專(zhuān)利名稱(chēng)：用于先進(jìn)鑄造應(yīng)用的改性膨潤(rùn)土的制作方法
用于先進(jìn)鑄造應(yīng)用的改性膨潤(rùn)土背景本發(fā)明涉及用于制造鑄模的組合物，并且更具體地涉及結(jié)合了用于改進(jìn)鑄模的改性劑的鑄模組合物。在用于多種鑄造應(yīng)用的熔融金屬和合金鑄造中，通常使用具有與所需鑄件形狀相符外形的鑄模?？梢允褂糜缮爸瞥傻蔫T模形成鑄件的外側(cè)，或者可以將其作為位于模內(nèi)部的型芯以成形鑄件的內(nèi)側(cè)?？梢杂冒Y(jié)合有礦物粘土和水的鑄造用砂作為主要成分的組合物建造鑄模。輔助添加劑可以包括磨碎的煙煤、褐煤、風(fēng)化褐煤、預(yù)凝膠化淀粉、纖維素和其它傳統(tǒng)添加劑也可以少量存在?？梢酝ㄟ^(guò)將鑄造用砂、水、任意輔助添加劑和礦物粘土引入混合設(shè)備，如混砂機(jī)制備鑄模組合物?？梢詫⑦@些成分的混合進(jìn)行到這樣的程度鑄造用砂粒子被礦物粘土成分所包覆?？梢栽诨旌显O(shè)備中將輔助添加劑和礦物粘土作為單一的混合物加入至鑄造用砂和水中以使得可以用礦物粘土將砂粒子包覆。其后，可以將來(lái)自混砂機(jī)的組合物引入結(jié)合被成形為與所需金屬或合金鑄件外形相符的模型的型箱(flask)或約束結(jié)構(gòu)體?？梢允菇M合物在模型內(nèi)固結(jié)以獲得所需的完整性，并且之后可以將模型移去以提供可以隨時(shí)在制造金屬或合金鑄件中使用的鑄模。鑄模組合物的重要性質(zhì)或特征可以是“耐久性”或在常規(guī)熱金屬和合金鑄造的過(guò)程中遇到的高溫下模和具體地礦物粘土成分的耐熱降解性。詳細(xì)地，對(duì)于模組合物有益的是在400 °F (204°C )至1200 °F (649 °C )的溫度范圍內(nèi)耐熱降解。當(dāng)溫度在該范圍內(nèi)增加時(shí)礦物粘土可能被燒毀或逐漸失去它們的所需性質(zhì)。在模組合物中與鈣膨潤(rùn)土比較鈉膨潤(rùn)土可以展現(xiàn)出更好的耐久性。第二個(gè)重要性質(zhì)可能是“干態(tài)強(qiáng)度”或?qū)⒛痰蔫T件從模移除所需的能量。在傳統(tǒng)的含有鈉膨潤(rùn)土和鈣膨潤(rùn)土的混合物的鑄模組合物中，可以通過(guò)增加鈣膨潤(rùn)土的量改善模的干態(tài)強(qiáng)度性質(zhì)，這適于降低干態(tài)強(qiáng)度并且促使將鑄件從砂模的移除更容易。然而，鈣膨潤(rùn)土可能導(dǎo)致模的耐久性劣化。第三個(gè)重要性質(zhì)可能是“成型性”或模組合物的砂粒之間表觀(guān)粘力的度量。該性質(zhì)上不足的模組合物可能會(huì)粘在加料斗和傳送設(shè)備中，這可能會(huì)有害于整個(gè)鑄造過(guò)程。含有鈣膨潤(rùn)土作為礦物粘土含量的全部或一部分的模組合物可以展現(xiàn)出改良的成型性，特別是當(dāng)模組合物的水含量增加時(shí)。第四個(gè)重要性質(zhì)可能是“高溫強(qiáng)度”或在溫度通常在1500 T (816°C )以上的金屬向下澆鑄的過(guò)程中和之后，在模組合物/熔融金屬界面上模組合物保持其完整性的能力?？梢詫⑺懈郊拥?、所需的鑄模性質(zhì)同等地歸因于鈉膨潤(rùn)土或鈣膨潤(rùn)土或者通過(guò)模組合物中的鈉膨潤(rùn)土將其增強(qiáng)。其它性質(zhì)包括“濕強(qiáng)度”或者在將熔融金屬澆注至模中之前模的強(qiáng)度或完整性。 “濕拉張強(qiáng)度”是模對(duì)歸因于瞬時(shí)沖擊或振動(dòng)的劣化的抗性?！盁嵝巫儭笔悄Ｔ跓峤饘勹T造過(guò)程中保持尺寸穩(wěn)定性以便獲得凝固鑄件所需尺寸公差的能力?！皾B透性”被定義為砂模容許氣體穿透的性質(zhì)。模和型芯的透氣性依賴(lài)于該性質(zhì)。滲透性受到砂的尺寸、形狀和粒子分布，粘合材料的類(lèi)型和數(shù)量，將砂沖壓所達(dá)到的密度以及水分含量的影響?！按嘈浴笔巧澳５哪湍バ阅艿亩攘?。易碎砂是不能經(jīng)受熔融金屬的沖蝕流動(dòng)的砂。它將失去砂粒至移動(dòng)的流，并且將受到生產(chǎn)沖蝕和夾雜物缺陷的影響。通常，脆性相反地相關(guān)于壓實(shí)性；壓實(shí)性越低，脆性越高。
概述本發(fā)明涉及用于制備鑄模的組合物，并且更具體地涉及結(jié)合用于改進(jìn)鑄模的改性劑的鑄模組合物。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于制造鑄模的組合物，所述組合物包含粘結(jié)劑，其中所述粘結(jié)劑包含蒙皂石粘土 ；改性劑，其中所述改性劑包含金屬碳酸鹽；以及鑄造用砂?？梢酝ㄟ^(guò)包含金屬碳酸鹽的天然存在的礦物提供金屬碳酸鹽。改性劑可以改變組合物的流變性能。金屬碳酸鹽的金屬可以包括選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種金屬鋁、鈣、鐵、 鉀、鎂、硼、鋅、鉛、銅以及它們的衍生物。在一個(gè)實(shí)施方案中，蒙皂石粘土包括選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種物質(zhì)膨潤(rùn)土、鋰蒙脫石粘土、皂石粘土、綠脫石粘土、貝得石粘土、鋅蒙脫石粘土，以及它們的衍生物。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬碳酸鹽以鑄模組合物的重量計(jì)大于或等于約0. 并且小于或等于約20%的量存在于所述組合物中。適宜地，改性劑具有小于約2毫米的粒度。在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄造用砂包括選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種砂石英砂、 橄欖石砂、鉻鐵礦砂、鋯砂、碳素砂、陶瓷砂，以及它們的衍生物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該組合物還包含選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種物質(zhì)淀粉、糖、硅酸鈉、熱塑性塑料、熱固性樹(shù)脂、蒸氣固化粘結(jié)劑、化學(xué)固化粘結(jié)劑、熱固化粘結(jié)劑、浙青、樹(shù)脂、水泥、纖維素、谷類(lèi)、碳質(zhì)材料，以及它們的衍生物。本發(fā)明還提供由上述組合物制造的鑄模。可以通過(guò)以下方法制造該鑄模將粘結(jié)劑、水和改性劑與砂混合并將其包覆以形成鑄模組合物；將鑄模組合物引入限定鑄模的模型；使鑄模組合物在模型中固結(jié)以形成鑄模；以及將鑄模從模型移出。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種鑄模，所述鑄模包含鑄模組合物，鑄模組合物包含包含蒙皂石粘土的粘結(jié)劑；包含金屬碳酸鹽的改性劑；以及鑄造用砂?？梢酝ㄟ^(guò)包含金屬碳酸鹽的天然存在的礦物提供金屬碳酸鹽。改性劑可以改變組合物的流變性能。金屬碳酸鹽的金屬可以包括選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種金屬鋁、鈣、鐵、 鉀、鎂、硼、鋅、鉛、銅以及它們的衍生物。在一個(gè)實(shí)施方案中，蒙皂石粘土包含選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種物質(zhì)膨潤(rùn)土、鋰蒙脫石粘土、皂石粘土、綠脫石粘土、貝得石粘土、鋅蒙脫石粘土，以及它們的衍生物。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬碳酸鹽以按鑄模組合物的重量計(jì)大于或等于約0. 并且小于或等于約20%的量存在于所述組合物中。適宜地，改性劑具有小于約2毫米的粒度。在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄造用砂包括選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種砂石英砂、 橄欖石砂、鉻鐵礦砂、鋯砂、碳素砂、陶瓷砂，以及它們的衍生物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該組合物還包含選自以下各項(xiàng)組成的組的至少一種物質(zhì)淀粉、糖、硅酸鈉、熱塑性塑料、熱固性樹(shù)脂、蒸氣固化粘結(jié)劑、化學(xué)固化粘結(jié)劑、熱固化粘結(jié)劑、浙青、樹(shù)脂、水泥、纖維素、谷類(lèi)、碳質(zhì)材料，以及它們的衍生物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該組合物還包含水。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于制造鑄模的方法，所述方法包括將粘結(jié)劑、水和改性劑與鑄造用砂混合并將其包覆以形成鑄模組合物，其中所述粘結(jié)劑包含蒙皂石粘土并且所述改性劑包含金屬碳酸鹽；將鑄模組合物引入限定鑄模的模型；使鑄模組合物在模型中固結(jié)以形成鑄模；以及將鑄模從模型移出。該鑄模可以為如上所述的鑄模。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于增粘流體的方法，所述方法包括提供流體組合物，其中所述流體組合物包含粘土和液體；提供改性劑，其中所述改性劑包含金屬碳酸鹽；并且將流體組合物與改性劑合并以形成增粘流體。該組合物可以為如上所述的組合物。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制備鑄模組合物的方法，所述方法包括通過(guò)開(kāi)采包含金屬碳酸鹽的天然存在的礦物獲得金屬碳酸鹽；將天然存在的礦物加工為粒子； 將粘結(jié)劑、水和所述粒子與鑄造用砂混合并將其包覆以形成鑄模組合物，其中所述粘結(jié)劑包含蒙皂石粘土。該鑄模組合物可以為如上所述的鑄模組合物。本發(fā)明的特征和益處對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的。雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)其做出多種變更，這種變更落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。詳述本發(fā)明涉及用于制造鑄模的組合物，并且更具體地涉及結(jié)合了用于改進(jìn)鑄模的改性劑的鑄模組合物。在不同實(shí)施方案中存在多種益處，本文將僅描述所述益處的一些。一些實(shí)施方涉及一種添加劑，所述添加劑用于提供所需的陽(yáng)離子交換以改性鑄模組合物中的蒙皂石粘土粘結(jié)劑?？梢杂媒饘偬妓猁}提供用于進(jìn)行交換的金屬陽(yáng)離子源。例如，可以用碳酸鎂類(lèi)或碳酸鎂鈣類(lèi)提供在進(jìn)行蒙皂石粘土中的鈉或鈣的陽(yáng)離子交換中可以使用的鎂源。金屬碳酸鹽可以是天然存在的并且可以不進(jìn)行任何實(shí)質(zhì)上的化學(xué)處理而被使用。例如，碳酸鎂可以形成通常被稱(chēng)作菱鎂礦的礦物并且碳酸鎂鈣可以形成通常被稱(chēng)作白云石的礦物?？梢詫⑦@些礦物開(kāi)采出來(lái)并將其加工為反應(yīng)性粉末。此外，天然存在的礦物的使用使得能夠進(jìn)行所需的陽(yáng)離子交換，同時(shí)也對(duì)更加昂貴的人造添加劑給出了經(jīng)濟(jì)上有吸引力的備選方案。可以使用鑄模組合物制造鑄模，所述鑄模組合物可以包含本文公開(kāi)的改性劑。鑄模組合物可以包含與粘結(jié)劑(例如，粘土)、改性劑和水結(jié)合的鑄造用砂。粘結(jié)劑可以起到在使用過(guò)程中固結(jié)鑄造用砂，使得模在金屬部件的制造過(guò)程中能夠保持其形狀的作用。改性劑可以與粘結(jié)劑反應(yīng)以改變鑄模的鑄造性質(zhì)。一些實(shí)施方案中可以存在其它添加劑并且可以有助于在使用過(guò)程中抵償如砂的熱膨脹這樣的效果。下面將更詳細(xì)地描述這些組分的每一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用一種或多種粘結(jié)劑固結(jié)鑄模組合物以形成鑄模。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“固結(jié)”意指任何能夠以所需的形狀形成基本上聚結(jié)的物質(zhì)的過(guò)程?？梢耘c本文公開(kāi)的鑄造用砂一起使用任何通常用于固結(jié)鑄造用砂的粘結(jié)劑以使砂能夠作為?；蛐托静牧媳３诸A(yù)定的或所需的形狀。例如，粘結(jié)劑可以包括粘土，如蒙皂石粘土。在一個(gè)實(shí)施方案中，蒙皂石粘土可以是鈉膨潤(rùn)土，除了成分鎂、鋁和二氧化硅以外它還含有鈉。其它種類(lèi)的蒙皂石粘土是鋰蒙脫石和皂石；所有的這些種類(lèi)天然地以足夠的量存在，以使得在鑄模組合物的生產(chǎn)中使用它們是經(jīng)濟(jì)上實(shí)用的。其它種類(lèi)如綠脫石、貝得石或鋅蒙脫石可能適合于獲得所需的鑄模性質(zhì)的組合?？梢允褂闷渌N類(lèi)的粘土如高嶺石或伊利石與蒙皂石粘土一起組合作為粘結(jié)劑。鈉膨潤(rùn)土可以包含約70至95%的蒙脫石，余量為多種殘余成分，如石英、蛋白石、方石英、長(zhǎng)石、黑云母、斜發(fā)沸石(clinoptilite)、方解石、石膏等?？梢耘c常規(guī)殘余成分使用任何蒙皂石粘土類(lèi)，如膨潤(rùn)土，或者在膨潤(rùn)土的情況下可以將這些成分基本上全部移除而僅有蒙脫石存在。因此，術(shù)語(yǔ)“含鈉蒙皂石粘土”和“鈉膨潤(rùn)土” 包括常規(guī)殘留成分存在或者被移除的這些粘土。包括膨潤(rùn)土的蒙皂石粘土類(lèi)的晶體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成三層片狀結(jié)構(gòu)。片狀結(jié)構(gòu)的上層和下層可以是二氧化硅，而中間片是金屬鋁、鐵、鋰、錳和鎂的至少兩種的金屬層。夾層空間可以含有鈉或鈣。任意種類(lèi)的蒙皂石粘土的形態(tài)可以構(gòu)成三層片的層疊片結(jié)構(gòu)。這種三層片狀結(jié)構(gòu)可以使得蒙皂石粘土在其與水和鑄造用砂的混合和反應(yīng)的過(guò)程中能夠?qū)与x并且分散以使得蒙皂石粘土與改性劑能夠基本上完全反應(yīng)以獲得所需的鑄模性質(zhì)的組合。如本文所使用的，粘結(jié)劑與改性劑的反應(yīng)是指粘結(jié)劑中的一種或多種金屬與改性劑中的一種或多種金屬之間的陽(yáng)離子交換以形成帶有改進(jìn)的鑄造性質(zhì)的鑄模組合物。詳細(xì)地，可以用改性劑的存在及其與粘結(jié)劑的反應(yīng)連同可歸因于含鈉蒙皂石粘土的存在的其它性質(zhì)獲得最佳的耐久性和干態(tài)強(qiáng)度的所需組合。例如，當(dāng)將含有鈣和鈉膨潤(rùn)土的粘結(jié)劑與含有碳酸鎂或碳酸鈣鎂的改性劑結(jié)合時(shí)，溶液中產(chǎn)生的鎂陽(yáng)離子可以與鈣和鈉陽(yáng)離子交換以給予所得到的鑄模組合物改進(jìn)的鑄造性質(zhì)。該反應(yīng)可以與傳統(tǒng)上在含鈣蒙皂石粘土的存在下所獲得的一樣提高組合物干態(tài)強(qiáng)度，但卻不降低由于含鈉蒙皂石粘土的存在獲得的耐久性。該反應(yīng)還可以改進(jìn)所需的歸因于含鈉蒙皂石粘土的存在的鑄造性質(zhì)。鑄模組合物中使用的粘結(jié)劑的量通常依賴(lài)于混合物中所使用的砂的特定類(lèi)型和焙燒的溫度。當(dāng)加熱時(shí)石英砂粒膨脹。當(dāng)粒子太接近時(shí)，型砂可能會(huì)移動(dòng)并膨脹導(dǎo)致鑄件顯示出如下缺陷“翹曲”或者由砂的過(guò)度膨脹導(dǎo)致的鑄件的變形，“鼠尾”或者鑄件的表面上出現(xiàn)的粗糙、不規(guī)則的凹陷，或小翹曲、以及“疤”或者當(dāng)熱金屬進(jìn)入模中時(shí)型砂一部分的脫離。為了克服這種有害的膨脹，可以將更多的粘結(jié)劑加入砂的混合物，它可以通過(guò)在焙燒時(shí)粘土的收縮抵償石英砂粒的膨脹。在生砂成型中，鑄造中獲得的尺寸再現(xiàn)性可以是以下因素的結(jié)果如收縮、模腔的尺寸上的變化、模的硬度、型砂的穩(wěn)定性、型箱的機(jī)械對(duì)齊和模中溫度的穩(wěn)定性。當(dāng)將回火水加入并混入砂混合物中時(shí)，鈉膨潤(rùn)土粘結(jié)的型砂相比鈣膨潤(rùn)土粘結(jié)的砂混合物具有更粘的感覺(jué)。據(jù)認(rèn)為鈉膨潤(rùn)土砂混合物更堅(jiān)固并且不像用相同方法制備的鈣膨潤(rùn)土或漂白土粘結(jié)的型砂那樣易碎。在一個(gè)實(shí)施方案中，粘結(jié)劑通?？梢砸曰阼T模組合物的總干重約1 % 至約15%的量存在并且可以將其調(diào)整為任意的能產(chǎn)生所需的強(qiáng)度、硬度或者其它所需的物理性質(zhì)的量。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以以基于總砂含量的干重約2%至約12重量％的量使用粘結(jié)劑。據(jù)理解在鑄造工業(yè)中將更多的粘土粘結(jié)劑加入鑄造用砂混合物，通常需要更多的水。因此，經(jīng)常是這樣的情況通過(guò)在鑄造用砂混合物中使用更少的粘土粘結(jié)劑并且減少所加入回火水的量，鑄造用砂混合物可以剛好與帶有更高百分比的粘土粘結(jié)劑和水一樣堅(jiān)固。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用改性劑化學(xué)上改變粘結(jié)劑以便制造帶有所需鑄造性質(zhì)的鑄模。在一個(gè)實(shí)施方案中，改性劑可以是能夠與蒙皂石粘土反應(yīng)以促使金屬離子與蒙皂石粘土中的鈉或鈣離子的有利陽(yáng)離子交換的金屬碳酸鹽。特定金屬碳酸鹽的使用可以在促使特定金屬陽(yáng)離子與蒙皂石粘土中的鈉或鈣陽(yáng)離子的選擇性離子交換上是有用的。金屬碳酸鹽中的金屬成分可以包括，但是不限于，鋁、鈣、鐵、鉀、鎂、硼、鋅、鉛、銅或其組合。例如，可以使用碳酸鎂改性蒙皂石粘土(例如，鈉或鈣膨潤(rùn)土)以促使鎂與粘土中鈉或鈣的有利陽(yáng)離子交換。類(lèi)似地，可以使用碳酸鈣鎂促進(jìn)鎂陽(yáng)離子與蒙皂石粘土中鈉或鈣陽(yáng)離子的陽(yáng)離子交換。金屬碳酸鹽可以來(lái)自任何來(lái)源，包括任何天然存在的來(lái)源如天然存在的礦物。 碳酸鎂可以形成通常被稱(chēng)作菱鎂礦的礦物，并且碳酸鈣鎂可以形成通常被稱(chēng)作白云石的礦物?？梢酝ㄟ^(guò)物理加工以形成所需的粒度使這些天然存在的礦物與鑄模組合物一起使用。 此外，可以基本上不對(duì)這些礦物天然存在的狀態(tài)進(jìn)行化學(xué)上的改變而使用它們?？梢砸詿o(wú)水或水合形式使用本文公開(kāi)的金屬碳酸鹽。例如，可以將白云石(即，碳酸鈣鎂)描述為碳酸鈣鎂的水合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過(guò)以下方式獲得金屬碳酸鹽開(kāi)采含有至少一些金屬碳酸鹽的天然存在的礦物并在將其結(jié)合至本文公開(kāi)的鑄模組合物之前將天然存在的礦物加工為所需粒度。通常對(duì)金屬碳酸鹽進(jìn)行加工以將其粉末化并將其以足夠與粘結(jié)劑反應(yīng)的量加入鑄模組合物。通常，金屬碳酸鹽可以為大小與將其結(jié)合的粘結(jié)劑的大小近似相等的固體。可以使用任何熟知技術(shù)加工金屬碳酸鹽以由起始材料制備粉末。例如，可以將金屬碳酸鹽壓碎或碾碎以形成能夠與粘結(jié)劑反應(yīng)的粉末。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬碳酸鹽可以具有小于約2毫米的粒度。在另一個(gè)實(shí)施方案中，金屬碳酸鹽可以具有約40微米至約75微米范圍內(nèi)的粒度。可以以足夠發(fā)生所需的陽(yáng)離子交換的量加入金屬碳酸鹽，這又可以在鑄模中產(chǎn)生所需的鑄造性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以以按鑄模組合物的重量計(jì)約0. 至約20% 范圍內(nèi)的量將加工過(guò)的金屬碳酸鹽加入鑄模組合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以以按鑄模組合物的重量計(jì)約0. 5%至約5%范圍內(nèi)的量將加工過(guò)的金屬碳酸鹽加入鑄模混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄?？梢园?。砂可以是能夠形成鑄模并當(dāng)暴露至熱金屬和合金鑄造所帶有的高溫時(shí)保持其形狀的任何砂。在一個(gè)實(shí)施方案中，砂可以是石英砂、橄欖石砂、鉻鐵礦砂、鋯砂、碳素砂、陶瓷砂，或其任意組合。石英砂可能相對(duì)廉價(jià)并且可以在用于多種用途的多種鑄模組合物中使用。橄欖石砂可能比石英砂貴但可以具有更好的熱穩(wěn)定性，提供更高品質(zhì)的鑄件。因而，橄欖石砂可以用于有色金屬組合物。也可以將商業(yè)上作為石油流體焦炭已知的球形的或卵形粒子，碳或焦炭粒子單獨(dú)用作鑄造用砂，與石英砂和橄欖石砂結(jié)合或者代替石英砂和橄欖石砂，所述石英砂和橄欖石砂可能不具有能完全滿(mǎn)足鑄造金屬如鋁、銅、青銅、黃銅、鐵和其它金屬和合金的物理性質(zhì)。也可以單獨(dú)或與本文公開(kāi)的其它類(lèi)型的鑄造用砂和鑄造用砂添加劑結(jié)合使用這些球形或卵形粒子流體焦炭碳素砂的每一種。也可以使用其它的砂。焙燒碳素砂是主要為低熔融溫度金屬如鋁和鎂設(shè)計(jì)的低成本碳素砂。在1300° -1400下(704-7600C )下焙燒可以基本上移除全部的揮發(fā)性物質(zhì)，否則如果粗制流體焦炭暴露在1400 T (7600C )下注入的鋁中，所述揮發(fā)性物質(zhì)將被釋放出。 鉻鐵礦和鋯石是可以被加工為合適尺寸用作鑄模中的砂的氧化物礦物。也可以單獨(dú)或與其它砂結(jié)合使用陶瓷砂。
在一個(gè)實(shí)施方案中，在鑄?；旌衔镏猩翱梢砸宰銐蛑圃炷軌蛟谌廴诮饘俳M合物的注入過(guò)程中保持形狀的鑄模的量存在。通常，砂可以以全部鑄模組合物的約40重量％至約 99重量％范圍內(nèi)的量存在。這個(gè)量可以依賴(lài)于鑄造混合物中包含的其它添加劑的總量而變化。在一個(gè)實(shí)施方案中，該鑄模組合物可以包含其它添加劑。例如，可以與蒙皂石粘土一起使用另外的粘結(jié)劑。鑄造用砂中可以使用的一些任選的粘結(jié)劑包括淀粉類(lèi)、糖類(lèi)、型芯油類(lèi)、硅酸鈉類(lèi)、熱塑性和熱固性樹(shù)脂類(lèi)、蒸氣固化粘結(jié)劑類(lèi)、化學(xué)固化粘結(jié)劑類(lèi)、熱固化粘結(jié)劑類(lèi)、浙青類(lèi)、樹(shù)脂類(lèi)、水泥類(lèi)和本領(lǐng)域已知的多種其它添加劑。其它任選的添加劑可以包括其它粘土類(lèi)(例如，瓷土)，以及油類(lèi)(例如，亞麻子油等)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以以砂的干重的約0%至約10%的量包含添加劑。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以以砂的干重計(jì)少于約1. 0%的量包含這些附加添加劑。在鑄模組合物中也可以使用其它添加劑并且可以任選地包含其它添加劑以獲得多種性質(zhì)。用于鑄造用砂組合物的通用添加劑可以包括為了克服砂的膨脹缺陷的目的，尤其是在平面鑄件表面上出現(xiàn)的那些缺陷，以干的砂組合物的約0. 5%至約5重量％的量被包含的纖維素、谷類(lèi)或其它纖維添加劑。典型的纖維素添加劑可以包括，但是不限于，木粉和谷類(lèi)如干面粉、小麥粉、玉米粉、燕麥殼、稻殼、苜蓿細(xì)粉、谷殼、亞麻籽壓餅、玉米棒子粉、 磨成粉的堅(jiān)果殼、在榨取油之后的碾碎的棉籽漿等。也可以以干砂的約3%至約6重量％的量將水泥類(lèi)(例如，波特蘭水泥)、天然水泥類(lèi)(例如，加熱、碾碎的石灰石)、樹(shù)脂類(lèi)等加入至本發(fā)明的鑄造用砂粘結(jié)劑。鑄造用砂組合物中可以包含多種其它添加劑，如炭粉或其它碳質(zhì)材料類(lèi)(例如， 石墨)、浙青；木炭；煙煤；軟煤(例如，海運(yùn)煤)；硬煤；以及焦炭，可以將它們與粘土一起使用或?qū)⑵渥鳛橛糜跐裢繉拥牟糠终惩撂娲芬苑乐菇饘贊B入或粘砂。 在一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何方法進(jìn)行制備鑄模組合物的方法。例如，可以使用混砂機(jī)制備鑄模組合物?；焐皺C(jī)可以將水、砂、粘結(jié)劑和改性劑混合以形成鑄模組合物?；焐皺C(jī)通常可以具有安裝在軸的相反端上的相反的一對(duì)混石輪，所述軸連接至驅(qū)動(dòng)軸并且由驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以將所述驅(qū)動(dòng)軸與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)嚙合連接?？梢栽谑喌淖饔孟乱员绢I(lǐng)域熟知的方式將引入混砂機(jī)的成分混合以便粘結(jié)劑和改性劑可以反應(yīng)， 并且可以將砂粒子用反應(yīng)產(chǎn)物、水和當(dāng)需要時(shí)任意輔助添加劑包覆。一旦混合物反應(yīng)并結(jié)合，就可以將所得到的鑄模組合物從混砂機(jī)放出并注入具有模型的型箱中。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將模型成形為限定鑄模中所需的空腔?？梢允硅T模型腔與金屬鑄件中所需的外形相符?？梢允褂迷摲椒ㄖ圃靸蓚€(gè)部分的模，有時(shí)稱(chēng)作對(duì)分模。 對(duì)分?？梢跃哂蟹Q(chēng)作上型箱的頂部或上部部分，以及稱(chēng)作下型箱的底部或下部部分。也可以使用制造模的方法形成將被插入以完善最終部件形狀的型芯?？梢栽谀Ｐ椭杏缅N將組合物壓緊并使其固結(jié)以形成鑄模?？梢詫⒛Ｐ陀幸獾刈龅谋辱T造部件大以允許冷卻過(guò)程中的收縮。其后，可以將模型移去以露出鑄模，所述鑄?？梢砸部梢圆痪哂心Ｇ?。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以在保持模型固定的同時(shí)將鑄模移除。如果使用對(duì)分模，可以將上型箱和下型箱嚙合并且可以之后將任何型芯插入模中以制造孔并改進(jìn)鑄件的最終形狀?？梢詫⑷廴诮饘僮⑷氤谀Ｖ谢?qū)τ趯?duì)分模模具注入稱(chēng)作閘門(mén)的開(kāi)口中。如果需要，排氣孔可以使得在注入過(guò)程中能夠?qū)釟怏w放出。金屬的注入溫度可以高于熔點(diǎn)以確保好的流動(dòng)性，從而避免將導(dǎo)致孔和孔隙的過(guò)早冷卻。當(dāng)金屬冷卻后，將砂模移除以露出金屬鑄件。在一個(gè)實(shí)施方案中，也可以使用本文公開(kāi)的改性劑用于提高粘土混合物的流變性能。在描述本發(fā)明中有用的流變性能包括，但是不限于，屈服點(diǎn)(“YP”)、低剪切粘度、塑性粘度(“PV”)和凝膠強(qiáng)度。YP是外推至零剪切速率的屈服應(yīng)力。類(lèi)似地，屈服應(yīng)力是必須施加至物質(zhì)以使其開(kāi)始流動(dòng)(或屈服)的應(yīng)力，并且通常使用在3至6轉(zhuǎn)/分鐘(“rpm”) 的速率下旋轉(zhuǎn)的流變計(jì)測(cè)量。PV表示當(dāng)外推至無(wú)限剪切速率時(shí)流體的粘度，并且通常使用粘度計(jì)以在600rpm下的剪切讀數(shù)與300rmp下的剪切讀數(shù)之間的差值測(cè)定PV。可以將本發(fā)明的改性劑加入粘土混合物并與液體如水合并以增粘所得到的流體。 在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用本文公開(kāi)的改性劑提高向其中加入了改性劑的流體的塑性粘度和屈服點(diǎn)等性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，改性劑可以在其被加入的流體中充當(dāng)增粘劑以使屈服點(diǎn)可以高于約1501b/100ft2(71. 8kPa)。在一個(gè)實(shí)施方案中，改性劑可以充當(dāng)其被加入的流體的增粘劑以使其被加入的流體的塑性粘度高于約10厘泊。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將本文公開(kāi)的改性劑以組合物的約0. 1重量％至約20重量％的范圍內(nèi)的量加入至組合物以便給予改進(jìn)的流變性能。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以將改性劑以組合物的約0. 5重量％至約5重量％的范圍內(nèi)的量加入至組合物。為了促進(jìn)本發(fā)明的更好理解，給出以下一些實(shí)施方案的特定方面的實(shí)施例。不應(yīng)將以下實(shí)施例以任何方式解讀為限制或者界定本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例為了說(shuō)明本文所公開(kāi)的鑄模組合物的特性提供以下實(shí)施例。主要根據(jù)美國(guó)鑄造工協(xié)會(huì)模禾口型芯手冊(cè)(American Foundrymen' s Society Mold and Core Handbook),第 3版， 版權(quán)2001中描述的方法進(jìn)行這些測(cè)試。具體測(cè)試方法包括使用AFS 2220-00-S測(cè)量樣品的壓實(shí)性，使用AFS 5222-00-S測(cè)量試樣重量，使用AFS 2219-00-S測(cè)量樣品的水分含量， 使用AFS 5202-00-S測(cè)量樣品的濕和干抗壓強(qiáng)度，使用AFS 5224-00-S測(cè)量樣品的滲透性， 并且使用AFS 2M8-00-S測(cè)量樣品的脆性，該方法被修改以測(cè)量樣品的成型性。如這些實(shí)施例中所使用的，National Mandard ( “N. S. 200”)是可得自德克薩斯州休斯頓的Bentonite Performance Minerals, L. L. C.的鈉膨潤(rùn)土濕砂粘結(jié)劑。Baramix 是由National Mandard膨潤(rùn)土、海運(yùn)煤，以及，依賴(lài)于客戶(hù)需求的糊精、硬浙青、木粉以及其它可能需要的添加劑組成的混合的單一包裝鑄造粘結(jié)劑。 Baramix 可得自德克薩斯州休斯頓的 Bentonite Performance Minerals, L. L. C.。實(shí)施例1根據(jù)本文公開(kāi)的方法制備七個(gè)鑄模組合物并且標(biāo)記為樣品1至7。通過(guò)以表1至 3中所指出的量將鈉膨潤(rùn)土(National Mandard)粘結(jié)劑與水、鑄造用砂和改性劑結(jié)合從而制備這七個(gè)樣品。在這個(gè)實(shí)施例中，使用天然存在的碳酸鈣鎂水合物(即，白云石水合物)作為改性劑。在三個(gè)不同的壓實(shí)性值下測(cè)試每個(gè)樣品以測(cè)量多種鑄造性質(zhì)。此外，測(cè)試樣品的另一部分以測(cè)定其流變性能。使用可得自美國(guó)休斯頓的Farm Instrument Company 的Farm 粘度計(jì)型號(hào)35A測(cè)量流變性能。表1至4中顯示了所得到的所需鑄造性質(zhì)。表 1
帶有35%壓實(shí)性目標(biāo)的包含碳酸鉤鎂改性劑的鑄模組合物的鑄造性質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種用于制備鑄模的組合物，所述組合物包含粘結(jié)劑，其中所述粘結(jié)劑包括蒙皂石粘土 ；改性劑，其中所述改性劑包括金屬碳酸鹽；以及鑄造用砂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述金屬碳酸鹽由包含所述金屬碳酸鹽的天然存在的礦物提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組合物，其中所述改性劑改變所述組合物的流變性能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的組合物，其中所述蒙皂石粘土包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種物質(zhì)膨潤(rùn)土粘土、鋰蒙脫石粘土、皂石粘土、綠脫石粘土、貝得石粘土、 鋅蒙脫石粘土，以及它們的衍生物。
5.根據(jù)任一項(xiàng)在前權(quán)利要求所述的組合物，其中所述金屬碳酸鹽中的金屬包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種金屬鋁、鈣、鐵、鉀、鎂、硼、鋅、鉛、銅以及它們的衍生物。
6.根據(jù)任一項(xiàng)在前權(quán)利要求所述的組合物，其中所述金屬碳酸鹽以按所述鑄模組合物的重量計(jì)大于或等于約0. 并且小于或等于約20%的量存在于所述組合物中。
7.根據(jù)任一項(xiàng)在前權(quán)利要求所述的組合物，所述組合物還包含選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種物質(zhì)淀粉、糖、硅酸鈉、熱塑性塑料、熱固性樹(shù)脂、蒸氣固化粘結(jié)劑、化學(xué)固化粘結(jié)劑、熱固化粘結(jié)劑、浙青、樹(shù)脂、水泥、纖維素、谷類(lèi)、碳質(zhì)材料，以及它們的衍生物。
8.一種鑄模，所述鑄模包含鑄模組合物，所述鑄模組合物包含粘結(jié)劑，所述粘結(jié)劑包括蒙皂石粘土 ；改性劑，所述改性劑包括金屬碳酸鹽；以及鑄造用砂。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鑄模，其中所述金屬碳酸鹽中的金屬包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種金屬鋁、鈣、鐵、鉀、鎂、硼、鋅、鉛、銅以及它們的衍生物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的鑄模，其中所述改性劑具有小于約2毫米的粒度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10所述的鑄模，其中所述鑄造用砂包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種砂石英砂、橄欖石砂、鉻鐵礦砂、鋯砂、碳素砂、陶瓷砂，以及它們的衍生物。
12.一種用于制備鑄模的方法，所述方法包括將鑄造用砂與粘結(jié)劑、水和改性劑混合，并且用所述粘結(jié)劑、水和改性劑包覆所述鑄造用砂，以形成鑄模組合物，其中所述粘結(jié)劑包括蒙皂石粘土，并且所述改性劑包括金屬碳酸鹽；將所述鑄模組合物引入到限定鑄模的模型中；使所述鑄模組合物在所述模型中固結(jié)以形成所述鑄模；和將所述鑄模從所述模型中移出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述金屬碳酸鹽中的金屬包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種金屬鋁、鈣、鐵、鉀、鎂、硼、鋅、鉛、銅以及它們的衍生物。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中所述金屬碳酸鹽以按所述鑄模組合物的重量計(jì)大于或等于約0. 并且小于或等于約20%的量存在于所述鑄模組合物中。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的方法，其中使用混砂機(jī)進(jìn)行所述混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中的任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括將熔融金屬引入到所述鑄模中；以及使所述熔融金屬凝固以形成金屬鑄件。
17.根據(jù)權(quán)利要求12至16中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述鑄模包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種模上型箱、下型箱、型芯，以及它們的改型。
18.一種用于將流體增粘的方法，所述方法包括提供流體組合物，其中所述流體組合物包含粘土和液體；提供改性劑，其中所述改性劑包括金屬碳酸鹽；以及將所述流體組合物與所述改性劑合并以形成增粘流體。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述粘土包括蒙皂石粘土，其中所述蒙皂石粘土包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種物質(zhì)膨潤(rùn)土粘土、鋰蒙脫石粘土、皂石粘土、 綠脫石粘土、貝得石粘土、鋅蒙脫石粘土，以及它們的衍生物。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其中所述金屬碳酸鹽中的金屬包括選自以下各項(xiàng)組成的組中的至少一種金屬鋁、鈣、鐵、鉀、鎂、硼、鋅、鉛、銅以及它們的衍生物。
21.根據(jù)權(quán)利要求18、19或20所述的方法，其中所述金屬碳酸鹽以按所述增粘流體的重量計(jì)大于或等于約0. 并且小于或等于約20%的量存在于所述增粘流體中。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述增粘流體具有大于約150 磅/100平方英尺的屈服點(diǎn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述增粘流體具有大于約10 厘泊的塑性粘度。
24.一種制備鑄模組合物的方法，所述方法包括通過(guò)開(kāi)采包含金屬碳酸鹽的天然存在的礦物獲得所述金屬碳酸鹽；將所述天然存在的礦物加工成粒子；將鑄造用砂與粘結(jié)劑、水和所述粒子混合，并用所述粘結(jié)劑、水和所述粒子包覆所述鑄造用砂，以形成鑄模組合物，其中所述粘結(jié)劑包括蒙皂石粘土。
全文摘要
一種用于制造鑄模的組合物。該組合物具有粘結(jié)劑，所述粘結(jié)劑可以包括蒙皂石粘土。該組合物還具有改性劑，所述改性劑可以包括金屬碳酸鹽。該組合物還包含鑄造用砂。
文檔編號(hào)B22C1/18GK102365140SQ201080014254
公開(kāi)日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月2日
發(fā)明者埃里克·弗朗茲, 多恩·戴爾, 托馬斯·安德森, 查爾斯·蘭迪斯, 馬修·希爾菲杰 申請(qǐng)人:哈利伯頓能源服務(wù)公司