用于耐火模具的石膏組合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于制備鑄造模具的礦物組合物，包含：（a）20重量%至90重量%的石膏，（b）10重量%至80重量%的基于二氧化硅和/或氧化鋁的礦物組分，和（c）0.5重量%至4.8重量%、優(yōu)選1.5重量%至4.5重量%和特別為2重量%至4.5重量%的具有大于15W/(m.K)的在20℃下的熱導(dǎo)率（λ）與大于10m2/g、優(yōu)選15至30m2/g的比表面積的礦物粉末，這些百分比相對(duì)于組分（a）、（b）和（c）之和的總重量。
【專利說明】用于耐火模具的石膏組合物
[0001] 本發(fā)明涉及用于制造耐火鑄造模具的石膏組合物，含有具有高熱導(dǎo)率和高比表面 積的添加劑。
[0002] 失蠟制造工藝是一種古老的技術(shù)，其中在蠟?zāi)Ｐ椭車車鷿茶T耐火石膏模具。在 石膏固化后，通過加熱從模具中除去蠟("脫蠟"步驟)。在將模具燒制和升溫后，在蠟?zāi)Ｐ土?下的空穴中澆鑄液體金屬。
[0003] 類似技術(shù)使用基于彈性體材料的模型，例如基于有機(jī)硅彈性體，其具有可重復(fù)使 用的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 為了獲得不含缺陷的良好品質(zhì)的成型部件，重要的是盡可能均勻地進(jìn)行金屬的冷 卻。事實(shí)上，特別是對(duì)于模制包含相對(duì)厚部分的部分，在進(jìn)料通道中常常觀察到金屬的過早 凝固。由此形成的古今金屬塞在模具內(nèi)部切斷了來自熔融金屬浴的仍為液體的金屬，并阻 止了通過追加供應(yīng)金屬來補(bǔ)償該部件的收縮。
[0005] 隨即在金屬部件的芯或表面處形成的孔隙構(gòu)成了稱為"縮孔"的缺陷。
[0006] 熔融金屬的澆鑄必須發(fā)生在充分干燥和通常預(yù)熱的耐火模具中。如果模具仍含有 濕潤(rùn)區(qū)域，存在殘余水瞬間蒸發(fā)并形成在最終部件中產(chǎn)生缺陷的氣泡的風(fēng)險(xiǎn)。干燥和預(yù)熱 步驟是至關(guān)重要的，并持續(xù)數(shù)小時(shí)的相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間一該時(shí)間難以降低。為了快速干燥模 具，并非唯一重要的是模具溫度盡可能地均勻，并且最好確保該材料具有開放的微孔，使得 水能夠以蒸氣形式充分發(fā)散。通常用于量化該微孔性的參數(shù)是固有滲透率，以下文實(shí)施例 中所述方式測(cè)定。
[0007] 為了防止形成縮孔，已知的是提高模具的熱導(dǎo)率。例如申請(qǐng)F(tuán)R 2845986由此提出 了通過替代一部分硅填料來提高石膏組合物的氧化鋁含量。但是該文獻(xiàn)在固有滲透率和澆 鑄前模具的干燥與升溫時(shí)間方面并未進(jìn)行檢驗(yàn)。
[0008] 申請(qǐng)CN101259514公開了用于澆鑄金屬的耐火模具的制備方法。該組合物含有 20%至35%的石膏粉、3. 2%至10%的石英粉、50%至60%的鋁土礦、4%至10%的滑石粉和1. 5% 至5%的石墨粉，以及0. 1%至0. 3%的玻璃纖維。該文獻(xiàn)提到了縮短模具的燒制時(shí)間。
[0009] 在其旨在進(jìn)一步改善制得的耐火模具性質(zhì)的研究背景下， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)通過使用作 為熱的良好導(dǎo)體并具有高比表面積的添加劑，有可能進(jìn)一步縮短模具的燒制時(shí)間，并促進(jìn) 金屬澆鑄前后模具的熱均勻性。就 申請(qǐng)人:所知，在選擇耐火模具的模塑組合物的成分過程 中，目前尚未慮及后一種參數(shù)。
[0010] 申請(qǐng)人:特別觀察到，即使對(duì)于小于5重量％的相對(duì)低的添加劑濃度，選擇具有高熱 導(dǎo)率和高比表面積的添加劑能夠獲得與使用具有同等熱導(dǎo)率但顯著較小的比表面積的添 加劑相比甚至更短的燒制時(shí)間。
[0011] 在第一方面，本發(fā)明的一個(gè)主題因此是用于制備鑄造模具的粉狀礦物組合物，包 含： (a) 20重量％至90重量％的石膏， (b) 10重量％至80重量％的基于二氧化硅和/或氧化鋁的礦物組分，和 ((：)0.5重量％至4.8重量％的具有大于15 1八111.1()的在201：下的熱導(dǎo)率（入）與大 于10 m2/g的比表面積的礦物粉末， 這些百分比相對(duì)于組分（a)、（b)和（c)之和的總重量。
[0012] 在第二方面，本發(fā)明的另一主題是用于制備鑄造模具的粉狀礦物組合物，包含： (a) 20重量％至90重量％的石膏， (b) 10重量％至80重量％的基于二氧化硅和/或氧化鋁的礦物組分，和 (c) 0. 5重量％至4. 8重量％的具有大于10 m2/g的比表面積的石墨粉，優(yōu)選壓實(shí)或未 壓實(shí)的膨脹石墨粉， 這些百分比相對(duì)于組分（a)、（b)和（c)之和的總重量。
[0013] 本發(fā)明的另一主題是此類礦物組合物用于制造耐火鑄造模具的用途，更特別為制 造鑄造模具的方法，包括： -將如上定義的粉狀礦物組合物與水混合以獲得流體組合物， _在含有待模塑部件的模型的模具中澆鑄該流體組合物， _固化該混合的組合物，并在完全固化后， _除去該模型或?qū)⒃撃Ｐ头蛛x，并取出獲得的模具。
[0014] 本發(fā)明的又一主題是可以通過上述方法獲得的鑄造模具。
[0015] 成分（a)和（b)是常規(guī)用于制造耐火模具的材料，并描述在例如申請(qǐng)US 2004/0256081 中。
[0016] 基于二氧化硅和/或氧化鋁的礦物組分優(yōu)選選自無定形二氧化硅、結(jié)晶二氧化硅 如石英和方石英、氧化鋁、堇青石和基于莫來石的耐火黏土，石英是特別優(yōu)選的組分（b)。優(yōu) 選使用具有使得該粒子的平均粒度小于1毫米、優(yōu)選小于〇. 5毫米和特別小于200微米的 粒度的微細(xì)粉末。
[0017] 組分（b)優(yōu)選相對(duì)于組分（a)、（b)和（c)之和的總重量以30重量％至75重量％、 特別是40重量％至70重量％的比例使用。組分（b)有利地相對(duì)于組分（a)占大多數(shù)。這 是因?yàn)樵摻M合物含有越少的石膏，將需要越少的水，并且干燥也將會(huì)越快。但是，需要足夠 量的石膏(粘合劑）以賦予該模具足夠的機(jī)械強(qiáng)度。
[0018] 如引言中解釋的那樣，組分（c)必須具有高熱導(dǎo)率和高比表面積。
[0019] 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 8894在成分（C)的樣品上測(cè)定20°C下的熱導(dǎo)率。
[0020] 該礦物粉末（c)在20°C下的熱導(dǎo)率（X )有利地為20至500 WAm. K)。
[0021] 作為具有合適的熱導(dǎo)率的材料的實(shí)例，可以提及石墨，氧化鋅，硅、硼、鋯或鎢的碳 化物，鈦、鋁、鎵或銦的氮化物和選自鎳、鐵和銅的金屬，其中，石墨（24 W/mK)、碳化硅（490 WAmK))和選自鎳（90 WAmK))、鐵（80 WAmK))和銅（400 WAmK))的金屬，特別是碳化硅 和石墨，是優(yōu)選的。
[0022] 有可能在出版的表中，例如在Handbook of Chemistry and Physics中找到具有 合適的傳導(dǎo)性的其它礦物材料。
[0023] 組分（c)的比表面積根據(jù)BET方法通過氮吸附以已知方式測(cè)定。其優(yōu)選為12至 50 m2/g，特別是15至40 m2/g且理想地為20至30 m2/g。
[0024] 通過激光粒度分析測(cè)定的礦物粉末（c)的粒子的中值粒徑（D5CI)有利地為大于1 Mm，優(yōu)選為2至500 Mm，更優(yōu)選為5至250 Mm，更優(yōu)選為10至200 Mm且特別為20至150 Wn〇
[0025] 最后，礦物粉末構(gòu)成組分（c)有利地具有0.02至0.3 g/cm3、特別是0.03至0.2 g/cm3的堆積密度。
[0026] 在本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，組分（c)是膨脹石墨或再壓縮的膨脹石 墨，或其混合物。
[0027] 膨脹石墨的制造描述在例如EP1491497中，并且膨脹石墨例如以"ABG"為名由 Superior Graphite 公司銷售，以 "Expanded Graphite Powder，'為名由 Handan Universe New Building Ltd?公司銷售，并以"Expanded Graphite"為名由 Kaiyu Industrial Ltd. 公司銷售。
[0028] 再壓縮膨脹石墨，也稱為壓實(shí)膨脹石墨，以"Ecophit? G"為名由SGL Group -The Carbon Company 公司銷售。
[0029] 其在用于建筑行業(yè)的石膏板中的應(yīng)用描述在例如申請(qǐng)US 2007/0031704中。在該 文中，壓實(shí)膨脹石墨以5重量％至50重量％的濃度使用以提高板的熱導(dǎo)率。該范圍的下限 (在該文獻(xiàn)的第[0061]段中)被認(rèn)為低于滲流閾值--估計(jì)為大約10%至15%。考慮到現(xiàn)有 技術(shù)文獻(xiàn)的教導(dǎo)，本 申請(qǐng)人:驚訝地觀察到，在顯著低于該滲流閾值的濃度下，膨脹石墨和/ 或壓實(shí)膨脹石墨的存在不僅提高了制備的耐火模具的擴(kuò)散率，還能夠顯著縮短模具的干燥 和升溫時(shí)間，如下文在實(shí)施例中所證實(shí)的那樣。
[0030] 組分（C)，特別是壓實(shí)或未壓實(shí)的膨脹石墨，優(yōu)選以1.5重量％至4. 5重量％、特別 是2重量％至4. 5重量％的比例用在本發(fā)明的組合物中。
[0031] 除組分（a)、（b)和（c)之外，本發(fā)明的組合物可以含有相對(duì)于組分（a)+ (b)+ (c) 總重量的最多30重量％的一種或多種不同于成分（a)、（b)和（c)的其它礦物添加劑(組分 (d))。這些添加劑優(yōu)選選自膨脹或非膨脹的玻璃珠、玻璃片、礦物纖維和蛭石，優(yōu)選選自膨 脹玻璃珠和玻璃纖維。
[0032] 最后，本發(fā)明的組合物當(dāng)然可以含有各種功能添加劑，如緩凝劑（retardateur de prise)、促凝劑（acc6l6rateur de prise)、流化劑、增稠劑、潤(rùn)濕劑、防水劑如有機(jī)娃或錯(cuò)、 限制固化過程中膨脹的試劑、變形抑制劑、抗發(fā)泡劑、抗沉降劑、發(fā)泡劑、泡沫穩(wěn)定劑、殺菌 齊II、殺真菌劑、用于調(diào)節(jié)pH的試劑或著色劑。
[0033] 在耐火模具制備過程中，將所有成分與適當(dāng)量的水混合。該水量有利地使得水/ 固體重量比為0. 2至0. 6,優(yōu)選0. 3至0. 5。
[0034] 在含有待模塑部件的模型的容器中澆鑄該流體制劑。該模型通常用蠟制成(失蠟 法)，但是同樣可以使用彈性體制成的模型，例如由有機(jī)硅制成，其可以在模具固化后從模 具中取出并重新使用。
[0035] 通過令固化和脫模的組合物在環(huán)境條件下靜置至少等于大約2小時(shí)、優(yōu)選2至4 小時(shí)，由此有利地令固化和脫模的組合物結(jié)晶。在該結(jié)晶步驟結(jié)束時(shí)，將其放置在烘箱中， 該烘箱優(yōu)選通風(fēng)并恒溫控制在200°C至800°C、優(yōu)選在200°C至低于600°C的溫度下。
[0036] 燒制(干燥和升溫）時(shí)間當(dāng)然取決于模具的尺寸和密實(shí)度。模具越大和越密實(shí)，越 是應(yīng)當(dāng)提高燒制時(shí)間。其當(dāng)然可以預(yù)見經(jīng)由溫度梯度進(jìn)行。
[0037] 模型去除可以在結(jié)晶步驟結(jié)束時(shí)（當(dāng)其例如是有機(jī)硅制成的模型時(shí)）或在燒制步 驟過程中（當(dāng)其例如是蠟制成的模型時(shí)）發(fā)生。
[0038] 由于存在如上所述為熱的良導(dǎo)體并具有高比表面積的添加劑，以這種方式制備的 鑄造模具有利地具有0. 2至2 mm2/s、優(yōu)選0. 3至1. 5 mm2/s且特別為0. 7至1. 2 mm2/s的 在環(huán)境溫度下的熱擴(kuò)散率。
[0039] 金屬的澆鑄優(yōu)選在燒成結(jié)束后立即在熱模具上進(jìn)行。
[0040] 澆鑄后模具的冷卻可以通過在環(huán)境溫度下簡(jiǎn)單靜置來進(jìn)行，但是也可以設(shè)想主動(dòng) 冷卻或這兩種實(shí)施方案的組合。
[0041] 由于該模具的高擴(kuò)散率，不僅縮短了該耐火模具的燒制時(shí)間，還縮短了冷卻時(shí)間。 實(shí)施例
[0042] 通過混合下列成分制備五種礦物組合物： 表1 :用于耐火模具的五種礦物組合物的成分的重量量和體積分?jǐn)?shù)
【權(quán)利要求】
1. 用于制備鑄造模具的礦物組合物，包含： (a) 20重量％至90重量％的石膏， (b) 10重量％至80重量％的基于二氧化硅和/或氧化鋁的礦物組分，和 (c) 0. 5重量％至4. 8重量％、優(yōu)選1. 5重量％至4. 5重量％和特別為2重量％至4. 5 重量％的礦物粉末，其具有大于15 WAm. K)的在20°C下的熱導(dǎo)率（入）和大于10 m2/g、優(yōu) 選15至30 m2/g的比表面積， 這些百分比是相對(duì)于組分（a)、（b)和（c)之和的總重量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦物組合物，其特征在于該礦物粉末（c)具有20至500 W/ (m. K)的在20°C下的熱導(dǎo)率U)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的礦物組合物，其特征在于該礦物粉末（c)是石墨粉，優(yōu)選 膨脹石墨粉或壓實(shí)的膨脹石墨粉。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的礦物組合物，其特征在于通過激光粒度分析測(cè)定的 該礦物粉末（c)的中值粒徑（D5CI)為5至250 Mm，優(yōu)選為10至200 Mm且特別為20至150 Wn〇
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的礦物組合物，其特征在于該礦物粉末（c)的BET比 表面積為12至50 m2/g，優(yōu)選15至40 m2/g且特別為20至30 m2/g。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的礦物組合物，其特征在于該礦物粉末（c)具有0. 02 至0. 3 g/cm3、特別是0. 03至0. 2 g/cm3的堆積密度。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的礦物組合物，其特征在于基于二氧化硅和/或氧化 鋁的礦物組分（b )選自二氧化硅、氧化鋁、堇青石或基于莫來石的耐火黏土。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的礦物組合物，其特征在于其還含有最多30重量％的 一種或多種其它添加劑，優(yōu)選選自膨脹或非膨脹的玻璃珠、玻璃片、礦物纖維和蛭石，優(yōu)選 選自膨脹玻璃珠和玻璃纖維。
9. 制造鑄造模具的方法，包括： -將根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的礦物組合物與水混合以獲得流體組合物， -在含有待模塑部件的模型的模具中澆鑄該流體組合物， -固化該混合組合物，并在完全固化后， _除去該模型或?qū)⒃撃Ｐ头蛛x，并取出獲得的模具。
10. 可通過權(quán)利要求9的方法獲得的鑄造模具。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的鑄造模具，其特征在于其具有0.2至2 mm2/s、優(yōu)選0.3 至1. 5 mm2/s且特別為0. 7至1. 2 mm2/s的在環(huán)境溫度下的熱擴(kuò)散率。
【文檔編號(hào)】C04B28/14GK104350024SQ201380028089
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月30日
【發(fā)明者】H.勒托, N.珀蒂尼, E.富爾德蘭, S.蒂奧利耶 申請(qǐng)人:圣戈班普拉科公司