用于制造金屬鑄件的模具和芯模的基于無機粘合劑的含鋰的模制材料混合物的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及用于制造金屬鑄件的模具和忍模的基于無機粘合劑的含裡的模制材 料混合物，其包括至少一種耐火的模制基礎材料、一種或多種裡化合物、至少水玻璃作為無 機粘合劑和無定型的二氧化娃作為添加劑。此外，本發(fā)明設及一種用于制備模制材料混合 物的成分體系、一種含裡的無機粘合劑W及一種用于利用模制材料混合物制造模具和型忍 的方法和根據(jù)該方法制造的模具和型忍。
【背景技術】
[0002] 鑄造模具基本上由模具或者模具和忍模組成，所述模具或者模具和忍模為待制造 的鑄造件的陰模。所述忍模和模具在此由耐火的材料，例如石英砂和適當?shù)恼澈蟿?gòu)成，所 述粘合劑在從模具工具中取出之后使鑄造模具失去足夠的機械強度。耐火的模制基礎材料 優(yōu)選W松散的形式存在，使得其能夠填入到適當?shù)目胀汀⒛＞咧胁⑶以谀抢锬軌驂嚎s。通過 粘合劑在模制基礎材料的顆粒之間產(chǎn)生穩(wěn)定的粘結(jié)，使得鑄造模具獲得所需要的機械穩(wěn)定 性。
[0003] 鑄造模具必須滿足不同的要求。在鑄造過程本身中，其必須首先具有足夠的強度 和溫度抗性，W便能夠?qū)⒁簯B(tài)材料容納到由一種或多種鑄造（子）模具形成的空腔中。在 硬化過程開始之后，通過硬化的金屬層確保鑄造件的機械穩(wěn)定性，所述金屬層沿著鑄造模 具的壁構(gòu)成。
[0004] 鑄造模具的材料現(xiàn)在必須在由金屬輸出的熱量的影響下分解，使得其失去機械強 度，即取消耐火的材料的各個顆粒之間的粘結(jié)。在理想的情況下，鑄造模具再次分解成細 砂，所述細砂能夠不費力地從鑄造件移除。
[0005] 鑄造模具在制造過程期間經(jīng)受極其高的熱和機械負荷，在液態(tài)金屬和鑄造模具之 間的接觸面處例如通過鑄造模具撕裂或者通過液態(tài)金屬滲入到鑄造模具的組織中能形成 缺陷。通常鑄造模具的與液態(tài)金屬形成接觸的面設有用于保護的覆層，所述覆層也稱作為 鑄型涂料。
[0006] 因此，通過該覆層能夠?qū)㈣T造模具的表面改性并且協(xié)調(diào)于待加工的金屬的特性。 因此，能夠通過鑄型涂料通過產(chǎn)生光滑表面的方式來改進鑄造件的外觀，因為通過鑄型涂 料補償不規(guī)則性，所述不規(guī)則性通過模制材料的顆粒的大小引起。在鐵和鋼鑄件中偶爾在 鑄造件的表面上構(gòu)成缺陷，如瘤、粗糖的或礦化的表面、錯位錯邊、小坑、孔或針孔或者構(gòu)成 白色的或黑色的沉淀物。
[0007] 如果出現(xiàn)上述缺陷，那么需要對鑄造件的表面進行耗費的再加工，W便達到期望 的表面特性。運需要附加的工作步驟進而降低生產(chǎn)力或提高成本。如果在鑄造件的難于或 完全不可觸及的面處出現(xiàn)缺陷，那么運也能夠?qū)е妈T造件的損失。
[000引此外，鑄型涂料通過例如經(jīng)由鑄型涂料選擇性地在鑄造件的表面上將附加物傳遞 到鑄造件中的方式在金屬冶金方面影響鑄造件，其中所述附加物改進鑄造件的表面特性。
[0009] 此外，鑄型涂料形成在鑄造時將鑄造模具與液態(tài)金屬化學絕緣的層。由此，防止鑄 造件和鑄造模具之間的任何附著，使得鑄造件能夠沒有困難地從鑄造模具中移除。但是，鑄 型涂料也能夠用于：有針對性地控制液態(tài)金屬和鑄造模具之間的熱傳遞，W便例如通過冷 卻速率引起構(gòu)成特定的金屬組織結(jié)構(gòu)。
[0010] 鑄型涂料通常由無機耐火材料和粘合劑構(gòu)成，所述粘合劑溶解或者懸浮在適當?shù)?溶劑、例如水或酒精中。根據(jù)可能性，期望棄用含酒精的鑄型涂料并且代替于此應用水性的 體系，因為在干燥過程期間有機溶劑引起排放。
[0011] 為了制造模具，能夠使用有機的還有無機的粘合劑，所述粘合劑的硬化能夠分別 通過冷的或熱的方法進行。在此將如下方法稱作為冷的方法，所述方法基本上在不加熱用 于忍模制造的模制工具的情況下執(zhí)行，通常，在室溫下或在通過可能的反應引起的溫度下 執(zhí)行。硬化例如通過如下方式進行：將氣體引導通過待硬化的模制材料混合物并且在此觸 發(fā)化學反應。在熱的方法中，將模制材料混合物加熱到足夠高的溫度上，W便排出包含在粘 合劑中的溶劑和/或W便啟動化學反應，粘合劑通過所述化學反應硬化。
[0012] 有機溶劑由于其技術特性而在經(jīng)濟觀點來看當前在市場上具有較大的意義。然 而，所述有機溶劑與其組分無關地具有的缺點是：其在脫模鑄件時分解并且在此部分地放 出顯著量的有害物質(zhì)，例如苯、甲苯和二甲苯。此外，有機粘合劑的誘鑄通常引起氣味干擾 和煙霧干擾。在一些體系中，甚至已經(jīng)在制造和/或倉儲鑄造模具時出現(xiàn)不期望的排放。即 使排放能夠隨時間流逝因粘合劑散發(fā)而降低，而在有機粘合劑的情況下其不能夠完全被避 免。
[0013] 出于該理由，在近些年中，將研究和發(fā)展再次轉(zhuǎn)向無機粘合劑，W便進一步改進無 機粘合劑和如此制造的模具和忍模的產(chǎn)品特性。
[0014] 無機粘合劑已經(jīng)是長期已知的，尤其是基于水玻璃的運種無機粘合劑。其最廣泛 的應用在于二十世紀五十年代和六十年代，然而，隨著現(xiàn)代有機粘合劑的興起，無機粘合劑 快速地失去變得不那么重要。為了硬化水玻璃提供Ξ種不同的方法：
[001引-穿導氣體，例如c02、空氣或運兩者的組合[001引-添加液態(tài)的或固態(tài)的硬化劑，例如醋，和
[0017] -熱學硬化例如W熱忍盒方法或者通過微波處理。
[0018] 例如US5, 474, 606致力于水玻璃的熱學硬化，其中描述由堿水玻璃和侶娃酸鹽 構(gòu)成的粘合劑體系。
[0019] 然而，無機粘合劑體系的應用通常與其他的缺點聯(lián)系在一起，所述缺點詳細地在 下面的實施方案中描述。
[0020] 無機粘合劑的缺點是，由其制造的鑄造模具有相對小的強度。運尤其直接在將鑄 造模具從工具中取出之后顯著地暴漏出來。但是該時間點的強度，也稱作熱強度對于復雜 的和/或薄壁的模具部件和的制造和其操作是尤其重要的。但是，為鑄造模具完全硬化之 后的強度的冷強度是重要的標準，因為能夠W所需要的尺寸精度制造期望的鑄造件。
[0021] 此外，與有機粘合劑相比，無機粘合劑的相對高的粘性不利地作用于其在鑄造部 件的自動化的批量生產(chǎn)中的應用上。
[0022] 因為伴隨較高粘度而來的是模制材料混合物的流動性下降，所W易損的空屯、模 具、如其例如對于制造復雜的和/或薄膜的模具部件是必需的空屯、模具，不能夠被充分地 密封。
[0023] 無機粘合劑的另一主要缺點是其在空氣濕度提高的情況下相對小的倉儲穩(wěn)定性。 空氣的濕氣含量在此針對特定的溫度相對的空氣示出W百分比說明或者通過絕對的空氣 濕度W為g/m啤位說明。鑄造模具的倉儲穩(wěn)定性尤其在lOg/m3的絕對空氣濕度的情況下 顯著地下降，所述鑄造模具通過熱硬化和利用無機粘合劑制造，運在倉儲期間通過尤其由 熱硬化制造的鑄造模具的強度的強烈下降來觀察到。該效果尤其在熱硬化的情況下歸因于 與空氣中的水的聚縮的逆反應，所述逆反應引起中間粘結(jié)劑的潤滑。
[0024] 在運種倉儲條件下的強度下降有時與出現(xiàn)所謂的倉儲裂紋聯(lián)系在一起。通過強度 下降，減弱鑄造模具的組織結(jié)構(gòu)，運局部地在高機械應力的區(qū)域中能夠?qū)е妈T造模具的容 易的開裂。
[00巧]除了提高空氣濕度情況下的倉儲穩(wěn)定性之外，利用無機粘合劑熱硬化的忍模具有 與有機粘合相比小的、相對于基于水的模制材料涂層，例如鑄型涂料的抗性。運就是說其強 度通過覆層、例如具有水性的鑄型涂料的覆層而強烈地下降并且該方法實際上僅能夠難于 實現(xiàn)。
[0026] EP 1802409A1公開：通過應用耐火的模制基礎材料、基于水玻璃的粘合劑W及一 定份額的微粒狀的無定形的二氧化娃能夠?qū)崿F(xiàn)更高的強度和改進的倉儲穩(wěn)定性。在此，尤 其將熱硬化作為硬化方法詳細描述。用于提高倉儲穩(wěn)定性的另一可行性是應用有機娃化合 物，如其例如在US6017978中描述。
[0027] 如Omisu所報導，無機粘合劑的倉儲穩(wěn)定性尤其在熱硬化時表現(xiàn)出問題，而通過 C〇2硬化的鑄造模具相對于提高的空氣濕度是顯著耐抗的（Owusu,AFSTransactions,Vol. 88, 1980,p. 601-608)dOwusu公開了 ：通過添加無機添加劑，例如LizCOs或化C〇3能夠提高倉 儲穩(wěn)定性。在此，Omisu基于：該添加劑的難溶性和包含的陰離子的高水合數(shù)具有對于娃酸 鹽凝膠的穩(wěn)定性正面的影響進而對水玻璃粘合劑的倉儲穩(wěn)定性的正面的影響。然而，未在 本公開物中研究通過改變液態(tài)的無機粘合劑的組分改進倉儲穩(wěn)定。
[0028] 在DE 2652421 A1和US 4347890中描述水玻璃粘合劑的濕氣抗性的改進。DE 2652421 A1在此尤其深入探討了用于制造基于水性的堿娃酸鹽溶液的含裡的粘合劑的不 同方法。在DE 2652421 A1中描述的粘合劑的特征在于0. 80-0. 99 :0. 01-0. 20:2. 5-4. 5范 圍中的化2〇和/或K2〇:Li2〇:Si化的重量比，運對應于0. 02-0. 44的Li 20/M20的物質(zhì)量比和 1. 8-8. 5的Si〇2/M2〇的摩爾比。在此，用跑0]表示堿氧化物的物質(zhì)量的總和。在此描述的 粘合劑具有改進的抗水性，即其更少地傾向于從大氣中吸收水，如通過重量測定研究來指 出。盡管將鑄造模具的制造作為可能的應用，然而沒有對制造的模具的強度做出說明，更不 用提對其倉儲強度做出說明。
[0029] US4347890描述用于制備無機粘合劑的方法，其由水性的鋼娃酸鹽溶液和裡化合 物的溶液構(gòu)成，其中在此尤其優(yōu)選的是氨氧化裡和裡娃酸鹽。添加裡化合物W提高粘合劑 的潮濕穩(wěn)定性。根據(jù)US4347890的堿娃酸鹽粘合劑在此具有0. 05-0. 44的Li2〇/M2〇(M2〇 = 化〇+化2〇)的物質(zhì)量比。
[0030] 現(xiàn)有技術的問題和問題提出
[0031] 至今為止已知的、用于鑄造目的的無機粘合劑體系還具有改進空間。主要期望的 是：研發(fā)如下無機粘合劑體系：其
[0032] a)實現(xiàn)鑄造模具的制造，所述鑄造模具也在空氣濕度提高的情況下是倉儲穩(wěn)定 的。充分的倉儲穩(wěn)定性尤其是期望的，W便將鑄造模具在其制造之后能夠倉儲更長的時間 進而延長制造過程的過程窗口。
[0033] b)實現(xiàn)達到的強度水平，所述強度水平在自動化的制造過程中是必需的，尤其足 夠高的熱強度或冷強度。
[0034] C)與模制基礎材料得到良好流動的模制材料混合物，使得也能夠?qū)崿F(xiàn)具有復雜幾 何形狀的鑄造模具。因為模制材料混合物的流動性直接與粘合劑的粘度相關，所W所述粘 度必須盡可能地小。
[0035] d)制造如下鑄造模型，其具有制造的忍模相對于具有占載液至少50重量％的水 含量的模制材料涂層的改進的抗性。在此，載液是模制材料涂層的組成部分，所述組成部分 能夠在160°C的情況下和標準壓力（1013mbar)下蒸發(fā)。因為運種基于水的模制材料涂層出 于經(jīng)濟觀點和出于工作安全性的理由能夠是優(yōu)選的，所W值得將其也用于鑄造模具，所述 鑄造模具借助無機粘合劑制造。
[0036] e)對于鑄造廠與低的成本聯(lián)系在一起，因為粘合劑僅針對一次性使用而確定。特 別地粘合劑的裡份額必須選擇得小，因為裡化合物由于需求提高而近期顯著漲價。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0037] 因此，本發(fā)明所基于的目的是：提供用于制造供金屬加工的鑄造模具的模制材料 混合物或粘合劑，其滿足上述要求（a)至（e)。