[发明专利]包含碳酸盐的铸造用混合物及其用途

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年12月16日提交的序列号为No.61/286,913的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

石英砂(SiO₂，石英)在金属铸造工业中作为骨料被广泛地用于生产铸型和型芯。所述石英砂用于“湿砂”(与水和粘土粘结的砂)和化学粘结砂。使用多种无机和有机粘合剂，包括硅酸钠粘合剂，和酚醛聚氨酯、呋喃、环氧-丙烯酸酯、和酯硬化酚醛粘合剂，以及酸硬化酚醛粘合剂等。

粘合剂与砂混合并且在工艺装备中压实该混合物以成为期望的铸型和型芯的成型件，然后粘合剂变硬并将砂粒粘结在一起。随后将铸型和型芯部件装配成铸型组合件，将金属倾注到铸型组合件中并以期望铸件的成型件填充内腔。来自液体金属的热(特别是熔点超过1100℃的铁合金情况下)开始分解有机粘结剂并将砂加热。随着石英砂加热，出现热膨胀。这种膨胀是相对线性的，直至温度达到约570℃，此时砂粒的晶体结构转变。这种结构转变伴随着快速的等温膨胀，继之以热收缩工艺，直至980℃左右，此时发生伴随更多热膨胀的另一晶体结构变化。

据认为砂粒中的这些快速体积变化在铸件表面附近的砂层中产生机械应力，其可导致与铸型中热熔融液体金属相接触的铸型或芯表面开裂。熔融液体金属可以流入这些裂纹并在铸件表面形成毛刺(vein)或飞边(fin)。这些是不期望的并且需要时间和工作除去。在具有小的内部型芯通道的关键应用中，毛刺可能延伸穿过通道并将其阻断。这些关键铸件的例子是具有水套的发动机本身和汽缸盖，它们可被难以检测且更难以除去的位置处的毛刺阻断。

其他类型的骨料也可以用于生产“砂型”铸型和型芯，所述骨料包括天然锆石、铬铁矿、橄榄石和人造陶瓷以及其他骨料。这些骨料具有无相转变的较低膨胀率，并且形成毛刺缺损的趋势明显减少，但是也要贵得多。

已将型砂附加物与石英砂一起使用以减少毛刺趋势。根据它们的作用机制，这些型砂附加物通常分为三种主要类别。

第一类别由“低膨胀骨料”组成，例如石英砂和锆砂的90∶10混合物，其具有比单独的石英砂更低的膨胀值。除了天然存在的骨料外，可以使用人造骨料，如陶瓷(莫来石)珠、硅酸铝“微球”或熔合的硅石。

第二类别由“有机缓冲材料”组成，例如木粉、糊精和淀粉。当与石英砂混合时，它们占据石英砂之间的一些体积。因此，当熔融金属被倾注到铸型中时，来自于熔融金属的热快速将额外的有机材料烧掉。先前被有机材料占据的体积此时可以提供用于砂膨胀的“缓冲部”或空间，从而减少砂中应力的累积。

型砂附加物的第三类别由“熔剂”组成，所述熔剂与砂粒表面反应以化学地改变砂的表层和由此产生的砂的膨胀特性。这些熔剂的例子是长期用作型砂附加物的氧化铁(赤铁矿(Fe₂O₃)和磁铁矿(Fe₃O₄)两者)。其他熔剂型型砂附加物包括包含氧化钛(TiO₂)和氧化锂(Li₂O)的材料，例如锂辉石。还证明几种不同熔剂型附加物的组合使用可具有有益的效果。当赤铁矿与其他附加物一起使用时尤其如此。

现有的型砂附加物类别可以减少铸件中的毛刺，但是型砂附加物的全部三种类别都具有一些重要的缺点。相比于石英砂，低膨胀骨料趋于昂贵且需要以相对高水平使用(基于砂大于10％)。有机缓冲材料倾向于在铸型或型芯暴露于液体金属时增加由铸型或型芯产生的气体总量，并且在以高于约1％水平使用时会显著降低铸型/型芯强度。溶剂型型砂附加物是当前最广泛使用的附加物，但是它们也具有一些缺陷。例如，在以基于砂(BOS)的高于约2wt％下使用氧化铁时可引起金属渗透增加并且在较高水平下使用时减少铸型/型芯强度。含氧化锂的锂辉石昂贵且通常以较高水平使用，例如基于砂(BOS)的4-8wt％。

发明概述

本公开内容描述了包含骨料和某些碳酸盐的铸造用混合物。碳酸盐可以以基于骨料重量计少于4.0wt％的量使用，甚至以少于1.0wt％的量使用，以有效减少用铸造用混合物制造的金属铸件的毛刺。还描述了铸造用混合物经温芯盒(warm-box)、热芯盒(hot-box)、自硬(no-bake)、和冷芯盒(cold-box)工艺制造铸造成型件的用途、这些铸造成型件制造金属铸件的用途，以及经该工艺制造的金属铸件。当使用所述铸造用混合物时，减少或消除了由用于浇铸金属部件之铸造成型件制造的金属铸件中的毛刺。