基于無機粘結劑的模具材料混合物及用于制造用于金屬鑄造的模具和型芯的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于無機粘結劑的模具材料混合物，所述模具材料混合物用于制造用 于金屬鑄造的模具和型芯，所述模具材料混合物由至少一種耐火的基本模具材料、無機粘 結劑和作為添加劑的顆粒無定形二氧化硅組成。本發(fā)明還涉及使用所述模具材料混合物制 造模具和型芯的方法。
【背景技術】
[0002] 鑄造模具基本上由代表待制造的鑄件的相反形狀的模具或模具和型芯構成。所述 型芯和模具由耐火材料（例如石英砂）和合適的粘結劑組成，所述粘結劑將足夠的機械強 度賦予從模具中取出之后的鑄件。耐火的模具基本材料優(yōu)選以自由流動的形式存在，從而 其可以裝入合適的模腔并且在模腔內(nèi)壓縮。粘結劑在模具基本材料的粒子之間產(chǎn)生牢固的 內(nèi)聚力，從而使鑄造模具達到所需的機械穩(wěn)定性。
[0003] 在鑄造中，模具形成鑄件的外壁，型芯用于在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生空腔。模具和型芯并不 絕對必要由相同的材料制成。例如，在冷鑄中，使用金屬永久模來形成鑄件外部區(qū)域的形 狀。由不同組合物的模具混合物和使用不同的方法來制造模具和型芯的組合也是可能的。 如果為了簡化在下文僅使用術語"模具"，則陳述同樣也適用于基于相同的模具混合物并根 據(jù)相同的方法制造的型芯。
[0004] 模具可以使用有機粘結劑和無機粘結劑兩者來制造，所述有機粘結劑和無機粘結 劑在每種情況下可以通過冷法或熱法進行固化。
[0005] 冷法是適用于在基本上不加熱模制工具的情況下（通常在室溫下或在足以產(chǎn)生 所需反應的溫度下）所進行的方法的名稱。例如，在將氣體通過待固化的模具材料混合物 并在此時產(chǎn)生化學反應的情況下進行固化。在熱法中，模具材料混合物在模制之后例如由 熱的模制工具加熱至足夠高的溫度，以排出粘結劑中存在的溶液和/或引發(fā)用于固化粘結 劑的化學反應。
[0006] 由于有機粘結劑的技術特性，它們目前在市場上具有巨大的經(jīng)濟意義。然而，無論 它們的組成為何，它們具有在鑄造過程中分解，由此散發(fā)顯著量的有害材料（如苯、甲苯和 二甲苯）的缺點。另外，有機粘結劑的鑄造通常會導致氣味和煙霧的危害。在一些系統(tǒng)中， 有害的排放物甚至在型芯的制造和/或儲存過程中出現(xiàn)。即使多年來通過粘結劑的開發(fā)而 已經(jīng)逐步減少排放物，但使用有機粘結劑不能完全避免排放物。出于這個原因，近年來，研 宄和開發(fā)活動再次轉向無機粘結劑，以改善它們以及使用它們制造的模具和型芯的產(chǎn)品性 質(zhì)。
[0007] 無機粘結劑，特別是基于水玻璃的那些無機粘結劑早已已知。在20世紀50年代 和60年代期間發(fā)現(xiàn)無機粘結劑的最廣泛的使用，但隨著現(xiàn)代有機粘結劑的出現(xiàn)，無機粘結 劑很快失去了其意義。三種不同的方法可用于固化水玻璃：
[0008] -使氣體（例如CO2、空氣或兩者的組合）通過水玻璃，
[0009] -添加液體或固體固化劑，例如酯
[0010] -熱固化，例如熱箱法（Hot Βοχ-Verfahren)或通過微波處理。
[0011] 例如在 GB 634817 中描述了 CO2固化；例如在 H. Polzin，W. Tilch 和 T. Kooyers， Giesserei-Praxis 6/2006,第171頁中描述了使用未添加0)2的熱空氣的固化。通過隨 后用空氣沖洗而進一步發(fā)展CO 2固化公開于DE 102012103705. 1中。酯固化例如由GB 1029057 而已知（所謂的自硬法（No-Bake-Verfahren))。
[0012] 水玻璃的熱固化例如在US 4226277和EP 1802409中討論，其中在后一種情況中， 將顆粒合成無定形SiO2添加至模具材料混合物中以增加強度。
[0013] 其它已知的無機粘結劑是基于磷酸鹽和/或硅酸鹽和磷酸鹽的組合，其中固化同 樣根據(jù)上述方法進行。在這方面，可以提及如下作為例子：US 5, 641，015(磷酸鹽粘結劑， 熱固化）、US 6, 139, 619 (硅酸鹽/磷酸鹽粘結劑，熱固化）、US 2, 895, 838 (硅酸鹽/磷酸 鹽粘結劑，CO2固化）和US 6, 299, 677 (硅酸鹽/磷酸鹽粘結劑，酯固化）。
[0014] 在所引用的專利和申請EP 1802409和DE 102012103705. 1中，建議將無定形二氧 化硅添加至模具材料混合物中的每一種中。3102具有改進型芯在暴露于熱之后（例如在鑄 造之后）分解的作用。在EP 1802409 Bl和DE 102012103705. 1中廣泛地說明了添加合成 顆粒無定形3102帶來強度的明顯增加。
[0015] 在EP 2014392 Bl中，建議將無定形球狀SiO2的懸浮體添加至模具材料混合物 中，所述模具材料混合物由模具材料、氫氧化鈉、堿金屬硅酸鹽基粘結劑和添加劑組成，其 中SiO 2應以2個粒子尺寸類別存在。通過這種方式，將獲得良好的可流動性、高的彎曲強 度和高的固化速度。
[0016] 問題的陳述
[0017] 本發(fā)明的目的是進一步改進無機粘結劑的性質(zhì)，以使它們可更普遍的使用，并幫 助它們成為對目前占主導的有機粘結劑的甚至更好的替代。
[0018] 特別地，希望提供模具材料混合物，所述模具材料混合物有可能基于進一步改進 的強度和/或改進的壓實來制造具有更復雜幾何形狀的型芯，或者在更簡單的型芯幾何形 狀的情況下，所述模具材料混合物有可能降低粘結劑的量和/或縮短固化時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的概述
[0020] 所述目標通過具有獨立權利要求的特征的模具材料混合物來實現(xiàn)。有利的進一步 發(fā)展形成從屬權利要求的主題，并在如下描述。
[0021] 出乎意料地，據(jù)發(fā)現(xiàn)在無定形二氧化硅中，存在就作為粘結劑的添加劑的效果而 言明顯不同于其他無定形二氧化硅的類型。如果添加的添加劑為顆粒無定形Si0 2(其通過 ZrSiO4熱分解而形成ZrO 2和SiO 2，隨后基本上完全或部分除去ZrO2而產(chǎn)生），則可以看出 在添加相同的量和在相同的反應條件下，獲得了強度的出乎意料的大的改進和/或與使用 EP1802409B1中提及的來自其它生產(chǎn)過程的顆粒無定形SiO 2相比更高的型芯重量。在相同 的型芯外部尺寸時型芯重量的增加伴隨著透氣性的降低，表明模具材料粒子的更緊密的堆 積。
[0022] 根據(jù)如上方法制得的顆粒無定形SiO2也稱為"合成無定形Si02"。顆粒無定形SiO 2 也可以描述用于根據(jù)如下累積的或可選擇的參數(shù)的生產(chǎn)。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的模具材料混合物至少含有：
[0024] -耐火的模具基本材料，
[0025] -無機粘結劑，其優(yōu)選基于水玻璃、磷酸鹽或兩者的混合物，
[0026] -由顆粒無定形SiO2組成的添加劑，其中所述顆粒無定形SiO2通過ZrSiO4熱分解 而形成ZrOjP SiO2獲得。
[0027] 本發(fā)明的詳細描述
[0028] 制備模具材料混合物所通常遵循的工序是，最初取出耐火的模具基本材料混合 物，然后在攪拌的同時添加（一起或相繼）粘結劑和添加劑。當然，也有可能首先完全或部 分添加（一起或分開）組分，并在添加過程中或在添加之后攪拌組分。優(yōu)選地，粘結劑在添 加劑之前引入。攪拌直至確保粘結劑和添加劑在模具基本材料中均勻分布。
[0029] 然后使模具基本材料達到所需形式。在此過程中，使用常規(guī)模制方法。例如，可以 使用射芯機利用壓縮空氣將模具材料混合物射入模制工具中。另一種可能性是使模具材料 混合物從混合器自由地流入模制工具中，并通過搖動，沖壓或壓制而在模制工具中壓實模 具材料混合物。
[0030] 在本發(fā)明的一個實施方案中，使用熱箱法進行模具材料混合物的固化，即在熱工 具的協(xié)助下固化模具材料混合物。熱工具優(yōu)選具有120°C，特別優(yōu)選120°C至250°C的溫度。 優(yōu)選地，在所述方法中，將氣體（如CO 2或富含CO2的空氣）通過模具混合物，其中該氣體優(yōu) 選具有100至180°C，特別優(yōu)選120至150°C的溫度，如EP 1802409 Bl中所述。如上方法 (熱箱法）優(yōu)選在射芯機中進行。
[0031] 獨立于上述方法之外，固化也可以如下進行：將CO2XO2/氣體混合物（例如空氣） 或CO 2和氣體/氣體混合物（例如空氣）依次（如在DE 102012103705中詳細描述）通過 冷模制工具或通過包含于冷模制工具中的模具材料混合物，其中術語"冷"表示低于KKTC， 優(yōu)選低于50°C的溫度，并特別為室溫（例如23°C )。通過模制工具或通過模具材料混合物 的氣體或氣體混合物優(yōu)選可以稍微加熱，例如加熱直至120°C，優(yōu)選加熱直至100°C，特別 優(yōu)選加熱直至80°C的溫度。
[0032] 最后但并非最不重要的，作為兩種上述方法的替代，也有可能在模制之前混合液 體或固體固化劑與模具材料混合物，這將隨后產(chǎn)生固化反應。
[0033] 通常的材料可用作用于制造鑄造模具的耐火的模具基本材料（以下簡單地稱為 模具基本材料）。合適的材料是，例如，石英砂、鋯英砂或鉻英砂、橄欖石、蛭石、鋁土礦和耐 火粘土。在該方法中沒必要僅使用新砂。為了保護資源并避免處理成本，甚至有利的是使 用最大可能分數(shù)的再生舊砂。
[0034] 例如，在WO 2008/101668( = US 2010/173767A1)中描述了合適的砂。通過洗滌并 且隨后干燥而獲得的再生材料也是合適的。也可以使用通過純機械處理而獲得的再生物。 一般來說，再生物可以構成模具基本材料的至少70重量％，優(yōu)選至少約80重量％，特別優(yōu) 選至少約90重量％。
[0035] 一般來說，模具基本材料的平均直徑在100 μ m和600 μ m之間，優(yōu)選在120 μ m和 550 μL?之間，特別優(yōu)選在150 μL?和500 μL?之間。粒子尺寸可以例如根據(jù)DIN 66165(第2 部分）通過篩分而確定。
[0036] 另外，合成模具材料也可以用作模具基本材料，特別是用作通常模具基本材 料的添