ES2870471T3 - Sistema de aglutinante para una reacción reducida entre molde y metal - Google Patents

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Abstract

Un método para reducir reacción de molde-metal en un procedimiento de fundición de metal, que comprende los pasos de: proporcionar un sistema de aglutinante orgánico y un material de moldeado refractario, el sistema de aglutinante orgánico proporcionado como tres componentes, siendo el primer componente un componente de poliol y siendo el segundo componente un componente de poliisocianato, y comprendiendo el tercer componente al menos uno de: un silicato de alquilo y un ortoformiato de alquilo que no se combinan hasta el momento de uso; mezclar al menos el primer componente y el segundo componente con el material de moldeado refractario para proporcionar una mezcla de fundición moldeable; formar la mezcla de fundición moldeable en un molde o un núcleo; y curar el molde o el núcleo formados, caracterizado porque el primer y el segundo componente del sistema de aglutinante orgánico, pero no el tercer componente, se combinan antes de mezclarse con el material de moldeado refractario.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de aglutinante para una reacción reducida entre molde y metal
Campo técnico
Esta invención se refiere a un sistema de aglutinante a base de poliuretano de tres partes para usarse en la caja fría o sin procedimiento de horneado, en donde las primeras y segundas partes comprenden componentes aglutinantes convencionales y la tercera parte comprende un silicato de alquilo, tal como ortosilicato de tetrametilo ("TEOS"), un ortoformiato de alquilo, tal como ortoformiato de trimetilo (TMOF) u ortoformiato de trietilo (TEOF) o combinaciones de los mismos. El sistema de aglutinante reduce la cantidad de reacción de molde y metal observada en la fundición de algunos metales.
Antecedentes de la invención
El profesor John Campbell de la Universidad de Birmingham en Inglaterra desarrolló una serie de reglas para elaborar fundiciones confiables. Uno de los problemas que observó involucra defectos que surgen cerca de la superficie de fundiciones metálicas no ferrosas. Una explicación propuesta para estos defectos es la reducción de agua atmosférica por una superficie de aluminio reactivo, que resulta en hidrógeno disuelto en el metal líquido. A medida que el metal se solidifica, la solubilidad del hidrógeno en el metal se reduce, provocando burbujas del hidrógeno en el metal sólido. Esto puede provocar fallas prematuras. En esta solicitud, este efecto se denominará como "reacción de molde y metal", ya que es una reacción que ocurre en la interconexión del metal con el molde en donde se está formando una parte.
En US 6465542 se describe un sistema de aglutinante orgánico que consiste en un componente de resina de fenol y un componente de poliisocianato, en donde al menos uno del componente de resina de fenol y el componente de poliisocianato comprende un disolvente seleccionado del grupo que consiste en silicatos de alquilo, oligómeros de silicato de alquilo y mezclas de los mismos. El sistema de aglutinante se mezcla posteriormente con un material de moldeo de arena para formar una mezcla de moldeo.
En US 2011/269902 se describe una mezcla que comprende una resina fenólica modificada, un poliisocianato y un material de moldeado refractario. La resina fenólica modificada y/o el poliisocianato se disuelven en un disolvente antes de producir la mezcla, en donde el disolvente comprende un tetraetil éster de ácido ortosilícico, en particular silicato de tetraetilo - TES. La mezcla se moldea para formar un molde de fundición o un núcleo de fundición y se endurece, opcionalmente utilizando un catalizador.
En US 2013/225718 se describe un sistema de aglutinante para producir una resina de poliuretano para fundición, que comprende una solución que contiene poliisocianato y un componente de poliol, en donde el disolvente para el componente de resina de fenol y/o el componente de poliisocianato comprende un aditivo que puede ser silicato de tetraetilo, silicatos de alquilo, p. ej., TEOS y mezclas de los mismos. Posteriormente, el material de moldeado refractario básico se mezcla con el sistema de aglutinante y la combinación resultante se moldea.
En US 2013/292083 se describe el proporcionar una matriz de arena refractaria para moldeo, una solución de poliisocianato y una resina fenólica. La solución que contiene poliisocianato comprende uno o una pluralidad de (co-)disolventes, seleccionados del grupo que consiste en silicato de tetraalquilo, y mezclas de estos con dialquil ésteres de ácido dicarboxílicos alifáticos, preferiblemente dimetil ésteres de ácido adipínico, ácido glutárico y/o ácido succínico.
En US 6288139 para Skoglund ("Skoglund '139"), se describe un sistema de aglutinante de fundición en donde un componente de resina fenólica de Parte I y un componente de polisiocianato de Parte II se utilizan, en donde componente de Parte II contiene de 0,1 a 5 % en peso de un ortoéster, el porcentaje se basa en el peso del componente de Parte II. Normalmente, estos sistemas de aglutinante utilizan las Partes I y II en una relación de peso de 55/45. Skoglund '139 reconoce que se han conocido ortoésteres por estabilizar isocianatos orgánicos, aunque los usos enseñados antes de Skoglund '139 no se extendieron a aglutinantes de fundición y a mezclas de fundición. Cuando se utilizan en el componente de Parte II, se observaron ortoésteres por mejorar resistencia a la tensión de las formas de fundición y los componentes de Parte II se observaron por tener turbiedad inferior al momento de uso. Los detalles específicos de los componentes de poliol y poliisocianato son bien documentados en la técnica, así que no se describen aquí adicionalmente. Sin embargo, existe un solvente empleado con al menos uno de los componentes, y, comúnmente, se utiliza un solvente con ambos componentes. Tanto los componentes de poliol como de poliisocianato se utilizarán en una forma líquida. Aunque puede utilizarse poliisocianato líquido en forma no diluida, puede utilizarse un poliisocianato sólido o viscoso en la forma de una solución en un solvente orgánico. En algunos casos, el solvente puede equivaler hasta 80 % en peso de la solución de poliisocianato. Cuando el poliol utilizado en el primer componente es un líquido sólido o altamente viscoso, se utilizarán solventes adecuados para ajustar la viscosidad para permitir propiedades de aplicación adecuadas.
La reacción de molde y metal, tal como se define aquí particularmente, es un problema continuo para el cual la sugerencia principal es eliminar humedad del molde cuando ocurre el vaciado de metal.
Sumario
Estas desventajas de la técnica previa se superan al menos en parte por la presente invención, que es un método para reducir reacción de molde y metal en un procedimiento de fundición de metal. El método tiene los pasos de: proporcionar un sistema de aglutinante orgánico y un material de moldeado refractario, el sistema de aglutinante orgánico proporcionado como tres componentes, el primer componente es un componente de poliol y el segundo componente es un componente de poliisocianato, y el tercer componente comprende al menos uno de: un silicato de alquilo y un ortoformiato de alquilo que no se combinan hasta el momento de uso;
mezclar al menos el primer componente y el segundo componente con el material de moldeado refractario para proporcionar una mezcla de fundición moldeable;
formar la mezcla de fundición moldeable en un molde o núcleo; y curar el molde o núcleo formado, caracterizado porque el primer y el segundo componente del sistema de aglutinante orgánico, pero no el tercer componente, se combinan antes de mezclarse con el material de moldeado refractario.
En el concepto inventivo, únicamente se combinan los primeros y segundos componentes del sistema de aglutinante orgánico antes de mezclarse con el material de moldeado refractario. En algunos de estos métodos, se aplica el tercer componente del sistema de aglutinante orgánico al molde o núcleo formado. En algunos de estos últimos métodos, el tercer componente es aplicado mediante rociado del tercer componente sólo sobre superficies del molde o núcleo que estarán expuestas a metal fundido durante el procedimiento de fundición de metal.
En algunas realizaciones, el primer componente es un componente de poliol, que comprende una resina de base fenólica con al menos dos grupos hidroxi por molécula, el componente de poliol carece de poliisocianatos; y el segundo componente es un componente de poliisocianato, que comprende un compuesto de poliisocianato con al menos dos grupos isocianato por molécula, el componente isocianato carece de polioles; de manera que cuando se combinan los primeros y segundos componentes, ya sea con o sin el tercer componente, y se curan con un catalizador de amina, resulta un polímero de uretano fenólico.
En muchos de los métodos que involucran el concepto inventivo, el silicato de alquilo, cuando está presente, el tercer componente es ortosilicato de tetraetilo ("TEOS").
En muchos de los métodos, el ortoformiato de alquilo, cuando está presente, es ortoformiato de trimetilo ("TMOF"). En algunos de estos métodos el ortoformiato de alquilo, cuando está presente, también incluye ortoformiato de trietilo ("TEOF"), ocasionalmente incluso sin TEOS.
En el método del concepto inventivo, el tercer componente está presente en una cantidad que representa de 4 a 6 % del peso de los primeros y segundos componentes combinados.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Otro trabajo dirigido por los inventores ha indicado valor al proporcionar una tercera parte de un sistema de aglutinante de fundición para proporcionar resistencia a la tensión en formas de fundición que se mantiene la presencia de alta humedad relativa. En tal trabajo, proporcionar el componente de Parte III permite que se mantengan las partes respectivas de manera separada hasta el momento de uso.
Una solución a estos problemas de reacción de molde y metal se ha encontrado aparentemente en una composición de aglutinante que utiliza un acercamiento de tres componentes para proporcionar un sistema de aglutinante de caja fría de poliuretano (PUCB, por sus siglas en inglés). En tal sistema, el componente de Parte I comprende una resina de base de poliol y un conjunto de complementos adecuados, el componente de Parte II comprende un poliisocianato acompañado por un conjunto de complementos adecuados y el componente de Parte III comprende al menos uno de un silicato de alquilo, tal como ortosilicato de tetraetilo ("TEOS") y un ortoéster de alquilo, con ortoformiato de trimetilo ("TMOF") y ortoformiato de trietilo ("TEOF") que son compuestos ilustrativos que podrían utilizarse ya sea individualmente o en combinación.
Ortoformiato de trimetilo, que se denomina también como trimetoximetano, también es identificado por el número CAS 149-73-5. Estructuralmente, tiene tres grupos metoxi que están fijados a un átomo de carbono. El cuarto enlace del átomo de carbono es a un átomo de hidrógeno. TMOF está comercialmente disponible de Sigma-Aldrich y otras fuentes.
Ortoformiato de trietilo, que también se denomina como dietoximetoxietano y 1,1,1-trietoximetano, también se identifica por el número CAS 122-51-0. Estructuralmente, tiene tres grupos etoxi que están fijados a un átomo de carbono. El cuarto enlace del átomo de carbono es a un átomo de hidrógeno. TEOF está comercialmente disponible de Sigma-Aldrich y otras fuentes a 98 % de pureza.
Ortosilicato de tetraetilo, que también se denomina como tetraetoxisilano, se identifica por el número CAS 78-10-4. Estructuralmente, tiene cuatro grupos etilo que están fijados a los átomos de oxígeno en un núcleo de ortosilicato. TEOS está comercialmente disponible a 99,999 % de pureza de Sigma-Aldrich y otras fuentes.
La resina fenólica y el poliisocianato pueden seleccionarse del grupo que consiste de los compuestos convencionalmente conocidos por ser utilizados en el procedimiento de caja fría o el procedimiento sin horneado, ya que no se cree que el concepto inventivo sea inherente en estas porciones de la composición.
Al hacer referencia más particularmente a la resina fenólica, se selecciona generalmente de un producto de condensación de un fenol con un aldehído, especialmente un aldehído de la fórmula RCHO, en donde R es hidrógeno o una porción de alquilo que tiene de 1 a 8 átomos de carbono. La reacción de condensación se lleva a cabo en la fase líquida, normalmente a una temperatura por debajo de 130 °C. Un número de tales resinas fenólicas está comercialmente disponible y ya se sabrá.
Un componente de resina fenólica preferido comprendería una resina de fenol del tipo éter de bencilo. Puede ser conveniente en casos individuales utilizar un alquilfenol, tal como o-cresol, e-nonilfenol o p-terc-butilfenol, en la mezcla, en particular con fenol, para la preparación de la resina de fenol. Opcionalmente, estas resinas pueden representar grupos de extremo alcoxilado que se obtienen al sellar grupos hidroximetileno con grupos alquilo como grupos metilo, etilo, propilo y butilo.
En cuanto al isocianato polimérico, puede preferirse utilizar un componente de poliisocianato que comprende diisocianato de difenilmetano (MDI), aunque un número de isocianatos poliméricos comercialmente disponibles está dirigido para este mercado específico. El componente de isocianato (segundo componente) del sistema aglutinante de dos componentes para la caja fría o procedimiento sin horneado de poliuretano usualmente comprende un poliisocianato alifático, cicloalifático o aromático que preferiblemente tiene entre dos y cinco grupos isocianato; también pueden utilizarse mezclas de tales poliisocianatos. Poliisocianatos particularmente adecuados entre los poliisocianatos alifáticos, por ejemplo, son diisocianato de hexametileno, particularmente aquellos adecuados entre los poliisocianatos alicíclicos, por ejemplo, son diisocianato de 4,4'-biciclohexilmetano y particularmente aquellos adecuados entre los poliisocianatos aromático son, por ejemplo, diisocianato 2,4'- y 2,6'-tolueno, diisocianato de difenilmetano y sus derivados de dimetilo. Ejemplos adicionales de poliisocianatos adecuados son diisocianato 1,5-naftaleno, triisocianato de trifenilmetano, diisocianato de estireno y sus derivados de metilo, isocianatos de polimetilenpolifenilo (MDI poliméricos), etc. Aunque todos los poliisocianatos reaccionan con la resina de fenol con formación de una estructura de polímero reticulado, los poliisocianatos aromáticos son preferidos en la práctica. El isocianato de difenilmetano (MDI), trisocianato de trifenilmetano, isocianatos de polimetilenpolifenilo (MDI poliméricos) y mezclas de los mismos son particularmente preferidos.
El poliisocianato se utiliza en concentraciones que son suficientes para efectuar curado de la resina de fenol. En general, 10 a 500 % en peso, preferiblemente 20 a 300 % en peso, con base en la masa de resina de fenol (no diluida) utilizada, de poliisocianato, se emplean. El poliisocianato se utiliza en forma líquida; poliisocianato líquido puede utilizarse en forma no diluida, y poliisocianatos sólidos y viscosos se utilizan en la forma de una solución en un solvente orgánico, siendo posible que el solvente equivalga hasta 80 % en peso de la solución de poliisocianato. Pueden utilizarse varios solventes en los componentes de Parte I y Parte II. Uno es un éster dibáscio, comúnmente un éster de metilo de un ácido dicarboxílico. Sigma-Aldrich vende un estado dibásico de este tipo bajo la designación comercial DBE, que se cree que tiene la fórmula estructural CH3O2C(CH2)n CO2CH3, en donde n es un número entero entre 2 y 4. Otro solventes queroseno, que se entiende que es el nombre genérico de un corte de destilado de petróleo que tiene un punto de ebullición en el intervalo de 150 a 275 Grados Centígrados.
Otros solventes que son útiles son vendidos comercialmente como SOLVENTE AROMÁTICO 100, SOLVENTE AROMÁTICO 150, Y SOLVENTE AROMÁTICO 200, que también se conocen respectivamente como SOLVESSO 100, SOLVESSO 150 y SOLVESSO 200. Tienen los números de registro CAS respectivos 64742-95-6, 64742-95-5 y 64742-94-5. Aunque SOLVESSO es una marca registrada expirada de Exxon, los solventes son indicados por aquellas designaciones incluso cuando se originan de otras fuentes.
También se incluyen aditivos de desempeño en las partes respectivas de la formulación. En el componente de Parte I, un aditivo de desempeño especialmente preferido es ácido clorhídrico (que comúnmente se utiliza como una solución 49 % acuosa, pero también puede utilizarse en diferente dilución o con un diluyente diferente). Agentes de acoplamiento y aditivos con base en ácidos grasos también pueden utilizarse. En el componente de Parte II, los aditivos de desempeño preferidos incluirían aceite graso modificado y extensores de vida de prueba, que incluirían tricloruro de fósforoxi y dicloruro de bencil fosforoxi.
En una formulación particular, el componente de Parte I consistiría de, sobre una base de peso:
Figure imgf000004_0001
Un componente de Parte II correspondiente consistiría, sobre una base de peso, de lo siguiente:
Figure imgf000005_0001
La misma formulación, el componente de Parte III comprendería TMOF y TEOF, en cualquier relación en peso de 100/0 a 0/100.
La tendencia a producir porosidad de gas se evalúa al utilizar una fundición cilíndrica con núcleo de stepcone. En este método, los componentes de Parte I y Parte II se mezclaron con arena durante tres minutos, al utilizar una mezcla de arena estándar. El componente de Parte III puede ser premezclado sobre arena o puede ser agregado al mismo tiempo que los componentes de Parte I y Parte II. Después de la mezcla de los componentes y arena, la arena mezclada fue empujada a mano dentro de un patrón de stepcone, se gasificó durante cuatro segundos con una amina estándar, específicamente, dimetilisopropilamina (DMIPa , CAS 996-35-0) y se purgó con aire durante veinte segundos.
El núcleo de stepcone y un diagrama del método de prueba utilizado se ilustran en las Figuras 1 a 4 de "Test Casting Evaluating of Chemical Binder Systems" por Tordoff y otros, AFS Transactions. 80-74, páginas 149-158. La Figura 5 de esa publicación muestra una fundición de stepcone seccionada que revela defectos de porosidad de subsuperficie.
Bajo la prueba de Tordoff, se vació aluminio fundido (700 grados Centígrados) en el ensamble de molde, y se dejó solidificar. La fundición de stepcone se removió del molde y se seccionó para calificar la cantidad de porosidad de subsuperficie cerca de la superficie del núcleo de stepcone. La severidad de la porosidad se indica al asignar una calificación numérica: 1=excelente, 2=bueno, 3=aceptable, 4=deficiente, 5=muy deficiente. La calificación numérica se asigna con base en el número y tamaño de las porosidades, sus ubicaciones y relación de metal/arena correspondiente. Una calificación de 1 o 2 generalmente implica poco o ningún defecto de porosidad de subsuperficie, que es excelente en la práctica de fundición real. Una calificación de 4 o superior indica la presencia de defectos de porosidad de subsuperficie severos, y algunas acciones (es decir, aplicar revestimiento o mejorar ventilación) son necesarias con el fin de hacer fundiciones con calidad aceptable en la práctica de fundición real. En algunas pruebas en donde la porosidad de la subsuperficie es particularmente severa, puede proporcionarse una calificación de 5+, que indica porosidad de gas fuera de la escala.
Para demostrar el efecto positivo sobre porosidad de subsuperficie proporcionada por el Componente de Parte III, la prueba de fundición de stepcone se condujo con núcleos de stepcone hechos con diferentes mezclas de arena. En cada caso, las Partes I y II fueron un sistema de aglutinante comercialmente disponible, disponible de ASK Chemicals con la Parte I siendo ISOCURE FOCUS 100 y la Parte II siendo ISOCURE FOCUS 201 en una relación de peso de 55/45. En todos los casos, el aglutinante fue aplicado a una velocidad de 1 % en peso de la Parte I y Parte II combinadas a una arena WEDRON 410 comercialmente disponible.
En el Ejemplo A, no hubo ningún componente de Parte III, es decir, fue un caso de línea de base.
En el Ejemplo B, el componente de Parte II fue completamente TEOS (ortosilicato de tetraetilo, CAS 78-10-4), presenta 4 % en peso, con base en el aglutinante. El componente de Parte III se agregó a la arena al mismo tiempo que el aglutinante.
En el Ejemplo C, el componente de Parte III fue completamente TEOF a 4 % en peso, con base en el aglutinante. El componente de Parte III se agregó al mismo tiempo que el aglutinante.
En el Ejemplo D, el componente de Parte III fue completamente TEOF, a 6 % en peso, con base en el aglutinante. Sin embargo, en lugar de agregar el componente de Parte III a la mezcla de arena, se roció sobre la superficie exterior del núcleo de stepcone justo después que se elaboraron.
Cuando se completó esta prueba, la fundición de stepcone seccionada del Ejemplo A se examinó y se asignó una calificación de 4,5 ("deficiente") al caso de línea de base que careció de un componente de Parte III.
El examen de la fundición de stepcone seccionada del Ejemplo B, que tuvo el componente de Parte III (TEOS únicamente) agregado a la arena al mismo tiempo que el aglutinante (Partes I y II combinadas), se asignó con una calificación de 3 ("mejorado").
La fundición de stepcone seccionada del Ejemplo C, en donde TEOF se sustituyó por TEOS como el componente de Parte III que se agregó a la arena al mismo tiempo que el aglutinante (Partes I y II combinadas), se asignó con una calificación de 2,5 ("bueno").
El examen de la fundición de stepcone seccionada del Ejemplo D, en donde se utilizó una cantidad superior de TEOF, pero esta vez se roció sobre la superficie del núcleo de stepcone formado, en lugar de agregarlo a la mezcla de arena, también se asigna una calificación de 2,5 ("bueno").
Los ejemplos demuestran que el uso de un componente de Parte III separado, especialmente cuando es TEOS, TEOF o posiblemente una combinación de TEOS y TEOF, es una mejora sobre un método en el cual no se utilizó ningún componente de Parte III. También se espera que pueda sustituirse TMOF para, o utilizarse en combinación con, TEOF. Éste es el caso incluso cuando no se aplicó el componente de Parte III hasta después que se formó la mezcla de arena y aglutinante dentro de un núcleo o molde endurecido.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un método para reducir reacción de molde-metal en un procedimiento de fundición de metal, que comprende los pasos de:
proporcionar un sistema de aglutinante orgánico y un material de moldeado refractario, el sistema de aglutinante orgánico proporcionado como tres componentes,
siendo el primer componente un componente de poliol y
siendo el segundo componente un componente de poliisocianato, y
comprendiendo el tercer componente al menos uno de: un silicato de alquilo y un ortoformiato de alquilo que no se combinan hasta el momento de uso;
mezclar al menos el primer componente y el segundo componente con el material de moldeado refractario para proporcionar una mezcla de fundición moldeable;
formar la mezcla de fundición moldeable en un molde o un núcleo; y
curar el molde o el núcleo formados,
caracterizado porque el primer y el segundo componente del sistema de aglutinante orgánico, pero no el tercer componente, se combinan antes de mezclarse con el material de moldeado refractario.
2. El método de conformidad con la reivindicación 1, en el que, además, el tercer componente del sistema de aglutinante orgánico se aplica al molde o al núcleo formados.
3. El método de conformidad con la reivindicación 2, en el que, además, el tercer componente se aplica al rociar el tercer componente únicamente sobre las superficies del molde o del núcleo que estarán expuestas al metal fundido durante el proceso de fundición de metal.
4. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, además:
el primer componente es un componente poliol, que comprende una resina de base fenólica con al menos dos grupos hidroxi por molécula, estando el componente poliol desprovisto de poliisocianatos; y
el segundo componente es un componente de poliisocianato, que comprende un compuesto de poliisocianato con al menos dos grupos isocianato por molécula, estando el componente isocianato desprovisto de polioles; de manera que cuando se combinan el primer y el segundo componente, sin el tercer componente, y se curan con un catalizador de amina, resulta un polímero de uretano fenólico.
5. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, además, el silicato de alquilo, cuando está presente, del tercer componente es ortosilicato de tetraetilo ("TEOS").
6. El método de conformidad con la reivindicación 5, en el que, además, el ortoformiato de alquilo, cuando está presente, es ortoformiato de trimetilo ("TMOF").
7. El método de conformidad con la reivindicación 5, en el que, además, el ortoformiato de alquilo, cuando está presente, es ortoformiato de trietilo ("TEOF").
8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, además, el tercer componente está presente en una cantidad que representa del 4 al 6 % del peso del primer y del segundo componente combinados.
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