e uma resina aglutinante, e misturar no agregado um aditivo con-tendo lítio selecionado de um grupo consistindo em .oc.espodumênio, ambli-gonita, montebrasita, petalita, lepidólita, zinnwaldita, eucriptita e carbonatode lítio, numa quantidade que forneça de cerca de 0,001% até cerca de 2%de óxido de lítio. O uso de tal método e de aditivos contendo oxido de lítio édescrito como redutor dos defeitos de fundição associados à expansão tér-mica da sílica, inclusive a formação de veias na cavidade e melhorando oacabamento de superfície dos fundidos.

VEINSEAL ® 14000 é um agente antiveias eficaz, porém onero-so, custando cerca de US$ 650 por tonelada, e na operação de uma fundi-ção moderna, produzindo dezenas de milhares de blocos de motores decombustão interna e cabeças de cilindros por ano, o uso de tais agentes an-tiveias na concentração mínima eficaz de 5% em peso dos núcleos de areiapodem custar até cerca de US$ 700,000 por ano.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A invenção fornece métodos para reduzir ou eliminar a expansãotérmica de núcleos de areia e a formação de defeitos veia durante as opera-ções de fundição, com custos substancialmente reduzidos, usando-se ummaterial antiveias compreendendo menos que cerca de 4% em peso de ummaterial contendo óxido de lítio, e pelo menos cerca de 1% em peso de óxi-do férrico (Fe203), o mencionado material antiveias compreendendo preferi-velmente cerca de 1% até cerca de 3,5% em peso de um material contendoóxido de lítio e cerca de 1% em peso de óxido férrico.

Em métodos da invenção, um núcleo de areia para fundição éproduzido fornecendo-se uma mistura uniforme de uma quantidade de areiade núcleo, uma quantidade eficaz de aglutinante de areia de núcleo, e ummaterial antiveias compreendendo menos de cerca de 4% de um materialcontendo óxido de lítio e pelo menos cerca de 1% em peso de óxido férrico,preferivelmente cerca de 1% até cerca de 3,5% de um material contendoóxido de lítio, e cerca de 1% de óxido férrico vermelho (Fe2Os), e formandoum núcleo de areia da mistura resultante. Um núcleo de fundição preferidocompreende uma mistura incluindo cerca de 2,5% até cerca de 3,5% empeso de um material contendo óxido de lítio, cerca de 1% em peso de óxidoférrico (Fe2Oa), e o saldo de areia de sílica com uma quantidade eficaz deaglutinante. Um outro núcleo de areia preferido para fundição compreendeuma mistura incluindo cerca de 1% em peso de um material contendo óxidode lítio, cerca de 1% em peso de óxido férrico (Fe2Os), e o saldo sendo areiado lago com uma quantidade eficaz de aglutinante. Os materiais contendoóxido de lítio nesta invenção compreendem o produto VEINSEAL® 14000 e,acredita-se, outros tais materiais contendo óxido de lítio conforme descritosna Patente U. S. n2 5.911.269.

A invenção reduz o custo do uso de aditivos antiveias em cercade 25% até 70%, economizando em operações de fundição de alto volumede cerca de US$ 175,000 por ano até cerca de US$ 500,000 por ano.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A invenção ataca o problema da formação de veias nas fundi-ções metálicas que são causadas pela expansão térmica nos núcleos deareia usados nas fundições. Conforme indicado acima, quando expostos àsaltas temperaturas do metal fundido em um molde de fundição, os núcleosde areia podem se expandir rapidamente e fraturar-se e, como resultado ometal fundido pode correr nessas fraturas do núcleo de areia, criando-seveias projetadas no fundido resultante. Como resultado da invenção, taisdefeitos são eliminados substancialmente pela adição de um material anti-veias compreendendo quantidades selecionadas de um material contendoóxido de lítio, e óxido férrico (Fe2Oa), também conhecido como hematita, quesão misturados uniformemente com a areia do núcleo e um aglutinante queforma os núcleos de areia da fundição. A invenção pode incluir qualquerareia de núcleo de fundição convencional, tais como areia de sílica (porexemplo areia Badger e areia Manley), areia de zircônio, areia olivina, areiade cromita, areia do lago, areia comum, sílica fundida, e suas misturas. Naprodução de núcleos de areia, tais partículas de areia são geralmente com-binadas com uma quantidade eficaz de um aglutinante de areia de núcleo,por exemplo, cerca de 0,5% até cerca de 10% em peso da areia, e qualquerdos numerosos sistemas aglutinantes de núcleo pode ser usado, tais como"hotbox" fenólico, "coldbox" uretano fenólico, furano, ésteres incluindo siIi-cato de sódio e sistemas de dióxido de carbono, aglutinantes poliésteres,aglutinantes acrílicos, aglutinantes alcalinos, aglutinantes epóxi, e sistemas"warmbox" furano. Os aglutinantes de areia de núcleo acima e as quantida-des que são eficazes em uso são bem-conhecidos na técnica, e é desne-cessário listar aqui as quantidades eficazes e descrever a forma pela qualuma quantidade eficaz de aglutinante é determinada para uso na produçãode núcleos de areia. Onde refere-se à porcentagens em peso, deseja-se di-zer porcentagens em peso da areia de núcleo.

Para ser eficaz na redução dos defeitos veia, pelo menos cercade 5% em peso de um material contendo oxido de lítio tal como o produtoVEINSEAL® 14000, devem ser adicionados à areia de núcleo da qual o nú-cleo é formado. Com cerca de 4% ou menos de tais materiais contendo óxi-do de lítio adicionados à areia do núcleo, os núcleos de areia resultantes sefraturam durante as operações de fundição de metais, criando-se veias inde-sejáveis no fundido, que devem ser removidas pelas operações de acaba-mento subseqüentes.

Na invenção, a expansão térmica dos núcleos de areia e as vei-as indesejáveis no fundido metálico ali formado são substancialmente elimi-nadas com o uso de menos de 4% em peso de agentes antiveias contendooxido de lítio, tal como o produto VEINSEAL ® 14000, combinado com o usode uma quantidade eficaz de óxido férrico (Fe2Oa), pelo menos cerca de 1%em peso. Preferivelmente cerca de 1% em peso de óxido férrico (Fe2Oa),também conhecido como hematita, é combinado com de cerca de 1% atécerca de 3,5% em peso de um material contendo óxido de lítio, e o materialantiveias resultante é misturado uniformemente com a mistura de aglutinantede areia de núcleo. O material contendo óxido de lítio usado na invenção épreferivelmente o produto VEINSEAL ® 14000, e outros tais agentes antivei-as conforme estão descritos na Patente U. S. n9 5.911.269, cuja descriçãoestá incorporada aqui como referência.

Os exemplos a seguir demonstram a invenção.Exemplo 1

Uma mistura incluindo areia de núcleo Badger (55), 1,1% empeso de resina "coldbox" uretano fenólica, e 4% em peso de VEINSEAL ®14000, um material contendo oxido de lítio que pode incluir SiO2, Fe304,AI2O3 e T1O2, foi formada em uma barra cilíndrica tendo um diâmetro de vári-as polegadas e uma altura de várias polegadas. Uma fundição foi feita com onúcleo de areia da barra cilíndrica, e o fundido resultante incluiu uma cavi-dade cilíndrica cuja cavidade cilíndrica interior foi caracterizada pelas veiasestendendo-se para dentro a partir das paredes internas e com porosidadesignificativa. As veias que foram formadas constituíram defeitos necessitan-do uma operação subseqüente de acabamento para sua remoção.

Exemplo 2

Uma quantidade de areia Badger (55) foi combinada com 1,2%em peso de uma resina aglutinante "coldbox" uretano fenólica, 3% em pesodo produto VEINSEAL ® 14000 usado no Exemplo 1, e 1% em peso deFe2C>3. Um núcleo de areia cilíndrico foi formado com as mesmas dimensõescomo no Exemplo 1. Um fundido feito com o núcleo de areia resultou emuma cavidade cilíndrica tendo as paredes livres de veias.

Exemplo 3

Uma mistura foi formada, incluindo uma areia de núcleo Badger(55), 1,2% em peso de uma resina "coldbox" uretano fenólica, 2,5% em pesodo produto VEINSEAL ® 14000 usado nos Exemplos 1 e 2, e 1% em pesode Fe203. A mistura resultante foi formada em uma barra cilíndrica com asmesmas dimensões como nos Exemplos 1 e 2, que foi usado para fazer umfundição, e o fundido resultante incluiu uma cavidade cilíndrica tendo as pa-redes livres de veias.

Exemplo 4

Uma mistura de areia de núcleo Manley (50), 1,25% em peso deresina "coldbox" uretano fenólica, e 5% em peso do produto VEINSEAL ®14000 usado nos Exemplos 1 a 3, foi formada em uma barra cilíndrica tendoas mesmas dimensões como nos Exemplos 1 a 3. Uma fundição foi feitacom o núcleo de areia da barra cilíndrica, e o fundido resultante incluiu umacavidade cilíndrica cuja superfície cilíndrica interna foi caracterizada por vei-as estendendo-se para dentro a partir das paredes internas, que constituí-ram um defeito necessitando uma operação subseqüente de acabamentopara sua remoção.

Exemplo 5

Uma quantidade de areia Manley (50) foi combinada com 1,1%em peso de uma resina aglutinante "coldbox" uretano fenólica, 3% em pesodo produto VEINSEAL ® 14000 usado nos Exemplos 1 a 4, e 1% em pesode Fe2O3. Um núcleo de areia cilíndrico foi formado com as mesmas dimen-sões como nos Exemplos 1 a 4. Uma fundição feita com o núcleo de areiaresultou em uma cavidade cilíndrica tendo as paredes isentas de veias.

Exemplo 6

Uma mistura foi formada, incluindo areia de núcleo Manley (50),1,1% em peso de uma resina "coldbox" uretano fenólica, 2,5% em peso doproduto VEINSEAL ® 14000 usado nos Exemplos 1 a 5, e 1% em peso deFe2O3. A mistura resultante foi conformada em um núcleo de areia de barracilíndrica tendo as mesmas dimensões como nos Exemplos 1 a 5, que foiusado para fazer uma fundição, e o fundido resultante incluiu uma cavidadecilíndrica tendo paredes livres de veias.

Os exemplos demonstram que a introdução de apenas cerca de1% de óxido férrico, que custa cerca de US$ 180 por tonelada, pode reduzira quantidade de agente antiveias contendo óxido de lítio usado em núcleosde areia até substancialmente abaixo de 45% em peso e pode eliminar efi-cazmente a expansão térmica dos núcleos de areia e a introdução de veiasnos fundidos resultantes, e, acredita-se, pode reduzir o uso de aglutinantesde areia de núcleo em até cerca de 1/10 de 1%. A invenção permite assimuma redução de custo nos métodos de controle e eliminação de veias nosnúcleos de areia de fundição de cerca de 25% até cerca de 70%, permitindoa economia de centenas de milhares de dólares, sem queda na qualidadedos fundidos resultantes.

Aqueles que são versados na técnica reconhecerão que a in-venção pode compreender outras composições de areia de núcleo e méto-dos de controle da expansão térmica dos núcleos de areia e da formação deveias nos fundidos sem sair do escopo das reivindicações que seguem.

Claims

1. Método de produção de um núcleo de areia para fundição demetais, caracterizado pelo fato de que compreende misturar uniformemente,em conjunto, uma areia de núcleo, uma quantidade eficaz de aglutinante, decerca de 1% a cerca de 3,5% em peso de um material contendo óxido delítio incluindo de 2 a 5% de Li2O, de 10 a 25% de TiO2, de 15 a 25% deAI2O3, de 10 a 20% de Fe3O4, e de 60 a 70% de SiO2, e cerca de 1% empeso de Fe2O3 como um material formador de núcleo, e formando o materialformador de núcleo dentro de um núcleo de areia.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a quantidade de Fe2O3 compreende cerca de 1% em peso deóxido de hematita.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de que compreende cerca de 2,5% em peso de material contendo óxidode lítio e em que a areia de núcleo compreende uma areia de sílica.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que compreende quantidades iguais em peso do material contendoóxido de lítio e Fe2O3, e em que a areia de núcleo compreende areia de lago.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o material formador de núcleo contém cerca de 1% em peso deum material contendo óxido de lítio.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a etapa de misturar uniformemente compreende 2% em peso doreferido material contendo óxido de lítio.

7. Método de produção de um núcleo de areia para fundição demetais, caracterizado pelo fato de que compreende misturar uniformemente,em conjunto, uma areia de núcleo, uma quantidade eficaz de aglutinante deareia de núcleo, um material antiveias compreendendo menos do que 4%em peso de um material contendo óxido de lítio compreendendo de 2 a 5%de Li2O, de 10 a 25% de TiO2, de 15 a 25% de AI2O3, de 10 a 20% de Fe3O4,e de 60 a 70% de SiO2, e cerca de 1% ou mais em peso de Fe2O3 comouma mistura formadora de núcleo, e, posteriormente, formando a misturaformadora de núcleo dentro de um núcleo de areia.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que a quantidade de Fe2O3 compreende cerca de 1% em peso deoxido de hematita.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de que o material contendo óxido de lítio abrange cerca de 1% em pesoe em que a areia de núcleo compreende areia de lago.

10. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que o material contendo óxido de lítio abrange de cerca de 1% a cer-ca de 2,5% em peso.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pe-lo fato de que o material contendo óxido de lítio abrange cerca de 2,5% empeso, e em que a areia de núcleo compreende uma areia de sílica.

12. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que compreende cerca de 2% em peso de material contendo óxidode lítio e cerca de 1,5% em peso de óxido férrico (Fe203).

13. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que os materiais contendo óxido de lítio são selecionados de umgrupo consistindo em .α.-espodumênio, ambligonita, montebrasita, petalita,lepidólita, zinnwaldita, eucriptita e carbonato de lítio.

14. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que o Fe2O3 compreende óxido de hematita.

15. Método de produção de um núcleo de areia para fundição demetais, caracterizado pelo fato de que compreende misturar uniformemente,em conjunto, uma areia de núcleo, uma quantidade eficaz de aglutinante deareia de núcleo e um material contrário à formação de canais, e, posterior-mente, formar, a partir da mistura resultante, um núcleo de areia, em que omaterial antiveias compreende cerca de 1% a cerca de 3,5% em peso deuma mistura incluindo de 2 a 5% de Li2O1 de 10 a 25% de TiO2, de 15 a 25%de AI2O3, de 10 a 25% de Fe3O4, e de 60 a 70% de SiO2, e cerca de 1,5%em peso de óxido de hematita (Fe2O3).