CN103384653A - 用于制造浇铸模具和芯的防脉纹添加剂 - Google Patents

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Abstract

本发明属于用于型砂的添加剂的领域，所述的型砂在制造浇铸模具和芯中使用。更具体而言，本发明涉及在金属部件制造中防止脉纹的添加剂，包含该添加剂的型砂，由该型砂制造的芯和模具，以及通过使用所述的芯或模具中的一者制造的金属部件。

Description

用于制造浇铸模具和芯的防脉纹添加剂
技术领域
本发明属于用于型砂的添加剂的领域，所述的型砂在制造浇铸模具和芯中使用。更具体而言，本发明涉及在金属部件制造中防止脉纹的添加剂，包含该添加剂的型砂，由该型砂制造的芯和模具，以及通过使用所述的芯或模具中的一者制造的金属部件。
背景技术
使用芯和模具获得的铸件通常具有一系列的形状缺陷，这些形状缺陷随后必须经加工从而得到维度合适的部件，其中所述的芯和模具是使用型砂制造的。由于倒入芯或模具中的熔融金属的作用，芯或模具经历加热，这会导致其膨胀，结果其表面上形成裂缝，由此形成所述的这些缺陷。熔融金属会渗透到这些裂缝中，因此在所得到的部件表面上形成了分隔或薄层。这种不需要的作用称为脉纹或“鼠尾”。
目前，通过将沙与气固化或热固化树脂或者与自硬树脂混合来制造芯或模具，其中所述的树脂为一系列添加剂，其欲用于改善所获得的进一步使用的部件成品的特征。已知有多种溶液用于控制或减少脉纹。
在型砂的制造中，溶液之一由使用氧化铁作为添加剂构成。氧化铁用于减少由于沙中所包含的二氧化硅的膨胀所产生的问题，由Sierra Leone得到的氧化铁红、氧化铁黑或氧化铁黄以1至3％的百分率引入到所述的混合物中以用于所述的目的。这些氧化物起到了形成铁橄榄石的因素的作用，使得在芯中裂缝形成的过程中，粘性铁橄榄石会填补裂缝，从而减少脉纹。然而，在许多情况下，除了未消除脉纹以外，这种技术具有氧化铁的缺点，由此降低了芯的机械强度，此外铁橄榄石的形成会增加渗透的趋势，从而导致所获得的部件的外表面具有随后必需被处理的不平整。
专利WO2009155242描述了基于使用氧化铁的防脉纹添加剂，其中加入了玻璃成分。该玻璃成分在沙的颗粒之间形成了熔融玻璃，这会增大塑性，从而减少芯的裂缝，此外减少脉纹的形成。而且，问题再次为芯的机械强度的降低。
另一种现有的溶液由使用木屑和碳粉作为添加剂构成。将木屑或炭以1至3％的比例加入到型砂中。该木屑在熔融过程中燃烧，留下了在整个芯体中分布的空腔，这允许二氧化硅在这些腔中膨胀而无需增加它们的外部尺寸，从而防止会导致脉纹的裂缝的形成。该技术的主要缺点在于由于木屑燃烧，产生大量的气体，当这些气体散开时，可以在所得的部件中导致维度问题。使用这种类型的添加剂，芯的机械强度同样降低。
专利US4,735,973描述了二氧化钛添加剂的用途。该添加剂占沙总量的百分率为0.5至5％，并且该添加剂包含15至95％的二氧化钛。采用该技术会发生热膨胀，结果会抑制脉纹，芯的机械强度得到保持并且不具有增多的气体被释放出来。该技术的缺点在于所得的芯具有某种渗透趋势，在浇铸部件之前，在所得的芯的表面上进行涂颜料或其他处理的应用是必须的。
用于处理脉纹的其他方法在WO02087807、WO2009062074和WO2009046128文件中有所描述。这些方法描述了具有不同组成的添加剂，这些添加剂的共同特征在于它们均包含含有氧化锂和氧化铁的材料。
在金属部件的制造中，用于控制脉纹的另一种解决方法在专利EP0891954和ES2116245(其与专利EP0891954密切相关)中有所描述。这些专利的解决方法包括使用空的硅酸铝微球作为防脉纹添加剂。EP0891954描述了空的硅酸铝微球，其以1至30重量％的百分率加入到沙中。微球必须包含20-35％的氧化铝。这些空的微球由于熔融金属所产生的热使得它们收缩并坍塌的能力而防止在芯和模具中形成裂缝。当微球坍塌并收缩时，它们留下的腔会吸收二氧化硅的膨胀，从而防止或减少会导致脉纹的裂缝的形成。这些空的微球的问题在于当它们在沙混合物中以低于10重量％的量使用时，它们不会得到最佳的结果，即，它们不能总会防止脉纹达到所需的程度。另一方面，当使用高百分率的空的微球(高于10％，通常为20-30％)时，脉纹的问题得到解决，但是会得到具有更差的机械特征的芯和模具。
因此，需要研发基于空的硅酸铝微球的添加剂，该添加剂允许型砂中的微球含量减少至低于10％，以便得到具有合适的机械特征的芯和模具，但在待减少或受影响的部件成品中不会降低防止脉纹的作用。
本发明的发明人发现通过将少量熔剂加入到空的微球中，可得到这样的添加剂，该添加剂允许将沙混合物中的微球的量减少至低于10％。这允许获得具有合适的机械特征的模具和芯，但是令人惊奇的是，这进一步允许在金属部件成品中完全缺少脉纹。此外，本发明的添加剂的用途还允许得到具有光滑表面或表皮的金属部件。
附图简述
图1示出了金属部件的图像，其中可以看见脉纹缺陷，这些脉纹缺陷是由于使用了由100％的沙构成的芯而造成的。
图2示出了描绘随着温度，不同微球的收缩百分率的曲线图。各种类型的微球的最终收缩温度被指明。
图3示出了描绘随着温度，并且在6％碳酸锂和6％碳酸锶存在下，不同文丘的收缩百分率的曲线图。
图4示出了通过使用由本发明的添加剂制造的芯的手段而得到的金属部件的图像，其中看见缺乏脉纹。
图5示出了描绘在金属部件的制造过程中气体生成的曲线图，其中所述的金属部件具有未使用添加剂、使用不同的市售添加剂以及使用本发明的添加剂制造的不同的芯。
图6示出了描绘在24小时以及在具有100％相对湿度的24小时时，在由盒生产出来时芯的抗张强度的曲线图，其中所述的芯具有不同百分率的本发明的添加剂(样品5为94％+6％CO3Li2)。
图7示出了描绘在24小时以及在具有100％相对湿度的24小时时，在由盒生产出来时芯的抗磨损性的曲线图，其中所述的芯具有不同百分率的本发明的添加剂(样品5为94％+6％CO3Li2)。
发明详述
本发明的主要目的由用于型砂的添加剂构成，该添加剂包含占添加剂总重量90-99％的空的硅酸铝微球以及占添加剂总重量的1-10％的熔体。在具体的实施方案中，添加剂包含94-97％的空的硅酸铝微球以及3-6％的熔体。
上文所述的添加剂(下文为本发明的添加剂)与沙混合使用从而制造浇铸模具和芯。在金属部件的浇铸和模制过程中，添加剂会令人惊奇地减少模具和芯中裂缝的形成，在多数的情况下会防止其形成。由此会防止金属部件成品中的脉纹。
孔的硅酸铝微球为本发明的添加剂的第一成分。如之前所讨论，这些微球在芯或模具与熔融金属相接触而受热时具有吸收氧化硅的膨胀的能力。在本发明的添加剂的制造中可以使用任何类型的孔的硅酸铝微球，包括具有高的氧化铝含量的那些。本发明的添加剂的微球的氧化铝含量为15-45重量％。优选的实施方案考虑了使用氧化铝含量为18-40％的微球。除了硅酸铝以外，空的微球在它们的组成中可以包含其他微量元素或成分，例如Fe2O3，CaO，MgO，Na2O，K2O或TiO2，这些元素或成分可以轻微地改变微球的热行为，但是在任何情况下，这些元素的存在均不会影响本发明的添加剂的防脉纹能力。
本发明的添加剂的其他成分为熔体。本发明人观察到熔体具有改变微球的热性质的能力。熔体具有降低微球的熔点的作用，从而使得它们尽快软化和坍塌(破裂)。这允许优化吸收沙的膨胀的作用。此外，本发明人还观察到所存在的熔体允许与任何类型的空的硅酸铝微球一起工作。尽管专利ES2116245强烈反对与具有高氧化铝含量(35-45％)的微球一起工作，这是因为它们会在部件成品中产生脉纹问题，但是本发明人证明加入熔体允许使用任何类型的微球(包括具有高氧化铝含量的那些)，由此加宽可以制造添加剂的微球的范围。
本发明的优选的实施方案考虑了使用碱或碱土金属碳酸盐作为熔体。更优选的是，所述的碳酸盐可以为碳酸锂和/或碳酸锶。
使用本发明的添加剂证明其不仅能够克服在所制造的金属部件中的脉纹问题，而且还得到所述的部件的表面或表皮是缺乏粗糙的。
本发明的添加剂与沙混合使用。所述的称为型砂的沙用于制造浇铸模具和芯。因此，本发明的另一个目的为型砂，其包含90重量％至99重量％的沙，以及1-10重量％的本发明的添加剂。优选的是，本发明的型砂包含94-97％的沙以及3-6％的本发明的添加剂。
在本发明的内容中，任何常用类型的沙都可以用于制造浇铸模具和芯。具体而言，可以使用用于生产浇铸芯和模具的沙，其二氧化硅含量大于95％，并且具有AFA40至AFA120的不同的粒度分布。
此外，本发明的型砂还包含其他传统的成分，例如浇铸聚集体、粘合剂以及在该技术领域中使用的其他可任选的成分。
本发明的另一个目的为本发明的型砂用于制造浇铸模具和芯的用途。更具体而言，本发明的目的为用于制造浇铸模具或芯的方法，其包括：
a)将本发明的型砂与粘合剂树脂混合；
b)将a)的混合物引入到模具中，从而形成浇铸芯或模具；
c)将所述的浇铸芯或模具与固化催化剂相接触；
d)一旦芯或模具硬化便将其分离。
步骤a)包括型砂的混合物和均化，该混合物在其组成中包含沙、本发明的添加剂以及粘合剂树脂。在树脂固化后，它们有利于颗粒的粘合及凝胶，以及模具或芯的硬化。
在浇铸芯和模具的制造中常用的任何类型的树脂均可以用于步骤a)中。本发明考虑了以下物质的用途：例如，使用胺供入气体的酚-聚氨酯树脂；使用SO2供入气体的丙烯酸-环氧树脂；使用甲酸甲酯或CO2供入气体的酚-碱树脂；呋喃树脂、酚树脂、热盒脲-甲醛树脂或者它们的组合；热盒INOTEC无机系统，或者使用Novolac树脂预涂敷的沙。
一旦型砂与树脂混合，则将混合物引入到模具中，从而提供具有其必须采用的最终形状的沙模具或芯。混合物所获得的形状将确定金属部件成品的形状。
为了使沙模具或芯被压紧，在步骤c)中施加会加速树脂聚合的固化催化剂。在该技术领域中常用的任何催化剂均适用于本发明的目的，通常使用气体催化剂，例如胺、SO2、甲酸甲酯或CO2。
一旦沙模具或芯被压紧或固化，则将沙模具或芯与用于取得其形状的模具分离，并准备用于金属部件的制造中。
本发明的另一个目的为模具或芯，其包含根据本发明的型砂，即，包含本发明的添加剂的型砂。
本发明的芯和模具具有机械性能，该性能与仅使用沙生产的但具有完全防止脉纹的优点的芯和模具的性能基本一致。本发明的芯和模具的另一个优点在于在所生产的部件中所释放的气体。气体的量不仅显著减少(参见图5)，而且与其他市售防脉纹添加剂相似，在20分钟后气体的生产稳定。
本发明的另一个目的为用于制造金属浇铸的方法，其包括：
a)将根据本发明的芯或模具插入到浇铸设备中；
b)将液态的金属倒入所述的设备中；
c)允许倒入到浇铸设备中的金属冷却并固化；
d)将金属部件与浇铸设备分离。
本发明的芯或模具允许根据本文所述的方法由不同的金属和/或合金获得部件，所述的金属和/或合金例如铁金属，如灰铸铁、球墨铸铁和钢；或者非铁金属，例如铜、青铜和锡。
本发明的最终目的严格而言为根据之前所述的方法获得的金属部件。本发明的金属部件不具有脉纹，具有基本光滑的表面或表皮，其缺乏粗糙。所述的金属部件可以为铁金属，例如灰铸铁、球墨铸铁和钢；或者非铁金属，例如铜、青铜和锡。
以下实施例的目的在于举例说明本发明，但是它们不能被认为限定了本发明。
实施例1：不同类型的微球的热分析
分析不同类型的空的微球的热性能，其组成详述于下表1中：
表1：微球的组成(重量％)
样品1 样品2 样品3 样品4 样品5
SiO2 55.7 67.1 59.1 58.0 55.6
Al2O3 28.8 16.7 27.8 30.2 38.3
Fe2O3 6.4 4.09 4.66 3.76 1.91
CaO 0.75 2.02 1.85 2.41 0.96
MgO 1.55 1.51 0.97 1.29 0.4
Na2O 0.43 0.9 0.58 0.21 0.35
K2O 4.36 3.92 2.25 2.14 0.57
TiO2 1.39 0.79 1.04 1.99 1.07
PPC 0.62 2.97 1.75 0 0.84
在MISURA高温热台显微镜中进行熔融测试。高温热台显微镜是这样的设备，其允许在经历加热循环时观察样品。同时，其允许在整个熔融测试中，在数据载体中记录样品的概况。通过图像分析设备的手段，由所记录的图像测定样品随着温度所发生的收缩的演变。
使用各样品，通过压制形成直径为3mm、高度为3mm的圆柱形钮，并将其放置在支撑体上。该支撑体依次被安装在高温热台显微镜的样品保持器上，其中其经历热循环：以25℃/min的速率升高至1550℃的最大温度。
由所记录的图像测定收缩-温度曲线、以及以下特征温度：
-收缩开始(TSS)，当测试件的概况的面积为其初始面积的99％时即被认为收缩开始。
-收缩结束(TES)，当测试件停止收缩时即被认为收缩结束。
-软化(TS)，当测试件的边缘开始变为圆形即被认为软化。
-球体(TSp)，当测试件采用与球体最接近的形状即被认为球体。
_1/2球体(T1/2)，当测试件采用与半球体最接近的形状即被认为1/2球体。
-熔融(TM)，当测试件采用与球冠最接近的形状(等于球体的1/3体积)即被认为熔融(TM)。
表2和图2描述了分析的结果：
表2：球体的热分析
特征温度 样品1 样品2 样品3 样品4 样品5
收缩开始(TSS) 1045 935 1025 990 1155
收缩结束(TES) 1295 1160 1270 1235 1550
软化(TS) 1340 1250 1445 1355 -----
球体(TSp) ------ 1360 ----- ----- -----
半球体(T1/2) ----- 1430 ----- ----- -----
熔融(TM) 1435
实施例2：碳酸锂和碳酸锶对球体的热性质的影响
分别分析由实施例1得到的添加有6％碳酸锂和6％碳酸锶的相同样品的热性能。使用与权利要求1中所用的相同的分析方法。
其中加有6％碳酸锂的样品的结果列于下表3中：
表3：具有碳酸锂的球体的热分析
Figure BDA00003373366200081
与样品5以及具有6％碳酸锂和6％碳酸锶的样品5列于表4和图3中。
表4
Figure BDA00003373366200082
实施例3：具有不同添加剂的浇铸芯的制备以及所得部件的脉纹和表 皮的评估
由94％Echave C-70沙、
Figure BDA00003373366200083
418/618酚-聚氨酯树脂以及5％添加剂(94％微球样品+6％Co3Li)制造芯。将3种成分在研磨机中混合，并将混合物引入到射芯机的漏斗中。将混合物射入芯盒中，从而得到芯的形状，并用胺对其供入气体。取得具有它们最终形状的固化的芯。
实施脉纹测试，此外，还观察到根据本发明由使用不同的添加剂得到的金属部件的表皮。
表5
Figure BDA00003373366200091
如可以观察到的那样，使用6％碳酸锂作为防脉纹添加剂的成分会提供不具有脉纹的金属部件，而与所用的微球样品无关。此外，部件具有不值得报告的缺陷的表皮。
相比之下，由不具有添加剂(100％沙)的芯或者仅使用微球作为添加剂(100％样品5)的芯进行模制而得到的部件会分别提供10和7的相当多的脉纹缺陷(在0-10的脉纹级别)。
随后测试碳酸锂(其为基于样品5的球体的添加剂)的剂量以及添加剂的量对型砂成分的影响。结果示于下表中：
表6
实施例4：芯的机械特征的评估
实施测试以测定由沙和可变量的添加剂(94％微球样品5+6％碳酸锂)得到的芯的耐磨性和抗张强度。
这些测试结果示于图6和7中。如可以观察到的那样，添加剂的存在不会显著地影响所得芯的机械特征，对于所测试的不同百分率的添加剂而言，得到与不具有添加剂的对照样品相似的耐磨性和抗张强度特征。

Claims (15)

1.用于型砂的添加剂，其包含占所述的添加剂的总重量的90-99％的空的硅酸铝微球以及占所述的添加剂的总重量的1-10％的熔体。
2.根据权利要求1所述的添加剂，其中所述的空的硅酸铝微球的氧化铝含量为15-45重量％。
3.根据权利要求1所述的添加剂，其中所述的熔体为碱或碱土元素碳酸盐。
4.根据权利要求3所述的添加剂，其中所述的碱或碱土元素碳酸盐为碳酸锂或碳酸锶。
5.根据权利要求1-4的任意一项所述的添加剂在制造型砂中的用途。
6.根据权利要求1-4的任意一项所述的、包含90重量％至99重量％的沙以及1-10重量％的添加剂的型砂。
7.根据权利要求6所述的型砂，其中所述的沙为二氧化硅含量大于95重量％的二氧化硅沙。
8.根据权利要求6-7的任意一项所述的型砂在制造浇铸芯和模具中的用途。
9.用于制造浇铸模具或芯的方法，其包括：
a)将根据权利要求6-7的任意一项所述的型砂与粘合剂树脂混合；
b)将a)中所述的混合物引入到模具中，从而形成芯或模具；
c)将所述的芯或模具与固化催化剂相接触；
d)一旦芯或模具硬化便将其分离。
10.包含根据权利要求1-6的任意一项所述的沙的浇铸芯或模具。
11.用于制造金属浇铸的方法，其包括：
a)将根据权利要求10所述的芯或模具插入到浇铸设备中；
b)将所述的液态的金属倒入所述的设备中；
c)允许倒入到所述的浇铸设备中的所述的金属冷却并固化；
d)将所述的金属部件与所述的浇铸设备分离。
12.根据权利要求11所述的方法，其在于所述的金属部件由铁或非铁金属制成。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述的铁金属为灰铸铁、球墨铸铁或钢。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述的非铁金属为铜、青铜、锡。
15.可以通过权利要求11所述的方法得到的金属部件。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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