CN104470653B - 具有延长的工作时间的“自硬”铸造混合物 - Google Patents

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Abstract

“自硬”法通过提供较长的约45至约60分钟的工作时间，能够形成更大的金属铸件。这通过使用液体固化催化剂得以实现，该液体固化催化剂是在第二位或第三位被具有分子量为约30至约100mwu的部分取代的吡啶。液体固化催化剂的实例包括2‑乙醇吡啶，3‑氯吡啶和2‑甲氧基吡啶。当结合两部分的聚氨酯粘结剂前体和铸造骨料，该液体固化催化剂不仅提供较长的工作时间，而且脱模时间低于工作时间的约167％，该脱模时间从在固化催化剂的存在下将聚氨酯前体混合以活化它们的点开始测量。

Description

具有延长的工作时间的“自硬”铸造混合物
相关申请的交叉引用
本申请是非临时申请，要求2012年6月8日提交的美国临时申请61/657,212的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种用于铸造金属部件的铸造混合物，用于使用“自硬(no-bake)”法形成的模具和型芯。更具体地，其涉及一种铸造混合物，包含合适的铸造骨料(foundryaggregate)和两种聚氨酯粘结剂前体。液体催化剂用于固化通过混合前体而形成的聚氨酯。优选的催化剂提供超过45分钟的“脱模时间”，且“工作时间”与脱模时间的比大于约0.6，优选接近1.0。
背景技术
用于铸造金属制品的模具和型芯可以通过铸造骨料和铸造粘结剂制备。有几个方法用于此。
在“自硬”法中，铸造混合物通过混合合适的骨料与粘结剂以及固化催化剂而制备。将铸造混合物压实入模型中后，铸造混合物的固化提供用作模具或型芯的铸造成型体。
在“冷芯盒”法中，铸造混合物通过混合合适的骨料与粘结剂而制备。将铸造混合物压入模型后，催化剂蒸气通过铸造混合物，使其固化并提供用作模具或型芯的铸造成型体。
在又一方法中，铸造混合物通过混合骨料与热反应性粘结剂以及催化剂而制备。铸造混合物通过将其压实入加热模型中，引起铸造混合物固化而成型，提供了用作模具或型芯的铸造成型体。
接着集中于“自硬”法，在铸造工业中一些广泛使用的用于“自硬”法的粘结剂包括酚醛聚氨酯自硬粘结剂、酯固化酚醛自硬粘结剂和糠醇酸固化自硬粘结剂。
酚醛聚氨酯聚合物体系不仅用于铸造粘结剂的应用。例如，非常相似的聚合物体系用于聚氨酯泡沫。尽管可能预期，用于三种方法(自硬，冷芯盒和泡沫)之一的催化剂和其它添加剂可能与其他的类似，这根本是不正确的，且现有技术中，具体地，Gernon的公开的美国申请2005/0004257指出，聚氨酯泡沫体系与砂结合聚氨酯体系大不相同。
本发明的受让人已卓著地参与提供铸造粘结剂超过四十年。一些具有代表性的美国专利和已公布的申请，包括Robins的US3485797和3676392，Chang的6391942，6479567和7125914，Hutchings的6559203，Chen的6602931和Dando的已公开的美国申请US2005/0009950。
当配制粘结剂包时考虑了几个变量。例如，Kiuchi的US5616631教导了现有自硬粘结剂趋于具有低固化率和低初始强度。粘结剂需要长时间充分作用(set up)以使固化的模具从模型取出，这导致模型的利用率低。在本说明书的术语中，使固化的模具可以从模型(pattern issue)取出所需要的时间统称为“脱模时间”。更严格地，且用于实验结果的呈现，脱模时间是混合粘结剂组分和砂并将砂混合物放在模型中，且形成的铸造成型在砂型硬度“B”型计量器(Green Hardness"B"scale)达到90的水平时所经过的时间，脱模时间这种计算方法是由Chen的共有专利'602教导的，所使用的计量器为密歇根底特律的HarryW.Dietert有限公司出售。Kiuchi'631教导，增加初始强度并保持脱模时间短是所期望的结果。该初始强度是依据拉伸强度测量的。
在现有技术和本说明书中使用的另一术语是“工作时间”。在本说明书中，工作时间的严格定义是混合粘结剂组分和砂并将砂混合物放在模型中，且形成的铸造成型体在砂型硬度“B”型计量器达到60的水平时所经过的时间，也使用得自Dietert的计量器。在条件更适用于铸造，“工作时间”定义为砂混合物能够形成模具有效工作的大致时间。因此，脱模时间和工作时间之间的区别在于，在此期间，模具形成中不能处理，但还不能从模型中移出的停滞时间(dead time)的量。工作时间和脱模时间的比值(“W/S”)以无量纲的形式表示该概念，且范围(至少在理论上)为0到1。
最终，铸造粘结剂体系设计者的目的是提供一种粘结剂体系，一旦在重塑模具型芯的形状的模具中在浇注的熔融金属上形成固体外壳，该粘结剂体系则会利用来自金属的热量分解粘结剂。这种分解使得砂和/或其它骨料易于回收和再利用。如Pederson的US7984750所教导的，当模具使用时，其中浇注金属的温度低于约1000℃(铸铁在此温度下浇注)时，分解粘结剂的这种需要受到了挑战。铝和镁是这样金属的实例。
几乎与分解粘结剂的能力一样重要的是提供一种环境可接受的粘结剂。因为在铸造之前和之后，工人均暴露于铸造混合物，必须考虑如毒性和气味的问题。
当铸造的金属部件小时，现有技术中已知的粘结剂至少足以完成所需的工作且很多是完美地完成。当较大的部件待铸造时，需要足够长的时间构建(build up)模具，以致需要更多的时间。现有技术已倾向教导更快的固化，而不是更慢。甚至在Hutchings的'203中，至少这一问题被认识到的情况下，工作时间与脱模时间的比值为低于0.5。在另一参考文件中(共有专利Chen的US6291550)工作时间与脱模时间的比值为高于0.5，但工作时间太短以致教导的体系实际上不用于至少需要45分钟的脱模时间的较大部件。在Chen的'550中优选的催化剂是叔胺，特别是三(3-二甲基氨基)丙胺(CAS号33329-35-0)。
因此，本发明的目的是提供一种改进的粘结剂体系，其中提供至少45至60分钟的工作时间，并且提供工作时间和脱模时间的比值至少约0.6。
发明内容
该目的以及其它目的通过用于铸造混合物的粘结剂组合物、该铸造混合物以及使用该铸造混合物的方法得以实现。
该粘结剂组合物包含聚氨酯粘结剂前体和液体固化催化剂，所述聚氨酯粘结剂前体以两部分提供。该粘结剂前体的第一部分包含多元醇成分，第二部分包含聚异氰酸酯成分。该固化催化剂以液体形式提供，并且可以在适当的溶剂中提供。该液体固化催化剂特别地选择为在与聚氨基甲酸酯粘结剂前体混合之后，提供约45至约60分钟的工作时间。该液体固化催化剂也应该提供脱模时间低于工作时间的约167％，该脱模时间是从同一起点测量的，即，在液体固化催化剂和聚氨酯结剂粘两部分前体混合时。
为防止粘结剂前体的固化，该液体固化催化剂与至少聚氨酯粘结剂前体的第二部分保持分离直到使用时。
典型地，以聚氨酯粘结剂成分的第一部分的重量计，该液体固化催化剂的含量为约5至7wt％。
该液体固化催化剂典型地包含吡啶，该吡啶在第二位或第三位被具有分子量为约30至约100分子量单位(“mwu”)的部分取代。该液体固化催化剂的具体实例是2-乙醇吡啶(CAS号103-74-2)，3-氯吡啶(CAS号626-60-8)和2-甲氧基吡啶(CAS号1628-89-3)。当使用这些化合物时，液体固化催化剂也可包含芳族烃类液体，取代的吡啶在其中是可溶的，特别地在芳族烃类液体的量为约20wt％。
满足本发明的目的的铸造混合物通过混合粘结剂组合物和适量的铸造骨料来提供。在这样的铸造混合物中，聚氨酯粘结剂前体的两部分，液体固化催化剂和铸造骨料一经混合，其结果将是铸造混合物具有如下特征，用于在模型中形成铸造成型体的范围在45至60分钟的工作时间，以及用于从模型中取出所形成的且固化的铸造成型体的脱模时间，其中，工作时间与脱模时间的比值为约0.6至1.0。
由本发明所定义用于形成铸造成型体的“自硬”法包括三个步骤。在第一步骤中，铸造混合物的固化性质通过混合聚氨酯粘结剂前体的两部分与该液体固化催化剂以及铸造骨料得以活化。在第二步骤中，活化的铸造混合物在模型中混合，以形成铸造成型体。在该步骤中，铸造混合物的固化速度使得活化铸造混合物在活化步骤进行后，工作时间为45至60分钟。在第三步骤中，一旦形成的铸造成型体充分固化至可操作，则形成的铸造成型体就从模型中脱模出来。在该步骤中，铸造混合物的固化速度足以允许在低于工作时间的约167％的脱模时间发生脱模，该脱模时间是从活化步骤起测量的。
具体实施方式
选择市售的自硬铸造粘结剂作为能够与实验结果比较的基准。使用的铸造粘结剂是PEP SETTMI 1670/II X-2000，购自亚世科化学有限公司。所选择的铸造粘结剂有两部分，包含多元醇成分的第一部分和包含多异氰酸酯成分的第二部分。选择用于控制的液体催化剂为4-(3-苯丙基)吡啶(“4-PPP”)(CAS号2057-49-0)。该催化剂在标准测试条件下在脱模时间方面，被认为是“慢”催化剂。
在实验方案中，制备试验型芯。第一部分和试验的催化剂与WEDRON540硅砂混合。然后，加入第二部分。第一部分与第二部分的重量比为55/45，不包含催化剂，以砂(“BOS”)计，粘结剂的量为1wt％，
一旦混合，所得的铸造混合物压实入狗骨型芯盒中，用得到的试验片(“狗骨”)在型芯盒取出后的1小时，2小时，3小时测试抗拉强度。还分析了测试样品的工作时间和脱模时间。
使用相同的方案重复试验，但用2-乙醇吡啶(“2-EP”)(CAS103-74-2)，3-氯吡啶(“3-CP”)(CAS626-60-8)和2-甲氧基吡啶(“2-MOP”)(CAS号1628-89-3)替代4-PPP。在每一种情况下，使用的是所选催化剂在AROMATIC 150(芳族烃类液体，可购自埃克森美孚化工公司)中的20％溶液。催化剂的添加量以第一部分(“BOP1”)计。拉伸强度的目标为至少在1小时为50psi，2小时为100psi，3小时为130psi，24小时为250psi，且脱模时间为至少45至60分钟。结果如下：

Claims (8)

1.用于铸造混合物的粘结剂组合物，包含：
聚氨酯粘结剂前体，所述聚氨酯粘结剂前体以两部分提供，第一部分包含多元醇成分，第二部分包含聚异氰酸酯成分；以及
液体固化催化剂，所述液体固化催化剂包含2-乙醇吡啶并且选择为在与聚氨酯粘结剂前体混合之后，提供43.25至60分钟的工作时间，且脱模时间低于工作时间的167％，该脱模时间和工作时间是从同一起点测量的。
2.根据权利要求1所述的粘结剂组合物，其中：
所述液体固化催化剂与至少聚氨酯粘结剂前体的第二部分保持分离直到使用时。
3.根据权利要求1所述的粘结剂组合物，其中：
所述液体固化催化剂的含量为聚氨酯粘结剂成分的第一部分的重量的5至7wt％。
4.根据权利要求1所述的粘结剂组合物，其中：
所述液体固化催化剂是溶解在芳族烃类液体中的2-乙醇吡啶。
5.根据权利要求4所述的粘结剂组合物，其中：
所述液体固化催化剂在芳族烃类液体中的含量为20wt％。
6.一种铸造混合物，包含：
根据权利要求1所述的粘结剂组合物，以及
合适的铸造骨料。
7.根据权利要求6所述的铸造混合物，其中：
聚氨酯粘结剂前体的两部分、液体固化催化剂和铸造骨料一经混合，所得的铸造混合物具有特征如下的固化性质：
用于在模型中形成铸造成型体的范围在43.25至60分钟的工作时间；以及
用于从模型中取出所形成的且固化的铸造成型体的脱模时间，使得工作时间与脱模时间的比值为0.6至1.0。
8.一种用于形成铸造成型体的“自硬”方法，包括如下步骤：
通过混合的聚氨酯粘结剂前体的两部分与液体固化催化剂以及铸造骨料，活化根据权利要求6或7任一项所述的铸造混合物；
在模型中处理活化的铸造混合物以形成铸造成型体，铸造混合物的固化速度使得活化的铸造混合物在活化步骤进行后，工作时间为43.25至60分钟；以及
形成的铸造成型体一旦充分固化至可操作，该形成的铸造成型体就从模型中脱模出来，所述固化速度足以允许在低于工作时间的167％的脱模时间发生脱模，该脱模时间是从活化步骤起测量的。
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