包含粒狀形式的鋁和鋯的金屬氧化物的模具材料混合物的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模具材料混合物，包含與耐火模具基礎(chǔ)材料和水玻璃類粘合劑系統(tǒng)組 合的至少一種α相氧化鋁和/或除了具有層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)的鋁/硅混合氧化物之外的至 少一種鋁/硅混合氧化物，作為粒狀金屬氧化物。該粒狀金屬氧化物在室溫下表現(xiàn)出少量 或沒有與堿性水玻璃反應(yīng)的趨勢。該模具材料混合物用于生產(chǎn)用于鑄造業(yè)的模具和芯。
【背景技術(shù)】
[0002] 鑄?；旧嫌啥嘟M模具和芯組成，其代表有待生產(chǎn)的鑄件的陰模（negative forms)。這些芯和模具由耐火材料（例如，石英砂）和合適的粘合劑組成，在從模制工具脫 除后該粘合劑賦予鑄模足夠的機械強度。因此，將用合適的粘合劑包裹的耐火模具基礎(chǔ)材 料用于生產(chǎn)鑄模。優(yōu)選地以自由流動的形式使用耐火模具基礎(chǔ)材料，使得它可以填充合適 的中空模具并在此壓實。粘合劑產(chǎn)生模具基礎(chǔ)材料的顆粒之間的牢固結(jié)合，使得鑄模將實 現(xiàn)所需的機械穩(wěn)定性。
[0003] 鑄模必須滿足多種要求。在實際的鑄造過程中，它們首先必須表現(xiàn)出足夠的強度 和熱穩(wěn)定性以容納由一個或多個鑄模（部分模具）組成的中空模具中的液體金屬。在固化 過程開始之后，鑄件的機械穩(wěn)定性由沿著鑄模壁形成的一層固化金屬保證。鑄模材料現(xiàn)在 必須在由金屬釋放的熱的影響下分解，使得它失去它的機械強度，從而耐火材料的各顆粒 之間的結(jié)合消失。在理想情況中，鑄模再次破碎成可以從鑄件中容易脫除的細砂。
[0004] 此外，近年來，越來越要求在盡可能的情況下，在鑄件生產(chǎn)和冷卻過程中不應(yīng)當(dāng)釋 放CO 2或烴形式的空氣污染，以保護環(huán)境并限制由于烴（主要是芳香族的）引起的環(huán)境中 的異味。為了滿足這些要求，在過去的幾年中，已經(jīng)發(fā)展或進一步發(fā)展了無機粘合劑系統(tǒng)， 使用其使金屬模具生產(chǎn)過程中避免CO 2和烴的排放或至少將其降至最低成為可能。然而， 使用無機粘合劑系統(tǒng)往往造成其他缺點，這將在以下的討論中詳細描述。
[0005] 無機粘合劑與有機粘合劑相比具有由它們生產(chǎn)的鑄模具有相對低強度的缺點。這 在緊接著從工具脫除鑄模之后特別明顯。然而，此時良好的強度對于復(fù)雜的和/或薄壁模 制品的生產(chǎn)及它們的安全處理是特別重要的。與有機粘合劑相比，耐大氣濕度性也顯著較 低。
[0006] DE 102004042535 A1(US 7770629 B2)公開了通過使用耐火模具基礎(chǔ)材料、水玻 璃類粘合劑和選自二氧化硅、氧化鋁、氧化鈦和氧化鋅的組中的一部分（share)的粒狀金 屬氧化物可以實現(xiàn)較高的初始強度和較高的耐大氣濕度性。添加細節(jié)是使用粒狀無定形二 氧化硅。
[0007] 無機粘合劑系統(tǒng)與有機粘合劑系統(tǒng)相比具有另外的缺點，由它們生產(chǎn)的鑄模往往 導(dǎo)致鑄件上明顯的砂粘附和滲透，其與相當(dāng)大的清潔努力及因此用于鑄造的較高成本相 關(guān)。
[0008] 除了去核化行為之外，即，在由純的無機材料（例如，使用水玻璃作為粘合劑的那 些）生產(chǎn)的鑄模的情況中相比于在用有機粘合劑生產(chǎn)的鑄模的情況中，金屬鑄造之后鑄模 快速碎裂（當(dāng)應(yīng)用機械應(yīng)力后）成自由流動形式的能力經(jīng)常令人不太滿意。當(dāng)使用傾倒完 成之后理論上難以脫除的薄壁或精致或復(fù)雜的鑄模時，該最后命名的性質(zhì)，較為不良的去 核化行為，是尤其不利的。例如，可以提及用于生產(chǎn)內(nèi)燃機的某些區(qū)域所需的所謂的水套芯 (water jacket core)〇
[0009] 還已知可以將在熱金屬的影響下經(jīng)歷熱解或反應(yīng)且因此在一方面通過形成孔在 鑄造之后促進鑄模的碎裂，以及在另一方面可以導(dǎo)致改善的鑄件表面的有機組分添加至模 具材料混合物。然而，在模具材料混合物中使用有機組分導(dǎo)致傾倒過程中CO 2和其他熱解 產(chǎn)物的排放。
[0010] US 3203057公開了由細耐火材料、液體粘合劑和含Al2O3的活性物質(zhì)組成的模具 材料混合物，其中，液體粘合劑尤其是堿性硅酸鹽溶液，以及含Al 2O3的活性物質(zhì)在金屬鑄 造之后改善鑄模的去核化行為。將含Al2O 3的活性物質(zhì)定義為純的氧化鋁，已知的混合氧化 物如硅酸鋁，粘土礦物質(zhì)如膨潤土或蒙脫石，天然存在的含Al2O 3的活性物質(zhì)如鋁礬土以及 其他礦物質(zhì)如水泥和高嶺土。此處僅以非常概括的方式描述了含Al2O 3的活性物質(zhì)，且對于 這些物質(zhì)特別適用于鑄模的去核化能力、模具材料混合物的加工時間或談?wù)撹T件的鑄件表 面質(zhì)量沒有準(zhǔn)確信息。
[0011] US 4233076公開了由砂子、堿性硅酸鹽粘合劑、選自碳酸亞烷基酯、有機單羧酸或 二羧酸或它們的甲酯、正或二羧酸或它們的甲酯、二氧化碳或高爐礦渣和它們的含Al 2O3的 物質(zhì)的組中的至少一種固化劑組成的模具材料混合物，其平均粒徑分布落在0. 2和5 μ m之 間。
[0012] 描述的是含氧化鋁的固體優(yōu)選地具有3至40m2/g之間的BET比表面積。Al 2O3 ·3Η20 是優(yōu)選公開的。
[0013] JP 4920794 Bl公開了由鑄造用砂、堿性硅酸鹽粘合劑和由酸性的、球形的氧化鋁 制成的無定形球狀體組成的模具材料混合物。這些無定形球狀體應(yīng)該用作所謂的"超增塑 劑"并支持固化，最終產(chǎn)生較高的強度。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)的問題以及問題陳述
[0015] 迄今已知的用于鑄造目的的無機粘合劑系統(tǒng)仍留有改善空間。具體地，期望發(fā)展 以下的無機粘合劑系統(tǒng)：
[0016] (a)在金屬鑄造過程中，不允許或至少顯著減少形成的0)2和有機熱解產(chǎn)物，氣態(tài) 和/或氣溶膠（例如，芳香族烴）的排放量，
[0017] (b)達到適當(dāng)水平的強度，其在自動化制造過程中是必要的，尤其是足夠的熱強度 和存儲后強度，
[0018] (C)使非常良好的鑄件表面質(zhì)量成為可能（甚至在不使用耐火涂層的情況下），使 得沒有后處理或至少僅輕微的后處理是必要的，
[0019] (d)導(dǎo)致鑄模在金屬鑄造之后良好的碎裂特征，使得可以容易且無殘留地從鑄模 中脫除所述的鑄件，
[0020] (e)在熱固化和/或CO2固化的情況中，容許用它生產(chǎn)的模具材料混合物的最長可 能的加工時間，以及
[0021] (f)通過模具基礎(chǔ)材料，產(chǎn)生可流動的模具材料混合物，使得具有復(fù)雜幾何形狀的 鑄?？梢猿蔀榭赡?。
[0022] 因此，本發(fā)明是基于供給用于生產(chǎn)滿足以上描述的要求（a)-(f)的金屬加工用鑄 模的模具材料混合物的任務(wù)。
[0023] 具體地，根據(jù)本發(fā)明的模具材料混合物由以下事實表征：它改善了談?wù)撹T件的鑄 件表面，而沒有依靠于添加有機添加劑。尤其在鐵和鋼的鑄造中，還有輕金屬和有色金屬 (nonferrous metal)的鑄造中，可以作出該觀察。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 具有獨立權(quán)利要求的特征的模具材料混合物滿足了以上描述的要求。根據(jù)本發(fā)明 的模具材料混合物的進一步有利的實施方式形成從屬權(quán)利要求的主題或在以下描述。
[0025] 用于生產(chǎn)金屬加工用鑄模的根據(jù)本發(fā)明的模具材料混合物至少包含：
[0026] a)耐火模具基礎(chǔ)材料，
[0027] b)無機粘合劑和
[0028] c)至少一種粒狀金屬氧化物，其中，該粒狀金屬氧化物
[0029] -包含以下各項或由其組成：至少一種α相氧化鋁和/或
[0030] -除具有層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)的鋁/硅混合氧化物之外，至少一種鋁/硅混合氧化物。
[0031] 出人意料地，發(fā)現(xiàn)添加鋁和鋯的粒狀氧化物，特別是與無定形的粒狀二氧化硅一 起至模具材料混合物，使生產(chǎn)基于無機粘合劑的鑄模成為可能，其緊接著生產(chǎn)之后和長時 間存儲之后表現(xiàn)出高強度。具體優(yōu)勢在于以下事實：在金屬鑄造之后，得到具有非常高的表 面質(zhì)量的鑄件，特別是由鐵或鋼制成的鑄件，使得在脫除鑄模之后，僅少量或甚至沒有鑄件 表面的后處理是必要的。
[0032] 由鐵或鋼制成的所述鑄件的表面質(zhì)量有時甚至具有可以在用耐火層涂覆的有機 粘合鑄件輔助下生產(chǎn)的那些表面?？梢酝ㄟ^所謂的大?。╯ize)實現(xiàn)耐火涂層，在生產(chǎn)它們 之后必須將其施加至鑄模。因此根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的模具材料混合物的優(yōu)勢在于以下事實： 至少涂覆過程可以省略，其意味著對于相應(yīng)鑄造的顯著成本節(jié)約。
[0033] 模具材料混合物優(yōu)選地不包含任何有機組分，使得沒有CO2和其他熱解產(chǎn)物的排 放發(fā)生。出于這個原因，可以減少對健康有害的排放的污染，特別是工作地點的污染。
[0034] 使用根據(jù)本發(fā)明的模具材料混合物還有助于減少破壞氣候的排放（0)2和其他有 機熱解產(chǎn)物）。
[0035] 粒狀金屬氧化物不具有或具有至少非常低的與無機粘合劑，特別是堿性水玻璃的 反應(yīng)性。
【具體實施方式】
[0036] 可以將常見的材料用作用于生產(chǎn)鑄模的耐火模具基礎(chǔ)材料。例如，以下是合適的： 石英或絡(luò)礦砂、橄欖石、輕石（vermiculite)、錯研；土和耐火粘土，特別是基于耐火模具基礎(chǔ) 材料，大于50wt. %的石英砂。不必要排他性地使用新砂。事實上，為了節(jié)約資源和避免填 埋成本，甚至有利的是使用最高可能份數(shù)的再生舊砂。耐火模具基礎(chǔ)材料優(yōu)選地構(gòu)成大于 80wt. %，特別是大于90wt. %的模具材料混合物。
[0037] 例如，WO 2008/101668( = US 2010/173767 Al)中描述了合適的再生砂。還合適 的是通過洗滌及然后的干燥得到的再生物。可用的但不太優(yōu)選的是通過單純的機械處理得 到的再生物。一般說來，再生物可以取代至少約70wt. %的新砂（在耐火模具基礎(chǔ)材料中）， 優(yōu)選地至少約80wt. %以及特別優(yōu)選地至少約90wt. %。
[0038] 加熱至至少200°C的溫度用于再生以及特別地在該熱處理過程中移動的耐火模具 基礎(chǔ)材料的再生物是優(yōu)選的。
[0039] 此外，也可以將合成的模具材料用作耐火模具基礎(chǔ)材料，例如玻璃珠、玻璃顆 粒、或球形陶瓷模具基礎(chǔ)材料或稱為" Cerabeads "或" Carboaccucast "的娃酸錯微中空 球體（所謂的微球體）。例如，Norderstedt的Omega Minerals Germany GmbH在名稱 " ω-球體"下以具有不同氧化鋁含量的多種級別出售這種硅酸鋁中空微球體。例如，由PQ Corporation (USA)在名稱"Extendospheres"下可獲得相應(yīng)的產(chǎn)物。
[0040] 一般說來，耐火模具基礎(chǔ)材料的平均直徑在100 μ m和600 μ m之間、優(yōu)選地120 μ m 和550 μ m之間以及特別優(yōu)選地150 μ m和500 μ m之間。例如，可以根據(jù)DIN 66165 (第2部 分）用根據(jù)DIN IS03310-1的分析篩通過篩分分析確定平均粒徑。特別優(yōu)選的是具有1:1 至1:5或1:1至1:3的最大縱向尺寸與最小縱向尺寸（在任意空間方向上）的比值的顆粒 形狀，即，不是例如纖維狀的那些。
[0041 ] 在鑄造實驗中，特別是