SE464802B - Saett foer framstaellning av formar och kaernor som anvaends vid gjutning av metaller - Google Patents

Description

464 802 10 15 20 25 30 35 2 rering av formsanden kräver vidare mekaniska bearbetnings- steg, vid vilka en mängd damm och avfall bildas, vilket förorsakar säkerhetsproblem vid bearbetningen, miljöpro- blem, höga investeringskostnader för sänkning av utsläp- pen, samt kostnader för bortskaffande av avfallet. Det är bl a på grund av pyrolysgaserna, damm och avfall som om- nämnts ovan, som effektiva och dyrbara luftkonditione- rings- och filtreringssystem måste konstrueras i gjuteri.

I den tidigare tekniken är det även känt med sådana förfaranden för framställning av gjutformar och kärnor, vid vilka oorganiska salter, som är lösliga i vatten, ock- så används som bindemedel. Vid dessa förfaranden sker emellertid bindemedlets hårdnande med hjälp av en kemisk reaktion. Ett sådant förfarande har beskrivits tidigare, t ex i US patentet 4 399 858. Det är en avsevärd nackdel vid dylika förfaranden att de reaktionsprodukter som bin- der samman formmaterialets korn har låg smältpunkt. Detta resulterar i sin tur i att formmaterialets korn frigöres och rycks med tillsammans med det smälta metallflödet, särskilt när man gjuter legeringar med hög smältpunkt.

Ett tidigare känt förfarande är den så kallade vat- tenglasmetoden, vid vilken vattenglas används som binde- medel och varvid vattenglaset är en teknisk produkt som utvecklats uttryckligen för vattenglasbindemedelsmetoden.

Vid denna metod är det emellertid väsentligt att vatten- glaset innehåller en överskottsmängd av silikatbestånds- delen. Detta resulterar i det faktum att bindemedlet inte upplöses helt i vatten, utan bildar en lätt hydrolyserbar pseudolösning, varigenom överskottet av SiO2-gel frigöres.

När en sådan Na2O~SiO2-förening, vars SiO2-koncentration som regel är cirka 2,5-faldig jämfört med normalt natrium- metasilikat, förlorar sitt lösningsmedel, dvs vatten, bil- das en helt olöslig förening mellan formkornen. Detta är anledningen till att en form eller kärna, som framställts med hjälp av vattenglasmetoden, inte kan isärtagas eller tömmas så att bindemedlet bortlöses från kornen. Vid vat- tenglasmetoden används vidare mestadels C02-gasning vid 10 15 20 25 30 35 b.

O\ .Ds Of) CD NJ 3 hàrdgöringen, vilket resulterar i bildning av natrium- karbonater och en ökad överskottsmängd av SiO2-gelbe- ståndsdelen bildas, varigenom lösligheten ytterligare minskas. När bindemedlet kommer i kontakt med koldioxid vid den tidigare kända vattenglasmetoden bildas karbo- nater, och när det kommer i kontakt med andra föroreningar bildas andra olösliga föreningar. Det är sålunda ett väsentligt och utmärkande drag hos de tidigare kända för- farandena att det alltid sker kemiska reaktioner, som resulterar i bildning av olösliga föreningar. Det är en ytterligare, väsentlig nackdel med den tidigare kända vat- tenglasmetoden att det kända vattenglaset inte har någon exakt smältpunkt, utan har ett obestämt "smältområde" som börjar vid en mycket låg temperatur.

Föreliggande uppfinning har till ändamål att åstad- komma en betydande förbättring av de tidigare kända för- farandena samt även att undvika de nackdelar som är för- knippade med de tidigare kända förfarandena. I syfte att åstadkomma detta kännetecknas uppfinningen därav, att det bindemedel som används för formblandningen är ett oorga- ni :t salt, som är lösligt i vatten och som har hög smält- punkt, som regel högre än gjuttemperaturen, vilket salt blandas med det korniga formmaterialet som bindemedels- lösning löst i vatten och vilket salt, vid formningsför- farandet, utkristalliseras från sin vattenlösning fysiskt så att bindemedlet bildar en fast brygga mellan kornen av formmaterial, vilken brygga binder samman kornen av form- material, varvid de kemiska egenskaperna hos saltet för- blir oförändrade vid formningsförfarandet och vid gjut- ningsförfarandet, och att saltet, efter gjutningsförfar- andet, är lösbart i vatten eller i en omättad vattenlös- ning av bindemedlet för att isärtaga delarna hos formen.

Vid sättet enligt uppfinningen framställs sålunda formarna och kärnorna genom att binda samman kornen av formmaterial med hjälp av ett oorganiskt salt, som är lös- ligt i vatten och vars smältpunkt som regel är högre än gjuttemperaturen för metaller. Jämfört med tidigare teknik 464 802 10 15 20 25 30 35 4 erhålles flera betydande fördelar med sättet enligt upp- finningen, bland vilka skall nämnas t ex följande.

Under formningen bildas vid sättet enligt uppfin- ningen inga utsläpp, som är skadliga för arbetarnas hälsa, eftersom bindemedlets hårdnande sker utan kemisk reaktion, och vid förfarandet krävs inga katalytiska gaser.

När metallen stelnar eller avkyls under eller efter gjutningen bildas inte några pyrolysgaser, som skulle vara skadliga för miljön och för arbetarnas hälsa eller för kvaliteten hos det gjutna föremålet.

Efter stelning av det gjutna föremålet kan isärtag- ning av formen och av kärnorna ske genom att helt enkelt bortlösa bindemedlet med hjälp av vatten eller en omättad vattenlösning av bindemedlet.

Det formmaterial som har använts för formning och framställning av kärnan kan lätt regenereras enligt den våta vägen för återanvändning.

I det följande skall uppfinningen beskrivas mera i detalj genom att ange de olika stegen hos sättet enligt uppfinningen separat. a) Det bindemedel som används vid sättet enligt uppfin- ningen är en oorganisk förening, som har hög smält- punkt, i synnerhet ett oorganiskt salt, som är lös- ligt i vatten. Det är ett väsentligt drag hos binde- medlet att dess smältpunkt är så hög att det som regel inte smälter ens vid gjutningstemperaturen. b) Bindemedlets egenskaper är vidare sådana, att vid de temperaturer som uppträder under formningen och gjut- ningen, så reagerar bindemedlet inte kemiskt med huvudmineralen i kornen hos formmaterialet och följ- aktligen bildar det inte föreningar, som är olösliga i vatten. c) Av bindemedlet enligt avsnitt a) och b) framställs först en vattenlösning, som blandas med kornen av formmaterial. d) På grund av bindemedelslösningens ytspänning bildar bindemedelslösningen en vätskebrygga, eftersom vät- 10 15 20 25 30 35 e) f) 9) 464 802" 5 skan ansamlas vid kontaktpunkterna mellan kornen av formmaterial.

Bindemedelslösningen har hög viskositet och den har hög vidhäftning till huvudmineralet hos kornen av formmaterialet, vilket resulterar i att kornen av formmaterial "limmas" pá varandra och formblandningen hàlles samman och är formbar fastän bindemedlet självt fortfarande har formen av en lösning.

När det vatten som används som lösningsmedel i binde- medelslösningen avlägsnas från den formblandning som föreligger i formen eller kärnan, bildas en fast brygga av bindemedel i stället för den vätskebrygga som beskrivits under d), vilken fasta brygga fixerar kornen av formmaterial fast till varandra. Det fysi- kaliska tillståndet hos denna "fasta" bindemedels- brygga är delvis kristallint, delvis amorft. Ovan- stående avlägsnande av lösningsmedlet hos bindeme- delslösningen från formblandningen kan t ex utföras genom indunstning, förångning eller kokning. Det är ett ytterligare väsentligt drag hos sättet enligt uppfinningen att avlägsnandet av lösningsmedlet från bindemedlet måste utföras så, att det använda binde- medelssaltet inte reagerar med något sekundärämne.

Sådana sekundärämnen är t ex formkornet självt, för- oreningar på kornet, doppbeläggningsmaterial, smält metall, reaktiva gaser i luften. Denna egenskap är väsentlig för uppfinningen, eftersom bindemedelssal- tet inte fàr bilda en ny kemisk förening, som är olöslig eller dåligt löslig i det använda lösnings- medlet.

Eftersom bindemedlet har de egenskaper som är upp- räknade ovan under a) och b), smälter det inte eller sönderdelas eller förbränns vid de temperaturer som råder under gjutningsförfarandet, och på grund härav bildas i samband med gjutningen inte några pyrolys- gaser, som i motsatt fall skulle orsaka ökat tryck i kärnorna och i delarna hos formen och som vidare 4e4iso2 10 15 20 25 30 35 h) i) j) R) l) 6 skulle resultera i gasporositet i de gjutna föremå- len. Allmänt är gasporositet en betydande nackdel vid hittillsvarande metoder.

Uttagning av det gjutna föremålet genomföras genom att med hjälp av vatten upplösa det vattenlösliga bindemedlet från kontaktpunkterna mellan formmate- rialets korn och från kornytorna.

Kornen av formmaterial kan återanvändas omedelbart efter tvättning och torkning. Torkningen kan utföras genom exempelvis enbart centrifugering.

Mängden upplöst bindemedel som används vid förfaran- det är ca 0,5-20 vikt% av den totala mängden form- material. Optimalt är mängden upplöst bindemedel l-5 vikt% av formmaterialet.

Det är ett väsentligt och mycket utmärkande drag hos sättet enligt uppfinningen att kombinationen av det bindemedel och det korniga formmaterial som används vid sättet, väljs så att de, även vid hög gjutnings- temperatur, inte reagerar kemiskt med varandra så att en i vatten olöslig reaktionsprodukt bildas.

Som en kombination av bindemedel och kornigt form- material i enlighet med avsnitt k) används följande kombination: Som bindemedel används natriumaluminat, NaAlO2, dvs Na2O°Al203, och som kornigt formmaterial används korundkorn, dvs aluminiumoxid Al2O3. Binde- medlets molförhållande kan variera inom vissa grän- ser, men är lämpligen t ex 1:1.

I det följande ges ett exempel på det sätt som en gjutform eller kärna framställs med hjälp av sättet enligt uppfinningen.

EXEMPEL Först framställs den nödvändiga formblandningen genom att blanda kornen av formmaterial och bindemedels- lösning med varandra vid en temperatur av 20-l20°C, så att bindemedelslösningen grundligt smetar ned ytorna på form- materialets korn. När formblandningen har blandats formas formen och kärnan framställs, fortfarande vid 20-120°C, pá -s 10 15 20 25 30 35 7 vanligt sätt. Formningen kan sålunda utföras: l) genom handpackning eller genom handformning, 2) genom formning med hjälp av sandslunga, 3) genom skjutning med en kärnskjutmaskin, 4) genom vibrering och/eller komprimering, 5) genom något annat känt sätt, varigenom man erhåller en löst sammanhängande form eller kärna.

En "färsk" form eller kärna, som framställts på det ovan beskrivna sättet, bringas till önskad behandlings- konsistens genom torkning helt eller delvis. Torkningen utföres pà följande sätt: Utkristallisering av bindemedlet från dess vattenlös- ning framkallas genom att formen och/eller kärnan placeras i ett elektriskt och/eller magnetiskt fält med växlande riktning, varigenom uppvärmning av formblandningen sker genom inverkan av den ökande kinetiska energin hos de elektriskt eller magnetiskt pfilariserade molekylerna eller atomgrupperna. Detta åstadkommes genom att upphetta formen eller kärnan i en mikrovågsugn eller högfrekvensugn, var- vid, genom effekten av rörelsen hos de vattendipoler som finns i formblandningen, formblandningen upphettas invän- digt och hårdnar samtidigt i alla sina delar.

Vid sättet enligt uppfinningen kan luft inte användas vid förångning av lösningsmedlet, inte ens i upphettat tillstånd, eftersom i dylika fall bindemedelsfilmen, som fortfarande har formen av en lösning, skulle reagera skad- ligt, t ex med den koldioxid som finns i luften, och som resultat skulle svàrlösliga karbonater bildas. Vid sättet enligt uppfinningen måste avlägsnandet av lösningsmedlet från formblandningen uttryckligen utföras genom kokning (dvs lösningsmedlets ångtryck måste vara högre än trycket hos luften, gasen eller ångan i omgivningen), varigenom det lösningsmedel som finns i bindemedelsfilmen i form- materialet avkokas och det oorganiska saltet kristallise- ras fullständigt samtidigt som det förenar formkornen med varandra. Vid sättet enligt uppfinningen måste det vara 464 802 10 15 20 25 30 35 8 möjligt att få lösningsmedlet att koka väsentligen samti- digt i varje del av formmaterialet så att lösningsmedlets kokning inte fortskrider långsamt från formblandningens I motsatt fall skulle vid en dylik, långsamt fortskridande kokning, det lösningsmedel yta mot dess inre delar. som finns i blandningen alltid kondenseras skadligt i den kallare delen av formmaterialet. Det är därför som det vid sättet enligt uppfinningen är nödvändigt att använda en upphettningsmetod, som upphettar lösningsmedlet till kokpunkten (i en mättad lösning) samtidigt i varje punkt i formmaterialet. En upphettningsmetod av detta slag är det elektromagnetiska fältet med snabbt växlande riktning, som nämnts ovan, vilket fält verkar på de polariserade vatten- molekylerna så att lösningsmedlet blir varmt och till slut bortkokas fullständigt.

Den fasta form eller kärna som framställts på det ovan beskrivna sättet doppbelägges eller täcks med hjälp av något material, som avvisar smält metall. Doppbelägg- ningsmaterialet är ett material, i vilket lösningsmedlet eller den flytande beståndsdelen hos den fysiska bland- ningen av doppbeläggningsmaterialet är en vätska, som inte upplöser bindemedlet hos kärnan eller formen. Vatten får således inte användas som lösningsmedel eller vätskebe- ståndsdel. När natriumaluminat används som bindemedel kan t ex koncentrerad (absolut) etylalkohol eller aceton an- vändas som lösningsmedel för doppbeläggningsmaterialet.

Lösningsmedlet för doppbeläggningsmaterialet och återsto- den av lösningsmedlet för bindemedlet hos kärnan eller formen, om sådant finnes, avlägsnas från formen eller kär- nan på något sätt, som motsvarar de som används för tork- ning av formen och kärnan.

Därefter sammanföres gjutformarna och kärnorna för gjutningsförfarandet, varvid sammanföringen kan utföras med hjälp av vanligen använda metoder.

Om gjutformen används för gjutning av föremål, som inbegriper tunna väggar eller motsvarande, kan formen med sin kärna upphettas före gjutningen för att förbättra 10 15 20 25 30 35 G25 .P5 O'\ Jäs G) 9 flytbarheten hos metallen eller metallegeringen. Förvärm- ningen kan utföras t ex upp till 50-500°C utan skada på bindemedlet.

För att åstadkomma en kylningseffekt kan å andra sidan gjutformen med kärna kylas t ex till en temperatur av O till -l50°C, vilket inte heller har någon skadlig effekt på bindemedlet. Kylningen kan t ex utföras med hjälp av en kall gas, såsom luft, kväve eller argon, som inte reagerar kemiskt med bindemedlet och resulterar i en vattenolöslig reaktionsprodukt.

Gjutformen med sin kärna kan gjutas antingen normalt i en gjuteriatmosfär eller under negativt tryck vid ett önskat undertryck.Beroende på den önskade kvaliteten hos det gjutna föremålet och/eller den metallegering som skall gjutas, kan gjutformen med sin kärna också fyllas med en lämplig inert gas, såsom kväve eller argon, varigenom reaktion mellan aktiva gaser och smält metall förhindras.

I en form och kärna, som framställts på det ovan be- skrivna sättet, finns riktigt med utrymme mellan form- kornen, vilket gynnar rörelse hos de nödvändiga gaserna i formarna eller kärnorna, vilket innebär att gasgenomträng- ningen hos en färdig form och kärna är mycket god. Gas- genomträngningen kan maximeras när formmaterialets korn- storlek är så stor som möjligt och när formmaterialets korn har samma storlek. Styrkan hos kärnan eller formen är icke desto mindre tillräckligt hög. I formar och kärnor, som framställts medelst konventionella metoder, används som regel inte korn med enhetlig storlek, eftersom i sådana falla formarna och kärnorna skulle falla sönder.

Efter det att den gjutna metallen eller metallege- ringen har kristalliserat kan isärtagning av formarna och kärnorna utföras enkelt genom att upplösa bindemedlet hos formmaterialet med hjälp av vatten, eftersom det använda bindemedlet är sådant att det, efter eventuell fyllning med inertgas, upphettning eller kylning, gjutning och kristallisation av den gjutna metallen, återupplöses i lösningsmedlet, dvs vatten, varigenom urtagning av det 464 802 lO 15 20 25 30 35 10 gjutna föremålet sker utan dammning och utan skadliga ut- släpp i flytande fas. Detta är orsaken till att man vid sättet enligt uppfinningen bl a undviker de nackdelar med § den tidigare tekniken som hänför sig till säkerhet i arbe- tet och till miljöaspekter och som redan omnämnts ovan i f föreliggande beskrivning. Upplösningen av bindemedlet kan ske t ex med hjälp av en vattenstråle, vatten-ångstråle eller genom att nedföra föremålet i vatten.

Efter det att formen eller kärnan har isärtagits på det ovan beskrivna sättet separeras formmaterialkornen från blandningen av vattenlösning för återanvändning efter tvättning och torkning. Vid sättet kan sålunda bindemedlet alltid återanvändas, varigenom man uppnår en nästan sluten cirkulation. En lösning av bindemedel i vatten kan använ- das för isärtagning, beroende på temperaturen, tills kon- centrationen av bindemedlet i lösningen har ökat till 30-50 vikt%. Det slam som bildas från doppbeläggningsmate- rialet kan avlägsnas från isärtagningslösningen genom fil- trering. Bindemedlet kan separeras från isärtagningslös- ningen, när denna är kall, genom kristallisation eller genom indunstning av lösningen till torrhet.

Bindemedelslösningen är starkt alkalisk, men gör emeller- tid inte vattendragen eutrofa, varigenom den inte förorsa- kar skada på miljön. Järnmetaller rostar inte genom inver- kan av bindemedelslösningen, eftersom bindemedelslösningen passiverar ytan på järnmetaller.

Sättet enligt uppfinningen har beskrivits ovan med hjälp av ett exempel, men uppfinningen är emellertid inte begränsad enbart till detta exempel. Uppfinningen kan mo- difieras och varieras inom ramen för uppfinningsidén, som k? definieras i det bifogade patentkravet.

Claims (1)

10 15 20 25 30 35 ll PATENTKRAV Sätt för framställning av formar och kärnor vid gjut- ning av metaller, vid vilket formarna och kärnorna fram- ställs av ett kornigt formmaterial samt av ett bindemedel, som binder samman formmaterialkornen, k ä n n e - t e c k n a t som används som form- därav, att korn, material, utgöres av korund, och att natriumaluminat (Na2O~Al203), vars molförhàllande är väsentligen 1:1 och vilket salt är lösligt i vatten, används som bindemedel och vilket salt blandas med det korniga formmaterialet som bindemedelslösning löst i vatten, och vilket salt, vid formningsförfarandet, utkristalliseras från sin mättade vattenlösning genom användning av mikrovágsenergi så att, sedan vattnet avlägsnats, saltet bildar en fast brygga mellan kornen av formmaterial, vilken brygga binder samman kornen av formmaterial, varvid saltets kemiska egenskaper förblir oförändrade vid formningsförfarandet och vid gjut- ningsförfarandet, och att saltet efter gjutningsförfaran- det är upplösbart i vatten eller i en omättad vattenlös- ning av saltet för att enkelt sönderdela formens delar med vatten vid uppslagningssteget.