制造铸造用砂模和/或型芯的方法和粘合剂组合物

摘要

用于制作铸造用型芯和/或模型的粘合剂，其含有硅酸烷基酯，优选硅酸四乙酯；碱金属硅酸盐水溶液，该碱金属硅酸盐优选硅酸钠，该溶液还含有碱金属氢氧化物，优选氢氧化钠，加入到该混合物中，和最后上述所有物质被混合直到该砂呈现均匀外观和构成。本发明的另一方面包括制造铸造用砂模的方法，该方法包括将铸造砂与用本发明的粘合剂混合，将还具有0.5％-2.5％水的、混有该粘合剂的该砂利用室温下的空气吹入冷芯盒，一旦冷芯盒模具填满该砂，通入热气流以干燥和硬化该粘合剂，从而铸造用模型。

说明书

技术领域

本发明涉及在模型中金属铸塑的技术领域，和更特别涉及制造用于铸塑轻 金属如铝、镁的砂模(sand molds)和/或型芯(cores)；更具体而言，涉及以粘 合剂使用为基础的砂模和/或型芯的制造系统，该粘合剂基于碱金属硅酸盐、淀 粉和其它添加剂，相对于目前使用的粘合剂，本系统提供了很多的优点。

本申请中，术语“模型(mold)”应包括型芯(除明确说明或文中明确指出 不包括在内)。

背景技术

关于环境和其相关资金和运行成本，其需要长制造时间且还带来在模型中 凝固后从金属铸件中去除砂的问题，目前使用的用于制造铸造用砂模的粘合剂 具有许多缺陷。

目前使用的粘合剂典型地以酚树脂和多异氰酸酯为基础，其不需要用于固 化或硬化的加热，而相反需要催化剂和化学品，例如胺(如三乙胺)或二氧化碳。 但由于在模型中铸塑金属的热产生有毒蒸汽和气体，处理这些材料会造成健康 和安全问题。还存在其他含有呋喃的粘合剂，其通过与二氧化硫反应固化，类 似地会造成环境问题。

在铝和其他轻金属铸造工业(特别是汽车和航空铝铸件)中需要克服了当 前粘结剂的缺陷的砂粘合剂；同时能够降低材料成本，不散发有毒气体，并以 低运行成本使用(关于降低用于其固化和在铸塑产品固化后其去除的能源)。

以硅酸钠和碳水化合物为基础的粘合剂在市场上已经有几个方案，其可溶 解于水，并且不会呈现出酚树脂和聚氨酯树脂(urethane resin)的环境问题。然而， 这些现有的硅酸盐基粘合剂在其他重要所需性能方面令人不满的缺乏或不足。 例如，当通过空气吹成模型(此处砂采用预定的几何形状)时，加入到此粘合 剂中的准备的砂缺乏适当的砂流动性以有效流动。此外，得到的模型和/或型芯 的粘合强度倾向于缺乏在承受加工和为保持其精确尺寸的液态金属的压力所需 的机械强度。而且，这些现有砂模在熔融金属凝固后倾向于不容易被毁坏(因 为需要允许有效砂回收利用和再循环)。

上述这些现有技术中所缺少的所需品质可以由本发明的粘合剂提供，该粘 合剂包括下列成份：(1)碱金属硅酸盐(如NaSiO2)；(2)碱金属氢氧化物(如NaOH)； (3)淀粉(如玉米粉和/或木薯淀粉)；(4)硅酸烷基酯(如硅酸四乙酯)；和(5)水。

发现与发明有关的现有技术的有些出版物如下：

授予Moore等的美国专利5,089,186的重新出版美国专利号Re 35334，描述 了去除可以由塑料或金属形成的模制产品的砂芯(sand core)的方法，其中该砂 通过由碱金属硅酸盐和碳水化合物组成的粘合剂粘合，该碳水化合物可以是糖 精或淀粉。使用的粘合剂通过热固化。型芯和该制品暴露于水，优选浴中的热 水或蒸汽，以便其从模制的产品中的快速分解(disintegration)和去除。

美国专利号5,248,552号描述了与硅酸钠和碳水化合物粘合的砂芯，该碳水 化合物可以是淀粉。该专利是上述美国专利5,089,186的分案申请，其要求保护 砂芯，而之前的专利要求保护从模制的金属或塑料制品中去除砂芯的方法。

美国专利号4,070,196描述了铸造模型和型芯组合物，其分解通过加入水解 淀粉和硅酸钠而促进。该水解淀粉具有小于5的右旋糖(dextrose)当量。

美国专利号4,226,277描述了硅酸钠粘合剂，它同样包含添加剂，例如氧化 铝、硼砂、粘土、高岭土、膨润土、氧化铁和石墨。该专利同样建议增加糖类， 例如右旋糖、葡萄糖和其他多糖。该专利没有建议在粘合剂组合物中添加硅酸 烷基酯或者淀粉混合物。尽管该专利提到用热空气固化砂试样(probes)，但是 该粘合剂组合物却非常相同。

美国专利号4,329,177描述了用于制造铸造用砂芯的水性溶液的组合物，其 通过混合碱金属硅酸盐和水溶性碳水化合物(单糖、多糖和它们的衍生物)获 得。它还含有尿素。该粘合剂通过二氧化碳处理，其关于仅需要热的固化过程 具有缺点。该专利同样没有建议在粘合剂组合物中使用硅酸烷基酯。

美国专利4,763,720描述了制造易分解的砂模的方法，其中该砂被两种粘合 剂粘合：无机的粘合剂是硅酸钠，有机的粘合剂是淀粉。首先将淀粉和水混合 然后与硅酸盐一起加入该砂中。型芯优选使用微波固化。然而该专利没有提到 或者建议使用硅酸烷基酯，也没有建议采用热空气体来硬化用于当前在工业中 使用的工艺和设备中所用的粘合剂。

上述专利中都没有提到在粘合剂组合物中加入硅酸烷基酯，也没有建议在 冷芯盒法(cold box process)中使用热气体与目前同酚-聚氨酯(phenol-urethane) 粘合剂一起使用的加工工具和设备来硬化形成的型芯和模型。

上述提到的专利仅提到了本发明的两个基本成分，而且没有被发现现有技 术显示在硅酸钠和氢氧化钠的组合中使用了硅酸烷基酯及如本发明中的粘合 剂。

此处要求保护的粘合剂浸透了砂，和该粘合剂混合物具有流动性、力阻 (mechanical resistance)和在金属凝固后砂易去除的品质，以提供优于目前用于制造 模型和型芯的表面上类似方法的这几个显著优点。

发明目的

因此，本发明的目的是提供用于制造铸造用砂模和型芯的粘合剂，该粘合 剂是成本低和对环境温和的，其中可以容易地使用已安装在铸造厂中的使用酚 和/或聚氨酯粘合剂的冷芯盒加工工具。

本发明的另一目的是提供用于非铁金属铸塑用砂模和/或型芯，鉴于其低制 造成本和其实环境友好的事实，其提供了优于目前汽车、航空工业中使用的模 型和型芯的很多优点。

本发明的目的通过提供用于生产铸造用砂芯和/或模型的粘合剂而实现，包 括将所述砂与占该砂的总重量0.2wt％-1.5wt％比例的硅酸烷基酯(优选硅酸四 乙酯)混合40-60s的时间，；添加占该砂总重量1.0wt％-2.5wt％比例的碱金属 硅酸盐水溶液，该碱金属硅酸盐优选硅酸钠，其还包含氢氧化钠，并混合它们 35-50s的时间，(在优选的具体实施方式中，这种硅酸盐水溶液含有85％-95％的 硅酸钠，2％-6％的氢氧化钠，4％-13％的水)，最后混合所有上述物质直到该砂 呈现具有均匀外观和构成。

本发明的目的还是通过提供制造铸造用砂模的方法满足的，该方法包括用 将铸造砂与本发明的粘合剂混合，将还具有0.5％-2.5％水的混有粘合剂的砂利用 室温下的空气吹入冷芯盒，个一旦该冷芯盒模型已经填满该砂，将热气流通过 该砂以干燥和硬化粘合剂，从而获得铸造用模型。

发明优选实施方案详述

描述在本说明书中的本发明的优选形式主要涉及其在铝合金铸造工业中的 应用，但是在更宽方面本发明在其他非铁金属铸造工业和塑料模塑中也可以适 用是显而易见的。

此处要求保护的粘合剂包括以下组分：(1)0.2％-1.5％的硅酸烷基酯，如硅 酸四乙酯；(2)1.0％-2.5％的碱金属硅酸盐溶液，如还包括氢氧化钠的硅酸钠； (3)1.0％-2.5％的淀粉混合物/溶液，该淀粉如玉米或木薯淀粉；(4)0.5％-2.5％ 的水。所有百分比按砂重量计算。

更具体地，此处要求保护的粘合剂包括：

(1)0.2％-1.5％的硅酸烷基酯；

(2)1.0％-2.5％的硅酸盐/氢氧化物的溶液/混合物，其具有基于该溶液/混合 物85％-95％的碱金属硅酸盐，基于该溶液/混合物2％-6％的是碱金属氢氧化物， 和基于溶液/混合物4％-8％的水；

(3)1.0％-2.5％的淀粉在水中的溶液/混合物，其具有该淀粉溶液/混合物 70％-85％的水和该淀粉溶液/混合物15％-30％的淀粉；和

(4)0.5％-2.5％的水，所述组合物中所有的水包括在所述的0.5％-2.5％的范 围内；

-所有前述百分比都按照与要与该组合物一起使用的砂的重量计算；另有说 明的除外。

本申请中使用的“溶液/混合物”包括在作为混合物的液体悬浮液中固体和/ 或在此液体中至少部分或全部溶解在溶液中的固体。

使用的砂优选硅酸盐砂，这是因为其低成本，但是其他种类的砂也可以使 用，如锆、橄榄石、铬铁矿(cromite)和它们的混合物。其它颗粒状耐熔(refractory) 材料可以用于特殊应用。这是本发明的显著优点，因为其它硅酸钠基粘合剂不 易于与pH值不接近7的砂一起使用。砂pH和ADV(酸需求值(acid demand  value))是与本发明的粘合剂的使用不相关的参数。这些前述的砂和等效耐熔材 料在本申请中统称为“铸造砂”。

尽管也可以使用硅酸钾，但碱金属硅酸盐优选为硅酸钠。硅酸钠优选在具 有30％-50％的固体浓度和具有1.75-2.50、优选2.0的Na/Si比率的溶液中使用。

硅酸烷基酯优选硅酸四乙酯，它也被称缩合硅酸乙酯(condensed ethyl  silicate)、原硅酸四乙酯和四乙氧基硅烷。这种硅酸四乙酯有助于淀粉粘合剂， 使得用所得粘合剂处理的砂具有更好的流动性，且保护其不受环境湿度影响， 因此，根据本发明形成的模型，即使暴露在环境湿度中，也可以在长时期内保 持其力阻和尺寸(dimensionality)。

该淀粉优选玉米淀粉，但是马铃薯、木薯、小麦和稻子淀粉也可以使用。

本发明的一个特殊形式是其优选使用玉米淀粉和木薯淀粉的混合物。与木 薯淀粉相比，优选使用更多玉米淀粉。玉米淀粉优选以改良型使用，而木薯淀 粉则优选以天然型使用。50％-90％比例的玉米淀粉与10％-50％的木薯淀粉混合， 混合物的剩余部分为水。如果淀粉水溶液是使用该混合物制备的，则其优选具 有15％-20％的玉米淀粉、5％-10％的木薯淀粉以及70％-85％的水。

根据本发明制备具有粘合剂的砂的方法包括以下步骤：将所述砂与占该砂 重量0.2wt％-1.5wt％比例的硅酸烷基酯混合至少40s和至多60s的时间，该硅酸 烷基酯优选硅酸四乙酯；添加占该砂重量1.0wt％-2.5wt％比例的碱金属硅酸盐水 溶液，该碱金属硅酸盐优选还包括氢氧化钠的硅酸钠并将它们混合至少35s和 至多50s的时间(其中该水溶液含有85％-95％的硅酸钠，2％-6％的氢氧化钠， 和4％-13％的水)，和最后混合上述所有物质直到该砂具有均匀外观和构成。

本申请涉及的这种用粘合剂处理的砂称为“备砂(prepared sand)”。仍然具 有0.5％-2.5％之间的水的备砂，利用室温空气吹气进入冷芯盒，而一旦冷芯盒被 该砂填满，则通过热气流以干燥并硬化粘合剂，因此获得具有足够力阻以用于 金属例如铝和锰合金铸塑的砂芯。

如上面所提到的，本发明优点之一在于，此处要求保护的方法和粘合剂可 以用在汽车和航空工业中砂芯和/或模型的制造中，其使用目前与酚类或聚氨酯 粘合剂一起使用的冷芯盒加工工具，从而避免了在特别制造的芯模(core molds) 中的昂贵投资，该型芯模型例如用于微波或由嵌入所述模型中的电阻感应产生 的热(热芯盒制芯法)的应用。

本发明另一个显著优点在于，它为型芯和/或模型提供了对加工的高力阻， 所以它们能够在其充满熔融金属前后保持尺寸的稳定性和精度，同时能够通过 暴露于水、热水或蒸汽而易于分解。在所有目前的用于破坏型芯的方法中，它 们通过冲击和生产工件的振动台(vibration station)进行，或者需要强热来烧尽 酚类或聚氨酯粘合剂导致由在一些情况下有毒的烟和难闻(foul)蒸汽带来环境 污染，这种容易的模型分解节省了能量和时间。

使用本发明处理的砂具有较长的储存期(多于数天)，而与现有硅酸钠基粘 合剂混合的砂只有数分钟的储存期。这意味着现有技术中具有硅酸盐粘合剂的 砂在不超过一小时的时间里就开始反应和硬化。

实施例

根据本发明的粘合剂的优选方法和组合物的非限制性实施例描述如下：

按照AFS3315-00-S“模型和型芯试验手册”第三版发表的标准方法，以吹 制时间2.0s和吹压90psi.的“冷芯盒”法，测量粘合砂的抗拉伸性，该粘合砂使 用目前工业中使用的现有技术代表性的酚-聚氨酯粘合剂。然后施用胺5.0s以固 化该粘合剂，和其后将芯盒净化(purge)10.0s，产生的结果如下：

制备根据本发明的粘合剂，其混合有硅酸盐砂，和所得的砂被吹进“冷芯 盒”。该粘合剂用热气流“固化”，该热气流在120℃下通过每个试样3分钟，其 将该式样完全干燥。

在每个试样中测量抗拉伸性，结果如下：

这个实施例显示了本发明的方法和粘合剂相对于现有技术的优点，入在每 次试验中显示的抗拉伸性，并因此根据本发明制造的砂芯和/或模型中的抗拉伸 性大于通过分别的现有技术制造的型芯和模型的抗拉伸性。

可以理解，说明书中为说明其原理和优选形式，仅描述了本发明的某些形 式，以更好理解本发明的原理和应用，并不限制它们的范围。同样可以理解， 阅读了本发明的本领域技术人员能够在不脱离本发明实质和范围的情况下提出 其他形式和变形，本发明范围仅由权利要求限定。