Смесь для литейного дела холодного отверждения с увеличенным рабочим временем

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья металлических деталей с использованием пресс-форм и стержней, формованных холодным отверждением. Композиция содержит предшественник полиуретанового связующего, содержащий первую часть и вторую часть, причем первая часть содержит полиольный компонент, а вторая часть содержит полиизоцианатный компонент, и компонент жидкого катализатора отверждения в диапазоне от приблизительно 5 до 7 мас. % от веса первой части полиуретанового связующего, содержащий 2-этанолпиридин. При этом жидкий катализатор отверждения обеспечивает рабочее время, протекающее от смешивания компонентов связующего и наполнителя до достижения уровня 60 по шкале твердости сырой формы «В», от приблизительно 45 до приблизительно 60 минут, и время извлечения, протекающее от смешивания компонентов связующего и наполнителя до достижения уровня 90 по шкале твердости сырой формы «В», составляющее менее приблизительно 167% рабочего времени. С помощью способа холодного отверждения обеспечивают формование более крупных отливок металла за счет обеспечения более длительного рабочего времени. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[001] Данная заявка представляет собой безусловную заявку, по которой заявляется преимущество приоритета предварительной заявки US 61/657212, поданной 8 июня 2012 года, которая включена в данный документ посредством ссылки в полном объеме.

Область техники

[002] Данное раскрытие относится к смеси для литейного дела, применяемой для литья металлических деталей с использованием пресс-форм и стержней, формованных с применением способа холодного отверждения. Более конкретно, оно относится к смеси для литейного дела, содержащей соответствующий наполнитель для литейного дела и два предшественника полиуретановых связывающих. Жидкий катализатор применяется для отверждения полиуретана, образованного в результате смешивания предшественников. Предпочтительные катализаторы обеспечивают "время извлечения" свыше 45 минут и соотношение "рабочего времени" к времени извлечения, которое составляет более приблизительно 0,6 и предпочтительно близко к 1,0.

Предпосылки изобретения

[003] Пресс-формы и стержни, применяемые при литье металлических изделий, могут быть изготовлены из наполнителя для литейного дела и связующего для литейного дела. Для этого применяется несколько способов.

[004] В способе холодного отверждения смесь для литейного дела получают посредством смешивания соответствующего наполнителя со связующим и катализатором отверждения. После уплотнения смеси для литейного дела в модели отверждения смеси для литейного дела получают литейную форму, применимую в качестве пресс-формы или стержня.

[005] В способе отверждения в "холодных ящиках" смесь для литейного дела получают посредством смешивания соответствующего наполнителя со связующим. После нагнетания смеси для литейного дела в модель пар катализатора пропускают через смесь для литейного дела, обеспечивая ее отверждение и получение литейной формы, применимой в качестве пресс-формы или стержня.

[006] В еще одном дополнительном способе смесь для литейного дела получают путем смешивания наполнителя с термореактивным связующим и катализатором. Смеси для литейного дела придают форму путем уплотнения ее в нагретой модели, что вызывает отверждение смеси для литейного дела, обеспечивая литейную форму, применимую в качестве пресс-формы или стержня.

[007] Обращая особое внимание на способы холодного отверждения, таким образом, некоторые широко распространенные связующие в литейной промышленности для способа холодного отверждения включают фенольные уретановые связующие холодного отверждения, отверждаемые сложным эфиром фенольные связующие холодного отверждения и отверждаемые кислотой связующие холодного отверждения на основе фурфурилового спирта.

[008] Фенольно-уретановые полимерные системы используются не только для применений для связующего для литейного дела. Например, очень похожие полимерные системы применяют для полиуретановых пенопластов. Несмотря на то что предполагается, что катализаторы и другие добавки, применяемые с одним из трех способов (холодного отверждения, отверждения в холодных ящиках и формования пенопласта), могут применяться в отношении других, это является просто неправильным, причем в предшествующем уровне техники, в частности, в опубликованной заявке US 2005/0004257 для Gernon, указывают на то, что системы на основе полиуретановых пенопластов значительно отличаются от связываемых песком полиуретановых систем.

[009] Патентообладатель настоящего изобретения был значительно заинтересован в обеспечении связующих для литейного дела на протяжении более сорока лет. Некоторые иллюстративные патенты США и опубликованные заявки включают US 3485797 и 3676392 для Robins, 6391942, 6479567 и 7125914 для Chang, 6559203 для Hutchings, 6602931 для Chen и опубликованную заявку US 2005/0009950 для Dando.

[0010] Некоторые параметры были рассмотрены при составлении набора связующих. Например, в US 5616631 для Kiuchi сообщается о том, что связующие холодного отверждения из предшествующего уровня техники, как правило, характеризуются низкими скоростями отверждения и низкой исходной прочностью. Необходимо длительное время для достаточного отверждения связующего с целью обеспечения удаления отвержденной пресс-формы из модели, что приводит к неэффективному использованию модели. В терминологии настоящего описания время, необходимое для обеспечения удаления отвержденной пресс-формы через отводное отверстие модели, как правило, называют "временем извлечения". Более точно, и для представленных экспериментальных результатов, время извлечения представляет собой время, протекающее от смешивания компонентов связующего и песка, а также помещения песчаной смеси в модель до момента, когда формованная литейная форма достигает уровня 90 по шкале твердости сырой формы "B" с применением измерительного прибора, поставляемого Harry W. Dietert Co, Детройт, Мичиган, как сообщалось в патенте '602 Chen, того же заявителя. В Kiuchi '631 сообщается о том, что необходимым результатом является повышение исходной прочности и поддержание короткого времени извлечения. Исходная прочность измеряется относительно прочности на растяжение.

[0011] Другим термином, применяемым в предшествующем уровне техники и в данном описании, является "рабочее время". В данном описании точным определением рабочего времени является время, протекающее от смешивания компонентов связующего и песка, а также помещения песчаной смеси в модель до момента, когда формованная литейная форма достигает уровня 60 по шкале твердости сырой формы "B", снова с применением измерительного прибора от Dietert. Относительно более применимого для литейного производства, "рабочее время" определяет примерное время, в течение которого песчаная смесь может быть эффективно обработана при формовании пресс-формы. Разностью между временем извлечения и рабочим временем, следовательно, является количество времени простоя, в течение которого формируемая пресс-форма не может быть обработана, но еще не может быть удалена из модели. С помощью соотношения рабочего времени к времени извлечения ("W/S") выражают эту концепцию в безразмерном виде, при этом оно находится в диапазоне (по меньшей мере теоретически) от 0 до 1.

[0012] В конечном итоге, целью разработчиков систем связующего для литейного дела является обеспечение системы связующего, в которой будет использоваться тепло от залитого расплавленного металла для разложения связующего, как только образуется твердая корка на металле в пресс-форме, которая воспроизводит форму стержня пресс-формы. За счет данного разложения обеспечивается легкое восстановление и повторное использование песка и/или другого наполнителя. Как сообщается в US 7984750 для Pederson, данная необходимость разложения связующего вызывает сомнения, когда пресс-форма используется с металлом, залитым при температуре, которая ниже примерно 1000°С, при которой заливается чугун. Примерами таких металлов являются алюминий и магний.

[0013] Почти таким же важным, как и возможность разложения связывающего, является обеспечение связующего, которое является приемлемым с экологической точки зрения. В связи с воздействием рабочих на смесь для литейного дела как до литья, так и после, должны быть учтены такие проблемы, как токсичность и запах.

[0014] Если часть отливаемого металла является небольшой, с помощью связующих, известных из уровня техники, обеспечивают выполнение необходимой работы по меньшей мере удовлетворительно, а с помощью большинства обеспечивают выполнение превосходно. Если отливке подлежит большая часть, время, необходимое для образования пресс-формы, достаточно велико, что необходимо больше времени. Предшествующий уровень техники имеет тенденцию к объяснению принципов более быстрого отверждения, а не более медленного. Даже в патенте Hutchings '203, в котором данная проблема по меньшей мере признана, соотношение рабочего времени к времени извлечения составляет ниже 0,5. В другой ссылке, US 6291550 для Chen, того же заявителя соотношение рабочего времени к времени извлечения составляет выше 0,5, но рабочее время является настолько коротким, что приведенная система не имеет практического применения для большей части, где необходимо время извлечения составляет по меньшей мере 45 минут. Предпочтительным катализатором в патенте Chen '550 является третичный амин, в частности трис(3-диметиламино)пропиламин (CAS 33329-35-0).

[0015] Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной системы связующего, в которой обеспечивается рабочее время по меньшей мере от 45 до 60 минут и обеспечивается соотношение рабочего времени к времени извлечения по меньшей мере приблизительно 0,6.

Краткое описание

[0016] Эта и другие цели достигаются посредством композиции связующего для смеси для литейного дела, смеси для литейного дела и способа применения смеси для литейного дела.

[0017] Композиция связующего содержит предшественник полиуретанового связующего, предусмотренный из двух частей, и жидкий катализатор отверждения. Первая часть предшественника связующего содержит полиольный компонент; вторая часть содержит полиизоцианатный компонент. Катализатор отверждения предусматривается в жидкой форме и может быть предусмотрен в подходящем растворителе. Жидкий катализатор отверждения, в частности, выбран для обеспечения рабочего времени в диапазоне от приблизительно 45 до приблизительно 60 минут после смешивания с предшественниками полиуретанового связующего. Жидкий катализатор отверждения должен также обеспечивать время извлечения, которое составляет менее приблизительно 167% рабочего времени, измеренного от одной и той же начальной точки, то есть, когда смешивают жидкий катализатор отверждения и обе части предшественника полиуретанового связующего.

[0018] Для предотвращения отверждения предшественников связующего жидкий катализатор отверждения хранится отдельно от по меньшей мере второй части предшественника полиуретанового связующего до использования.

[0019] Как правило, жидкий катализатор отверждения присутствует в диапазоне от приблизительно 5 до 7 весовых процентов, исходя из веса первой части компонента полиуретанового связующего.

[0020] Жидкий катализатор отверждения будет, как правило, содержать пиридин, замещенный во втором или третьем положении функциональной группой с молекулярным весом в диапазоне от приблизительно 30 до приблизительно 100 единиц молекулярного веса ("mwu"). Конкретными примерами жидкого катализатора отверждения являются 2-этанолпиридин (CAS 103-74-2), 3-хлорпиридин (CAS 626-60-8) и 2-метоксипиридин (CAS 1628-89-3). При использовании этих соединений жидкий катализатор отверждения может так же содержать жидкость на основе ароматического углеводорода, в которой замещенный пиридин является растворимым, в частности жидкость на основе ароматического углеводорода в количестве приблизительно 20 весовых процентов.

[0021] Смесь для литейного дела, соответствующую цели настоящего изобретения, получают смешиванием композиции связующего с соответствующим количеством наполнителя для литейного дела. В такой смеси для литейного дела при смешивании двух частей предшественника полиуретанового связующего, жидкого катализатора отверждения и наполнителя для литейного дела результатом будет смесь для литейного дела, характеризующаяся рабочим временем в диапазоне от 45 до 60 минут для формования литейной формы в модели и временем извлечения для удаления формованной и отвержденной литейной формы из модели, причем соотношение рабочего времени к времени извлечения находится в диапазоне от приблизительно 0,6 до 1,0.

[0022] Способ холодного отверждения для формования литейной формы, как указано в настоящем изобретении, включает три этапа. На первом этапе способность к отверждению смеси для литейного дела активируют посредством смешивания двух частей предшественника полиуретанового связующего с жидким катализатором отверждения и литейным наполнителем. На втором этапе активированную смесь для литейного дела смешивают в модели с образованием литейной формы. На этом этапе скорость отверждения смеси для литейного дела обеспечивает возможность обработки активированной смеси для литейного дела в течение времени в диапазоне от 45 до 60 минут после того, как был осуществлен этап активации. На третьем этапе формованная литейная форма снимается с модели, как только формованная литейная форма достаточно затвердеет для дальнейшей обработки. На данном этапе скорость отверждения смеси для литейного дела является достаточной для обеспечения осуществления извлечения за время извлечения, которое составляет менее приблизительно 167% рабочего времени, измеренного от этапа активации.

Подробное описание изобретения

[0023] В качестве контрольной точки, с которой можно сравнить экспериментальные результаты, выбирали коммерчески-доступное связующее для литейного дела. Применяемое связующее для литейного дела представляло собой PEP SET™ 11670/II X-2000, коммерчески доступное от ASK Chemicals LP. Выбранное связующее для литейного дела характеризовалось двумя частями, часть I содержала полиольный компонент, а часть II содержала полиизоцианатный компонент. Жидкий катализатор, выбранный для применения при контроле, представлял собой 4-(3-фенилпропил)пиридин ("4-PPP") (CAS 2057-49-0). Этот катализатор считается "медленным" катализатором с точки зрения времени извлечения при стандартных условиях испытаний.

[0024] По протоколу эксперимента получали испытательные стержни. Часть I, подлежащую испытанию, и катализатор смешивали с кварцевым песком WEDRON 540. Затем добавляли часть II. Весовое соотношение части I к части II составляло 55/45, за исключением того, что уровень катализатора и связующего составлял 1% по весу, исходя из количества песка ("BOS").

[0025] После смешивания полученную в результате смесь для литейного дела уплотняли в стержневой ящик в форме кости с получением в результате образцов для испытаний ("костями"), которые испытывали в отношении предела прочности на растяжение через час, два часа и через три часа после удаления из стержневого ящика. Измерения рабочего времени и времени извлечения также проводили на образцах для испытаний.

[0026] С использованием того же протокола повторяли испытание с 2-этанолпиридином ("2-EP") (CAS 103-74-2), 3-хлорпиридином ("3-CP") (CAS 626-60-8) и 2-метоксипиридином ("2-MOP") (CAS 1628-89-3) вместо 4-PPP. В каждом случае использовали 20% раствор выбранного катализатора в AROMATIC 150, жидкости на основе ароматического углеводорода, коммерчески доступной от ExxonMobil Chemical Company. Количество добавленного катализатора было основано на количестве части I ("BOP1"). Целевые значения предела прочности на растяжение составляли для минимума 50 фунтов на кв. дюйм через 1 час, 100 фунтов на кв. дюйм через 2 часа, 130 фунтов на кв. дюйм через 3 часа и 250 фунтов на кв. дюйм через 24 часа спустя время извлечения, составляющее по меньшей мере от 45 до 60 минут. Были получены следующие результаты:

	Предел прочности на растяжение (фунтов на кв. дюйм)
Катализатор % (BOP1)	Катализатор	WT (мин)	ST (мин)	1 ч	2 ч	3 ч	24 ч
5,0	3% 4-PPP	16,00	21,00	99	148	165	263
2,5	3% 4-PPP	58,00	68,00	23	-	61	234
5,0	1,5% 4-PPP	83,00	124,00	9	-	-	-
5,0	20% 2-MOP	84,75	101,75	52	111	139	261
7,0	20% 3-CP	60,50	69,00	63	-	166	246
5,0	20% 2-EP	43,25	54,25	86	138	168	252

1. Композиция связующего смеси для формования литейной формы посредством способа холодного отверждения, содержащая

предшественник полиуретанового связующего, содержащий первую часть и вторую часть, причем первая часть содержит полиольный компонент, а вторая часть содержит полиизоцианатный компонент;

и компонент жидкого катализатора отверждения в диапазоне от приблизительно 5 до 7 мас. % от веса первой части полиуретанового связующего, содержащий 2-этанолпиридин, при этом предшественник полиуретанового связующего и компонент катализатора отверждения являются компонентами связующего, где жидкий катализатор отверждения выбран для обеспечения рабочего времени, протекающего от смешивания компонентов связующего и наполнителя до достижения уровня 60 по шкале твердости сырой формы «В», в диапазоне от приблизительно 45 до приблизительно 60 минут после смешивания компонентов связующего и наполнителя, и времени извлечения, протекающего от смешивания компонентов связующего и наполнителя до достижения уровня 90 по шкале твердости сырой формы «В», которое составляет менее приблизительно 167% рабочего времени, измеренного от одной и той же начальной точки.

2. Композиция по п. 1, в которой компонент жидкого катализатора отверждения до применения хранится отдельно по меньшей мере от второй части предшественника полиуретанового связующего.

3. Композиция по п. 1, в которой компонент жидкого катализатора отверждения дополнительно содержит растворитель на основе ароматического углеводорода.

4. Композиция по п. 3, в которой 2-этанолпиридин находится в растворителе на основе ароматического углеводорода в количестве приблизительно 20 мас. %.

5. Смесь для формования литейной формы способом холодного отверждения, содержащая композицию связующего по п. 1 и наполнитель.

6. Смесь по п. 5, в которой при смешивании двух частей предшественника полиуретанового связующего, компонента жидкого катализатора отверждения, содержащего 2-этанолпиридин, и наполнителя получают в результате смесь, обладающую способностью к отверждению, характеризующуюся рабочим временем в диапазоне от 45 до 60 минут для формования литейной формы в модели, и таким временем извлечения для удаления формованной и отвержденной литейной формы из модели, при котором соотношение рабочего времени к времени извлечения находится в диапазоне от 0,6 до 1,0.

7. Способ холодного отверждения для формования литейной формы, включающий этапы:

активация способности к отверждению смеси по п. 5 или 6 посредством смешивания двух частей предшественника полиуретанового связующего с компонентом жидкого катализатора отверждения, содержащим 2-этанолпиридин, и наполнителем, с формированием активированной смеси,

обработка активированной смеси в модели с образованием литейной формы, причем скорость отверждения упомянутой смеси обеспечивает возможность обработки активированной смеси в течение времени в диапазоне от 45 до 60 минут после этапа активации, и

извлечение формованной литейной формы из модели, как только отверждаемая литейная форма достаточно затвердеет для удобства обработки.

8. Способ по п. 7, в котором время извлечения составляет менее приблизительно 167 % рабочего времени, измеренного от одной и той же начальной точки.