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
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及與耐火模具基礎材料和水玻璃類粘合劑系統(tǒng)組合的、包含作為粒狀混 合金屬氧化物的鋁的氧化物和鋯的氧化物的模具材料混合物。粒狀混合金屬氧化物在本 發(fā)明的意義上是至少兩種氧化物的混合物、至少一種混合氧化物和至少一種氧化物的混合 物或混合氧化物的混合物。這些混合金屬氧化物在室溫下表現(xiàn)出少量或沒有與堿性水玻璃 反應的趨勢。該模具材料混合物，也以多組分系統(tǒng)的形式，用于生產(chǎn)用于鑄造業(yè)的模具和芯 (core)〇
【背景技術】
[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)和冷卻過程中不應當釋 放CO2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CO2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] DE102004042535A1(US7770629B2)公開了通過使用耐火模具基礎材料、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 導致鑄件上明顯的砂粘附和滲透，其與相當大的清潔努力及因此用于鑄造的較高成本相 關。
[0008] 除了去核化行為之外，S卩，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（當應用機械應力后）成自由流動形式的能力經(jīng)常令人不太滿意。當使用傾倒完 成之后理論上難以脫除的薄壁或精致或復雜的鑄模時，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 (waterjacketcore)〇
[0009] 還已知可以將在熱金屬的影響下經(jīng)歷熱解或反應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致傾倒過程中CO2和其他熱解 產(chǎn)物的排放。
[0010] US3203057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Al2O3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Al2O3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Al2O3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Al2O3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論鑄件的鑄件表 面質(zhì)量沒有準確信息。
[0011] US4233076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Al2O3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5ym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。Al2O3*3H20 是優(yōu)選公開的。
[0013] JP4920794Bl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)通過模具基礎材料，產(chǎn)生可流動的模具材料混合物，使得具有復雜幾何形狀的 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。
[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：它改善了談論鑄件的鑄 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 (nonferrousmetal)的鑄造中，可以作出該觀察。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 具有獨立權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利要求的主題或在以下描述。
[0025] 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。
[0026] 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^所謂的大小（size)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： 對于許多鑄件幾何形狀，涂覆過程可以省略，其意味著對于相應鑄造的顯著成本節(jié)約。
[0027] 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。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（CO2和其他有機熱解產(chǎn)物）。
[0028] 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：
[0029] a)耐火模具基礎材料，
[0030] b)無機粘合劑，和
[0031] c)至少一種粒狀混合金屬氧化物，其中，該粒狀混合金屬氧化物
[0032] -是至少一種粒狀混合氧化物，
[0033] _是至少兩種氧化物的粒狀混合物或
[0034] -至少一種粒狀混合氧化物與至少一種另外的粒狀氧化物一起存在，
[0035] 并且所述粒狀混合金屬氧化物包含至少一種鋁的氧化物和至少一種鋯的氧化物。
[0036] 粒狀混合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 璃的反應性。
【具體實施方式】
[0037] 可以將常見的材料用作用于生產(chǎn)鑄模的耐火模具基礎材料。例如，以下是合適的： 石英或絡礦砂、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 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。耐火模具基礎材料優(yōu)選地構成大于 80wt. %，特別是大于90wt. %的模具材料混合物。
[0038] 例如，WO2008/101668( =US2010/173767Al)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?？捎玫牡惶珒?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（在耐火模具基礎材料中）， 優(yōu)選地至少約80wt. %以及特別優(yōu)選地至少約90wt. %。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材料，例如玻璃珠、玻璃顆 粒、或球形陶瓷模具基礎材料或稱為"Cerabeads"或"Carboaccucast"的娃酸錯微中空 球體（所謂的微球體）。例如，Norderstedt的OmegaMineralsGermanyGmbH在名稱 "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"下可獲得相應的產(chǎn)物。
[0040] 一般說來，耐火模具基礎材料的平均直徑在100ym和600ym之間、優(yōu)選地120ym 和550ym之間以及特別優(yōu)選地150ym和500ym之間。例如，可以根據(jù)DIN66165 (第2部 分）用DINIS03310-1分析篩通過篩分分析確定平均粒徑。特別優(yōu)選