[发明专利]包含一种或更多种环烷烃作为溶剂的铸造粘结剂

说明书

相关申请

本申请要求2009年7月16日提交的美国临时专利申请序列号61/266,036的优先权。

背景技术

在铸造工业中，制造金属部件所用的程序之一为“砂铸”。在砂铸中，一次性铸造成型体(例如模具、型芯、套筒、浇杯、覆盖物等)用包含耐火材料(通常是砂)和有机或无机粘结剂的混合物的铸造混合物制造。

铸造成型体通常由所谓的自硬、冷芯盒法和/或热固化法制得。在自硬法中，将液态固化催化剂与耐火材料和粘结剂混合以形成铸造混合物，然后在模型中成型该混合物。铸造砂混合物通过在模型中将其压实并使其固化直至能够自支承而成型。在冷芯盒法中，使蒸气状的固化催化剂通过骨料和粘结剂的成型混合物(通常在芯盒中)以形成固化的铸造成型体。在热固化法中，将成型体混合物暴露于活化固化催化剂的热以形成固化的铸造成型体。

要使粘结剂体系有效地起作用，有许多要求。例如，粘结剂通常具有低的粘度、必须是无凝胶的并且在贮存和使用条件下保持稳定。为在铸造成型体的制造中获得高生产率，需要粘结剂有效固化，使得铸造成型体尽可能快地变为自支承和可处理的。

就自硬和热固化法而论，必须花费足够的工作时间以可制造较大的型芯和模具。另一方面，就冷芯盒法而论，成型的铸造混合物在与蒸气状的固化催化剂接触时必须几乎瞬时固化。采用自硬、冷芯盒或热固化粘结剂由铸造混合物制得的铸造成型体具有足够的机械强度(特别是瞬时抗拉和横向强度)、划痕硬度，并且表现出耐环境湿度性。

配方设计师面对的最大挑战之一是配制在铸造成型体被制造后将使铸造成型体保持在一起使得其可被处理、贮存并且在金属铸造过程中不过早破裂而在凝固的铸造金属部件冷却后具有可接受的脱模和脱芯性质(常称为振动脱砂)的粘结剂。如果没有这种性质，则必须采用耗时、耗劳力的手段来破碎用过的铸造成型体，使得可从铸模和型芯组件取出金属部件。有效的铸造粘结剂所需的另一相关性质是用粘结剂制得的铸造成型体必须容易从制造其的模型中脱离。

就冷芯盒应用而论，由耐火材料和有机粘结剂制得的铸造混合物的流动性可能产生较大的问题。这是因为在一些情况下，粘结剂的组分，特别是酚醛聚氨酯粘结剂的组分，可能在与耐火砂混合后而在待用时过早地反应。如果发生这种过早反应，则铸造混合物的流动性会降低并且由该粘结剂制得的模具和型芯具有减小的机械强度。该随时间降低的流动性和强度减小表明铸造混合物的“可使用时间”不够。如果粘结剂产生的铸造混合物没有足够的可使用时间，则该粘结剂的商业价值有限。

鉴于商业上成功的铸造粘结剂的所有这些要求，铸造粘结剂技术正在逐步发展。以成本有效的方式开发满足所关心的所有要求的粘结剂并不容易。

此外，由于环境、健康和安全法规及问题，除优异的性能和成本有效外，可能还存在对配方组成的要求。现在环境问题尤其相关，这是因为商业上使用的大多数铸造粘结剂都包含显著量的芳烃溶剂，芳烃溶剂又可包含诸如苯、甲苯、二甲苯、1，2，4-三甲基苯、萘的化合物和其它芳族化合物以及相关部分。近来，在铸造粘结剂中使用芳烃溶剂受到日益关注，对减少其用量或完全不使用它们的兴趣普遍存在。

现有技术披露，已多次探索在基于甲阶酚醛树脂和多异氰酸酯的铸造粘结剂体系中减少和可能地消除芳烃溶剂。例如，欧洲专利0771569描述了用一种或更多种具有12个碳原子碳链的脂肪酸的甲酯替代芳烃溶剂。虽然该粘结剂制得有用的型芯和模具，但已发现在浇注、冷却和振动脱砂过程中冒烟和发出刺鼻气味，并且用这些粘结剂制得的模具和型芯在用过后得到的砂更难再生和再用。因此，在实践中，趋向于将脂肪酸酯与传统芳烃溶剂组合用作共溶剂。

新近，欧洲专利1057554披露了使用硅酸烷基酯特别是硅酸四乙酯替代芳烃溶剂。该技术也存在一些缺点，例如在用于减少胺固化气体的酸性洗涤溶液中形成凝胶，并且形成的白色二氧化硅细粒可沉积在铸件上、积聚在用过的砂中或在空气中载带。

无脂环族溶剂如煤油和十四烯已被少量添加到多元醇-多异氰酸酯粘结剂，特别是酚醛聚氨酯冷芯盒和自硬粘结剂中，但其强的非极性溶解性导致大大限制其在粘结剂配方中的用量，低于总粘结剂即部分I(多元醇组分)和部分II(多异氰酸酯组分)的合并重量的5重量％。

鉴于此背景，需要开发不包含芳烃溶剂或以少得多的量使用芳烃溶剂而同时保持优异的性能和成本有效并且充分考虑环境、健康和安全问题的铸造粘结剂。

发明内容