ES2714224T3 - Mezclas de fundición que contienen sales de carbonato y sus usos - Google Patents

Mezclas de fundición que contienen sales de carbonato y sus usos Download PDF

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Abstract

Una mezcla de fundición que comprende: (a) agregado de fundición; y (b) una sal de carbonato en una cantidad entre el 0,25 y el 5,0 por ciento en peso basado en el peso del agregado de fundición, siendo la sal de carbonato carbonato de magnesio y carbonato de calcio.

Description

DESCRIPCION
Mezclas de fundicion que contienen sales de carbonato y sus usos
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica el beneficio de prioridad a la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. N.° de Serie 61/286.913 presentada el 16 de diciembre de 2009 como si estuviera completamente incorporado en el presente documento.
Antecedentes
La arena de silice (SiO2 , cuarzo) se utiliza ampliamente como un agregado en la industria de la fundicion de metales para la produccion de moldes y nucleos. Se utiliza tanto para "arena sin secar” (arena aglomerada con agua y arcilla) y para la arena unida quimicamente. Se usan diversos aglutinantes inorganicos y organicos incluyendo aglutinantes de silicato sodico y uretano fenolico, furano, epoxi-acrilico, aglutinantes fenolicos ester-curados y aglutinantes fenolicos curados con acido, entre otros.
Los aglutinantes se mezclan con la arena y la mezcla se compacta en herramientas para tomar la forma del molde deseado o nucleo, a continuacion, el aglutinante se endurece y une los granos de arena. Los componentes del molde y el nucleo se ensamblan entonces en un paquete de molde y el metal se vierte en el paquete y llena las cavidades internas en la forma de la pieza deseada. El calor del metal liquido, especialmente en el caso de las aleaciones ferrosas con puntos de fusion superiores a 1100 °C, empieza a descomponerse el aglutinante organico y calienta la arena. A medida que la arena de silice se calienta, se produce la expansion termica. Esta expansion es relativamente lineal hasta que la temperatura alcanza aproximadamente 570 °C cuando la estructura cristalina de los granos de arena se transforma. Esta transformacion estructural esta acompanada por la rapida expansion isotermica seguida por un periodo de contraccion termica de hasta aproximadamente 980 °C cuando otro cambio estructura cristalina se produce con mas expansion termica.
Se cree que estos cambios rapidos volumetricos en los granos de arena desarrollan tensiones mecanicas en las capas de arena cerca de la superficie de colada que pueden conducir a la rotura de la superficie del molde o nucleo que esta en contacto con el metal liquido fundido en caliente en el molde. El metal liquido fundido puede fluir en estas grietas y formar venas o aletas en la superficie de fundicion. Estos son indeseables y requieren tiempo y esfuerzo a eliminar. En aplicaciones criticas, con pequenos pasos con nucleo interno, la vena puede extenderse a traves y bloquear el paso. Algunos ejemplos de estas fundiciones criticas son los bloques de motor y las cabezas con camisas de agua que podrian ser bloqueados por las venas en lugares que son dificiles de detectar y aun mas dificiles de eliminar.
Otros tipos de agregados tambien se pueden utilizar para producir moldes y nucleos de "arena" incluyendo naturalmente zircon, cromita, olivino, y ceramica hecha por el hombre y de otros agregados. Estos tienen tasas de expansion inferiores sin cambios de fase y una tendencia mucho mas reducida para formar defectos de veteado, pero tambien son mucho mas caros.
Los aditivos de arena se han utilizado con arena de silice para reducir la tendencia de veteado. Estos aditivos de arena normalmente se dividen en tres categorias principales en funcion de su mecanismo de la actividad.
La primera categoria se compone de "agregados de baja expansion", tales como una mezcla 90:10 de silice y arena de circon, que tiene un valor de expansion menor que la silice sola. Ademas de los agregados que ocurren naturalmente, pueden utilizarse los agregados hechos por el hombre tipo cuentas de ceramica (mullita), "microesferas" de aluminosilicato o silice fundida.
La segunda categoria consiste en "materiales de relleno organicos", tales como harina de madera, dextrina y almidon. Cuando se mezcla con la arena de silice, ocupan algo de volumen entre los granos de arena. Asi, cuando el metal fundido se vierte en el molde, el calor del metal fundido rapidamente quema el material extra organico. El volumen anteriormente ocupado por el material organico a continuacion puede proporcionar un "colchon" o espacio para la expansion de la arena, reduciendo asi la acumulacion de tensiones en la arena.
La tercera categoria de aditivos de arena consiste en "flujos" que reaccionan con la superficie de los granos de arena para cambiar quimicamente la capa superficial de la arena y las caracteristicas de expansion resultantes de la arena. Los ejemplos de tales flujos son oxidos de hierro, tanto de hematita (Fe2O3) y magnetita (Fe3O4), que han sido utilizados como aditivos de arena. Otros aditivos de arena tipo de flujo incluyen oxido de titanio (TO2) y litia (Li2O) que contiene materiales tales como espodumeno. Tambien se ha demostrado que el uso de una combinacion de varios aditivos diferentes de flujo de tipo puede tener un efecto beneficioso. Esto es particularmente cierto cuando se utiliza hematita con otros aditivos.
Las categorias existentes de aditivos de arena pueden reducir el veteado de piezas de fundicion, pero las tres categorias de aditivos de arena tienen algunas desventajas importantes. Los agregados de baja expansion tienden a ser caros en comparacion con la arena de silice y deben ser utilizados en niveles relativamente altos (superiores al 10 por ciento basado en arena). Los materiales de relleno organicos tienden a anadir a la cantidad total de gas producido por el molde o nucleo cuando se expone al metal liquido y puede reducir significativamente la fuerza del molde/nucleo cuando se usa a niveles por encima de aproximadamente 1 por ciento. Los aditivos de arena de tipo flujo son actualmente los aditivos mas utilizados ampliamente, pero tambien tienen algunos inconvenientes. Por ejemplo, los oxidos de hierro, cuando se utilizan por encima de aproximadamente 2 por ciento en peso basado en la arena (BOS) pueden causar una penetracion de metal incrementada y puede reducir la fuerza del molde/nucleo cuando se utiliza en niveles mayores. Los espodumeno que llevan litinas son caros y normalmente se utilizan en los niveles superiores, por ejemplo 4-8 por ciento en peso basado en la arena (BOS).
El documento US 5911269 desvela la adicion de material que contiene litio a molde de arena de silice que se usa para nucleos de fundicion en una cantidad entre el 0,001 % en peso y el 2 % en peso basado en el molde de arena como aditivo anti-vetas.
El documento US 4321186 se refiere a la preparacion de moldes y nucleos de fundicion que contienen sales de carbonato tales como carbonato de calcio para aumentar las caracteristicas de fluidez libre de la composicion refractaria endurecible para la facilidad del moldeado.
El documento US 4584328 desvela el uso de carbonatos de metal alcalino para acelerar la descomposicion termica de los nucleos ligados con resina fenolica usados en la colada de aluminio.
El documento WO 2011087807 desvela el uso de material que contiene litio tales como a-espodumeno en combinacion con oxidos de hierro como aditivos anti-vetas en la colada de metal.
Sumario
La descripcion describe una mezcla de fundicion que comprende un agregado y ciertas sales de carbonato en una cantidad entre el 0,25 y el 5,0 por ciento en peso basado en el peso del agregado de fundicion, siendo la sal de carbonato carbonato de magnesio y carbonato de calcio. Las sales de carbonato pueden usarse en cantidades menores al 4,0 por ciento en peso basados en el peso del agregado e incluso en cantidades del 1,0 por ciento en peso y menos hasta entre 0,25, para reducir efectivamente el veteado de una fundicion de metal preparada con la mezcla de fundicion. Tambien se describe el uso de la mezcla de fundicion para hacer formas de fundicion por el proceso de caja tibia, caja caliente, sin hornear y caja fria, el uso de estas formas de fundicion para hacer fundiciones de metal, y fundiciones de metal preparadas por el proceso. Cuando la mezcla de fundicion se utiliza, el veteado se reduce o se elimina en fundiciones de metal hechas de formas de fundicion que se utilizan para moldear piezas de metal.
Se sabe que las sales de carbonato, ya sean puras o bien en minerales de origen natural, por ejemplo, dolomita, pueden reducir la vida util de las mezclas de arena usadas en los procesos de caja fria para fabricar formas de fundicion y reducir la reactividad de catalizadores usados para curar las formas de fundicion mediante los procesos de caja tibia, de caja caliente y sin hornear. Debido a esto, hubo un incentivo para retirar o minimizar la presencia de sales de carbonato en mezclas de fundicion. A pesar de este no incentivo para el uso de sales de carbonato en mezclas de fundicion, la evaluacion de las coladas mostro que la adicion de sales de carbonato no solamente mejoro el veteado, sino que resultaron mejoras comparables en el veteado cuando se usaron menores cantidades (donde la cantidad se compara con cantidades de aditivo de arena conocido usado) de las sales de carbonato.
Divulgacion detallada
Las sales de carbonato que se utilizan como aditivo de arena de la mezcla de fundicion son: carbonato de calcio o carbonato de magnesio, o mezclas de los mismos. Las sales de carbonato de calcio y carbonato de magnesio puras y/o minerales que contienen naturalmente estas sales de carbonato pueden utilizarse. Un ejemplo de un mineral que ocurre naturalmente que contiene sales de carbonato reivindicadas es dolomita. La dolomita ofrece ventajas como una fuente de sales de carbono debido a su disponibilidad y el precio.
La cantidad de sal de carbonato utilizada en la mezcla de fundicion es una cantidad eficaz para reducir o eliminar el veteado en las fundiciones de metal hechas con formas de fundicion (por ejemplo, moldes y nucleos) se utilizan para moldear piezas de metal. Una cantidad eficaz de sal de carbonato normalmente es del 0,25 por ciento en peso al 5,0 por ciento en peso basado en el peso del agregado de fundicion, preferentemente del 0,5 por ciento en peso al 3,0 por ciento en peso basado en el peso de la fundicion agregada, y lo mas preferentemente del 0,75 por ciento en peso al 2,0 por ciento en peso basado en el peso del agregado de fundicion.
Ademas de las sales de carbonato, la mezcla de fundicion tambien puede contener aditivos de arena conocidos como el oxido de hierro rojo, oxido de hierro negro, y compuestos que contienen litinas. Es particularmente util usar oxido de hierro rojo, en conjunto con la sal de carbonato. Si el oxido de hierro rojo se utiliza con una sal de carbonato, se utiliza normalmente en una relacion en peso de sal de carbonato de oxido de hierro rojo de 1:1 a 4:1, preferentemente de 1:1 a 2:1.
La mezcla de fundicion puede contener tambien un aglutinante de fundicion. Estos aglutinantes de fundicion son bien conocidos en la tecnica. Cualquier aglutinante inorganico u organico de caja tibia, caja caliente, sin hornear o caja fria puede ser utilizado si mantiene suficientemente la forma de fundicion junta y, en caso de los aglutinantes organicos, polimerizara en presencia de un catalizador de curado. Los ejemplos de tales aglutinantes organicos son resinas fenolicas, aglutinantes de uretano fenolicos, aglutinantes furano, aglutinantes de resol fenolicos alcalinos y aglutinantes epoxi-acrilicos entre otros. Particularmente preferidos son aglutinantes de uretano fenolicos y aglutinantes epoxi-acrilicos. Los aglutinantes de uretano fenolicos se describen en la patente EE.UU. N.° 3.485.497 y 3.409.579. Estos aglutinantes se basan en un sistema de dos partes, una parte siendo un componente de resina fenolica y la otra parte siendo un componente de poliisocianato. Los aglutinantes epoxi-acrilico curados con dioxido de azufre en presencia de un agente oxidante se describen en la Patente de EE.UU. N.° 4.526.219 que se incorpora por este medio en la presente divulgacion por referencia.
La cantidad de aglutinante necesaria es una cantidad eficaz para mantener la forma y permitir el curado eficaz es decir, que producira una forma de fundicion que puede ser manipulada o auto-soportada despues del curado. Una cantidad eficaz del aglutinante es normalmente mayor que aproximadamente el 0,1 por ciento en peso, basado en el peso del agregado de fundicion. Preferentemente, la cantidad de rangos del aglutinante de aproximadamente el 0,5 por ciento en peso a aproximadamente el 5 por ciento en peso, mas preferentemente de aproximadamente el 0,5 a aproximadamente el 2 por ciento en peso.
El curado de la mezcla de fundicion por el proceso sin hornear se lleva a cabo mediante la mezcla de un catalizador de curado liquido con la mezcla de fundicion (alternativamente mediante la mezcla del catalizador de curado liquido con la mezcla de fundicion primero), dando forma a la mezcla de fundicion que contiene el catalizador, y permitiendo que la mezcla de fundicion en forma se cure, normalmente a temperatura ambiente sin la adicion de calor. Los procesos de caja tibia y caja caliente son similares al proceso sin hornear, excepto el utillaje y/o la forma de fundicion en que se calienta con el fin de facilitar el curado. El catalizador preferido de curado liquido es una amina terciaria para el proceso sin hornear como se describe en la Patente de EE.UU. N.° 3.485.797 que se incorpora por este medio en la presente divulgacion por referencia. Los ejemplos especificos de tales catalizadores de curado liquidos incluyen 4-alquil piridinas donde el grupo alquilo tiene de uno a cuatro atomos de carbono, isoquinolina, arilpiridinas, tales como fenil piridina, piridina, acridina, 2 metoxipiridina, piridazina, piridina 3-cloro, quinolina, N -metil imidazol, N-etil imidazol, 4,4'-dipiridina, 4-fenilpropilpiridina, 1- metilbencimidazol, y 1,4-tiazina. Si un aglutinante de furano se utiliza en un proceso de caja tibia, caja caliente o sin hornear, el catalizador de curado utilizado normalmente es un acido inorganico u organico, por ejemplo, acidos fuertes, tales como acido tolueno sulfonico, acido sulfonico xileno, acido benceno sulfonico, HCl, y H2SO4. El acido debil tal como acido fosforico tambien se puede utilizar.
El curado de la forma de fundicion por el proceso de caja fria se lleva a cabo por soplado o apisonamiento de la mezcla de fundicion en un patron y poner en contacto la forma de fundicion con un catalizador de vapor o gaseoso. Varias mezclas o gases de vapor o vapor/gas tales como aminas terciarias, dioxido de carbono, formiato de metilo, y el dioxido de azufre puede ser utilizado en funcion del aglutinante quimico elegido. Los tecnicos en la materia sabran que el agente de curado gaseoso es apropiado para el aglutinante utilizado. Por ejemplo, una mezcla de vapor/gas de amina se utiliza mezcla con resinas de uretano fenolico. El dioxido de azufre (en conjuncion con un agente oxidante) se usa con una resina epoxi-acrilica.
Vease la Patente de EE.UU. N.° 4.526.219 que se incorpora por este medio en la presente divulgacion por referencia. Los esteres de dioxido de carbono (vease la Patente de EE.UU. N.° 4.985.489 que se incorpora por este medio en la presente divulgacion por referencia) o esteres de metilo (vease la Patente de EE.UU. N.° 4.750.716 que se incorpora por este medio en la presente divulgacion por referencia) se utilizan con las resinas de resola fenolicas alcalinas. El dioxido de carbono tambien se utiliza con aglutinantes a base de silicatos. Vease la Patente de EE.UU. N.° 4.391.642 que se incorpora por este medio en la presente divulgacion por referencia.
Preferentemente, el aglutinante es un aglutinante uretano fenolico de caja fria curado pasando un gas de amina terciaria, tal trietilamina, a traves de la mezcla de fundicion de moldeado de la manera como se describe en la Patente de EE.UU. N.° 3.409.579, o el aglutinante epoxi- acrilico curado con el dioxido de azufre en presencia de un agente oxidante tal como se describe en la Patente de EE.UU. N.° 4.526.219.
Sera evidente para los expertos en la materia que otros aditivos tales como agentes de liberacion, disolventes, extensores de vida util, compuestos de silicona, etc. se pueden anadir a la mezcla de fundicion.
Ejemplos
En el Ejemplo A (ejemplo de comparacion) y los Ejemplos 1-3, los nucleos de ensayo (diametro 2" por nucleos cilindricos altos 2") fueron producidos por el proceso de caja tibia mezclando arena silice Badger 5574 con aglutinante furano CHEM-REZ® 995 (comercialmente disponible de Ashland Inc.) en 1,25 por ciento BOS, 20 por ciento BOB (basado en aglutinantes) del catalizador Ch EM- REZ FC521 (comercialmente disponible de Ashland Inc.), y el aditivo arena y la cantidad (basado en el peso del arena, BOS) se muestra en la Tabla 1, y soplando la mezcla en la caja de nucleos que se mantuvo a aproximadamente 235 °C.
En el Ejemplo B (ejemplo comparativo) y Ejemplos 4-5, los nucleos de ensayo fueron preparadas por el proceso de caja fria por la mezcla de arena silice Wedron 540 con ISOCURE® TKW 10/20 aglutinante de uretano fenolico (un aglutinante uretano fenolico de dos partes comercialmente disponible de Ashland Inc., donde la relacion de la Parte I a la Parte II es 1:1) a 1,0 por ciento y en la Tabla 1, soplando la mezcla en una caja de muestras con 2" cilindrico por 2" cavidades altas y curando los nucleos con el catalizador TEA.
Las caracteristicas de veteado de las muestras de ensayo se midieron utilizando una fundicion de prueba de "penetracion" en la que los nucleos de ensayo se pegan en un ensamblaje de molde. El hierro gris de Clase 30 fundido, que tiene una temperatura de aproximadamente 1450 °C, se vierte entonces en el ensamblaje de molde que contiene los nucleos de ensayo. Las pruebas de penetracion del veteado y la penetracion mecanica son descritos por Tordoff y Tenaglia en las transacciones de AFS, pp. 149-158 (asamblea Anual 84° AFS, St. Louis, Mo., 21-25 de abril de 1980). Los defectos de superficie se determinaron mediante la observacion visual y la clasificacion de la fundicion se baso en la experiencia y las fotografias de las fundiciones de prueba.
La fundicion se enfria y se limpia mediante la explosion de arena y las superficies internas de la cavidad creada por los nucleos que se evaluan y comparan visualmente para el veteado y clasificado en una escala de 1 a 5, donde 5 representa el peor veteado y 1 no muestra veteado. Los resultados se exponen en la Tabla 1 que sigue.
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Los datos de la Tabla 1 indican claramente que los nucleos de pruebas preparados con una mezcla de fundicion que contiene una sal de carbonato reducen el veteado en la fundicion de prueba, incluso a niveles tan bajos como el 1,0 por ciento en peso de BOS.

Claims (18)

REIVINDICACIONES
1. Una mezcla de fundicion que comprende:
(a) agregado de fundicion; y
(b) una sal de carbonato en una cantidad entre el 0,25 y el 5,0 por ciento en peso basado en el peso del agregado de fundicion, siendo la sal de carbonato carbonato de magnesio y carbonato de calcio.
2. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 1 que ademas comprende un oxido de hierro seleccionado del grupo que consiste en oxido de hierro rojo, oxido de hierro negro y mezclas de los mismos.
3. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 2 en la que el oxido de hierro es oxido de hierro rojo.
4. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 3 en la que el agregado de fundicion comprende arena de silice.
5. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 4 en donde la mezcla de fundicion tambien contiene yeso.
6. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 5 en la que se usa dolomita en la mezcla de fundicion como la fuente de calcio y/o de carbonato de magnesio.
7. La mezcla de fundicion de las reivindicaciones 5 o 6 en la que la relacion en peso de sal de carbonato a oxido de hierro rojo es de 1:1 a 4:1.
8. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 7 en la que la relacion en peso de la sal de carbonato al oxido de hierro rojo es de 1:1 a 2:1.
9. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 8 en donde la mezcla de fundicion contiene un aglutinante organico.
10. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 9 en la que el aglutinante es un aglutinante de uretano fenolico o un aglutinante de epoxi acrilato.
11. La mezcla de fundicion de la reivindicacion 10 en la que
(a) la mezcla de fundicion contiene un catalizador y/o
(b) la cantidad de la sal de carbonato en la mezcla de fundicion es del 0,5 por ciento en peso al 4,0 por ciento en peso, en particular del 0,5 por ciento en peso al 2,5 por ciento en peso, basado en el peso del agregado de fundicion.
12. Un proceso de caja fria para preparar una forma de fundicion, que comprende:
(a) introducir la mezcla de fundicion de la reivindicacion 10, en donde
la mezcla de fundicion contiene un catalizador y la cantidad de la sal de carbonato en la mezcla de fundicion es del 0,5 por ciento en peso al 4,0 por ciento en peso, en particular del 0,5 por ciento en peso al 2,5 por ciento en peso, basado en el peso del agregado de fundicion, en un patron para formar una forma de fundicion;
(b) poner en contacto la forma de fundicion de (a) con un catalizador de curacion con vapor capaz de curar la forma;
(c) permitir que dicha forma que resulta de (b) se cure hasta que dicha forma se haga manejable; y
(d) retirar dicha forma del patron.
13. Un proceso para fundir una pieza de metal, que comprende:
(a) insertar una forma de fundicion preparada por el proceso de acuerdo con la reivindicacion 102, en donde la mezcla de fundicion contiene un catalizador y la cantidad de la sal de carbonato en la mezcla de fundicion es del 0,5 por ciento en peso al 4,0 por ciento en peso, en particular del 0,5 por ciento en peso al 2,5 por ciento en peso, basado en el peso del agregado de fundicion, en un ensamblaje de molde;
(b) verter el metal, mientras esta en estado liquido, en dicho ensamblaje de molde;
(c) permitir que dicho metal se enfrie y solidifique; y
(d) posteriormente separar la pieza de metal de fundicion del ensamblaje de molde.
14. Un proceso sin hornear para preparar una forma de fundicion, que comprende:
(a) introducir una mezcla de fundicion de la reivindicacion 10, en donde
la mezcla de fundicion contiene un catalizador, en un patron para formar una forma de fundicion;
(b) permitir que dicha forma de (a) se cure hasta que dicha forma se haga manejable; y
(c) retirar dicha forma del patron.
15. Un proceso para fundir una pieza, de metal que comprende:
(a) insertar una forma de fundicion preparada por el proceso de la reivindicacion 14 en un ensamblaje de molde; (b) verter el metal, mientras esta en estado Kquido, en dicho ensamblaje de molde;
(c) permitir que dicho metal se enfrie y solidifique; y
(d) posteriormente separar la pieza de metal de fundicion del ensamblaje de molde.
16. Un proceso de caja tibia para preparar una forma de fundicion, que comprende:
(a) introducir una mezcla de fundicion de la reivindicacion 10, en donde
la mezcla de fundicion contiene un catalizador, en un patron para formar una forma de fundicion;
(b) calentar dicha forma a una temperatura de 150 °C a 260 °C;
(c) permitir que dicha forma de (a) se cure hasta que dicha forma se haga manejable; y
(d) retirar dicha forma del modelo.
17. Un proceso para fundir una pieza de metal que comprende:
(a) insertar una forma de fundicion preparada por el proceso de la reivindicacion 16 en un ensamblaje de molde; (b) verter el metal, mientras esta en estado liquido, en dicho ensamblaje de molde;
(c) permitir que dicho metal se enfrie y solidifique; y
(d) posteriormente separar la pieza de metal de fundicion del ensamblaje de molde.
18. Uso del 0,25 al 5,0 por ciento en peso, basado en el peso del agregado de fundicion, de carbonato de magnesio y/o carbonato de calcio en una mezcla de fundicion que comprende agregado de fundicion para reducir el veteado de una colada de metal preparada con la mezcla de fundicion.
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