CN102365140A - 用于先进铸造应用的改性膨润土 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造铸模的组合物。该组合物具有粘结剂,所述粘结剂可以包括蒙皂石粘土。该组合物还具有改性剂,所述改性剂可以包括金属碳酸盐。该组合物还包含铸造用砂。

Description

用于先进铸造应用的改性膨润土
[0001] 背景
[0002] 本发明涉及用于制造铸模的组合物,并且更具体地涉及结合了用于改进铸模的改性剂的铸模组合物。
[0003] 在用于多种铸造应用的熔融金属和合金铸造中,通常使用具有与所需铸件形状相符外形的铸模。可以使用由砂制成的铸模形成铸件的外侧,或者可以将其作为位于模内部的型芯以成形铸件的内侧。可以用包含结合有矿物粘土和水的铸造用砂作为主要成分的组合物建造铸模。辅助添加剂可以包括磨碎的烟煤、褐煤、风化褐煤、预凝胶化淀粉、纤维素和其它传统添加剂也可以少量存在。可以通过将铸造用砂、水、任意辅助添加剂和矿物粘土引入混合设备,如混砂机制备铸模组合物。可以将这些成分的混合进行到这样的程度:铸造用砂粒子被矿物粘土成分所包覆。可以在混合设备中将辅助添加剂和矿物粘土作为单一的混合物加入至铸造用砂和水中以使得可以用矿物粘土将砂粒子包覆。其后,可以将来自混砂机的组合物引入结合被成形为与所需金属或合金铸件外形相符的模型的型箱(flask)或约束结构体。可以使组合物在模型内固结以获得所需的完整性,并且之后可以将模型移去以提供可以随时在制造金属或合金铸件中使用的铸模。
[0004] 铸模组合物的重要性质或特征可以是“耐久性”或在常规热金属和合金铸造的过程中遇到的高温下模和具体地矿物粘土成分的耐热降解性。详细地,对于模组合物有益的是在400 °F (204°C )至1200 °F (649 °C )的温度范围内耐热降解。当温度在该范围内增加时矿物粘土可能被烧毁或逐渐失去它们的所需性质。在模组合物中与钙膨润土比较钠膨润土可以展现出更好的耐久性。第二个重要性质可能是“干态强度”或将凝固的铸件从模移除所需的能量。在传统的含有钠膨润土和钙膨润土的混合物的铸模组合物中,可以通过增加钙膨润土的量改善模的干态强度性质,这适于降低干态强度并且促使将铸件从砂模的移除更容易。然而,钙膨润土可能导致模的耐久性劣化。第三个重要性质可能是“成型性”或模组合物的砂粒之间表观粘力的度量。该性质上不足的模组合物可能会粘在加料斗和传送设备中,这可能会有害于整个铸造过程。含有钙膨润土作为矿物粘土含量的全部或一部分的模组合物可以展现出改良的成型性,特别是当模组合物的水含量增加时。第四个重要性质可能是“高温强度”或在温度通常在1500 T (816°C )以上的金属向下浇铸的过程中和之后,在模组合物/熔融金属界面上模组合物保持其完整性的能力。可以将所有附加的、所需的铸模性质同等地归因于钠膨润土或钙膨润土或者通过模组合物中的钠膨润土将其增强。
[0005] 其它性质包括“湿强度”或者在将熔融金属浇注至模中之前模的强度或完整性。 “湿拉张强度”是模对归因于瞬时冲击或振动的劣化的抗性。“热形变”是模在热金属铸造过程中保持尺寸稳定性以便获得凝固铸件所需尺寸公差的能力。“渗透性”被定义为砂模容许气体穿透的性质。模和型芯的透气性依赖于该性质。渗透性受到砂的尺寸、形状和粒子分布,粘合材料的类型和数量,将砂冲压所达到的密度以及水分含量的影响。“脆性”是砂模的耐磨性能的度量。易碎砂是不能经受熔融金属的冲蚀流动的砂。它将失去砂粒至移动的流,并且将受到生产冲蚀和夹杂物缺陷的影响。通常,脆性相反地相关于压实性;压实性越低,脆性越高。[0006] 概述
[0007] 本发明涉及用于制备铸模的组合物,并且更具体地涉及结合用于改进铸模的改性剂的铸模组合物。
[0008] 根据本发明的第一方面,提供了一种用于制造铸模的组合物,所述组合物包含:粘结剂,其中所述粘结剂包含蒙皂石粘土 ;改性剂,其中所述改性剂包含金属碳酸盐;以及铸造用砂。
[0009] 可以通过包含金属碳酸盐的天然存在的矿物提供金属碳酸盐。
[0010] 改性剂可以改变组合物的流变性能。
[0011] 金属碳酸盐的金属可以包括选自以下各项组成的组的至少一种金属:铝、钙、铁、 钾、镁、硼、锌、铅、铜以及它们的衍生物。
[0012] 在一个实施方案中,蒙皂石粘土包括选自以下各项组成的组的至少一种物质:膨润土、锂蒙脱石粘土、皂石粘土、绿脱石粘土、贝得石粘土、锌蒙脱石粘土,以及它们的衍生物。
[0013] 在一个实施方案中,金属碳酸盐以铸模组合物的重量计大于或等于约0. 并且小于或等于约20%的量存在于所述组合物中。
[0014] 适宜地,改性剂具有小于约2毫米的粒度。
[0015] 在一个实施方案中,铸造用砂包括选自以下各项组成的组的至少一种砂:石英砂、 橄榄石砂、铬铁矿砂、锆砂、碳素砂、陶瓷砂,以及它们的衍生物。
[0016] 在一个实施方案中,该组合物还包含选自以下各项组成的组的至少一种物质:淀粉、糖、硅酸钠、热塑性塑料、热固性树脂、蒸气固化粘结剂、化学固化粘结剂、热固化粘结剂、浙青、树脂、水泥、纤维素、谷类、碳质材料,以及它们的衍生物。
[0017] 本发明还提供由上述组合物制造的铸模。可以通过以下方法制造该铸模:将粘结剂、水和改性剂与砂混合并将其包覆以形成铸模组合物;将铸模组合物引入限定铸模的模型;使铸模组合物在模型中固结以形成铸模;以及将铸模从模型移出。
[0018] 根据本发明的另一方面,提供了一种铸模,所述铸模包含铸模组合物,铸模组合物包含:包含蒙皂石粘土的粘结剂;包含金属碳酸盐的改性剂;以及铸造用砂。
[0019] 可以通过包含金属碳酸盐的天然存在的矿物提供金属碳酸盐。
[0020] 改性剂可以改变组合物的流变性能。
[0021] 金属碳酸盐的金属可以包括选自以下各项组成的组的至少一种金属:铝、钙、铁、 钾、镁、硼、锌、铅、铜以及它们的衍生物。
[0022] 在一个实施方案中,蒙皂石粘土包含选自以下各项组成的组的至少一种物质:膨润土、锂蒙脱石粘土、皂石粘土、绿脱石粘土、贝得石粘土、锌蒙脱石粘土,以及它们的衍生物。
[0023] 在一个实施方案中,金属碳酸盐以按铸模组合物的重量计大于或等于约0. 并且小于或等于约20%的量存在于所述组合物中。
[0024] 适宜地,改性剂具有小于约2毫米的粒度。
[0025] 在一个实施方案中,铸造用砂包括选自以下各项组成的组的至少一种砂:石英砂、 橄榄石砂、铬铁矿砂、锆砂、碳素砂、陶瓷砂,以及它们的衍生物。
[0026] 在一个实施方案中,该组合物还包含选自以下各项组成的组的至少一种物质:淀粉、糖、硅酸钠、热塑性塑料、热固性树脂、蒸气固化粘结剂、化学固化粘结剂、热固化粘结剂、浙青、树脂、水泥、纤维素、谷类、碳质材料,以及它们的衍生物。
[0027] 在一个实施方案中,该组合物还包含水。
[0028] 根据本发明的另一方面,提供了一种用于制造铸模的方法,所述方法包括:将粘结剂、水和改性剂与铸造用砂混合并将其包覆以形成铸模组合物,其中所述粘结剂包含蒙皂石粘土并且所述改性剂包含金属碳酸盐;将铸模组合物引入限定铸模的模型;使铸模组合物在模型中固结以形成铸模;以及将铸模从模型移出。该铸模可以为如上所述的铸模。
[0029] 根据本发明的另一方面,提供了一种用于增粘流体的方法,所述方法包括:提供流体组合物,其中所述流体组合物包含粘土和液体;提供改性剂,其中所述改性剂包含金属碳酸盐;并且将流体组合物与改性剂合并以形成增粘流体。该组合物可以为如上所述的组合物。
[0030] 根据本发明的另一方面,提供了一种制备铸模组合物的方法,所述方法包括:通过开采包含金属碳酸盐的天然存在的矿物获得金属碳酸盐;将天然存在的矿物加工为粒子; 将粘结剂、水和所述粒子与铸造用砂混合并将其包覆以形成铸模组合物,其中所述粘结剂包含蒙皂石粘土。该铸模组合物可以为如上所述的铸模组合物。
[0031] 本发明的特征和益处对于本领域技术人员将是显而易见的。虽然本领域技术人员可以对其做出多种变更,这种变更落在本发明的范围之内。
[0032] 详述
[0033] 本发明涉及用于制造铸模的组合物,并且更具体地涉及结合了用于改进铸模的改性剂的铸模组合物。
[0034] 在不同实施方案中存在多种益处,本文将仅描述所述益处的一些。一些实施方涉及一种添加剂,所述添加剂用于提供所需的阳离子交换以改性铸模组合物中的蒙皂石粘土粘结剂。可以用金属碳酸盐提供用于进行交换的金属阳离子源。例如,可以用碳酸镁类或碳酸镁钙类提供在进行蒙皂石粘土中的钠或钙的阳离子交换中可以使用的镁源。金属碳酸盐可以是天然存在的并且可以不进行任何实质上的化学处理而被使用。例如,碳酸镁可以形成通常被称作菱镁矿的矿物并且碳酸镁钙可以形成通常被称作白云石的矿物。可以将这些矿物开采出来并将其加工为反应性粉末。此外,天然存在的矿物的使用使得能够进行所需的阳离子交换,同时也对更加昂贵的人造添加剂给出了经济上有吸引力的备选方案。
[0035] 可以使用铸模组合物制造铸模,所述铸模组合物可以包含本文公开的改性剂。铸模组合物可以包含与粘结剂(例如,粘土)、改性剂和水结合的铸造用砂。粘结剂可以起到在使用过程中固结铸造用砂,使得模在金属部件的制造过程中能够保持其形状的作用。改性剂可以与粘结剂反应以改变铸模的铸造性质。一些实施方案中可以存在其它添加剂并且可以有助于在使用过程中抵偿如砂的热膨胀这样的效果。下面将更详细地描述这些组分的每一个。
[0036] 在一个实施方案中,可以使用一种或多种粘结剂固结铸模组合物以形成铸模。如本文所使用的,术语“固结”意指任何能够以所需的形状形成基本上聚结的物质的过程。可以与本文公开的铸造用砂一起使用任何通常用于固结铸造用砂的粘结剂以使砂能够作为模或型芯材料保持预定的或所需的形状。例如,粘结剂可以包括粘土,如蒙皂石粘土。在一个实施方案中,蒙皂石粘土可以是钠膨润土,除了成分镁、铝和二氧化硅以外它还含有钠。其它种类的蒙皂石粘土是锂蒙脱石和皂石;所有的这些种类天然地以足够的量存在,以使得在铸模组合物的生产中使用它们是经济上实用的。其它种类如绿脱石、贝得石或锌蒙脱石可能适合于获得所需的铸模性质的组合。可以使用其它种类的粘土如高岭石或伊利石与蒙皂石粘土一起组合作为粘结剂。钠膨润土可以包含约70至95%的蒙脱石,余量为多种残余成分,如石英、蛋白石、方石英、长石、黑云母、斜发沸石(clinoptilite)、方解石、石膏等。可以与常规残余成分使用任何蒙皂石粘土类,如膨润土,或者在膨润土的情况下可以将这些成分基本上全部移除而仅有蒙脱石存在。因此,术语“含钠蒙皂石粘土”和“钠膨润土” 包括常规残留成分存在或者被移除的这些粘土。
[0037] 包括膨润土的蒙皂石粘土类的晶体结构可以构成三层片状结构。片状结构的上层和下层可以是二氧化硅,而中间片是金属铝、铁、锂、锰和镁的至少两种的金属层。夹层空间可以含有钠或钙。任意种类的蒙皂石粘土的形态可以构成三层片的层叠片结构。
[0038] 这种三层片状结构可以使得蒙皂石粘土在其与水和铸造用砂的混合和反应的过程中能够层离并且分散以使得蒙皂石粘土与改性剂能够基本上完全反应以获得所需的铸模性质的组合。如本文所使用的,粘结剂与改性剂的反应是指粘结剂中的一种或多种金属与改性剂中的一种或多种金属之间的阳离子交换以形成带有改进的铸造性质的铸模组合物。详细地,可以用改性剂的存在及其与粘结剂的反应连同可归因于含钠蒙皂石粘土的存在的其它性质获得最佳的耐久性和干态强度的所需组合。例如,当将含有钙和钠膨润土的粘结剂与含有碳酸镁或碳酸钙镁的改性剂结合时,溶液中产生的镁阳离子可以与钙和钠阳离子交换以给予所得到的铸模组合物改进的铸造性质。该反应可以与传统上在含钙蒙皂石粘土的存在下所获得的一样提高组合物干态强度,但却不降低由于含钠蒙皂石粘土的存在获得的耐久性。该反应还可以改进所需的归因于含钠蒙皂石粘土的存在的铸造性质。
[0039] 铸模组合物中使用的粘结剂的量通常依赖于混合物中所使用的砂的特定类型和焙烧的温度。当加热时石英砂粒膨胀。当粒子太接近时,型砂可能会移动并膨胀导致铸件显示出如下缺陷:“翘曲”或者由砂的过度膨胀导致的铸件的变形,“鼠尾”或者铸件的表面上出现的粗糙、不规则的凹陷,或小翘曲、以及“疤”或者当热金属进入模中时型砂一部分的脱离。为了克服这种有害的膨胀,可以将更多的粘结剂加入砂的混合物,它可以通过在焙烧时粘土的收缩抵偿石英砂粒的膨胀。
[0040] 在生砂成型中,铸造中获得的尺寸再现性可以是以下因素的结果:如收缩、模腔的尺寸上的变化、模的硬度、型砂的稳定性、型箱的机械对齐和模中温度的稳定性。当将回火水加入并混入砂混合物中时,钠膨润土粘结的型砂相比钙膨润土粘结的砂混合物具有更粘的感觉。据认为钠膨润土砂混合物更坚固并且不像用相同方法制备的钙膨润土或漂白土粘结的型砂那样易碎。在一个实施方案中,粘结剂通常可以以基于铸模组合物的总干重约1 % 至约15%的量存在并且可以将其调整为任意的能产生所需的强度、硬度或者其它所需的物理性质的量。在另一个实施方案中,可以以基于总砂含量的干重约2%至约12重量%的量使用粘结剂。据理解在铸造工业中将更多的粘土粘结剂加入铸造用砂混合物,通常需要更多的水。因此,经常是这样的情况:通过在铸造用砂混合物中使用更少的粘土粘结剂并且减少所加入回火水的量,铸造用砂混合物可以刚好与带有更高百分比的粘土粘结剂和水一样坚固。
[0041] 在一个实施方案中,可以使用改性剂化学上改变粘结剂以便制造带有所需铸造性质的铸模。在一个实施方案中,改性剂可以是能够与蒙皂石粘土反应以促使金属离子与蒙皂石粘土中的钠或钙离子的有利阳离子交换的金属碳酸盐。特定金属碳酸盐的使用可以在促使特定金属阳离子与蒙皂石粘土中的钠或钙阳离子的选择性离子交换上是有用的。金属碳酸盐中的金属成分可以包括,但是不限于,铝、钙、铁、钾、镁、硼、锌、铅、铜或其组合。例如,可以使用碳酸镁改性蒙皂石粘土(例如,钠或钙膨润土)以促使镁与粘土中钠或钙的有利阳离子交换。类似地,可以使用碳酸钙镁促进镁阳离子与蒙皂石粘土中钠或钙阳离子的阳离子交换。金属碳酸盐可以来自任何来源,包括任何天然存在的来源如天然存在的矿物。 碳酸镁可以形成通常被称作菱镁矿的矿物,并且碳酸钙镁可以形成通常被称作白云石的矿物。可以通过物理加工以形成所需的粒度使这些天然存在的矿物与铸模组合物一起使用。 此外,可以基本上不对这些矿物天然存在的状态进行化学上的改变而使用它们。可以以无水或水合形式使用本文公开的金属碳酸盐。例如,可以将白云石(即,碳酸钙镁)描述为碳酸钙镁的水合物。在一个实施方案中,可以通过以下方式获得金属碳酸盐:开采含有至少一些金属碳酸盐的天然存在的矿物并在将其结合至本文公开的铸模组合物之前将天然存在的矿物加工为所需粒度。
[0042] 通常对金属碳酸盐进行加工以将其粉末化并将其以足够与粘结剂反应的量加入铸模组合物。通常,金属碳酸盐可以为大小与将其结合的粘结剂的大小近似相等的固体。可以使用任何熟知技术加工金属碳酸盐以由起始材料制备粉末。例如,可以将金属碳酸盐压碎或碾碎以形成能够与粘结剂反应的粉末。在一个实施方案中,金属碳酸盐可以具有小于约2毫米的粒度。在另一个实施方案中,金属碳酸盐可以具有约40微米至约75微米范围内的粒度。可以以足够发生所需的阳离子交换的量加入金属碳酸盐,这又可以在铸模中产生所需的铸造性质。在一个实施方案中,可以以按铸模组合物的重量计约0. 至约20% 范围内的量将加工过的金属碳酸盐加入铸模组合物。在另一个实施方案中,可以以按铸模组合物的重量计约0. 5%至约5%范围内的量将加工过的金属碳酸盐加入铸模混合物。
[0043] 在一个实施方案中,铸模可以包含砂。砂可以是能够形成铸模并当暴露至热金属和合金铸造所带有的高温时保持其形状的任何砂。在一个实施方案中,砂可以是石英砂、橄榄石砂、铬铁矿砂、锆砂、碳素砂、陶瓷砂,或其任意组合。
[0044] 石英砂可能相对廉价并且可以在用于多种用途的多种铸模组合物中使用。橄榄石砂可能比石英砂贵但可以具有更好的热稳定性,提供更高品质的铸件。因而,橄榄石砂可以用于有色金属组合物。
[0045] 也可以将商业上作为石油流体焦炭已知的球形的或卵形粒子,碳或焦炭粒子单独用作铸造用砂,与石英砂和橄榄石砂结合或者代替石英砂和橄榄石砂,所述石英砂和橄榄石砂可能不具有能完全满足铸造金属如铝、铜、青铜、黄铜、铁和其它金属和合金的物理性质。也可以单独或与本文公开的其它类型的铸造用砂和铸造用砂添加剂结合使用这些球形或卵形粒子流体焦炭碳素砂的每一种。
[0046] 也可以使用其它的砂。焙烧碳素砂是主要为低熔融温度金属如铝和镁设计的低成本碳素砂。在1300° -1400下(704-7600C )下焙烧可以基本上移除全部的挥发性物质,否则如果粗制流体焦炭暴露在1400 T (7600C )下注入的铝中,所述挥发性物质将被释放出。 铬铁矿和锆石是可以被加工为合适尺寸用作铸模中的砂的氧化物矿物。也可以单独或与其它砂结合使用陶瓷砂。[0047] 在一个实施方案中,在铸模混合物中砂可以以足够制造能够在熔融金属组合物的注入过程中保持形状的铸模的量存在。通常,砂可以以全部铸模组合物的约40重量%至约 99重量%范围内的量存在。这个量可以依赖于铸造混合物中包含的其它添加剂的总量而变化。
[0048] 在一个实施方案中,该铸模组合物可以包含其它添加剂。例如,可以与蒙皂石粘土一起使用另外的粘结剂。铸造用砂中可以使用的一些任选的粘结剂包括淀粉类、糖类、型芯油类、硅酸钠类、热塑性和热固性树脂类、蒸气固化粘结剂类、化学固化粘结剂类、热固化粘结剂类、浙青类、树脂类、水泥类和本领域已知的多种其它添加剂。其它任选的添加剂可以包括其它粘土类(例如,瓷土),以及油类(例如,亚麻子油等)。在一个实施方案中,可以以砂的干重的约0%至约10%的量包含添加剂。在另一个实施方案中,可以以砂的干重计少于约1. 0%的量包含这些附加添加剂。
[0049] 在铸模组合物中也可以使用其它添加剂并且可以任选地包含其它添加剂以获得多种性质。用于铸造用砂组合物的通用添加剂可以包括:为了克服砂的膨胀缺陷的目的,尤其是在平面铸件表面上出现的那些缺陷,以干的砂组合物的约0. 5%至约5重量%的量被包含的纤维素、谷类或其它纤维添加剂。典型的纤维素添加剂可以包括,但是不限于,木粉和谷类如干面粉、小麦粉、玉米粉、燕麦壳、稻壳、苜蓿细粉、谷壳、亚麻籽压饼、玉米棒子粉、 磨成粉的坚果壳、在榨取油之后的碾碎的棉籽浆等。也可以以干砂的约3%至约6重量%的量将水泥类(例如,波特兰水泥)、天然水泥类(例如,加热、碾碎的石灰石)、树脂类等加入至本发明的铸造用砂粘结剂。
[0050] 铸造用砂组合物中可以包含多种其它添加剂,如炭粉或其它碳质材料类(例如, 石墨)、浙青;木炭;烟煤;软煤(例如,海运煤);硬煤;以及焦炭,可以将它们与粘土一起使用或将其作为用于湿涂层的部分粘土替代品以防止金属渗入或粘砂。
[0051 ] 在一个实施方案中,可以通过本领域技术人员公知的任何方法进行制备铸模组合物的方法。例如,可以使用混砂机制备铸模组合物。混砂机可以将水、砂、粘结剂和改性剂混合以形成铸模组合物。混砂机通常可以具有安装在轴的相反端上的相反的一对混石轮,所述轴连接至驱动轴并且由驱动轴转动,可以将所述驱动轴与马达驱动啮合连接。可以在石轮的作用下以本领域熟知的方式将引入混砂机的成分混合以便粘结剂和改性剂可以反应, 并且可以将砂粒子用反应产物、水和当需要时任意辅助添加剂包覆。
[0052] 一旦混合物反应并结合,就可以将所得到的铸模组合物从混砂机放出并注入具有模型的型箱中。在一个实施方案中,可以将模型成形为限定铸模中所需的空腔。可以使铸模型腔与金属铸件中所需的外形相符。可以使用该方法制造两个部分的模,有时称作对分模。 对分模可以具有称作上型箱的顶部或上部部分,以及称作下型箱的底部或下部部分。也可以使用制造模的方法形成将被插入以完善最终部件形状的型芯。
[0053] 可以在模型中用锤将组合物压紧并使其固结以形成铸模。可以将模型有意地做的比铸造部件大以允许冷却过程中的收缩。其后,可以将模型移去以露出铸模,所述铸模可以也可以不具有模腔。在另一个实施方案中,可以在保持模型固定的同时将铸模移除。如果使用对分模,可以将上型箱和下型箱啮合并且可以之后将任何型芯插入模中以制造孔并改进铸件的最终形状。可以将熔融金属注入敞口模中或对于对分模模具注入称作闸门的开口中。如果需要,排气孔可以使得在注入过程中能够将热气体放出。金属的注入温度可以高于熔点以确保好的流动性,从而避免将导致孔和孔隙的过早冷却。当金属冷却后,将砂模移除以露出金属铸件。
[0054] 在一个实施方案中,也可以使用本文公开的改性剂用于提高粘土混合物的流变性能。在描述本发明中有用的流变性能包括,但是不限于,屈服点(“YP”)、低剪切粘度、塑性粘度(“PV”)和凝胶强度。YP是外推至零剪切速率的屈服应力。类似地,屈服应力是必须施加至物质以使其开始流动(或屈服)的应力,并且通常使用在3至6转/分钟(“rpm”) 的速率下旋转的流变计测量。PV表示当外推至无限剪切速率时流体的粘度,并且通常使用粘度计以在600rpm下的剪切读数与300rmp下的剪切读数之间的差值测定PV。
[0055] 可以将本发明的改性剂加入粘土混合物并与液体如水合并以增粘所得到的流体。 在一个实施方案中,可以使用本文公开的改性剂提高向其中加入了改性剂的流体的塑性粘度和屈服点等性质。在一个实施方案中,改性剂可以在其被加入的流体中充当增粘剂以使屈服点可以高于约1501b/100ft2(71. 8kPa)。在一个实施方案中,改性剂可以充当其被加入的流体的增粘剂以使其被加入的流体的塑性粘度高于约10厘泊。
[0056] 在一个实施方案中,可以将本文公开的改性剂以组合物的约0. 1重量%至约20重量%的范围内的量加入至组合物以便给予改进的流变性能。在另一个实施方案中,可以将改性剂以组合物的约0. 5重量%至约5重量%的范围内的量加入至组合物。
[0057] 为了促进本发明的更好理解,给出以下一些实施方案的特定方面的实施例。不应将以下实施例以任何方式解读为限制或者界定本发明的范围。
实施例
[0058] 为了说明本文所公开的铸模组合物的特性提供以下实施例。主要根据美国铸造工协会模禾口型芯手册(American Foundrymen' s Society Mold and Core Handbook),第 3版, 版权2001中描述的方法进行这些测试。具体测试方法包括使用AFS 2220-00-S测量样品的压实性,使用AFS 5222-00-S测量试样重量,使用AFS 2219-00-S测量样品的水分含量, 使用AFS 5202-00-S测量样品的湿和干抗压强度,使用AFS 5224-00-S测量样品的渗透性, 并且使用AFS 2M8-00-S测量样品的脆性,该方法被修改以测量样品的成型性。
[0059] 如这些实施例中所使用的,National ® Mandard ( “N. S. 200”)是可得自德克萨斯州休斯顿的Bentonite Performance Minerals, L. L. C.的钠膨润土湿砂粘结剂。
[0060] Baramix ®是由National® Mandard膨润土、海运煤,以及,依赖于客户需求的糊精、硬浙青、木粉以及其它可能需要的添加剂组成的混合的单一包装铸造粘结剂。 Baramix ®可得自德克萨斯州休斯顿的 Bentonite Performance Minerals, L. L. C.。
[0061] 实施例1
[0062] 根据本文公开的方法制备七个铸模组合物并且标记为样品1至7。通过以表1至 3中所指出的量将钠膨润土(National ® Mandard)粘结剂与水、铸造用砂和改性剂结合从而制备这七个样品。在这个实施例中,使用天然存在的碳酸钙镁水合物(即,白云石水合物)作为改性剂。在三个不同的压实性值下测试每个样品以测量多种铸造性质。此外,测试样品的另一部分以测定其流变性能。使用可得自美国休斯顿的Farm Instrument Company 的Farm ®粘度计型号35A测量流变性能。表1至4中显示了所得到的所需铸造性质。
[0063] 表 1[0064]
带有35%压实性目标的包含碳酸钩镁改性剂的铸模组合物的铸造性质
Figure CN102365140AD00111
D065] 表 2 D066] 带有40%压实性目标的包含碳酸钙镁改性剂的铸模组合物的铸造性质
Figure CN102365140AD00112
Figure CN102365140AD00121
带有45%压实性目标的包含碳酸钙镁改性剂的铸模组合物的铸造性质
Figure CN102365140AD00122
[0070] 表 4
[0071]
带有2重量%碳酸钙镁改性剂的铸模组合物的流变性能
Figure CN102365140AD00123
Fann 35A 读数:
Figure CN102365140AD00131
[0073] 实施例2
[0074] 根据本文公开的方法制备五个铸模组合物并且标记为样品8至12。标记为样品8 的第一个样品仅含有砂、粘土粘结剂和水以便表现未改性的铸模组合物。标记为样品9、10 和11的下三个样品含有加入了变化量的碳酸钙镁改性剂的相似配方以便表现在不同浓度下改性剂的效用。标记为样品12的最后一个样品含有与样品8相同的配方,添加有氧化镁改性剂,用于与碳酸盐改性剂比较。表5至7中显示了每个样品的配方。在三个不同的压实性值下测试每个样品以测量多种铸造性质。表5至7中显示了所得到的所需铸造性质。
[0075] 表 5
[0076]
Figure CN102365140AD00132
Figure CN102365140AD00141
[0078]表 6
[0079]
带有40%压实性目标的铸模组合物的铸造性质
Figure CN102365140AD00142
[0080] 表 7
[0081]
Figure CN102365140AD00143
[0082]
Figure CN102365140AD00151
[0083] 这些结果表现出使用本文公开的改性剂的铸模组合物的改进的铸造性质。在除 40%压实性目标以外的所有情况下样品9、10和11相对其中不存在改性剂的样品8表现出改进的脆性、渗透性和成型性。样品9、10和11相对于使用氧化镁作为改性剂的样品12也表现出改进的渗透性和脆性。这些结果还表明可以改变铸模组合物中改性剂的量以便获得所需的一组铸造性质。
[0084] 实施例3
[0085] 根据本文公开的方法制备四个铸模组合物并且标记为样品13至16。这些样品含有附加成分以表现带有通用铸造组合物添加剂的组合物的铸造性质,并且所述样品基于可得自德克萨斯州休斯顿的 Bentonite Performance Minerals, L. L. C.的 Baramix ®铸造粘结剂混合物。这些样品除碳酸盐改性剂或用于比较的氧化镁之外还含有砂、粘土粘结剂、 水、硬浙青和煤。样品15和16各自含有木粉作为附加添加剂。表8至10中显示了每个样品的配方。在三个不同的压实性值下测试每个样品以测量多种铸造性质。根据本文所公开的方法制备这些样品。表5至7中显示了所得到的所需铸造性质。
[0086] 表 8
[0087]
15带有35%压实性目标和附加添加剂的铸模组合物的铸造性质
Figure CN102365140AD00161
[0088] 表 9
[0089]
带有40%压实性目标和附加添加剂的铸模组合物的铸造性质
Figure CN102365140AD00162
Figure CN102365140AD00171
[0091] 表 10
[0092]
Figure CN102365140AD00172
[0093] 这些结果表明可以通过使用包含本文公开的改性剂的铸模组合物获得改进的铸造性质。
[0094] 实施例4
[0095] 为了证明通过将本文公开的改性剂加入组合物获得的流变效果,测试在实施例2 中提到的五个铸模组合物以测定它们的流变性能。标记为样品8的第一个样品仅含有砂、 粘土粘结剂和水以便证明未改性的铸模组合物。标记为样品9、10和11的下三个样品含有加入了变化量的碳酸钙镁改性剂的相似配方以便证明在不同浓度下改性剂的效用。标记为样品12的最后一个样品含有与样品8相同的配方,添加有氧化镁改性剂,用于与碳酸盐改性剂比较。使用可得自美国休斯顿的Fann Instrument Company的Fann ®粘度计型号35A测量流变性能。表11中显示了所得到的流变性能。
[0096] 表 11
[0097]
Figure CN102365140AD00181
[0098] 当回顾以上数据时,本领域技术人员应明白使用本文公开的改性剂配制的粘土组合物表现出改进的流变性能。详细地,使用本文公开的改性剂配制的组合物相对于基础粘土和带有氧化镁的基础粘土表现出提高的流变性能,包括提高的塑性粘度、屈服点和表观粘度。
[0099] 因此,本发明非常适合于获得所提到的以及其中所隐含的目标和益处。上面公开的特定实施方案仅用于例证,因为可以以对于受益于本文的教导的本领域技术人员显而易见的不同的但是等价的方式将本发明修改并实施。此外,除了以下权利要求中所述的之外, 并不打算对于本文显示的构造或设计的细节进行任何限定。因此显然的是可以将上面公开的特定的例证性的实施方案变更或修改并且所有这种变化都被认为是在本发明的范围之内。可以对以上公开的所有数字和范围进行一定量的改变。无论何时只要公开了带有下限和上限的数值范围,就是详细的公开了落在该范围内的任何数字和其中所包含的任意范围。详细地,应该将本文公开的每个值的范围(具有形式,“约a至约b,”或者,等价地,“大约a至b,”或者,等价地,“大约a-b”)理解为列出了值的较宽范围内所包含的每个数字和范围。此外,在本文中权利要求中所使用的不定冠词“一种(a)”或“一种(an)”被定义为意指它所引入的要素的一种或多于一种。同样,除非另外明确地并且清楚地由专利权人所定义,权利要求中的术语具有它们普通的、常规的含义。

Claims (24)

1. 一种用于制备铸模的组合物,所述组合物包含:粘结剂,其中所述粘结剂包括蒙皂石粘土 ;改性剂,其中所述改性剂包括金属碳酸盐;以及铸造用砂。
2.根据权利要求1所述的组合物,其中所述金属碳酸盐由包含所述金属碳酸盐的天然存在的矿物提供。
3.根据权利要求1或2所述的组合物,其中所述改性剂改变所述组合物的流变性能。
4.根据权利要求1、2或3所述的组合物,其中所述蒙皂石粘土包括选自以下各项组成的组中的至少一种物质:膨润土粘土、锂蒙脱石粘土、皂石粘土、绿脱石粘土、贝得石粘土、 锌蒙脱石粘土,以及它们的衍生物。
5.根据任一项在前权利要求所述的组合物,其中所述金属碳酸盐中的金属包括选自以下各项组成的组中的至少一种金属:铝、钙、铁、钾、镁、硼、锌、铅、铜以及它们的衍生物。
6.根据任一项在前权利要求所述的组合物,其中所述金属碳酸盐以按所述铸模组合物的重量计大于或等于约0. 并且小于或等于约20%的量存在于所述组合物中。
7.根据任一项在前权利要求所述的组合物,所述组合物还包含选自以下各项组成的组中的至少一种物质:淀粉、糖、硅酸钠、热塑性塑料、热固性树脂、蒸气固化粘结剂、化学固化粘结剂、热固化粘结剂、浙青、树脂、水泥、纤维素、谷类、碳质材料,以及它们的衍生物。
8. 一种铸模,所述铸模包含铸模组合物,所述铸模组合物包含:粘结剂,所述粘结剂包括蒙皂石粘土 ;改性剂,所述改性剂包括金属碳酸盐;以及铸造用砂。
9.根据权利要求8所述的铸模,其中所述金属碳酸盐中的金属包括选自以下各项组成的组中的至少一种金属:铝、钙、铁、钾、镁、硼、锌、铅、铜以及它们的衍生物。
10.根据权利要求8或9所述的铸模,其中所述改性剂具有小于约2毫米的粒度。
11.根据权利要求8、9或10所述的铸模,其中所述铸造用砂包括选自以下各项组成的组中的至少一种砂:石英砂、橄榄石砂、铬铁矿砂、锆砂、碳素砂、陶瓷砂,以及它们的衍生物。
12. 一种用于制备铸模的方法,所述方法包括:将铸造用砂与粘结剂、水和改性剂混合,并且用所述粘结剂、水和改性剂包覆所述铸造用砂,以形成铸模组合物,其中所述粘结剂包括蒙皂石粘土,并且所述改性剂包括金属碳酸盐;将所述铸模组合物引入到限定铸模的模型中;使所述铸模组合物在所述模型中固结以形成所述铸模;和将所述铸模从所述模型中移出。
13.根据权利要求12所述的方法,其中所述金属碳酸盐中的金属包括选自以下各项组成的组中的至少一种金属:铝、钙、铁、钾、镁、硼、锌、铅、铜以及它们的衍生物。
14.根据权利要求12或13所述的方法,其中所述金属碳酸盐以按所述铸模组合物的重量计大于或等于约0. 并且小于或等于约20%的量存在于所述铸模组合物中。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法,其中使用混砂机进行所述混合。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法,所述方法还包括:将熔融金属引入到所述铸模中;以及使所述熔融金属凝固以形成金属铸件。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的方法,其中所述铸模包括选自以下各项组成的组中的至少一种模:上型箱、下型箱、型芯,以及它们的改型。
18. 一种用于将流体增粘的方法,所述方法包括:提供流体组合物,其中所述流体组合物包含粘土和液体;提供改性剂,其中所述改性剂包括金属碳酸盐;以及将所述流体组合物与所述改性剂合并以形成增粘流体。
19.根据权利要求18所述的方法,其中所述粘土包括蒙皂石粘土,其中所述蒙皂石粘土包括选自以下各项组成的组中的至少一种物质:膨润土粘土、锂蒙脱石粘土、皂石粘土、 绿脱石粘土、贝得石粘土、锌蒙脱石粘土,以及它们的衍生物。
20.根据权利要求18或19所述的方法,其中所述金属碳酸盐中的金属包括选自以下各项组成的组中的至少一种金属:铝、钙、铁、钾、镁、硼、锌、铅、铜以及它们的衍生物。
21.根据权利要求18、19或20所述的方法,其中所述金属碳酸盐以按所述增粘流体的重量计大于或等于约0. 并且小于或等于约20%的量存在于所述增粘流体中。
22.根据权利要求18至21中的任一项所述的方法,其中所述增粘流体具有大于约150 磅/100平方英尺的屈服点。
23.根据权利要求18至22中的任一项所述的方法,其中所述增粘流体具有大于约10 厘泊的塑性粘度。
24. 一种制备铸模组合物的方法,所述方法包括:通过开采包含金属碳酸盐的天然存在的矿物获得所述金属碳酸盐;将所述天然存在的矿物加工成粒子;将铸造用砂与粘结剂、水和所述粒子混合,并用所述粘结剂、水和所述粒子包覆所述铸造用砂,以形成铸模组合物,其中所述粘结剂包括蒙皂石粘土。
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