CN110035975A - 包含硅酸盐的组合物以及在砂型铸造中使用其的方法 - Google Patents

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CN110035975A CN201780065921.8A CN201780065921A CN110035975A CN 110035975 A CN110035975 A CN 110035975A CN 201780065921 A CN201780065921 A CN 201780065921A CN 110035975 A CN110035975 A CN 110035975A
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Abstract

论述可用于铸造过程(例如湿砂型铸造)的组合物。所述组合物可包含集料、至少一种无机粘结剂和至少一种高纵横比硅酸盐。例如，所述组合物可包含砂、充当粘结剂的一种或多种粘土材料以及选自云母、滑石或其组合的高纵横比硅酸盐。所述组合物可成形为湿砂型以用于铸造模塑制品。高纵横比硅酸盐的并入可帮助提高铸造制品的品质。

Description

包含硅酸盐的组合物以及在砂型铸造中使用其的方法
要求优先权
本PCT国际申请要求2016年8月25日提交的美国临时申请号62/379461的优先权的权益，其主题通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开的实施方案主要涉及可用于形成砂型的组合物和其在例如砂型铸造中的使用方法。
背景
铸造是用于制备制品的铸造过程，其中将加热的液体材料(通常为金属或金属合金)浇入型腔中并使其以腔的形状冷却。然后使铸造的制品从铸型中释放。例如，取决于待铸造材料的性质，可使用各种材料形成铸型。例如，砂型铸造可用于铸造金属和金属合金。在这个方法中，砂通常与粘结剂组合并形成至所期望的铸型形状。可通过压紧围绕模型(例如待铸造制品的复制品)的砂混合物，并移出模型以留下具有所期望的形状和构造的腔来形成这样的砂型。一旦熔化的金属被导入铸型并冷却至凝固，通常可通过毁坏砂型以使铸造的金属制品释放。
湿砂型铸造指使用湿的或经润湿的砂以形成铸型，其中砂通常与水和无机粘结剂(例如粘土)组合以形成模塑介质。粘结剂一般使砂粒内聚，从而铸型可在整个铸造过程中维持它的形状并承受被施加的应力。在湿砂型铸造期间，砂型通常保留一些量的水分，在环境温度和升高的温度二者下，该水分与粘土充当粘合剂。粘结剂混合物有时作为“预混合物”提供，其可与当地来源的砂组合以生产模塑介质。
砂型的化学组成通常决定它的性质，包括它承受铸造过程的应力和压力的能力，这继而影响铸造制品的品质。砂模塑介质的不同的组成可对铸型在砂型铸造期间的高温、压缩条件下执行的能力具有显著影响。
公开概述
本公开包括可用于砂型铸造(包括湿砂型铸造)的组合物、该组合物的制备和使用其的方法。
例如，本公开包括组合物，该组合物包含至少一种集料、至少一种无机粘结剂和至少一种高纵横比硅酸盐。在一些方面，相对于组合物的总重量，组合物可包含按重量计约80%至约95% 的集料、约5.0%至约15.0%的无机粘结剂和约0.1%至约5.0%的高纵横比硅酸盐。高纵横比硅酸盐可包含例如云母和/或滑石。适合用于组合物的示例性云母矿物包括：白云母、钠云母、锂云母、金云母、黑云母及其组合。根据本公开的一些方面，高纵横比硅酸盐具有大于10的纵横比，例如在10至1000、20至100或40至80范围内的纵横比。在一些实例中，高纵横比硅酸盐可具有在约50μm至约100 μm范围内的d50粒径。
相对于组合物的总重量，组合物可包含例如约0.5% 重量至约3.0% 重量的高纵横比硅酸盐。另外地或备选地，相对于组合物的总重量，组合物可包含约5.0% 重量至约10.0%重量或约5.0% 重量至约8.0% 重量的无机粘结剂。在一些实例中，无机粘结剂可包含选自膨润土、耐火泥或其混合物的至少一种粘土。在至少一个实例中，无机粘结剂包含膨润土。在至少一个实例中，无机粘结剂不包含球粘土。在至少一个实例中，无机粘结剂不包含高岭土。此外，相对于组合物的总重量，组合物可包含约85% 重量至约95% 重量或约90% 重量至约95%重量的集料。适合于组合物的示例性集料可包括但不局限于：硅砂、锆砂、铝硅酸盐或其组合。集料可具有均质化学组成(例如各颗粒包含相同或基本相同的材料)或异质化学组成(例如各颗粒包含聚集在一起以形成单一颗粒的材料组合)。在至少一个实例中，相对于组合物的总重量，组合物可包含按重量计约80%至约95% 的天然砂、合成砂或其组合，约5.0%至约15.0% 的粘土以及约0.1%至约5.0% 的云母、滑石或其组合。
组合物还可包含一种或多种另外的有机或无机材料。例如，组合物还可包含石墨、一种或多种有机材料和/或一种或多种其他矿物。在至少一个实例中，组合物还包含相对于组合物的总重量为约0.1% 重量至约7.0% 重量的有机材料，和/或相对于组合物的总重量为约0.1% 重量至约5.0% 重量的另一种矿物。根据本公开的一些方面，组合物可包含水，例如相对于组合物的总重量，提供约1.0%至约4.0%重量范围内的水分含量。
本公开还包括使用上文或本文其他地方描述的任意组合物的砂型铸造过程。例如，砂型铸造过程可包含通过将集料、无机粘结剂和高纵横比硅酸盐与水组合来制备组合物；以及通过将组合物成形为形状来制备铸型。制备组合物的步骤可包括，例如，将高纵横比硅酸盐加入至无机粘结剂以形成混合物，其中高纵横比硅酸盐包含50% 至100%重量的云母；和将混合物与集料和水组合。制备铸型的步骤可包括，例如，围绕模型将组合物成形，和移出模型以留下腔。
根据本公开的一些方面，组合物可具有约5.0 N/cm2 至 约25.0 N/cm2，例如约10.0 N/cm2 至 约18.0 N/cm2或 约15.0 N/cm2 至约20.0 N/cm2范围内的湿压缩强度。另外地或备选地，组合物可具有170 g 组合物小于300磅每平方英寸 (PSI)(约206.8 N/cm2)，或小于280 PSI (约193.1 N/cm2)的挤压压力。方法还可包含将金属或金属合金导入至铸型以形成铸造制品，和从铸型中移出铸造制品。
本公开还包括模塑制品的方法。例如，该方法可包含将加热的材料导入至铸型，其中该铸型包含上文或本文其他地方描述的任意组合物；和使加热的材料冷却。加热的材料可包含例如金属或金属合金。
附图简述
并入且构成本说明书一部分的附图说明本公开的各种示例性方面，并与描述一起用于解释本公开的原理。
图1A 和1B 显示实施例1中讨论的云母样品的SEM 图像。
图2和3是如在实施例2中讨论的，各种组合物的测试样本质量(g)对挤压压力(PSI)的曲线图。
图4是如在实施例2中讨论的，各种组合物的挤压压力 (PSI)对湿压缩强度(N/cm2)的曲线图。
图5是如在实施例3中讨论的，各种组合物的挤压压力(PSI)对湿压缩强度 (N/cm2)的曲线图。
详述
如下进一步详述本公开的具体方面。如果与经引用并入的术语和/或定义相冲突，以本文所提供的术语和定义为准。
如本文所用，术语 “包含”、“包括”或其任意其他的变形旨在覆盖非排他性的内含物，例如包含一系列元素的过程、方法、组合物、制品或仪器不仅包含这些元素，而且可包括这些过程、方法、组合物、制品或仪器的未明确列出的或固有的其他元素。术语“示例性”在“实例”而不是“理想”的意义上使用。
如本文所用，除非上下文另有指明，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数的对象。术语“大约”和“约”指与所提及数字或数值几乎相同。如本文所用，术语“大约”和“约”应理解为包含指定的量或数值的± 5%。
根据本公开的组合物可包含一种或多种的无机粘结剂和一种或多种的高纵横比的硅酸盐。不受理论约束，相信在本文的组合物中掺入高纵横比硅酸盐可提供铸型的高度铸型完整性和/或由铸型生产的铸造制品品质的改进。例如，相比其他缺乏高纵横比硅酸盐的组合物，该组合物可提供铸造制品上更光滑的表面和/或更少的表面缺陷。在至少一个实例中，无机粘结剂可包含一种或多种粘土，且高纵横比硅酸盐可包含云母、滑石或其组合。
术语 “高纵横比硅酸盐”包括具有毗邻层间裂开的一般板状或片状结构的硅酸盐矿物。颗粒纵横比(ρ)可定义为沿颗粒主轴的长度除以其宽度。这样的硅酸盐可具有至少10的纵横比，例如在10到1000之间的纵横比。例如，本文的组合物可包含硅酸盐，该硅酸盐具有在约10至约1000、约10至约500、约10至约250、约10至约200、约10至约150、约20至约100、约20至约80、约30至约100、约40至约100、约40至约80、或约50至约70范围内的纵横比，例如约20、约25、约30、约35、约40、约45、约50、约55、约60、约65、约70、约75或约80的纵横比。
适合用于本文组合物的示例性高纵横比硅酸盐包括但不局限于云母和滑石。尽管云母可包括Ba、Cs、Fe2+、Li、Cr、Mn、V、Zn、Be或其组合，许多云母具有通式 X2Y4-6Z8O20(OH，F)4，其中X是K、Na或Ca；Y是Al、 Mg或Fe；和Z是Si、Al、 Fe3+或Ti。适用于本文组合物的云母矿物包括但不局限于：白云母、钠云母、金云母、黑云母及其组合。滑石是硅酸镁，例如具有化学式Mg3Si4O10(OH)2。另外的硅酸盐矿物也在考虑范围内，包括例如亚氯酸盐型矿物。在本公开的一些方面，高纵横比的硅酸盐不是高岭土。在本公开的一些方面，高纵横比硅酸盐不是蒙脱石。
高纵横比硅酸盐的粒度可从等效直径的球体的直径(“等效球直径”(ESD))方面进行表征，所述球体通过在水性介质中充分分散的颗粒悬浮液沉淀。例如，可使用颗粒表征仪器通过绘制具有指定ESD的颗粒的重量累计百分比来获取粒度分布。例如，d50是当50重量%的颗粒具有更小的ESD时的颗粒ESD。本公开的高纵横比硅酸盐可具有在约25 μm 至约150μm、例如约40 μm至约125μm、约50 μm至约100μm、约60 μm 至约80μm、或约65 μm至约75μm的范围内的d50粒径。例如，组合物可包含至少一种高纵横比硅酸盐，其具有为约50 μm、约55 μm、约58 μm、约60 μm、约62 μm、约65 μm、约68 μm、约70 μm、约72 μm、约75 μm、约78 μm、或约80μm的d50粒径。
相对于组合物的总重量，根据本公开的组合物可包含约0.1% 至约5.0%重量，例如约0.1% 至约4.8%重量、约0.2% 至约4.5%重量、约0.5% 至约4.0%重量、约0.8%至约3.8%重量、约1.0% 至 约3.5%重量、约1.2%至约3.0%重量、约1.5% 至 约3.0%重量、约1.8% 至约2.8%重量、约2.0% 至约2.5%重量的高纵横比硅酸盐。例如，相对于组合物的总重量，组合物可包含约0.5%、约1.0%、约1.2%、约1.5%、约1.8%、约2.0%、约2.1%、约2.2%、约2.3%、约2.4%或约2.5%重量的高纵横比硅酸盐。
根据本公开的一些方面，相对于高纵横比硅酸盐的总重量，高纵横比硅酸盐可包含至少50%重量(50%至100%重量)的云母。例如，高纵横比硅酸盐可包含至少60%、至少 70%、至少 80%、至少 85%、至少 90%、至少95%、或大于95%重量的云母，例如，约100%重量的云母。例如，高纵横比硅酸盐可包含小于5%、小于2%或小于1%重量的除云母外的材料。
在某些实例中，组合物可包含一种或多种充当无机粘结剂的粘土。粘土是涵盖一系列具有不同化学组成和性质的含水铝硅酸盐矿物的通用术语。变湿的粘土一般为粘性且塑性的，然而干燥的粘土变得坚硬，尤其当在升高的温度下干燥时。粘土可通过为模塑介质提供可塑性、可加工性和/或强度而充当粘结剂。例如，粘土或粘土组合的可塑性可在砂型铸造期间帮助维持在施加力时砂型的完整性。适合本文组合物的示例性粘结剂包括但不局限于：膨润土、耐火泥及其组合。
膨润土的主要组分之一是蒙脱石，蒙脱石是具有氧化铝八面体片在两个二氧化硅四面体片之间的层状结构的页硅酸盐粘土。膨润土的不同类型按照主要组成元素来命名，例如钾膨润土、钠膨润土、钙膨润土和铝膨润土。在一些方面，组合物可包含钠膨润土、或钠膨润土和钙膨润土的混合物。膨润土可为组合物提供可塑性且在不改变它的化学结构的情况下，能够承受砂型铸造的较高的温度。耐火泥是也可承受高温而一般用于陶瓷制造的耐火粘土。就制备砂型而言，具有适合粘结能力的另外的粘土材料也在本文组合物的考虑范围内。
根据本公开的一些方面，相对于组合物的总重量，组合物可包含约5.0%至约20.0%重量，例如约5.0%至约17.5%重量、约5.0% 至约15.0%重量、约5.0% 至约12.5%重量、约5.0%至约10.0%重量或约5.0% 至约8.0%重量的至少一种无机粘结剂。例如，相对于组合物的总重量，组合物可包含约5.0%、约8.0%、约10.0%、约12.0%或约15.0%重量的无机粘结剂。在至少一个实例中，无机粘结剂不包含球粘土。在至少一个实例中，无机粘结剂不包含高岭土。
本文的组合物可进一步包含至少一种集料，例如天然或合成砂或砂复合材料，例如，使得无机粘结剂、高纵横比硅酸盐和集料的混合物可充当模塑介质。如本文所用术语“集料”包括均质材料(例如各自包含相同或基本上相同的组成的颗粒)以及异质或复合颗粒(例如包含聚集成单一颗粒的不同组成的材料)。可用于本文组合物的集料的实例包括但不局限于硅砂 (SiO2)、铬铁矿砂 (FeCr2O4)和锆砂 (ZrSiO4)，其中任意一个可任选地包括其他元素例如镁、铝、锰和/或碳(石墨)。在不违背本公开原理的情况下，其他类型的砂和其他集料同样在考虑范围内并可用于本文组合物。可至少部分基于待铸造材料的组成、铸造温度和/或从当地来源获取的砂或其他集料的可用性，来选择砂的组成和级配。充当模塑介质的组合物的内聚强度在它的“湿(green)”状态，即它润湿时可最为明显。
根据本公开的一些方面，相对于组合物的总重量，组合物可包含约75%至约95%重量，例如约80%至约95%重量的、约85%至约95%重量的、约85%至约90%重量的或相对于组合物的总重量为约90%至约95%重量的至少一种集料。
根据本公开的组合物可包括一种或多种其他材料或添加剂。适用于本文的湿砂组合物的这样的添加剂的实例包括但不局限于：石墨、有机碳化合物(例如煤、天然沥青、有机沥青)、聚合物、表面活性剂、氧化铁、纤维素(例如磨碎的植物产品)、玉米谷物和淀粉。不旨在受理论的束缚，通常相信碳质材料和/或其他添加剂可在湿砂型铸造中提供若干益处。
例如，在型腔表面上和紧邻型腔表面的碳质材料可在它被浇入铸型中时在熔化的金属的热量下分解。在型腔和熔化的金属之间的界面上的这种分解的产物是元素碳(例如石墨)，其可帮助铸造制品从铸型中释放(例如落砂(shakeout))以及在铸造制品上产生更光滑的表面，如前文所提到。另外，例如，碳质材料可提高模塑介质的流动性和/或提高铸型的透过性。可用于本文组合物的示例性碳质材料包括但不局限于：风化褐煤、褐煤、苛化褐煤、包括烟煤的煤例如海煤(精细研磨类型的烟煤)、Flocarb®(Amcol生产的天然存在的有机材料)、石墨、光亮碳形成剂(例如天然沥青、沥青、有机副产物、聚合物)、石油沥青及其组合。
根据本公开的一些方面，组合物可包含高纵横比硅酸盐与石墨的组合。例如，组合物可包含相对于组合物的总重量为约0.1%至约5.0%重量的或约1.0%至约3.0%重量的至少一种高纵横比硅酸盐，和相对于组合物的总重量为约0.1%至约3.0%重量的或约0.5%至约2.0%重量的石墨。在其他实例中，高纵横比硅酸盐可提供石墨的替代。例如，与石墨相较，高纵横比硅酸盐可以以更低的成本提供基本上相同或比石墨更好品质的铸件。此外，例如，高纵横比硅酸盐可更易运输和/或并入制造过程中，例如，避免处理石墨的困难以及转移石墨时漏出的风险。
在一些实例中，包含无机粘结剂和高纵横比硅酸盐的粘结剂组合物或“预混合物”可经制备且与集料和任意添加剂组合，并用水润湿以产生模塑组合物，例如湿砂组合物。例如，可将高纵横比硅酸盐加入至无机粘结剂以形成混合物，且混合物可与水、集料和任意添加剂组合。例如，粘结剂组合物可包含膨润土作为无机粘结剂、和云母作为高纵横比硅酸盐。或者，模塑组合物可通过以任意顺序将无机粘结剂、高纵横比硅酸盐、集料、添加剂和水组合来制备。例如，方法可包含将高纵横比硅酸盐加入至集料，且然后加入无机粘结剂、任意添加剂和水。粘结剂、高纵横比硅酸盐、集料、水和任意添加剂可组合或研磨在一起，例如，通过研磨机或使用另一适合的机器或方法以提供均匀的模塑介质。
用水润湿组合物可激活粘结剂的粘结性质以将组合物成形成砂型。相对于模塑组合物的总重量，水可为模塑组合物提供约1.0%至约7.0%重量、例如约1.5%至约5.0%重量的、约1.8%至约3.5%重量的、约1.8%至约2.5%重量的、约1.8%至约2.2%重量或约2.0%至约2.4%重量的范围内的水分含量，例如约1.8%、约1.9%、约2.0%、约2.1%、约2.2%、约2.3%、约2.4%或约2.5%重量的水分含量。
在至少一个实例中，相对于组合物的总重量，组合物可包含约80%至约95%重量的砂(例如硅砂)、约5.0%至约15.0% 重量的膨润土 (例如钠膨润土、钙膨润土或其组合)以及约0.1%至约5.0%重量的云母(例如金云母云母、白云母云母或其组合)。在另外一个实例中，相对于组合物的总重量，组合物包含约90%至约95% 重量的砂 (例如硅砂)、约5.0%至约8.0%重量的膨润土(例如钠膨润土、钙膨润土或其组合)和约1.8%至约2.2% 重量的云母(例如金云母云母、白云母云母或其组合)。
组合物可包含一种或多种粘土材料、一种或多种高纵横比硅酸盐、一种或多种集料和至少一种其他矿物。这样的其他矿物可为天然存在的或合成的，且可包括但不局限于苏打灰和其他无机矿物。相对于组合物的总重量，其他矿物可占约0.1%至约5.0%的重量。
灼烧损失(LOI)数值是材料在高温、尤其是在铸造期间使用的温度下加热(“灼烧”材料)之前和之后的重量差。例如，铸铁一般需要约1427°C (~2600°F)的温度。LOI提供砂型中可燃材料量的指示，例如，反映在加热时挥发和分解的有机材料的量。对于湿砂组合物，其中含有的可燃材料可消耗为激活粘结剂而加入的水。因此LOI测量可提供关于砂模塑介质的组成和整体品质的有用信息。
根据本公开制备或形成砂型的方法可包括使用模型(pattern)或待用铸型铸造的制品的复制品。模型可由塑料、木材、金属或其他合适的材料或材料组合形成。在一些方面，例如，如上所讨论的湿砂可围绕模型成形，以使得湿砂采用模型的形状。然后可将模型移出以通过留下模型形状的腔来形成铸型。在其他方面，模型可被压入湿砂然后移出，通过留下模型形状的腔来形成铸型。
模塑组合物的化学组成和物理性质可影响它的“可加工性“和围绕模型压紧的能力，以及用于评估砂型完整性的其他度量。用于测试模塑组合物的标准样品尺寸是直径为50.8mm(2英寸)且高度为50.8mm的圆柱体(即2英寸×2英寸的圆柱形样品)。
流动性一般指模塑介质在模型周围自由流动的能力，例如，以提供合适的密度(例如，由此可容易实现致密化)同时避免砂/铸型界面上可降低铸造制品品质的空隙。根据本公开的模塑组合物可具有克服模塑组合物与模型表面之间摩擦的流动性，同时提供与模型的适当接触量以提供高铸型强度。
在压紧以使限定腔后，根据本公开的模塑组合物可具有足够的强度以承受任何传入以移出模型的力，使得腔设计或构造保持完好。模塑组合物也可具有足够的强度以承受在形成砂型时为移动或安置它而传入的力和/或为将加热的材料(例如熔化的金属或金属合金)浇入腔而传入的任意液压力。
砂型可被并入浇口系统或其他适合的系统或机构，用于将加热的液体材料例如熔化的金属或金属合金导入至腔中。因此，加热的液体材料可在进入腔时以合适的流速以及温度被浇入型腔。可用于本文的铸造制品的示例性材料包括但不局限于铁、铝、钢、青铜、黄铜、镁、锌及其组合。
在将加热材料导入至腔时，湿砂型可至少部分地被干燥。铸型可具有足够的透过性以帮助防止加热时对铸型的损坏。当加热的材料被浇入至型腔时，空气和/或其他气体可转移通过模塑介质。例如，因为模塑组合物是润湿的，所以在暴露于加热材料时可产生蒸汽。为了适应在加热时空气的产生和/或产生的其他气态材料，用于形成砂型的模塑组合物可具有允许气体以最小气流阻力排出的适当透过性，以保持铸型的完整性。
在一些方面，砂型可具有相对高的气体透过性。可使用美国铸造协会程序 (AFS铸型和型芯测试手册)测量透过性。例如，透过性可通过测量在标准压力下空气通过样品的流速来确定，其中更高的透过性数值对应加热铸型时更大的排气能力。根据本公开的组合物可具有在约50至约250个单位，例如约75至约225个单位、约100至约200 个单位、约120至 约200 个单位、 约130 至 约190个单位或约140 至约170个单位的范围内的透过性。在浇入加热的液体材料至型腔内之后，可让液体冷却以使得冷却的材料采用腔的形状。由此形成的铸造制品可通过任何适合的方法从砂型中移出，例如将砂型脱离。
如上所述，并入一种或多种高纵横比硅酸盐至模塑介质中可改进铸造制品的品质，例如，通过减少铸造缺陷的数量或趋于铸造缺陷的倾向，例如结痂(例如，铸造制品表面上不规则的皮)、铸造材料渗入砂型、砂烧上或烧进铸造制品的表面上和/或其他与膨胀相关联的缺陷。例如，本公开的模塑组合物可增强砂型的完整性，同时维持模塑介质的适当性质。
可使用各种分析表征湿砂和湿砂型以评估它们生产具有适当品质的铸造制品的能力。除上述流动性和透过性特征外，可通过它们的湿压缩强度、湿剪切强度、干压缩强度、热压缩强度、易碎性和锥形振动韧性来描述湿砂型。用于这些分析的样品尺寸可为上述用于透过性分析的相同标准圆柱形状(具有2英寸直径和2英寸高度的圆柱形样品)。
挤压压力指用于制备样品样本所施加的压力的量。较于不包含高纵横比硅酸盐的组合物，本文的组合物可具有更低的挤压压力。例如，本文的组合物可具有用于压紧170-g样品成标准2英寸×2英寸测试样本的小于300 PSI (约206.8 N/cm2) 或小于280 PSI (约193.1N/cm2)的挤压压力。例如，170 g的组合物的挤压压力可在180 PSI (约124.1 N/cm2)至 300 PSI (约206.8 N/cm2)，例如190 PSI (131 N/cm2) 至 280 PSI (约193.1 N/cm2)、200PSI (约137.9 N/cm2) 至250 PSI (约172.4 N/cm2)或210PSI (~144.8 N/cm2)至240PSI (约165.5 N/cm2)的范围内。
湿压缩强度指在压缩载荷下使样品破裂所需要的压力，同时湿剪切强度指沿样品的轴剪切它所需要的力。根据本公开的组合物可具有约5.0N/cm2至约20.0 N/cm2、例如约10.0 N/cm2至约18.0 N/cm2或约15.0 N/cm2至约20.0 N/cm2的湿压缩强度。此外，根据本公开的组合物可具有在约1.0 N/cm2 至 约8.0N/cm2、例如约2.0 N/cm2至约7.0 N/cm2或约3.0 N/cm2至约7.0 N/cm2范围内的湿剪切强度。
相对于用于压紧样品样本的挤压压力的量，本文的组合物可提供相对高的湿压缩强度。例如，对于约100 PSI (~68.9 N/cm2) 或约150PSI(~103.4 N/cm2)的挤压压力，组合物可具有大于10.0 N/cm2的湿压缩强度，例如，湿压缩强度在约10.0 N/cm2至约18.0 N/cm2或约12.0N/cm2至约16.0 N/cm2的范围内。
在一些情况下，可相对快速地发生湿砂型的干燥，例如，当用于铸造的材料仍然是熔化的且在铸型结构上持续施加液压力时。干压缩强度提供对模塑介质确保铸型在整个铸造过程从始至终保持它的强度和完整性的能力的指示。根据本公开的湿砂可具有在约10.0N/cm2至约50.0N/cm2，例如约15.0N/cm2至约40.0N/cm2或约20N/cm2 至约30.0 N/cm2的范围内的干压缩强度。
透过性与以下事实有关：模塑组合物的湿压缩强度和干压缩强度二者都与组合物在它被压紧以限定型腔之后的密度成比例。在本公开的一些方面，组合物可具有促进获得压紧的砂的相对高且一致的密度的可加工性特征。
作为砂型在整个铸造过程中维持它形状的能力的指示，热压缩强度评价湿砂样品在升高的温度下的性能。当在950°C和1100°C之间的温度下测量时，根据本公开的组合物可具有在约50.0 PSI (~ 34.5 N/cm2)至约200.0 PSI (~137.9 N/cm2)，例如约60.0 PSI (~41.4 N/cm2)至约150.0 PSI (~103.4 N/cm2)，或约75.0 PSI (~51.7 N/cm2)至约125.0PSI (~86.2 N/cm2)范围内的热压缩强度。可使用美国铸造协会程序(AFS铸型和型芯测试手册)测量热压缩强度。
湿拉伸强度是有用的度量，其用于确定砂型抵御在铸造制品上结痂或不合期望地形成突起或粗糙度的能力。在铸造期间，来自紧邻熔化的金属的砂的水被驱回，在干砂和湿砂之间产生冷凝区。这层中砂的强度被视作湿拉伸强度。更高的湿拉伸值对应更少的趋于结痂的倾向。根据本公开的湿砂可具有在约0.100 N/cm2 至 约0.650 N/cm2， 例如约0.250N/cm2 至 约0.550 N/cm2或约0.350 N/cm2 至 约0.500 N/cm2范围内的湿拉伸强度。
易碎性测量砂型各种表面上湿砂的表面脆性和耐磨损性。更高的粘土水平一般降低易碎性，因为松散的砂可在铸件表面导致夹砂缺陷。相对于单独由膨润土粘土形成的那些，本文的组合物可提供具有更低易碎性的湿砂型。易碎性与所制备的模塑砂的“脆性”有关。易碎性一般与可压紧性逆相关，其中可压紧性的降低或短暂的空气干燥时间段可导致易碎性的增加。根据本公开的组合物可具有约1.0%至约20.0%，例如约2.0%至约15.0%或约3.0%至约6.0%范围内的易碎性。
锥形振动韧性通过重复施加应力至湿砂样品并测量样品的分裂点来测量湿砂吸收能量的能力。锥形振动韧性一般涉及铸型的完整性。在典型测试中，湿砂样品自动捡起和落下以测量对比样品的位移的振动数。当样品分裂或测量到1.25 mm (0.05英寸)的垂直位移时，该测试可作出结论。根据本公开的湿砂可具有在10次振动至50次振动范围内的锥形振动韧性， 例如 20 次振动至45 次振动或30次振动至40次振动。并入模塑介质中的某些添加剂可帮助提高砂型的锥形振动韧性。在本公开的一些方面中，例如，可加入玉米谷物和/或淀粉至湿砂组合物。
考虑到本文所公开的说明书和实施方案的实践，本领域技术人员将清楚本公开的其他方面和实施方案。
实施例
下面的实施例旨在说明本发明而不是在性质上限制性的。应理解，本公开涵盖与前面的描述及以下实施例一致的另外的方面和实施方案。
实施例 1
分析两种白云母云母(A和B)的化学和物理特征并将结果总结于表1。通过Microtrac颗粒表征仪获得用于确定d10、d50和d90 直径的粒度分布。在1050°C下测量灼烧损失。通过X射线荧光(XRF)测量化学组成。图1A和1B显示在50x放大倍数和8.0 kV下通过扫描电子显微镜(SEM)取得的两个样品的图像，其中图1A显示云母A且图1B显示云母B。
表 1
云母A 云母B
d<sub>10</sub> (μm) 23.6 28.1
d<sub>50</sub> (μm) 68.7 71.5
d<sub>90</sub> (μm) 151.7 154.7
LOI (%) 4.0 1.90
SiO<sub>2</sub> (wt%) 43.2 41.2
MgO (wt%) 20.6 21.2
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (wt%) 12.1 13.4
K<sub>2</sub>O (wt%) 7.4 9.0
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (wt%) 6.1 5.8
CaO (wt%) 4.1 1.5
TiO<sub>2</sub> (wt%) 1.4 1.7
BaO (wt%) 0.7 0.4
F (wt%) 0.5 0.7
Na<sub>2</sub>O (wt%) 0.5 0.4
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> (wt%) 0.5 0.2
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (wt%) 0.3 0.3
S (wt%) 0.1 -
实施例 2
根据下表2制备湿砂组合物1-6以将云母和滑石的效果与石墨(传统湿砂添加剂)的效果相比。用受高岭土污染的白云母云母(因为该云母源自佐治亚的高岭土沉淀物)制备组合物3。用来自加拿大的金云母云母的不同样品制备组合物4和6，以及用来自北卡罗莱的白云母云母制备组合物5。用不同的滑石样品制备组合物7和8，其中组合物7的滑石颗粒尺寸与组合物8滑石颗粒不同。
表2
组合物 1 2 3 4 5 6 7 8
石墨(wt%) -- 2 -- -- -- -- -- --
云母(wt%) -- -- 2 2 2 2 -- --
滑石(wt%) -- -- -- -- -- -- 2 2
水分(%) 2.3 2.2 2.1 2.3 2.3 2.2 2.4 2.4
可压紧性 (%) 45 45 45 45 44 45 46 47
通过在研磨机中组合286 g 怀俄明膨润土粘土(包含天然存在的钠膨润土)与3800克砂和云母、滑石或石墨(如有的话)并混合1分钟制备每种组合物。然后加入一定量的水以达到44-46％的可压紧性。继续机械混合7分钟，总混合时间为8分钟。将混合物转移到塑料袋中并关闭以防止水分损失。
机械混合后，根据美国铸造协会(AFS)规定的标准和测试程序将每种组合物的4份(155g、160g、165g和170g)成形成标准的2英寸×2英寸的圆柱体以测量挤压压力、透过性和湿压缩强度。挤压压力是指为制备测试样本而对各样品质量所施加的压力。结果呈现于表3。
表 3
图2显示单独的粘土/砂混合物(组合物1)、石墨样品(组合物2)和云母样品(组合物3-6)的样本质量对挤压压力的曲线图。相较于不含云母的粘土/砂混合物，云母的添加对应更低的挤压压力。还发现云母比石墨更大程度地降低挤压压力。因为在铸造过程中通常期望更低的挤压压力，所以预计云母组合物会为铸造品质提供益处。更低的挤压压力可使得模塑机器使用更少的力来制备铸型，其通常导致更高完整性的铸型。铸型表面可具有更少的瑕疵，导致铸造制品表面的瑕疵更少且铸造品质更好。
图3显示两种滑石样品(组合物7和8)的挤压压力与单独的粘土/砂混合物以及石墨样品比较的曲线图。同时其中滑石组合物之一(组合物8)展示出比组合物1和2二者都更低的挤压压力，另一滑石组合物(组合物7)展示仅低于组合物1的挤压压力。相信这个结果是由于组合物8的滑石在膨润土中形成更好的分散，其随后提供与砂的混合的改进。
图 4显示组合物1-6的挤压压力对湿压缩强度的绘图，并说明云母组合物在相对较低挤压压力(~100 PSI)情况下，达到了相对高强度(~10-12 N/cm2)。
实施例 3
根据实施例2的程序，使用欧洲膨润土粘土代替怀俄明膨润土粘土制备湿砂组合物9-11。欧洲膨润土包含天然存在的钙膨润土，其已经用钠(苏打灰)活化并老化长达三个月以转化为钠膨润土，而怀俄明膨润土包含天然存在的钠膨润土。如表4中汇总的，组合物9制备为单独的粘土/砂混合物(即没有云母或石墨)，用来自加拿大的2％金云母云母制备组合物10，且用2％石墨制备组合物11。如实施例2中那样测试组合物的挤压压力、透过性和湿压缩强度。结果呈现于表5和图5。
表 4
组合物 9 10 11
石墨(wt%) -- -- 2
云母(wt%) -- 2 --
水分(%) 2.4 2.2 2.2
可压紧性 (%) 46 46 45
表 5
图5显示相较于石墨或云母和石墨都不含的粘土/砂混合物，加入云母至粘土/砂组合物再次导致了对于相似量的挤压压力更高的湿压缩强度。
实施例 4
根据实施例2所述的程序，在组合物12和13中使用欧洲膨润土粘土、在组合物14和15中使用怀俄明膨润土粘土以制备湿砂组合物12-15。根据AFS标准和测试程序 (AFS 铸型和型芯测试手册)测量湿砂性质。用2%金云母云母制备组合物12和14，且用2% 石墨制备组合物13和15。结果呈现在表6中。对50-52g的大小为1⅛ 英寸×2英寸的测试样本进行热压缩强度测量。所有其他测试使用2英寸×2英寸样本。除非另外说明，样本重量为161-162 g。“M.B.粘土”指AFS亚甲基蓝测试，其作为所制备的模塑组合物中的膨润土粘土的定性测量。
表 6
组合物 12 13 14 15
云母(wt%) 2 -- 2 --
石墨(wt%) -- 2 -- 2
水分(%) 1.73 1.7 1.67 1.58
可压紧性 (%) 44 46 46 46
湿压缩强度 (N/cm<sup>2</sup>) 20.5 18.7 19.5 13.8
透过性 177 167 167 162
湿拉伸(N/cm<sup>2</sup>) 0.559 0.502 0.388 0.386
干压缩强度 (N/m²) 13.85 12.95 15.9 23.5
易碎性 3.67 5.75 2.96 7.28
锥形振动韧性 40 28 36 18
湿剪切强度(N/cm<sup>2</sup>) 6.85 5.8 6.1 4
流动性 (PSI)
155 g 样品 60 62 70 60
160 g 样品 130 120 124 120
165 g 样品 260 260 260 254
1093°C下热压缩强度 (PSI) 68 84 138 140
982°C下热压缩强度(PSI) 278 308 230 190
816°C下热压缩强度(PSI) 163 140 185 228
538°C下热压缩强度(PSI) 90 63 85 88
M.B.粘土% 6.4 6.2 6.2 6.2
这些结果再次显示，将云母并入湿砂提供更好的铸型强度和完整性。 例如，组合物12展示了优越的湿压缩强度、湿拉伸强度、易碎性(其中优选较低数值)、锥形振动韧性(其中优选较高数值)、湿剪切强度。同样，相较于组合物15，组合物14展示了优越的干压缩强度、易碎性、湿剪切强度和流动性。
进行研究以测试由组合物12-15形成的砂型经多个铸造周期的完整性。术语“周期”指以 4:1的砂：金属比率用灰铁(在约2600°F下浇入)生产五个连续的铸件。金属是灰铁且铸件为简单矩形板。经确定，云母或石墨的添加不影响经多次铸造的铸型完整性。还确定，云母和石墨不影响所制备的模塑砂的热膨胀特征。
说明书和实施例旨在被认为仅是示例性的，且本公开真正的范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (28)

1.组合物，相对于所述组合物的总重量，其包含按重量计：
约80%至约95% 的集料；
约5.0%至约15.0% 的无机粘结剂；和
约0.1%至约5.0% 的高纵横比硅酸盐。
2.权利要求1所述的组合物，其中所述高纵横比硅酸盐包含云母。
3.权利要求1或权利要求2所述的组合物，其中所述高纵横比硅酸盐包含白云母、钠云母、锂云母、金云母、黑云母或其组合。
4.权利要求1所述的组合物，其中所述高纵横比硅酸盐包含滑石。
5.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述高纵横比硅酸盐具有大于10的纵横比。
6.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述高纵横比硅酸盐具有在10至1000范围内的纵横比。
7.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述高纵横比硅酸盐具有20至100或40至80范围内的纵横比。
8.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述高纵横比硅酸盐具有约50 μm 至约100 μm范围内的 d50 粒径。
9.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中相对于所述组合物的总重量，所述组合物包含约0.5% 重量至约3.0% 重量的所述高纵横比硅酸盐。
10.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中相对于所述组合物的总重量，所述组合物包含约5.0%重量至约10.0% 重量或约5.0% 重量至约8.0% 重量的所述无机粘结剂。
11.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中相对于所述组合物的总重量，所述组合物包含约85%重量至约95% 重量或约90% 重量至约95% 重量的所述集料。
12.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述集料包含硅砂、锆砂、铝硅酸盐或其组合。
13.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述无机粘结剂包含膨润土。
14.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述无机粘结剂不包含球粘土。
15.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述无机粘结剂不包含高岭土。
16.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述组合物还包含石墨。
17.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中相对于所述组合物的总重量，所述组合物还包含约0.1% 重量至约7.0% 重量的有机材料。
18.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中相对于所述组合物的总重量，所述组合物还包含约0.1%重量至约5.0% 重量的另一种矿物。
19.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中相对于所述组合物的总重量，所述组合物包含提供约1.0%至约4.0% 重量范围的水分含量的水。
20.前述权利要求中任一项所述的组合物，其中相对于所述组合物的总重量，所述组合物包含按重量计：
约80%至约95% 的天然砂、合成砂或其组合；
约5.0%至约15.0%的粘土；和
约0.1%至约5.0%的云母、滑石或其组合。
21.砂型铸造的方法，所述方法包含：
通过将所述集料、所述无机粘结剂和所述高纵横比硅酸盐与水组合来制备前述权利要求中任一项所述的组合物；和
通过将所述组合物成形为形状来制备铸型。
22.权利要求21所述的方法，其中制备所述组合物包括：
将所述高纵横比硅酸盐加入所述无机粘结剂中以形成混合物，其中所述高纵横比硅酸盐包含50%至100%重量的云母；和
将所述混合物与水和所述集料组合。
23.权利要求21或22所述的方法，其中制备所述铸型包括围绕模型将组合物成形，然后移出所述模型以留下腔。
24.权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述组合物具有在约5.0 N/cm2至约25.0N/cm2范围内的湿压缩强度。
25.权利要求21-24中任一项所述的方法，其中170 g 所述组合物的挤压压力小于300磅每平方英寸(PSI)。
26.权利要求21-25中任一项所述的方法，其还包含：
将金属或金属合金导入所述铸型中以形成铸造制品；和
从所述铸型中移出所述铸造制品。
27.将制品模塑的方法，所述方法包含：
将加热的材料导入铸型中，其中所述铸型包含权利要求1-20中任一项所述的组合物；和
使所述加热的材料冷却。
28.权利要求27所述的方法，其中所述加热的材料包含熔化的金属或熔化的金属合金。
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