ЧАСТИЦА ТИПА СЕРДЦЕВИНА-ОБОЛОЧКА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ФОРМОВОЧНЫХ МАСС ПРИБЫЛЕЙ
PARTICLE OF CORE-SHELL TYPE TO BE USED AS FILLER FOR HOT TOP SAND MIXES

Настоящее изобретение относится к частицам типа сердцевина-оболочка для применения в качестве наполнителя для формовочных масс прибылей при изготовлении прибылей, соответствующему сыпучему материалу-наполнителю, который включает в себя множество частиц типа сердцевина-оболочка согласно изобретению, способу получения частиц типа сердцевина-оболочка согласно изобретению и сыпучим материалам-наполнителям согласно изобретению, соответствующим формовочным массам прибылей и соответствующей прибыли, а также соответствующим применениям. Дополнительные объекты настоящего изобретения явствуют из последующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Термин «прибыль» в рамках данного документа включает как оболочки прибылей, вкладыши прибылей и крышки прибылей, так и грелки.
При изготовлении металлических фасонных деталей в литейном производстве заполняют жидким металлом литейную форму и подвергают там затвердеванию. Процесс затвердевания связан с уменьшением объема металла, и поэтому, как правило, в или на литейной форме предусматривают прибыль, то есть открытое или замкнутое пространство, чтобы скомпенсировать сокращение объема при затвердевании отливки и таким образом предотвратить образование усадочной раковины в отливке. Прибыли соединены с отливкой или, соответственно, с подверженным усадке участком отливки и обычно располагаются поверх и/или сбоку полости литейной формы.
В формовочных массах прибылей для изготовления прибылей и в самих изготовленных из них прибылях в настоящее время обычно используют легкие наполнители, которые при высокой термической устойчивости должны обеспечивать хорошее изолирующее действие.
DE 102005025771 В3 раскрывает изолирующую прибыль, включающую керамические полые шарики и стеклянные полые шарики.
В ЕР 0888199 В1 описаны прибыли, которые в качестве изолирующего огнеупорного материала содержат пустотелые микросферы из силиката алюминия.
EP 0913215 В1 раскрывает составы прибылей, которые включают пустотелые микросферы из силиката алюминия с содержанием оксида алюминия менее чем 38 вес.%.
WO 9423865 А1 раскрывает состав прибыли, включающий содержащие оксид алюминия пустотелые микросферы с содержанием оксида алюминия по меньшей мере 40 вес.%.
WO 2006/058347 А2 раскрывает составы прибылей, которые в качестве наполнителя включают микросферы типа сердцевина-оболочка с сердцевиной из полистирола. Однако применение полистирола в литейном производстве ведет к нежелательным выбросам.
В промышленной практике в настоящее время часто используют полые сферы, которые формируют из летучей золы угольных электростанций или изготавливают синтетически. Однако пригодные для употребления в прибылях полые шарики не являются неограниченно доступными. Поэтому в основу настоящего изобретения была положена задача предложить легкий наполнитель, который мог бы быть использован в качестве замены преимущественно употребляемым до сих пор полым шарикам. При этом предлагаемый легкий наполнитель должен удовлетворять следующим первостепенным требованиям:
- термическая стабильность даже при температурах выше чем 1450ºС, преимущественно при температурах выше чем 1500ºС;
- достаточная механическая устойчивость даже при высоких температурах, например 1400ºС;
- незначительное налипание пыли или отсутствие такового;
- небольшая насыпная плотность.
Поставленная задача согласно изобретению решается с помощью частицы типа сердцевина-оболочка для применения в качестве наполнителя для формовочных масс прибылей при изготовлении прибылей, включающей в себя:
(a) несущую сердцевину, которая имеет размер в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм и
состоит из материала, который устойчив максимально вплоть до температуры 1400ºС и не содержит полистирола,
(b) окружающую эту сердцевину оболочку, состоящую из или содержащую
(b1) частицы со значением D50 размера частиц максимально 15 мкм, предпочтительно максимально 10 мкм, которые устойчивы вплоть до температуры по меньшей мере 1500ºС, предпочтительно по меньшей мере 1600ºС, а также
(b2) связующее, которое связывает частицы друг с другом и с несущей сердцевиной,
причем частица типа сердцевина-оболочка устойчива вплоть до температуры по меньшей мере 1450ºС, предпочтительно по меньшей мере 1500ºС.
Изобретение основывается на том установленном факте, что путем заключения в оболочку материалы-носители (которые используются как несущая сердцевина) с температурной устойчивостью, недостаточной, к примеру, для применения в качестве наполнителя в формовочных массах прибылей, можно преобразовать в частицы типа сердцевина-оболочка, которые устойчивы вплоть до температуры по меньшей мере 1450ºС, а преимущественно по меньшей мере 1500ºС. Для этого требуется заключение несущей сердцевины в оболочку из частиц со значением D50 размера частиц максимально 15 мкм, которые сами по себе считаются устойчивыми вплоть до температуры по меньшей мере 1500ºС, предпочтительно 1600ºС.
В частицах типа сердцевина-оболочка согласно изобретению несущая сердцевина имеет размер, т.е. максимальную длину, в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм; она состоит из материала, который устойчив максимально вплоть до температуры 1400ºС и не содержит полистирола, предпочтительно вообще не содержит никаких органических веществ, а предпочтительно содержит исключительно неорганические компоненты. Несущая сердцевина предпочтительно является сферической.
В рамках данного текста частица или материал рассматриваются как устойчивые, если она или он ниже заданной температуры не плавится, не размягчается с потерей пространственной конфигурации или не разлагается.
Предпочтительно несущая сердцевина (а) частицы типа сердцевина-оболочка согласно изобретению состоит из керамики или стекла.
Предпочтительно несущая сердцевина (а) представляет собой полую сферу или пористую частицу, причем полая сфера или, соответственно, пористая частица опять же предпочтительно состоят из керамики или стекла. Примерами материалов, предпочтительных для использования в качестве несущей сердцевины (а), являются микропористые вспененные стекла, которые имеются в продаже, например, под наименованием Poraver от фирмы Dennert Poraver GmbH или, например, под наименованием Omega-Bubbles от фирмы Omega Minerals Germany GmbH, или пустотелые стеклянные микросферы, которые продаются, например, под наименованием 3M Scotchlite K20 фирмой 3M Specialty Materials.
Упомянутые частицы (b1) оболочки (b) в частицах типа сердцевина-оболочка согласно изобретению предпочтительно включают один или более материалов или состоят из одного или более материалов, которые выбраны из группы, состоящей из огнеупорных материалов (согласно стандарту DIN 51060), предпочтительно из группы, состоящей из: оксида алюминия, нитрида бора, карбида кремния, нитрида кремния, борида титана, оксида титана, оксида иттрия и оксида циркония, и смешанного оксида, например кордиерита или муллита.
В частицах типа сердцевина-оболочка согласно изобретению связующее (b2) предпочтительно выбрано из группы, состоящей из:
- связующего Cold-Box, предпочтительно из полиуретана, получаемого из смолы на основе простых бензиловых эфиров и полиизоцианата,
- связующего Hot-Box,
- крахмала,
- полисахарида и
- жидкого стекла.
Частицы типа сердцевина-оболочка согласно изобретению могут быть использованы в огнеупорных формовочных массах или материалах, например, таких, которые предназначены для применения в строительстве промышленных печей или для улучшения противопожарной защиты строений. Они могут быть также использованы в теплоизоляционных материалах или в качестве таковых, например, в строительной промышленности или литейной промышленности.
Предпочтительно частицы типа сердцевина-оболочка согласно изобретению представляют собой составную часть сыпучих материалов-наполнителей, которые пригодны для применения в качестве наполнителя для формовочных масс прибылей при изготовлении прибылей. Такой сыпучий материал-наполнитель согласно изобретению включает, как правило, множество частиц типа сердцевина-оболочка согласно изобретению (причем в отношении предпочтительного строения частиц типа сердцевина-оболочка справедливо вышесказанное), а также при необходимости другие заполняющие вещества.
В сыпучем материале-наполнителе согласно изобретению несущие сердцевины (а) во множестве частиц типа сердцевина-оболочка, рассматриваемые сами по себе, предпочтительно имеют средний размер частиц (МК) в диапазоне от 60 мкм до 380 мкм. При этом средний размер частиц определяют согласно инструкции VDG-Merkblatt P27 (Памятка Немецкого общества литейщиков) (октябрь 1999).
Насыпная плотность используемых в качестве несущей сердцевины частиц, рассматриваемых как таковых, предпочтительно составляет в диапазоне от 85 г/л до 500 г/л. При этом насыпную плотность несущей сердцевины (а) предпочтительно определяют перед заключением ее в оболочку, состоящую из частиц (b1) и связующего (b2), а также при необходимости из прочих компонентов. В сыпучем материале-наполнителе согласно изобретению предпочтительно по меньшей мере 90 вес.% частиц (b1) во множестве частиц типа сердцевина-оболочка в расчете на общий вес частиц (b1) имеют размер частицы максимально 45 мкм. Соответственно этому для покрытия несущей сердцевины (а) особенно подходят порошкообразные (т.е. тонкоизмельченные, полидисперсные) сыпучие материалы, у которых более чем 90 вес.% содержащихся в порошке частиц имеют размер частицы максимум 45 мкм. При этом гранулометрический состав частиц в соответствующем порошке определяют фотометром рассеяния света, например посредством фотометра рассеяния света фирмы Coulter. При этом в качестве дополнительного характеристического контрольного показателя часто приводят значение D50, которое соответствует среднему размеру частиц. Выбор порошков, которые особенно подходят в качестве материала оболочки (материала покрытия) для заключения в оболочку несущей сердцевины, обобщен в нижеследующей таблице:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
BN
SiC
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
TiB<sub>2</sub>
TiO<sub>2</sub>
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ZrO<sub>2</sub>
Температура плавления [°С]
прим. 2050
прим. 3000
прим. 2300разл.
прим. 1900разл.
прим. 2900
прим. 1850
прим. 2410
прим. 2600
Макс./мкм
< 45
< 10
< 45
< 45
< 45
D50/мкм
прим. 12
прим. 9
прим. 5
прим. 1,5
прим. 6,5
“Макс.” означает: 90 вес.% содержащихся в рассматриваемом порошке частиц имеют размер частицы ниже указанного значения.“разл.” означает: разложение.“прим.” означает: примерно.
3
Сыпучий материал-наполнитель согласно изобретению предпочтительно имеет насыпную плотность менее чем 0,6 г/см (т.е. 600 г/л). Сыпучий материал-наполнитель согласно изобретению, который включает частицы типа сердцевина-оболочка согласно изобретению, можно получить смешением несущей сердцевины (а) с (огнеупорным) порошком частиц (b1) в присутствии связующего (b2). В соответствующем способе согласно изобретению получения частиц типа сердцевина-оболочка согласно изобретению или получения сыпучего материала-наполнителя согласно изобретению проводят следующие стадии:
- приготовление несущих сердцевин размером в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм, которые состоят из материала, который устойчив максимально вплоть до температуры 1400ºС,
приготовление частиц со средним размером частиц максимально 15 мкм, предпочтительно максимально 10 мкм, которые устойчивы вплоть до температуры по меньшей мере 1500ºС, предпочтительно по меньшей мере 1600ºС,
- контактирование несущих сердцевин с упомянутыми частицами в присутствии связующего так, что частицы связывают с несущей сердцевиной и друг с другом и заключают отдельные или все несущие сердцевины в оболочку.
При этом в отношении исполнения предпочтительной несущей сердцевины, предпочтительных частиц и предпочтительного связующего справедливо вышеизложенное с учетом сказанного относительно частиц типа сердцевина-оболочка согласно изобретению и материалов-наполнителей согласно изобретению.
Настоящее изобретение также относится к формовочной массе прибыли для изготовления прибылей, состоящих из или содержащих: частицы типа сердцевина-оболочка согласно изобретению (такие, как описанные выше, преимущественно в исполнении, обозначенном выше как предпочтительное) или сыпучий материал-наполнитель согласно изобретению (такой, как описанный выше, преимущественно в исполнении, обозначенном выше как предпочтительное), а также связующее для соединения частиц типа сердцевина-оболочка или, соответственно, сыпучего материала-наполнителя. Что касается связующего, то соответственно действительны вышеприведенные варианты исполнения предпочтительных связующих для частиц типа сердцевина-оболочка; предпочтительным является, когда как для связывания несущей сердцевины (а) с частицами (b1), так и для соединения частиц типа сердцевина-оболочка или сыпучего материала используют связующее Cold-Box (преимущественно в каждом случае на основе смолы из простых бензиловых эфиров и полиизоцианата), особенно предпочтительно идентичное связующее.
Формовочная масса прибыли согласно изобретению может быть выполнена в виде экзотермической формовочной массы прибыли, и тогда в дополнение к упомянутым компонентам она обычно включает легко окисляющийся металл и окислитель для него, которые предназначены для экзотермического взаимодействия друг с другом.
3
Настоящее изобретение также относится к прибыли, которая включает формовочную массу прибыли согласно изобретению. Прибыли согласно изобретению предпочтительно имеют плотность менее чем 0,7 г/см.
Прочие аспекты настоящего изобретения относятся к применению частиц типа сердцевина-оболочка согласно изобретению (таких, как описанные выше, преимущественно в исполнении, обозначенном как предпочтительное) или сыпучего материала-наполнителя согласно изобретению (такого, как описанный выше, преимущественно в исполнении, обозначенном как предпочтительное) в качестве изолирующего материала-наполнителя в формовочной массе прибыли или в прибыли.
Далее, настоящее изобретение также относится к применению формовочной массы прибыли согласно изобретению для изготовления изолирующей или экзотермической прибыли.
Для изготовления прибыли согласно изобретению смешивают частицы типа сердцевина-оболочка согласно изобретению или, соответственно, сыпучий материал-наполнитель согласно изобретению, пригодное согласно изобретению связующее (например, связующее Cold-Box, см. выше), а также при необходимости другие компоненты, получившуюся смесь формуют с образованием прибыли и отформованную прибыль отверждают. При этом процесс формования предпочтительно проводят по суспензионному способу, способу формования в непросушенном литейном стержне, способу по технологии Cold-Box или способу по технологии Hot-Box.
Изобретение далее подробнее разъясняется с помощью примеров.
А. Получение частиц типа сердцевина-оболочка согласно изобретению (сыпучего материала)
Пример исполнения 1
В смеситель типа BOSCH Profi 67 помещают 700 г продукта Poraver (стандартный размер частиц 0,1-0,3; фирма Dennert Poraver GmbH) в качестве материала-носителя и равномерно смачивают 120 г связующего Cold-Box (фирмы Hüttenes-Albertus: бензилэфирная смола на основе модифицированного полиизоцианата Aktivator 6324 / Gasharz 6348). Добавляют 300 г порошка карбида кремния (значение D50 размера частиц <5 мкм) и всю массу перемешивают до однородности. Наконец, для отверждения связующего вносят примерно 0,5 мл диметилпропиламина. Через несколько секунд образовавшиеся частицы типа сердцевина-оболочка готовы для дальнейшего применения в качестве сыпучего материала.
Пример исполнения 2
В качестве несущей сердцевины в подходящий смеситель типа BOSCH Profi 67 помещают 800 г продукта Omega-Bubbles (фирма Omega Minerals Germany GmbH; размер частиц <0,5 мм) в качестве материала-носителя и равномерно смачивают 120 г связующего Cold-Box (фирмы Hüttenes-Albertus: бензилэфирная смола на основе модифицированного полиизоцианата Aktivator 6324 / Gasharz 6348). Добавляют 200 г порошка оксида алюминия (значение D50 размера частиц примерно 12 мкм) и всю массу перемешивают до однородности. Наконец, для отверждения связующего вносят примерно 0,5 мл диметилпропиламина. Через несколько секунд образовавшиеся частицы типа сердцевина-оболочка готовы для дальнейшего применения в качестве сыпучего материала.
В. Изготовление формовочной массы прибыли, а также крышек прибыли и прочих фасонных деталей:
Пример исполнения «изолирующего» варианта
Сыпучий материал, полученный согласно примеру исполнения 1 или 2, однородно смешивают со связующим Cold-Box (фирмы Hüttenes-Albertus: бензилэфирная смола на основе модифицированного полиизоцианата Aktivator 6324 / Gasharz 6348). Из получившейся смеси набивают крышки прибыли и прочие фасонные формовки (а), а также (b) укрывают с помощью стрежневой пескострельной машины (например, типа Röper, Laempe). Отверждение выполняют в каждом случае добавлением диметилпропиламина.
Пример исполнения «экзотермическо-изолирующего» варианта
Смесь из 30 весовых частей (GT) сыпучего материала, полученного согласно примеру исполнения 1 или 2, и 70 весовых частей (GT) обычной алюминотермитной смеси смешивают до однородности со связующим Cold-Box (фирмы Hüttenes-Albertus: бензилэфирная смола на основе модифицированного полиизоцианата Aktivator 6324 / Gasharz 6348). Из получившейся смеси набивают крышки прибыли и прочие фасонные формовки (а), а также (b) укрывают с помощью стрежневой пескострельной машины (например, типа Röper, Laempe). Отверждение выполняют в каждом случае добавлением диметилпропиламина.
С. Испытание по «методу кубика»
Крышки прибыли согласно примерам исполнения из раздела В проверяли с помощью испытаний так называемым «методом кубика» на их техническую пригодность к промышленному применению. В этих испытаниях отливка в форме кубика должна быть свободной от усадочных раковин при использовании рассчитанной на литейную форму крышки прибыли.
Надежное заполняющее питание удалось подтвердить для всех без исключения вариантов исполнения («изолирующий», примеры исполнения 1 и 2; «экзотермическо-изолирующий»; примеры исполнения 1 и 2). Кроме того, в каждой остаточной прибыли (над кубиком) в каждом случае были выявлены улучшенные характеристики усадки раковин по сравнению с контрольными крышками прибылей.