MX2012006582A - Mezclas de fundición que contienen sales de carbonato y sus usos. - Google Patents

Mezclas de fundición que contienen sales de carbonato y sus usos.

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Abstract

Se describe una mezcla fundidora que contiene una sal carbonato y su uso para realizar formas de fundición mediante el proceso de caja tibia, caja caliente, sin hornear y caja fría, el uso de estas formas de fundición para hacer fundiciones de metal, y las fundiciones de metal preparadas por el proceso.

Description

MEZCLAS DE FUNDICIÓN QUE CONTIENEN SALES DE CARBONATO Y SUS USOS Referencia Cruzada con Solicitudes Relacionadas La presente solicitud reclama el beneficio de prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de E.U. No. 61/286,913 presentada el 16 de diciembre de 2009, como se incorpora en el presente en su totalidad.
Antecedentes La arena de sílice (Si02, sílice pura) se utiliza ampliamente como un agregado en la industria de la fundición de metales para la producción de moldes y núcleos. Se utiliza tanto para la "arena sin secar" (arena adherida con agua y barro) y para arena químicamente adherida. Una variedad de aglutinantes inorgánicos y orgánicos se utilizan incluyendo aglutinantes de silicato de sodio, y uretano fenólico, furano, epoxi-acrílico, aglutinantes fenólicos éster-curados , y aglutinantes fenólicos curados de ácido, entro otros.
Los aglutinantes se mezclan con la arena y la mezcla se compacta en las herramientas para tomar la forma del molde o núcleo deseado, posteriormente el aglutinante endurece y une los granos de arena. Los componentes de molde y núcleo son posteriormente ensamblados en un paquete de molde y el metal que se vierte en el paquete y se llena con las cavidades internas en la forma de fundición deseada. El calor del metal liquido, especialmente en el caso de aleaciones férreas con puntos de fusión en exceso de 1100 °C, inicia para descomponer el aglutinante orgánico y calentar la arena. Como la arena de silica se calienta, ocurre la expansión térmica. Esta expansión es relativamente lineal hasta que la temperatura alcanza aproximadamente 570 °C cuando la estructura de cristal de los granos de arena se transforma. Esta transformación estructural se acompaña mediante la expansión isotérmica rápida seguida de un periodo de disminución hasta aproximadamente 980°C cuando otro cambio de estructura de cristal ocurre con más expansión térmica.
Se cree que estos cambios rápidos volumétricos en los granos de arena desarrollan tensiones mecánicas en las capas de arena cerca de la superficie de colada que pueden conducir a la rotura de la superficie del molde o núcleo que está en contacto con el metal líquido fundido en caliente en el molde. El metal líquido fundido puede fluir en estas grietas y formar venas o aletas en la superficie de fundición. Estos son indeseables y requieren tiempo y esfuerzo a eliminar. En aplicaciones criticas, con pequeños pasos con núcleo interno, la vena puede extenderse a través y bloquear el paso. Algunos ejemplos de estas fundiciones criticas son los bloques de motor y las cabezas con camisas de agua que podrían ser bloqueados por las venas en lugares que son difíciles de detectar y aún más difíciles de eliminar .
Otros tipos de agregados también se pueden utilizar para producir moldes y núcleos de "arena" incluyendo naturalmente zircón, cromita, olivino, y cerámica hecha por el hombre y de otros agregados. Estos tienen tasas de expansión inferiores sin cambios de fase y una tendencia mucho más reducida para formar defectos de veteado, pero también son mucho más caros.
Los aditivos de arena se han utilizado con arena de sílice para reducir la tendencia de veteado. Estos aditivos de arena normalmente se dividen en tres categorías principales en función de su mecanismo de la actividad.
La primera categoría se compone de "agregados de baja expansión", tales como una mezcla 90:10 de sílice y arena de circón, que tiene un valor de expansión menor que la sílice sola. Además de los agregados que ocurren naturalmente, los agregados hechos por el hombre tipo cuentas de cerámica (mullita) , "microesferas" de aluminio-silicato o sílice fundida pueden utilizarse.
La segunda categoría consiste en. "materiales de relleno orgánicos", tales como harina de madera, dextrina y almidón. Cuando se mezcla con la arena de sílice, ocupan algo de volumen entre los granos de arena. Así, cuando el metal fundido se vierte en el molde, el calor del metal fundido rápidamente quema el material extra orgánico. El volumen anteriormente ocupado por el material orgánico a continuación, puede proporcionar un "colchón" o espacio para la expansión de la arena, reduciendo así la acumulación de tensiones en la arena.
La tercera categoría de aditivos de arena consiste en "flujos" que reaccionan con la superficie de los granos de arena para cambiar químicamente la capa superficial de la arena y las características de expansión resultantes de la arena. Los ejemplos de tales flujos son óxidos de hierro, tanto de hematita (Fe2Ü3) y magnetita (Fe3U4), que han sido utilizados como aditivos de arena. Otros aditivos de arena tipo de flujo incluyen óxido de titanio (TÍO2) y litines (Li20) que contiene materiales tales como espodumeno. También se ha demostrado que el uso de una combinación 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 categorías existentes de aditivos de arena pueden reducir el veteado de piezas de fundición, pero las tres categorías de aditivos de arena tienen algunas desventajas importantes. Los agregados de baja expansión tienden a ser caros en comparación con la arena de sílice y deben ser utilizados en niveles relativamente altos (superiores al 10 por ciento basado en arena) . Los materiales de relleno orgánicos tienden a añadir a la cantidad total de gas producido por el molde o núcleo cuando se expone al metal líquido y puede reducir significativamente la fuerza del molde/núcleo cuando se usa a niveles por encima de aproximadamente 1 por ciento. Los aditivos de arena de tipo flujo son actualmente los aditivos más utilizados ampliamente, pero también tienen algunos inconvenientes. Por ejemplo, los óxidos de hierro, cuando se utilizan por encima de aproximadamente 2 por ciento en peso basado en la arena (BOS) pueden causar una penetración de metal incrementada y puede reducir la fuerza del molde/núcleo cuando se utiliza en niveles mayores. Los espodumenos 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) .
Breve Descripción La descripción describe una mezcla de fundición que comprende un agregado y ciertas sales de carbonato. Las sales de carbonato pueden usarse en cantidades menores a 4.0 por ciento en peso basados en el peso del agregado e incluso en cantidades de 1.0 por ciento en peso y menos, para reducir efectivamente el veteado de una fundición de metal preparada con la mezcla de fundición. También se describe el uso de la mezcla de fundición para hacer formas de fundición por el proceso de caja tibia, caja caliente, sin hornear y caja fria, el uso de estas formas de fundición para hacer fundiciones de metal, y fundiciones de metal preparadas por el proceso. Cuando la mezcla de fundición se utiliza, el veteado se reduce o se elimina en fundiciones de metal hechas de formas de fundición que se utilizan para moldear piezas de metal.
Se sabe que las sales de carbonato, ya sea puras o en minerales que ocurren naturalmente, por ejemplo, dolomita, pueden reducir la vida útil de las mezclas de arena utilizadas en el proceso de caja fria para realizar formas de fundición y reducir la reactividad de los catalizadores ácidos utilizados para curar las formas de fundición mediante el proceso de caja tibia, caja caliente y sin hornear. Debido a esto, fue un estimulo remover o minimizar la presencia de sales de carbonato en las mezclas de fundición. A pesar de esta falta de estimulo para utilizar las sales de carbonato en las mezclas de fundición, evaluación de las funciones mostradas que la adición de sales de carbonato no únicamente el veteado mejorado, sino las mejoras comparables en el veteado que resultan cuando se utilizan las cantidades menores (cuando la cantidad se compara con las cantidades de aditivo de arena conocida utilizadas) de las sales de carbonato.
Descripción detallada Las sales de carbonato que se utilizan como aditivo de arena de la mezcla de fundición incluyen carbonatos como carbonato de sodio, carbonato de potasio, carbonato de calcio, carbonato de magnesio y mezclas de los mismos. Las sales de carbonato puro y/o minerales que ocurren naturalmente que contienen sales de carbonato pueden utilizarse. Un ejemplo de un mineral que ocurre naturalmente que contiene sales de carbonato es dolomita. La dolomita ofrece ventajas como una fuente de sales de carbonato debido a su disponibilidad y precio.
La cantidad de sal de carbonato y/o nitrato utilizada en la mezcla de fundición es una cantidad eficaz para reducir o eliminar el veteado en las fundiciones de metal hechas con formas de fundición (por ejemplo moldes y núcleos) se utilizan para moldear piezas de metal. Una cantidad eficaz de la sal de carbonato y/o de nitrato típicamente es de 0.25 por ciento en peso a 5.0 por ciento en peso basado en el peso del agregado de fundición, preferiblemente de 0.5 por ciento en peso a 3.0 por ciento en peso basado en el peso de la fundición agregada, y lo más preferiblemente desde 0.75 por ciento en peso a 2.0 por ciento en peso basado en el peso del agregado de fundición.
Además de las sales de carbonato, la mezcla de fundición también puede contener aditivos de arena conocidos como el óxido de hierro rojo, óxido de hierro negro, y compuestos que contienen litinas. Es particularmente útil usar óxido de hierro rojo, en conjunto con la sal de carbonato. Si el óxido de hierro rojo se utiliza con una sal de carbonato, se utiliza típicamente en una relación en peso de sal de carbonato para el óxido de hierro rojo de 1:1 a 4:1, preferiblemente de 1:1 a 2:1.
La mezcla de fundición puede contener también un aglutinante de fundición. Estos aglutinantes de fundición son bien conocidos en la técnica. Cualquier aglutinante inorgánico u orgánico de caja tibia, caja caliente, sin hornear o caja fría puede ser utilizado si mantiene suficientemente la forma de fundición junta y, en el caso de los aglutinantes orgánicos, polimeriza en presencia de un catalizador de curado. Los ejemplos de tales aglutinantes orgánicos son resinas fenólicas, aglutinantes de uretano fenólicos, aglutinantes furano, aglutinantes de resol fenólicos alcalinos y aglutinantes epoxi-acrilicos entre otros. Particularmente preferidos son aglutinantes de uretano fenólicos y aglutinantes epoxi-acrilicos. Los aglutinantes de uretano fenólicos se describen en la patente E.U. No. 3,485,497 y 3,409,579, que se incorporan a esta descripción como referencia. Estos aglutinantes se basan en un sistema de dos partes, una parte siendo un componente de resina fenólica y la otra parte siendo un componente de poliisocianato .
Los aglutinantes epoxi-acrilico curados con dióxido de azufre en presencia de un agente oxidante se describen en la Patente de E.U. No. 4,526,219 que se incorpora a esta descripción como referencia.
La cantidad de aglutinante necesaria es una cantidad eficaz para mantener la forma y permitir el curado eficaz es decir, que producirá una forma de fundición que puede ser manipulada o auto-soportada después del curado. Una cantidad eficaz del aglutinante es típicamente mayor que aproximadamente 0.1 por ciento en peso, basado en el peso del agregado de fundición. Preferiblemente, la cantidad de rangos del aglutinante de aproximadamente 0.5 por ciento en peso a aproximadamente 5 por ciento en peso, más preferiblemente de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 2 por ciento en peso.
El curado de la mezcla de fundición por el proceso sin hornear se lleva a cabo mediante la mezcla de un catalizador de curado liquido con la mezcla de fundición (alternativamente mediante la mezcla del catalizador de curado liquido con la mezcla de fundición primero) , dando forma a la mezcla de fundición que contiene el catalizador, y permitiendo que la mezcla de fundición en forma se cure, típicamente a temperatura ambiente sin la adición de calor. Los procesos de caja tibia y caja caliente son similares al proceso sin hornear, excepto el utillaje y/o la forma de fundición en que se calienta con el fin de facilitar el curado. El catalizador preferido de curado líquido es una amina terciaria para el proceso sin hornear y se describe en la Patente de E.U. No. 3, 485, 797 que se incorpora por referencia en esta descripción. Los ejemplos específicos de tales catalizadores de curado líquidos incluyen 4-alquil piridinas donde el grupo alquilo tiene de uno a cuatro átomos de carbono, isoquinolina, arilpiridinas, tales como fenil piridina, piridina, acridina, 2 metoxipiridina , piridazina, piridina 3-cloro, quinolina, N -metil imidazol, N-etil imidazol, 4 , 41 -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 típicamente es un ácido inorgánico u orgánico, por ejemplo ácidos fuertes, tales como ácido tolueno sulfónico, ácido sulfónico xileno, ácido benceno sulfónico, HC1, y H2SO4. El ácido débil tal como ácido fosfórico también se puede utilizar .
El curado de la forma de fundición por el proceso de caja fría se lleva a cabo por soplado o apisonamiento de la mezcla de fundición en un patrón y poner en contacto la forma de fundición con un catalizador de vapor o gaseoso. Varias mezclas o gases de vapor o vapor/gas tales como aminas terciarias, dióxido de carbono, formiato de metilo, y el dióxido de azufre puede ser utilizado en función del aglutinante químico elegido. Los técnicos en la materia sabrán 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 fenólico.
El dióxido de azufre (en conjunción con un agente oxidante) se usa con una resina epoxi-acrílica .
Véase la Patente de E.U. N° 4, 526, 219 que se incorpora a esta descripción como referencia. Los ésteres de dióxido de carbono (véase la Patente de E.U. No. 4,985,489 que se incorpora a esta descripción como referencia) o ésteres metilo (véase la Patente de E.U. No. 4,750,716 que se incorpora a esta descripción como referencia) se utilizan con las resinas de resola fenólicas alcalinas. El dióxido de carbono también se utiliza con aglutinantes a base de silicatos. Véase la Patente de E.U.
No. 4,391, 642 que se incorpora a esta descripción como referencia .
Preferiblemente, el aglutinante es un aglutinante uretano fenólico caja fría curado pasando un gas de amina terciaria, tal trietilamina, a través de la mezcla de fundición de moldeado de la manera como se describe en la Patente de E.U. No. 3,409,579, o el aglutinante epoxi-acrilico curado con el dióxido de azufre en presencia de un agente oxidante tal como se describe en la Patente de E.U. No. 4,526,219.
Será evidente para los técnicos en la materia que otros aditivos tales como agentes de liberación, disolventes, extensores de vida útil, compuestos de silicona, etc. se pueden añadir a la mezcla de fundición.
Ejemplos En el Ejemplo A (ejemplo de comparación) y los Ejemplos 1-3, los núcleos de ensayo (diámetro 2" por núcleos cilindricos altos 2") fueron producidos por el proceso de caja tibia mezclando arena silica Badger 5574 con aglutinante furano CHE -REZ® 995 (comercialmente disponible de Ashland Inc.) en 1.25 por ciento BOS, 20 por ciento BOB (basado en aglutinantes) del catalizador CHEM-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 núcleos que se mantuvo a aproximadamente 235 °C.
En el Ejemplo B (ejemplo comparativo) y Ejemplos 4-5, los núcleos de ensayo fueron preparadas por el proceso de caja fría por la mezcla de arena silica Wedron 540 con ISOCURE® TK 10/20 aglutinante de uretano fenólico (un aglutinante uretano fenólico de dos partes comercialmente disponible de Ashland Inc., donde la relación 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 núcleos con el catalizador TEA.
Las características de veteado de las muestras de ensayo se midieron utilizando una fundición de prueba de "penetración" en la que los núcleos de ensayo se pegan en un ensamble de molde. El hierro gris de Clase 30 fundido, que tiene una temperatura de aproximadamente 1450°C, se vierte entonces en el ensamble de molde que contiene los núcleos de ensayo. Las pruebas de penetración del veteado y la penetración mecánica 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 observación visual y la clasificación de la fundición se basó en la experiencia y las fotografías de las fundiciones de prueba.
La fundición se enfria y se limpia mediante la explosión de arena y las superficies internas de la cavidad creada por los núcleos que se evalúan 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.
Tabla 1 (características veteado de núcleos de prueba 1 - sin adición de óxido de hierro 2 - 0.5 por ciento de óxido de hierro también se agregó a la penetración de control 3 - 1 porciento de óxido de hierro también se agregó a la penetración de control Los datos de la Tabla 1 indican claramente que los núcleos de pruebas preparados con una mezcla de fundición que contiene una sal de carbonato reducen el veteado en la fundición de prueba, incluso a niveles tan bajos como 1.0 por ciento en peso BOS.
La descripción y los ejemplos son capaces de varias combinaciones, modificaciones y ajustes a los parámetros que están dentro del alcance de las reivindicaciones, por lo que las reclamaciones se deben interpretar para incluir modalidades alternativas.

Claims (25)

REIVINDICACIONES
1. Una mezcla de fundición que comprende: (a) agregado de fundición; y (b) una sal de carbonato en una cantidad efectiva para reducir el veteado de una fundición de metal preparado con la mezcla de fundición.
2. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 1 que además comprende un óxido de hierro seleccionado del grupo que consiste de óxido de hierro rojo, óxido de hierro negro, y mezclas de los mismos.
3. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el óxido de hierro es óxido de hierro rojo.
4. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 3 caracterizada porque el agregado de fundición comprende arena silícea.
5. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 4 caracterizada porque la sal se selecciona del grupo que consiste de carbonato de calcio, carbonato de magnesio y mezclas de los mismos.
6. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 5 caracterizada porque la dolomita se utiliza en la mezcla de fundición como la fuente para el carbonato de calcio y/o magnesio.
7. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 4 caracterizada porque la mezcla de fundición también contiene yeso.
8. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 5, 6 o 7 caracterizada porque la relación de peso de la sal de carbonato para el óxido de hierro rojo es de 1:1 a 4:1.
9. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 8 caracterizada porque la relación de peso de la sal de carbonato para el óxido de hierro rojo es de 1:1 a 2:1.
10. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 9 caracterizada porque la mezcla de fundición contiene un aglutinante orgánico.
11. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 10 caracterizada porque el aglutinante es un aglutinante de uretano fenólico o un aglutinante de acrilato epoxi .
12. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 11 caracterizada porque la mezcla de fundición contiene un catalizador.
13. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 11 caracterizada porque la cantidad de sal en la mezcla de fundición es de 0.5 por ciento por peso al 4.0 por ciento por peso basado en el peso del agregado de la fundición.
14. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 12 caracterizada porque la cantidad de sal en la mezcla de fundición es de 0.5 por ciento por peso al 4.0 por ciento por peso basado en el peso del agregado de la fundición.
15. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 11 caracterizada porque la cantidad de sal en la mezcla de fundición es de 0.5 por ciento por peso al 2.5 por ciento por peso basado en el peso del agregado de la fundición.
16. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 12 caracterizada porque la cantidad de la sal en la mezcla de fundición es de 0.5 por ciento por peso al 2.5 por ciento basado en el peso del agregado de la fundición .
17. Un proceso de caja fría para preparar una forma de fundición que comprende: (a) introducir la mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 15 en un modelo para formar una forma de fundición; (b) contactar la forma de fundición de (A) con un catalizador de curación vaporosa 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) remover dicha forma del modelo.
18. Un proceso para fundir una parte de metal que comprende: (a) insertar una forma de fundición preparada por el proceso de conformidad con la reivindicación 15 en un ensamble de molde; (b) verter el metal, mientras en el estado liquido, en dicho ensamble de molde; (c) permitir que dicho metal se enfrie y solidifique; y (d) posteriormente separar la parte de metal de fundición del ensamble de molde.
19. Una parte de metal preparada de acuerdo con la reivindicación 18.
20. Un proceso sin hornear para preparar una forma de fundición que comprende: (a) introducir la mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 12 en un modelo para formar una forma de fundición; (b) permitir que dicha forma de (A) se cure hasta que dicha forma se haga manejable; y (c) remover dicha forma del modelo.
21. Un proceso para fundir una parte de metal que comprende: (a) insertar una forma de fundición preparada por el proceso de conformidad con la reivindicación 20 en un ensamble de molde; (b) verter el metal, mientras en el estado liquido, en dicho ensamble de molde; (c) permitir que dicho metal se enfrie y solidifique; y (d) posteriormente separar la parte de metal de fundición del ensamble de molde.
22. Una parte de metal preparada de acuerdo con la reivindicación 20.
23. Un proceso de caja tibia para preparar una forma de fundición que comprende: (a) introducir la mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 12 en un modelo para formar una forma de fundición; (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) remover dicha forma del modelo.
24. Un proceso para fundir una parte de metal que comprende: (a) insertar una forma de fundición preparada por el proceso de conformidad con la reivindicación 22 en un ensamble de molde; (b) verter el metal, mientras en el estado líquido, en dicho ensamble de molde; (c) permitir que dicho metal se enfríe y solidifique; y (d) posteriormente separar la parte de metal de fundición del ensamble de molde.
25. Una parte de metal preparada de acuerdo con la reivindicación 23.
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