SE450347B - Kernsandmaterial innefattande syrakatalyserat hartsbindemedel, samt medel och forfarande for dess framstellning - Google Patents

Description

l5 20 25 30 35 40 .,..._. .._..,_.-,_._,_ 450 347 med bindemedel av denna sort. Således kan möjligheten till låga kostnader med fenol-formaldehydbindemedel modifierade med UF-hartser inte förverkligas vid många tillämpningar.

Med hänvisning till vissa typer av hetkammarbindemedel, då dessa bindemedel är önskvärda i många avseenden, föreligger allmänt kända nackdelar med dessa bindemedels- enheter, och deras katalysatorer, speciellt katalyserade bindemedel av furantyp.

Med “furantyp" eller "furanbaserade" bindemedel, såsom uttrycken utnyttjas häri, menas de bindemedel som innehåller derivat av furan, speciellt innehållande furfuryl- alkohol, antingen utnyttjade ensamma eller med fenolhartser, UF-hartser eller bland- ningar därav.

Inom nuvarande gjuteriteknik är det vanligt att forma en kärna för gjutning genom att fylla en upphettad hålighet i en mall med ett kärnformande material, vilket omfattar kärnsand blandat med ett harts och en katalysator. Det är önskvärt att, dä kärnsandmaterialet blandats och placerats i formen, de höga temperaturerna orsakar snabb härdning av hartset, vilket binder kärnsanden och därmed ger upphov till en kärna som lätt kan avlägsnas från mallen, ha hög styrka för att motstå omild behand- ling och är stabil för att motstå lagring under en lång tidsperiod. Ett idealt binde- medel är ett vilket tilläter sanden att bibehålla en hög s.k. flytbarhet eller lätthet att fylla ut mallen då sand och bindemedel blandas.

I en föredragen katalys-hartsblandning, härdar inte hartset i förtid, även då en katalysator är närvarande vid en given arbetstemperatur, utan hartset härdar snabbt och fullständigt då ett önskat tröskel-temperaturvärde uppnåtts eller har överskridits.

Emedan tidigare kända katalysator och bindemedelsblandningar har fungerat till- fredsställande i många avseenden, allteftersom arbetskostnaderna och kostnaderna för att upprätthålla produktionsbetingelserna har ökat, har det blivit viktigt ur ekonomisk synpunkt att blanda kärnsand med bindemedel i större kvantiter för att öka produktionen och minska kostnaderna. I detta avseendet har tidigare kända härdningsblandningar med relativt korta mellanlivslängder antingen krävt upprepade arbetsinsatser av gjuteriarbetarna som blandar materialen eller resulterat i förlust av kemikali pâ grund av behovet att kassera material som härdat i förtid, dvs innan det har kunnat placerats i formar eller mallar där sandkärnämnena formas.

Med “mellanlivslängd“ menas den tid under vilken katalysatorn kan förbli blandad med hartset innan en väsentlig del av polymerisationsreaktionen startar.

Vid utnyttjande inom tekniken är det, även trots att kända kärnbindemedels- blandningar utnyttjande kända katalysatorer vanligtvis har mellanlivslängder av nellan l till 4 timmar, önskvärt att sådana bindemedel har mellanlivslängder som är lika med åtminstone längden av ett arbetsskift och företrädesvis en eller flera timmar längre än sä, dvs mellanlivslängder av 8 - l2 eller kanske även 24 timmar.

Således bör en ideal katalysator, även om den har en förlängd mellanlivstid, 10 15 20 25 30 35 40 3 - 450 347 ha en relativt snabb härdningstid och bör främja en total härdning av hartset ihflasmmmæmmnæn. _ Dessutom bör en harts och katalysatorblandning företrädesvis ge upphov till låg gasutveckling då den utsättes för värme och bör ge hög draghällfasthet ät den slutliga kärnan eller andra sandprodukten som göres därav och användes i formnings- processer. a a I enlighet med uppfinningen har man funnit att speciella föreningar, inne- fattande vissa alifatiska eller aromatiska sulfonsyresalter kan överraskande nog ge upphov till hartshärdande blandningar med stora fördelar och kan således användas med stora framgångar såsom katalysatorer för furanderiverade hartser, vilka användes såsom kärnsandbindemedel.

I enlighet med uppfinningen kan vissa av eller samtliga katalysatorer av den typ som uppfinningen hänför sig till blandas med hartsmaterialet och sanden vid rumstemperatur, men kommer inte att aktivera eller märkbart katalysera härdnings- reaktionen under en relativt lång tidsperiod vid den ifrågavarande arbetstemperaturen.

Vid utförande av gjutning ligger sådana temperaturer vanligtvis inom området mellan l0 till, pâ vintern, l5,6°C eller, under sommaren, 32,206 eller mera. I varje fall är temperaturen för kärnsanden innan bindemedlet anbringas därtill, vanligtvis okont- rollerad. Men dån kärnsanden upphettas till den temperatur vid vilken kärnan formas i formen eller mallen, härdar hartset snabbt till att ge en hård formkärna. Emedan sådana katalysatorer inte märkbart initierar eller påskyndar härdningsreaktionen vid lägre temperaturer, men gör detta snabbt vid högre aktuella temperaturer, benämnes dessa katalysatorer ofta "latenta katalysatorer".

I enlighet med uppfinningen, utvärderas katalysatorns prestation såsom den tidsperiod under vilken katalysatorn kan vara kvar i förbund med hartset och sanden utan att börja hända och denna egenskap jämföres med den hastighet med vilken en väsentlig härdning sker och med den slutlig draghållfasthet som sandformen eller kärnprodukten gjord genom bindning av sanden med hartsbindemedlet uppvisar.

I tidigare kända hartsblandningar var långa mellanlivslängder av kända mate- rial förenade med relativt långa härdningsttder vid förhöjda temperaturer. Således ansåg man i allmänhet det inte möjligt att erhålla långa mellanlivslängder och snabba härdningstemperaturer med samma katalysatorer och katalyserade hartsbland- ningar. Enligt föreliggande uppfinning erhålles en kraftigt förlängd mellanlivslängd utan att man samtidigt behöver offra den gynnsamma härdningstiden och slutliga drag- hållfastheten eller sträckhâllfastheten i den slutliga kärnsandprodukten.

Vissa katalysatorer vilka utnyttjas i enlighet med uppfinningen ger inte en- bart ökade mellanlivslängder utan uppvisar, mycket överraskande, även aktiverings- temperaturer, vilka är mycket låga i förhållande till de aktiveringstemperaturer som används för tidigare kända latenta katalysatorer. Mera speciellt har katalysato- rerna enligt uppfinningen visat sig vara effektiva för att göra tillfredsställande LT! lD l5 20 25 30 35 40 450 547 4 formkärnor under en kort tid vid en temperatur av l49°C, medan de flesta tidigare kända katalysatorerna av hetkammartyp krävde starttemperaturer av t.ex. ca 2l8°C.

Således kan vissa katalysatorer enligt uppfinningen sägas göra det möjligt att ut- nyttja begreppet av ettmedeltemperatur- eller "varmkammar"-bindemedel, medan dessa samma katalysatorer även är användbara inom konventionella hetkammartillämpningar och processer.

Inom tidigare känd teknik har utnyttjats vissa typer av ammoniumsaltkatalysa- torer i härdande furan-bindemedelsblandningar, innefattande bindemedelssammansätt- ningar som modifierats genom tillsats av furfuraldehyd eller furfurylalkohol. ten sådana katalysatorer, t.ex. innefattande ammoniumklorid och ammoniumnitrat, var kända för att ha olika nackdelar, innefattande relativt kort mellanlivslängd i förhållande till den som är kommersiellt acceptabel inom modern gjuteriteknik.

Det har allmänt ansetts att om dessa typer av katalysatorer skall vara effek- tiva måste hartsbindemedlet innehålla åtminstone någon del fri formaldehyd för att aktivera katalysatorn. Detta kräver att katalysatorlösningen även innehåller en viss mängd urea för att hålla formaldehyden frigjord i förhållande till omgivningen vid en acceptabel nivå. 7 Med tanke på bristerna inom tidigare känd teknik och behovet av förbättrade hartsbindemedelsblandningar och katalysatorer för användning i sådana blandningar, är det ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en förbättrad hartsbindenedels- och katalysatorblandning för användning med kärnsand.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller en katalyserad hartssammansättning anpassad, vid bränning, att binda ett inert granulärt material till en förut bestämd form, varvid sammansättningen innefattar en hartskomponent, vilken kan härda med hjälp av en sur katalysator och en katalysator anpassad att uppbäras av det inerta granulära materialet, där katalysatorn omfattar åtminstone ett salt ur den grupp av salter som omfattar reaktionsprodukter av svaga baser och lägre alifatiska och aromatiska sulfonsyror, varvid katalysatorn är närvarande i enfimängd av ca 5 till ca 25 vikts-%, beräknat på vikten av hartskomponenten.

Enligt föreliggande uppfinning tillhandahâlles vidare ett behandlat kärn- sandmaterial, vilket kan formas till en förut bestämd form och bindas genom ett härdbart harts för att bibehålla sandformen för användning i metallgjutning, där det behandlade sandmaterialet har en mellanlivslängd av åtminstone 6 tim. och kan härdas inom mindre än l min. vid en temperatur av åtminstone l2l,l°C i en form upphettad till denna temperatur, varvid det behandlade materialet innefattar mellan ca 95 till ca 99,5 vikts-% av kärnsand. nmllan ca 0,5 till ca 5 vikts-% av ett syrahärdande hartsbindemedel och där det behandlade sandmaterialet vidare inne- fattar ett katalysatormaterial närvarande i en mängd av från ca 5 till ca 40 vikts-% av hartset, där katalysatormaterialet innefattar åtminstone ett salt, vilket är reaktionsprodukten av en svag bas och en aromatisk eller lägre alifatisk sulfonsyra. l0 l5 20 25 30 35 40 s 450 347 Enligt föreliggande uppfinning tillhandahâlles även ett förfarande för fram- ställning av ett kärnsandmaterial anpassat för snabb tillverkning av hartsbundna sandämnen, vilket förfarande innefattar behandling av ett kärnsandmaterial med ett katalysatormaterial för att forma ett behandlat kärnsandmaterial, och noggrann bland- ning av det behandlade kärnsandmaterialet med mellan ca 0,5 till ca 5 %, baserat pä vikten av sanden, av ett härdbart hartsbindemedel för att ge ett härdbart kärnsand- material, vilket kan härdas i en kärnformande mall under mindre än l min. vid en temperatur av åtminstone l2l,l°C, där katalysatormaterialet omfattar åtminstone ett salt av en svag bas och en syra av gruppen innefattande lägre alifatiskaoch aromatiska sulfonsyror, varvid katalysatormaterialet är närvarande i en mängd av gmellan ca 5 till ca 40 vikts-%, baserat pâ vikten av hartsbindemedlet.

Ovan nämnda och ytterligare ändamål och fördelar med föreliggande uppfinning uppnås genom tillhandahållandet av en katalysator av alifatisk eller aromatisk sulfo- nattyp för användning med syrahärdade hartsblandningar, såsom furfurylalkoholpolymeren polymerer av furfuraldehyd och fenol- och urea-formaldehydhartsblandningar modifiera de genom tillsats av furfurylalkohol eller furfuraldehyd för att ge upphov till ett förbättrat hartsbindemedel med kraftigt ökad medellivslängd, mycket snabb härd- ningstid och hög draghållfasthet.

Exakt på vilket sätt föregående ändamål och fördelar med uppfinningen uppnås i praktiken kommer att framgå av den följande beskrivningen av de olika föredragna utförandena av uppfinningen med hjälp av exempel som illustrerar utförandet av upp- finningen.

Normalt kan vissa testmetoder användas för att på ett korrekt sätt förutsäga hur effektiv en hartsblandning är vid användning för ett visst gjuteriändamâl.

Dessa tester visar vanligtvis huruvtda materialet i fråga kommer att fungera såsom en effektiv, latent katalysator, vilka utförandeegenskaper det kommer att ha och hur hartsblandningen som helhet kommer att uppföra sig. I detta sammanhang kan testerna utnyttjas för att bestämma mellanlivslängden för det blandade hartset varvid en lång mellanlivslängd önskas och varvid förutsättes att de andra känneteck- nen för blandningen är tillfredsställande. Den slutliga styrkan och enhetligheten för produkten är också viktiga, liksom den tid som krävs för att hartset skall starta en härdning av föremålet som formas i sandformen.

En sådan metod innefattar mätning av den s.k. uppehàllstiden, vilket är den tid den katalyserade harts- och sandblandningen förblir i den upphettade mallhâlig- heten innan den avlägsnas därifrån för att testas. Vid tester för att bestämma önsk- värda egenskaper enligt föreliggande uppfinning utnyttjades uppehällstider av l0, l5, 20, 30, 45 och 60 sek. Den styrka som sandprodukten innehar bestämdes genom uppgörandet av en s.k. "kaka" eller brikett av sand, dvs en bildning av sand utformad på ett karakteristiskt sätt (en "hundbens"-form) och bunden med det hartset som testas. Efter det att den s.k. kakan formats placeras den i en maskin anpassad att l0 15 20 25 30 35 40 450 547 6 bestämma draghâllfastheten och den slutliga sträckhållfastheten för den formade delen. Formen för en typisk brickett eller kaka är väl känd för fackmän inom om- rådet och således diskuteras inte ytterligare dess kännetecken; men t.ex. kan hän- visning göras till en sådan typisk kaka som anges i en bok med titeln: "Steel .Foundry Practice" av J.H. Hall, (Penton Publishing Company, Cleveland, Ohio, 1950), vari en sådan enhet visas och beskrives på sid. 8.

I enlighet med föreliggande uppfinning sorterades först katalysatorerna för att preliminärt bestämma huruvida de skulle kunna ge denönskvärda katalytjska verkan. Om en katalysator, i närvaro av hartset, reagerar omedelbart eller inom en kort tid, vilket visas genom däsentlig värmeavgivning, ansågs en sådan blandning inte kunna uppvisa tillfredsställande mellanlivslängd. De katalysatorer som hade möj- lighet att ge långa mellanlivsäängder bestämdes genom att de blandades med den typ av bindemedel som ämnades utnyttjas och därefter placerades i ett försöksrör i isolerande atmosfär, såsom den som erhålles 1 ett block med polystyren- eller polyuretanskumisolering. Därefter bestämdes den tid efter vilken någon betydande värmeavgivning utvecklades. En önskvärd förening är sådan som inte uppvisar någon värmeavgivning, även då den finns närvarande i väsentliga mängder, såsom l0 % eller mera, under en period av ca l tim vid rumstemperatur (20 - 3006).

Om, vid upphettming till en högre temperatur, katalysatorn initierar och bibehåller en hög härdningshastighet, anses den ha möjlighet att användas i enlig- het med uppfinningen. En typisk katalysator enligt uppfinningen, aluminiumfenolsulfo- nat, uppvisar, då den blandas med harts i ett sådant försöksrör, inte någon värmeav- givning under upp till 80 min eller mera vid rumstemperatur, men uppvisar snabb värme- avgivning då röret placeras i en teströrsvärmare vid 98,9°C.

Ett hartgbindemedei kataiyserades med en sådan aluminiumfenolsulfonatkatalysa- tor, vilken genomgått den preliminära utsorteringstest som angetts ovan, blandades med sand och testades såsom visas i tabell I nedan. Ett harts av furfurylalkohol- formaldehydtyp framställdes för att användas med en kvartssand, t.ex. en wedron 5025- kvartssand. Hartsbindemedlet användes i en mängd lika med l % av den torra nettovikten av sanden och katalysatorn bereddes i en 50 %-ig vattenlösning. Efter det att kata- lysatorn och sanden noggrant blandats, tillsattes hartset. Den 50 %-iga katalysatora lösningen användes i en mängd lika med 40 vikts-% av hartset och en kaka formades i en kakform som fylldes med sand, bindemedel och katalysator. Formen hölls vid 149°c.

De tvâ första exemplen var de som gjordes genom fyllning av kakformen först under l5 sek. och därefter under 30 sek.

Efter dessa tidsperioder befriades kakorna från sina resp. formar, de tilläts kallna och utsattes för draghållfasthetstester. Kakan formad med en uppehållstid av l5 sek. visade en draghållfasthet av 3,79 x l05 N/m2 och kakorna som formades genom att uppehållas i formen under 30 sek. utvecklade en draghållfasthet av 10 15 20 25 30 35 40 7 45-0 347 18,27 X 105 N/mg.

Dessa data ges på den första raden i tabell I, vilken visas nedan. Därefter läts 2 tim. förflyta och två ytterligare kakor gjordes av sand/harts/katalyaator- blandningen. Såsom visas på den andra raden i tabell I, efter en mellantid av 2 tim., uppvisade en kaka formad i en kakform med en uppehållstid av l5 sek. en draghållfast- het av 6.41 x 105 N/m2 medan en kaka framställd med en utgångttid av 30 sek. i formen uppvisade en draghållfasthet av 21,92 x 105 N/m2.

Raderna 3-7 i tabell I indikerar att kakorna gjordes därefter efter mellan- tider av 4, 5, 6, 23 resp. 48 timmar och att kakorna som erhölls vid angivna uppehålls- tider uppvisade de draghållfastheter som ges i de högra kolumnerna av tabell I.

Här ges att även efter 48 tim. kunde hartsblandningen aktiveras till en snabb härdning inom en mycket kort tidsperiod. Därmed visade således fördelarna med att använda aluminiumfenolsulfonat såsom en latent katalysator för furanbaserade harts- blandningar. De exakta resultaten av varje försök summeras nedan.

Exempel 1 Tabell I Mellanlivslängd mot draghållfasthet vid angivna uppehållstider (i49°c) Mellanlivslängd i timmar Draghållfasthet _ ' l5 sek. uppehållstid 30 sek. uppehållstid T - 0 3,79 l8,27 2 6,41 2l,42 4 4,34 l8,06 5 7,93 23,30 6 8,82 24,75 23 4,55 l8,4l 48 4,14 ll,58 Av tabellen ovan ges att draghållfastheter väsentligt högre än 13,79 N/m2 kunde erhållas efter 30 sek. vid högtemperaturhärdning med ett harts, som tillsatts sand innehållande den nya katalysatornj samtliga fall låg mellanlivslängden mellan 0 och 23 tim. Även då en mellanlivslängd av 48 tim. utnyttjades, uppvisade den aktueiia kakan en araghaiifasthef av ii,ss X 105 N/m2, viiket är tiiiräckiigt 1 många tillämpningar. 7 Med angivna förlängda mellanlivslängder är det således möjligt att göra upp katalysator/harts-sandblandningen i en mängd som man förutsätter skall användas på en gång, och det är inte nödvändigt att kontinuerligt göra nya satser av behandlad sand under ett sådant arbetsskrift. Således, även om mera sand blandas till än som kommer att användas under ett enda arbetsskift;.blir det inget spill förutsatt att återstoden kan utnyttjas inom någon tid in på nästa skift eller även de nästa två arbetsskriften. Detta utgör en viktig förbättring gentemot tidigare gp 10 l5 450 547 8 kända latenta katalysatorer och visar klart fördelarna med föreliggande uppfinning.

Efter det att de preliminära tester som hänvisas till ovan gjorts gjordes ytterligare tester för att visa fördelarna med föreliggande uppfinning.

I tabell II ges ytterligare exempel. I dessa exempel utnyttjades olika katalysatorer, innefattande aluminium och kopparsalter av fenol- och toluensulfon- syror, liksom andra katalysatorer, som identifieras däri. Samma typ av kakor för testning av draghâllfastheten såsom de som hänvisats till ovan framställdes genom upphettning i formar med uppehâllstider som anges i tabellen. Anmärkningarna under tabell II identifierar vissa av hartsmaterialen, de proportioner i vilka de blandats och beskriver andra detaljer för de olika blandningarna, vilka företrädesvis använts vid utförandet av uppfinningen. Om inget annat anges är procent katalysator uttryckt som viktsprocent med avseende på hartset; vid praktiskt utförande framställes vanligt- vis katalysatorn och användes i en 50 %-ig vattenlösning och áïrsäledes l0 %»kata- lysator anges utnyttjas 20 % av en 50 vikts-%-ig lösning av katalysatorn i vatten osv. 4 450 347 -- -- -- mm.@~ -- -- x O. ~^ -- -- mm.~ -- -- -- = \.~m^ -- m~.N~ mw.«~ _m.m_ Q O = m^ -- m@.m~ @m.- @w.«_ Nw.w -- = \.@m^ -- ~@,F~ wm.mf «~.@ NN.~ -- = \.mm^ ~...~ ~m,mN @@.N_ wm.~ -- = m^ -- @w.@~ «N.m_ O -- -- = m^ -- -- N~“@~ «q._N -.«_ w«.m = m^ -f -- ~N.NN mm.o_ m@.m ~@.Q ON M^ -- -- @@,w_ @m.@ «_.N mo.. Q. \. -- -- m~.«_ @m.~ ~@.N Q o_ \.~m^ ow mq om ON m. Q, ^m-m»¥v>V WQLNI ^N-m~¥v>v Ucmm LwEE=2 \Lo»mwz~m»m¥ Lopmwäpwpmx \~wvwEwu:wm Fwuwswvcwm Fmnëwxm ^NE\2 ,o~v Lwvczxww w UT~w_~W=wQQ= mmw> @f> p@:pw@%__W=@~L@ . h L:»øLwQEw»wm:w=uLw; uom«~ | _.wUwEwU:wn|L3HwLwn_EwP PmUME >ø mCwLwULw>PD HH 44mm 10 450 347 om wF vw vw wm ww ww *N wm \.m«~ .Evy nm:wPm>«~:m-wz NF - o~ CVCGWLOKONæ Lwsazz Fwnswxm L=»@LwQEwumm=~=uLw: uom«~ -|. .mpgowv PmvwawvcwnlxzpmgwnswwFwwms >m m=wLwwLw>p= HH 44mm 11 450 347 Anmärkningar ti11 tabeii II 1. Bindemediet "A" är ett syrahärdande hartsbindemedei av furfyryi- a1koho1-formaidehydtyp. Detta materiai är specieiit tiiigängiigt från Deïta Oil Company of Miiwaukee, Wisconsin och betecknas “651-X". 2. Aiuminiumfenoisuifonat 3. Se texten nedan där en detaïjerad förkïafing av de exempei, vari meiianlivsiängderna indikeras såsom varande "större än" en specieii tid. 4. Kopparfenoisuifonat. 5. Aiuminiumtoïuensuifonat. 6. Koppartoïuensuifonat. 7. Aiuminiummetansuifonat. l0 l5 20 25 30 450 347 l2 I tabellerna ges mellanlivslängden ibland såsom "större än" en viss tid.

Där en bestämd eller approximativ mellanlivslängd ges antyds att testerna utfördes för att visa att materialet kunde utnyttjas tillfredsställande under den angivna perioden men att det vanligtvis därefter inte var tillfredsställande.

Men i vissa fall var testmaterialet fullständigt förbrukat innan dess effektiva mellanlivslängd kunde bestämmas. I andra fall utfördes helt enkelt inte slutpunkts- försök och således visar siffrorna mellanlivslängden var större än den angivna, utan att därmed antyda att mellanlivslängden nödvändigtvis skulle sluta kort efter denna period. I vissa fall kan t.ex. material som anges ha en mellanlivslängd som är större än 5 tim. ha en mellanlivslängd som är större än l2 tim. eller även 24 tim., men försök utfördes inte med ovan nämnda försöksmaterial för att bestämma den maximala mellanlivstiden.

Av exemplen som anges i tabell II, ges att även vid härdning vid l49°C, vil- ket är väsentligen lägre än den temperatur som vanligtvis användes vid tillverk- ningen av kärnor av stor volym, var det möjligt att tillverka tillfredsställande sandämnen under tider mellan så lâga~ som l5 sek. och 45 sek. och i de flesta fall mellan ca 20 och ca 30 sek. Således är katalysatorerna och de katalyserade hartsblandningarna enligt uppfinningen fördelaktiga för användning vid betydligt lägre temperaturer än de som är nödvändiga vid användning av tidigare kända kataly- satorer och katalyserade hartsblandningar. Således kan betingelserna i tabell II ibland häri betecknas såsom "varmkammar"-, eller "medeltemperatur"-betingelser.

Efter det att försöken enligt exempel 2-l2 ovan utförts gjordes ytterligare satser vilka sammanfattas i tabell III, exempel l3-l7. Av dessa exempel är exempel l3 typiskt för tidigare känd teknik, medan exemplen l4-17 är ytterligare exempel i enlighet med uppfinningen. Tabell III visar katalysatorer av uppfinningen använda med kommersiellt tillgängliga hartsbindemedel av en typ som skiljer sig från de som anges i tabefl II§ sammansättningen av bindemedlen i tabell III anges i de tillhörande anmärkningarna. _ Tabell III anger också att katalysatorerna enligt uppfinningen kan förbättra utförandet av tidigare kända hartsbindemedel genom att tillhandahålla högre slut- liga draghâllfastheter och ett snabbt erhållande av dessa draghâllfastheter, lik- som oväntat ge upphov till ökningar i mellanlivstid till en betydande del, i vissa fall upp till 250 % eller mera. 450 347 13 v_ wfixwu. wLwvzfim _. _..w_.wLwEEOv_ EOCw .m@|& om pm» »w-wpm W ww-x Nm ;m> =wm=~=w@~Lopmm>~mp~¥ "mwv=m>=~ .m«|& om Lm+ pwppwpw T mwfw m,mw Lm> =wm=v:mm~Lopøm>_mpm4 wwwu=m>=« .vøcow Pzflocwmcåww Jl Lopüšmpmx _33» ON .2 .PmCOh_._.:w_.OCw..É.=1.:OEE< .N_.

L°p~w>_~»@¥ _mp°p x @~.F_ .p~=o»_=m_°=w$¥=WN_.Q_ .m:~«u=~ .m¥mzm=m«z wo xcmasou Fmuwswgu mwfiwz wo =owm~>Wo .mwwLpw:v=H Ffiwugou >m p_wm nmßm ~Fwu;øu =mm=*:¥uwpwn Lwucz »mv~m:mm-W~ u-wTwLwEEo¥ gm Lue ~o;o¥~m_>»:wL=m >~ mpmm-vp Eoçwm wpm>wwwfuoE ~m¥~@> flQ>~_o=w+ >m FmuwEwv=@@LmEæ~¥»w; www Lw ~wumEmu=«n mppwo .Q .Lepmm>-pm¥ u@>wmmnuwLo~¥E=w:~E=~@ =@ vme wwugms .=wpww> zuo uæ=wv_ms>o+|mwL= .~o;o¥~w~>u=»»=w mpvøwwccw ppwmnø zoo ~=m>=~ .~ww@Ewu=fßLmEEm¥~@: »w»wm@n=m»=w .~wwwEwn=»@ pxmwnap ppm Lw ~wvwEww=vn mppwa .w -- www wpm Qmm -- -- ON \.«fl -- mmm -- -- -- -- _ ON 4n« \ m _. \ Pr -- mom _wN -- -- -- \«- ON m«m~ -- mmm www wmw -- mm, = ^ -- mmm P.« mmm -- wm OF ~@Lww~@-_U<=z N \.wm MF Om mw Om ON mp Q_ ^§-m~¥?>v wpgmï ^&-mp¥W>v w=~w *Z ^NE\Z hO_v .xww W UT~m._W=@QQ= wmP> Uv> ~w;~m@»_~W§@@;@ L°p~w>_@~@¥ >°»ßm>_~@m¥ \_muwEwv=%m _w@wEwv=Wm Fwaëmxm HH~ 44mm ^ma\z mofiv L:wmLmnEw~mm:«=uLm: .uaNmN|w~N || ~mwmEww:«nLmEEm¥vm: 14 450 547 .ëwp wm .sww wm .ëwv wm .:«E oom .cwë owp um=m_m>w~=@-w: NP m. mp ww MF Lz Pwßewxm 1 :P Lmssøxpwg >m m=@LmvLm>p= >=»~;wQam»wm=~=w;mI uowmm 1 w~N Pwumemu .Q ^m:«:ppmmpLo»v HHH 44mm 10 l5 20 25 30 35 40 W 450 347å Exempel l8 - Ugnshärdade bindemedel Katalysatorblandningar enligt föreliggande uppfinning även användbara i härdande hartser som utnyttjas för tillverkning av s.k. "råämnen" eller sand- ämnen som är självbärande då de avlägsnas från en mall eller liknande eller vilka formas för att vara fristående och inte formas inom en mall eller form.

För att illustrera denna utförandeform av uppfinningen tillverkades ett sandämne i form av en kaka för draghållfasthetstest, enligt ovan. Sanden var Wedron kvartssand, vilken blandats med l vikts-% bindemedel "A", enligt ovan (anm. l, Tabell II) med 20 vikts-% aluminiumfenolsulfonatkatalysator däri. Efter det att det råa ämnet formats placeras det i en konventionell ugn vid låg temperatur, dvs l2l,l°C, under de tider songes nedan. Draghällfastheten för den erhållna kakan ges i den högra spalten nedan, mittemot härdningstiderna. Då ämnena härdades i en konven- tionell ugn och inte formades i en upphettad form, krävdes relativt långa tider; noteras bör att tiderna uttryckes i minuter inte i sekunder, enligt följande: Tid i ugn Draghållfasthet 7 min 15,51 x 105 N/mz 14 min e 24,48 x 105 N/mz 20 min 21,72 x 105 N/mz' 26 min 26,20 x 105 N/mg 40 min 25,16 x 105 N/mz Exempel l9 Furanbaserat bindemedel härdat i mikrovågsugn En kaka för draghâllfasthetstest av typen angetts ovan tillverkades i en fristående form genom blandning av sand med l % av det bindemedel som anges i anmärkning l till tabell II. Bindemedlet katalyserades med 15 % aluminiumfenol- sulfonat och det resulterande ämnet härdades i en 6 KW Cober mikrovågsugn i 2 min. vid en effekt av 4 KW. Den erhållna försökskakan uppvisade en draghållfasthet av 3l,37 x 105 N/m2 l tim. efter fullföljandet av 2 min. härdning. Denna katalyserade blandning uppvisade en mellanlivslängd av ca l8 tim.

Exempel 20 Furanbaserat bindemedel i mikrovågsugn En kaka liknande den i exempel 19 tillverkades, med undantag för att 1,5 % bindemedel användes och l2,5 % katalysator. Testkakan uppvisade en draghållfasthet av 46,88 x l05 N/m2 l tim. efter en härdningstid av 2 min. såsom i exempel l9.

Denna katalyserade blandning uppvisade en mellanlivslängd av ca 24 tim.

Exempel 2l Furanbaserat bindemedel härdat i mikrovågsugn En kaka för draghållfasthetstest, såsom de som angetts tidigare, tillverkades med användande av l % bindemedel av den typ som anges i anmärkning l till tabell II, katalyserades med l2,5 % (baserat på bindemedlet) aluminiumfenolsulfonat och härda- 10 15 20 25 30 35 40 450 347 M des under 2 min. vid en effekt av 4'KN isen mikrovågsugn såsom ovan.

Testkakan uppvisade en draghå11fasthet av 25,51 x 105 N/m2 och sand/harts/kata1y- satorb1andningen uppvisade en me11an1ivs1ängd av ca 15 tim.

Exempe1 22 Feno1bindemede1 härdbart i mikrovågsugn En kaka för draghå11fasthetstest en1igt tidigare ti11verkades med användande av kommersie11t ti11gäng1ig feno1bindemede1 av hetkammartyp såsom "Fas Set 70" från Thiem Corporation of Oak Cree, Wisconsin. 1 vikts-% bindemede1 b1andades med e en kata1yserad sand. Kata1ysatorn, a1uminiumsu1fonsu1fonat, van närvarande i en mängd 1ika med 12,5 vikts-% av hartset. Den resu1terande b1andningen hade en me11an- 1ivs1ängd av ca 8 tim. och försökskakan uppvisade en draghå11fasthet av 23,44 x 105 N/m2.

Exempe1 23 Feno1bindemede1 härdbara i mikrovågsugn En kaka för draghå11fasthetstest en1igt tidigare ti11verkades med användande av kommersie11t ti11gäng1ig feno1bindemede1 av hetkammartyp såsom Corde11 815, ti11gäng1igt av Corde11 Industries of Mishawaka, Indiana. 1 vikts-% av detta binde- mede1 b1andades med en kata1yserad sand. Kata1ysatorn, a1uminiumfeno1su1fonat, var närvarande i en mängd 1ika med 12,5 vikts-% av hartset. Den resu1terande b1andningen hade en me11an1ivs1ängd av ca 12 tim. och testkakan uppvisade en draghå11fasthet av 15,17 X 105 N/m2.

Samtiiga exempe1 ovan visar a11mänt de o1ika utnyttjandeformerna av uppfinning- en.

Med hänvisning mera specie11t ti11 de o1ika exemp1en visar 2 och 3 att då 10 % kata1ysator, med avseende på harts, användes kunde såvä1 a1uminium- och koppar- sa1ter av fenosu1fonsyra förena kärnsand ti11 en kaka en draghå11fasthet gott och vä1 överstigande 13,79 x 105 N/m2 efter uppehå11stider inom en 149°-ig form av bara 30 sek; dessa b1andningar gav ändå me11an1ivs1ängder av 24 tim e11er mera.

Där kata1ysatormängden ökade ti11 20 % (baserat på hartset) såsom i exempe1 4 och 5, gav såvä1 aiuminium, som kopparsa1ter av fenosu1fonsyra kakor med draghå11- fasthetev av över 20,68 X 105 N/m2 vid en uppehaiistid av so sek., aiirmedan me11an1ivs1ängder av över 24 tim. erhö11s.

Exempe1 6 och 7 visar 1iknande resu1tat, men hänför sig ti11 materia1 som testades efter något 1ängre uppehâ11stider och vi1ka s1ut1igen uppnådde draghå11- fastheter av över 20,68 x 105 N/m2. Med hänvisning specie11t ti11 exempe1 8och 9 användes to1uensu1fonsyrasa1ter i stä11et för feno1su1fonsyrasa1ter, men draghå11- fasthetsegenskaperna och uppehâ11stiderna var eme11ertid i stort sett ana1oga de som uppnåddes med hjä1p av motsvarande feno1su1fonater.

Med hänvisning ti11 exempe1 10, anges här en något saktare härdande b1andning.

Häri utnyttjas a1uminiumsu1fonat såsom kata1ysator och en draghåiifasthet av l0 l5 20 25 30 35 40 l7 450 347 24,89 x l05 N/m2 uppnâddes efter 45 sek. uppehällstid, alltmedan blandningen upp- visade en nellanlivslängd av 24 tim.

Med hänvisning till exemplen ll och l2, visas att även om detta inte är den föredragna katalysatorblandningen kan även aluminiummetansulfonat användas för att härda hartsbindemedel av furanbaserade typer. Exempel l3 är ett exempel på tidigare känd teknik och visar att emedan goda egenskaper för hetkammarbindemedlet kan upp- nås, är mellanlivslängden enbart 2 tim. Dessutom är katalysatorblandningar av den typ som ges i exempel l3 inte effektiva vid temperaturer under 20400 och således saknar de möjlighet att utnyttjas i de tillämpningar där bindemedel enligt upp- finningen kan utnyttjas, nämligen de där härdningen startas vid temperaturer så låga som 12i,i°c.

Med hänvisning till exempel l4-l7 noteras det att vid temperaturerna 2l8,5 - 23206 som anges kan katalysatorerna härda harts för att ge testkakor med draghâll- fastheter av l3,79 - 20,68 x lO5 N/m2 eller mera pâ 45 sek. eller mindre, även då (såsom i exemplen l5-l7) bindemedlet utnyttjas i mängder av l % med avseende på sanden. Samtidigt ger dessa harts/katalysatorblandningarnen mellanlivslängd av 24 tim eller mera.

Såsom visas ovan, är katalysatorerna i exempel l5 och l6 inte så lösliga i vatten såsom de aluminium- och kopparsalter som angetts ovan. Men järnsaltet är tillräckligt lösligt för att kunna göra en 50 %-ig vattenlösning vid 22,2°C, medan zink och ammoniumsalterna kräver svag upphettning för att uppnå lösligheter av 45,5 resp. 37 %. Zink-, ammonium- och aluminiumsulfonsulfonater är kommersiellt tillgängliga och kan rekvireras från t.ex. Salisbury Laboratories of Charles1Cfity, Iowa. Tidigare har dessa kemikalier utnyttjatsi andra tillämpningar såsom i deo- doranter, jordbrukskemikalier och såsom mellanföreningar inom farmaceutindustrin.

Järnfenolsulfonatet kan beredas med hjälp av kända metoder liksom aluminium- och kopparfenölsulfonater, samt toluensulfonater.

Exemplen ovan 18-23 illustrerar användandet av sulfonsyrasalter enligt upp- finningen såsom katalysatorer för olika härdbara bindemedelsblandningar, utan att ha för avsikt att vara en fullständig lista av alla möjliga kombinationer; mera speciellt utfördes försöken i exemplen för att demonstrera att katalysatorbland- ningarna enligt uppfinningen är användbara inte enbart med furanbaserade bindemedel och furaninnehâllande bindemedel utan även med andra härdbara bindemedelsbland- ningar såsom fenolbindemedel av hetkammartyp. Likaledes visar exemplen att hartser- na kanihärdas i mallarna eller utanför mallarna och i det senare fallet antingen med hjälp av konventionella ugnar eller i mikrovâgsugnar. Även om exemplen inte visar utnyttjandet av alla möjliga sulfonsyrasalter kan många sådana salter vara lämpliga för användande som katalysatorer i enlighet med uppfinningen. Förutom de aromatiska salter som angetts ovan kan t.ex. salter av andra aromatiska sulfonsyror utnyttjas, som t.ex. salter av bensen- och xylen- sulfonsyror etc.

Claims (18)

1. l0 l5 20 25 30 35 40 450 547 18 Emedan metansulfonsyrasalter speciellt visas i exemplen, kan även andra lägre alkyl- salter användas och dessa innefattar salter vilka har en C,-C8-grupp såsom lägre alkylsubstituent. Dessa salter beredes företrädesvis genom reaktionen av syrorna, såsom angetts tidigare, med en svag bas såsom aluminium-, koppar-, zink-, ammonium- och järnhydroxi- der, av vilka den positivt förändrade jondelen ibland kollektivt betecknas häri som "metall- eller pseudometalljoner“. Av ovanstående framgår att nya katalysatorer och katalyserade hartsblandningar kan tillverkas i enlighet med uppfinningen för att tillhandahålla bindemedel som har betydligt ökade mellanlivslängder, ekonomi drift och snabb härdning vid het- kammartemperaturer, dvs t.ex. 218,5 - 23206. Utvalda sulfonater ger också de förlängda mellanlivslängderna, vilka känne- tecknar föreliggande uppfinning, och tillhandahåller vidare fördelarna med att vara aktiverbara vid lägre temperaturer. Sådana hartsblandningar kan sägas göra det möj- ligt med medeltemperatur ("varmkammar") härdning. Kärnmaterialen som tillverkas med de katalyserade hartsblandningarna enligt uppfinningen uppvisar utmärkta styrkeegen- skaper och är fria från funktionsmässiga nackdelar vid användning. PATENTKRAV l. En katalyserad hartsblandning anpassad att vid bränning binda ett inert granulärt material till en förutbestämd form, där blandningen innefattar en harts- komponent som kan härdas med hjälp av av syrakatalysator, och en katalysator, vilken är anpassad att uppbäras av det inerta, granulära materialet, k ä.n n e t e c k n a d av att katalysatorn omfattar åtminstone ett av de salter som utgör reaktionsprodukter mellan en svag bas och en lägre alifatisk eller aromatisk sulfonsyra, varvid kata- lysatorn är närvarande i en mängd av ca 5 till ca 25 vikts-%, baserat pâ vikten av hartskomponenten.

2. Blandning enligt krav l, k ä n ne t e c k n a d av att hartskomponenten är ett furanbaserat, polymert hartsbindemedel.

3. Behandlat kärnsandmaterial, vilket kan formas till en förut bestämd form och bindas med hjälp av ett härdbart harts för att behålla sandformen vid användning i metallgjutning, varvid kärnsandmaterialet har en mellanlivslängd av åtminstone 6 tim. och är härdbart efter mindre än l min. vid en temperatur av åtminstone l2l,l°C i en form som upphettats till denna temperatur, där det behandlade materialet innefattar mellan ca 95 och 99,5 vikts-% kärnsand, mellan ca 0,5 - ca 5 vikts-% av m ett syrahärdande hartsbindemedel och där det behandlade sandmaterialet vidare inne- fattar en katalysator närvarande i en mängd av mellan ca 5 och ca 40 vikts-% harts, k ä n n e t e c k n a t av att katalysatorn innefattar åtminstone ett salt vilket är en reaktionsprodukt mellan en svag bas och en aromatisk eller lägre alifatisk sulfonsyra. '

4. Behandlat kärnsandmaterial enligt krav 3, k ä n n e t e c k na t av att l0 l5 20 25 30 35 40 19 450 347 hartsbindemedlet utgör mellan ca 0,75 till ca 2,0 vikts-%, av sanden. beräknat på vikten

5. Behandlad kärnsandmaterial enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att hartsbindemedlet omfattar åtminstone 25 % av en polymer baserad på furfuryl- alkohol. '

6. Behandlat kärnsandmaterial enligt krav 3, 4 eller 5, k ä n n e t e ck - n a t av att katalysatormaterialet omfattar aluminium-, koppar-, zink-, järn- eller ammoniumsalt av bensen-, fenol-, toluen-, xylen och lägre alkylsulfonsyror eller blandningar därav.

7. Behandlat kärnsandmaterial enligt något av krav 3, 4 eller 5, k ä n n e- t e c k n a t a/att katalysatorn omfattar koppar- eller aluminiumsalt av bensen- eller toluensulfonsyra, eller blandningar därav.

8. Behandlat kärnsandmaterial enligt något av krav 3 till 7, k ä n n e t e c k- n a t av att katalysatorn är närvarande i en mängd av mellan l0 till ca 25 vikts-%, beräknat på vikten av hartset.

9. Förfarande vid framställning av ett kärnsandmaterial ämnat för snabb till- verkning av hartsbundna sandämnen, vilket förfarande innefattar behandling av kärn- sandmaterialet med en katalysator för att forma ett behandlat kärnsandmaterial och noggrann blandning av det behandlade kärnsandmaterialet med mellan ca 0,5 och 5,0 %, baserat på vikten av sanden, av ett härdbart hartsbindemedel, för att ge ett härd- bart kärnsandmaterial vilket kan härda i en kärnbildande mall under mindre än l min. vid en temperatur av åtminstone l2l,l°C, k ä n ne t e c kn a t av att katalysatorn omfattar åtminstone ett salt framställt av en svag bas och en syra utgörande en lägre alifatisk - eller aromatisk sulfonsyra, där katalysatorn ärnnärvarande i en mängd av nellan ca 5 och 40 vikts-%, baserat på vikten av hartsbindemedlet.

10. lO. Förfarande enligt krav 9, k ä n ne t e c k n a t av att hartsbindemedlet innefattar åtminstone 20 % av ett furanbaserat, syrahärdande harts,

11. ll. Förfarande enligt något av krav 9 eller l0, k ä n n e t e c k n a t av att hartsbindemedlet utgör mellan ca l och ca 2 vikts-% av vikten av kärnsand- materialet.

12. l2. Förfarande enligt något av krav 9 - ll, k ä n n e t e c k na t av att katalysatormaterialet är närvarande i en mängd av mellan ca l0 och ca 25 vikts-% av mängden hartsbindemedel.

13. Förfarande enligt något av krav 9-l2, k ä n ne t e c k n a t av att kata- lysatorn utgör ett aluminium-,koppar-, zink-, järn-, eller ammoniumsalt av en bensen-, toluen-, fenol-, metan- eller xylensulfonsyra, eller blandningar därav.

14. l4. Förfarande enligt något av krav 9-12, k ä n n e t e c k n a t av att katalysatorn utgöres av ett koppar- eller aluminiumsalt av bensen- eller toluen- sulfonsyra, eller blandningar därav, där kärnsandmaterialet är härdbart i en upp- hettad form under l min. eller mindre vid ca l49 - ca 23206. 10 15 450 347 20

15. Förfarande vid framstäïining av ett sandämne användbart vid metaïlgjut- ning, k ä n n e t e c kn a t av att ett sandämne formas av kärnsandmateriaíet enligt något av krav 9-14 och att det behandiade sandmaterialet ges en självbärande form genom att formen värmebehandïas under en tid som är tiïïräckïig för att härda hartset.

16. Förfarande eniigt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att värmebehand- lingen innefattar att sandämnet formas inuti en form viïken upphettas tiii åtminstone 121,1°C och att hartset tiiïâtes härda under högst 2 min. inuti formen.

17. Förfarande eniigt krav 15, k ä n n e t e c k na t av att värmebehand- iingen innefattar att det sjäivbärande sandämnet pïaceras i en konventioneïi ugn och att hartset härdas genom att temperaturen i ugnen häïies vid åtminstone 121,1°C under åtminstone 5 min.

18. Förfarande enïigt krav 15, k ä n n e t e c k na t av att värmebehandiingen innefattar att det sjäïvbärande sandämnet pïaceras i en mikrovågsugn och att hartset härdas genom att energi päïägges ugnen under åtminstone 1 min.