ES2834123T3 - Composición de aglutinante para mezcla de fundición, mezcla de fundición y proceso "de endurecimiento en frío" para formar una forma de fundición usando la mezcla de fundición - Google Patents
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Abstract
Una composición de aglutinante para una mezcla de fundición, que comprende: un precursor de aglutinante de poliuretano, proporcionado en dos partes, la primera parte que comprende un componente poliol y la segunda parte que comprende un componente poliisocianato; y un catalizador de curado líquido, seleccionado para proporcionar un tiempo de trabajo en el intervalo de 45 a 60 minutos después de haber sido mezclado con los precursores de aglutinante de poliuretano y un tiempo de despojo que es menor del 167 % del tiempo de trabajo, tal como se mide a partir del mismo punto de partida, en donde el catalizador de curado líquido comprende una piridina, sustituida en la segunda o tercera posición con una fracción que tiene un peso molecular en el intervalo de 30 a 100 mwu.
Description
DESCRIPCIÓN
Composición de aglutinante para mezcla de fundición, mezcla de fundición y proceso "de endurecimiento en frío" para formar una forma de fundición usando la mezcla de fundición
Campo técnico
Esta descripción se refiere a una mezcla de fundición utilizada para la fundición de partes de metal, utilizando moldes y núcleos formados utilizando un proceso "de endurecimiento en frio". Más particularmente, se refiere a una mezcla de fundición que contiene un agregado de fundición adecuado y dos precursores de aglutinante de poliuretano. Un catalizador líquido se utiliza para curar el poliuretano formado de la mezcla de los precursores. Los catalizadores preferidos proporcionan un "tiempo de despojo" en exceso de 45 minutos y una relación de "tiempo de trabajo" para el tiempo de despojo que es mayor que aproximadamente 0,6 y, preferentemente está cerca de 1,0.
Antecedentes
Los moldes y núcleos utilizados en el moldeo de artículos de metal se pueden hacer de un agregado de fundición y un aglutinante de fundición. Varios procesos se utilizan para esto.
En el proceso "de endurecimiento en frío", una mezcla de fundición se prepara mezclando un agregado apropiado con el aglutinante y un catalizador de curado. Después de compactar la mezcla de fundición en un patrón, el curado de la mezcla de fundición proporciona una forma de fundición útil como un molde o núcleo.
En el proceso de "caja fría", una mezcla de fundición se prepara mezclando un agregado con un aglutinante apropiado. Después de forzar la mezcla de fundición en un patrón, un vapor de catalizador se hace pasar a través de la mezcla de fundición, haciendo que se cure y proporcione una forma de fundición útil como un molde o núcleo.
En incluso un proceso adicional, la mezcla de fundición se prepara mezclando el agregado con un aglutinante reactivo al calor y un catalizador. La mezcla de fundición se forma por compactación en un patrón caliente que causa que la mezcla de fundición se cure, proporcionando una forma de fundición útil como un molde o núcleo.
Centrándose en los procesos "de endurecimiento en frio", por consiguiente, algunos aglutinantes ampliamente usados en la industria de la fundición para el proceso "de endurecimiento en frío" incluyen aglutinantes de endurecimiento en frío de uretano fenólico, aglutinantes de endurecimiento en frío fenólicos de éster curados y aglutinantes de endurecimiento en frío de ácido alcohol furfurílico curado.
Los sistemas de polímero de uretano-fenólico no sólo se utilizan para aplicaciones de aglutinante de fundición. Por ejemplo, los sistemas de polímeros muy similares se utilizan para espumas de poliuretano. Aunque puede esperarse que los catalizadores y otros aditivos utilizados con uno de los tres procesos (de endurecimiento en frío, caja fría y espuma) pueden informar según los demás, esto simplemente no es y en la técnica previa, específicamente, en la solicitud publicada de los Estados Unidos 2005/0004257, de Gernon establece que los sistemas de espuma de poliuretano son muy diferentes de los sistemas de unión de arena de poliuretano.
El cesionario de la presente invención se ha involucrado de manera significativa en el suministro de aglutinantes de fundición durante más de cuarenta años. Algunas patentes representativas de Estados Unidos y solicitudes publicadas incluyen: US 3.485.797 y 3.676.392 de Robins, 6.391.942, 6.479.567 y 7.125.914 de Chang, 6.559.203 de Hutchings, 6.602.931 de Chen y la solicitud publicada de los Estados Unidos 2005/0009950 de Dando.
Diferentes variables se han considerado cuando se formulan paquetes de aglutinantes. Por ejemplo, US 5.616.631 de Kiuchi, enseña que los aglutinantes de endurecimiento en frio previos han tendido a tener bajas velocidades de curado y baja resistencia inicial. Se necesita un tiempo largo para que el aglutinante se establezca suficientemente para permitir que el molde curado sea retirado del patrón, lo que resulta en una pobre utilización del patrón. En la terminología de la presente descripción, el tiempo necesario para permitir que el molde curado se retire del patrón en cuestión, se conoce generalmente como el "tiempo de despojo." Más rigurosamente, y por los resultados experimentales presentados, el tiempo de despojo es el tiempo transcurrido entre la mezcla de los componentes de aglutinante y la arena y la colocación de la mezcla de arena en un patrón, y cuando el molde de fundición formado alcanza un nivel de 90 en la escala "B" de Dureza Green, utilizando el medidor vendido por Harry W. Dietert Co, de Detroit, MI, como se enseña por la patente Chen '602 de dominio público. Kiuchi '631, enseña que es un resultado deseado aumentar la resistencia inicial y mantener el tiempo de despojo corto. La resistencia inicial se mide en términos de resistencia a la tensión.
Otro término utilizado en la técnica anterior y en esta descripción es "tiempo de trabajo”. En esta descripción, la definición rigurosa de tiempo de trabajo es el tiempo transcurrido entre la mezcla de los componentes del aglutinante y la arena y la colocación de la mezcla de arena en un patrón, y cuando la forma de fundición formada alcanza un nivel de 60 en la escala "B" de Dureza Green, de nuevo utilizando el medidor de Dietert. En términos más aplicables a la fundición, el "tiempo de trabajo" define el tiempo aproximado durante el cual la mezcla de arena se puede trabajar
de manera efectiva en la formación del molde. La diferencia entre el tiempo de despojo y tiempo de trabajo es, por lo tanto, una cantidad de tiempo muerto durante el cual el molde que se está formando no puede ser trabajado pero todavía no se puede retirar del patrón. La relación de tiempo de trabajo al tiempo de despojo ("T/D") expresa este concepto en una forma adimensional, y oscila (al menos en teoría) de 0 a 1.
En última instancia, los diseñadores de sistemas aglutinantes de fundición tienen el objetivo de proporcionar un sistema aglutinante que va a utilizar el calor del metal fundido colado para descomponer el aglutinante una vez que una capa sólida se ha formado en el metal en el molde que reproduce la forma del núcleo de molde. Esta descomposición permite que la arena y/u otro agregado se recupere y reutilice fácilmente. Como se enseña en US 7.984.750, de Pederson, esta necesidad de descomponer el aglutinante se desafía cuando se utiliza el molde con un metal vertido a una temperatura que es inferior a aproximadamente 1000 °C en el que el hierro fundido se vierte. El aluminio y magnesio son ejemplos de tales metales.
Casi tan importante como la capacidad para descomponer el aglutinante es proporcionar un aglutinante que es ambientalmente aceptable. Debido a la exposición de los trabajadores a la mezcla de fundición tanto antes como después de la fundición, se deben considerar cuestiones tales como la toxicidad y olor.
Cuando la parte de metal que se está fundiendo es pequeña, los aglutinantes conocidos en la técnica realizan el trabajo requerido por lo menos adecuadamente y muchos lo realizan de forma excelente. Cuando una parte más grande se va a fundir, el tiempo requerido para crear un molde, es lo suficientemente grande que se requiere de más tiempo. La técnica anterior ha tendido a enseñar un curado más rápido, no más lento. Incluso en Hutchings '203, donde se reconoce al menos el problema, la proporción de tiempo de trabajo al tiempo de despojo es inferior a 0,5. En otra referencia, US 6291.550 de Chen, de dominio público, la relación entre el tiempo de trabajo al tiempo de despojo es superior a 0,5, pero los tiempos de trabajo son tan cortos que el sistema enseña que no se utiliza prácticamente para una parte más grande, donde se necesita un tiempo de despojo de al menos 45 minutos. El catalizador preferido en Chen '550 es una amina terciaria, en particular, tris (3-dimetilamino) propilamina (CAS 33329 35-0).
Por lo tanto, un objetivo de esta invención es proporcionar un sistema de aglutinante mejorado en el que se proporcione un tiempo de trabajo de al menos 45 a 60 minutos y una relación de tiempo de trabajo al tiempo de despojo de al menos aproximadamente 0,6.
Sumario
Este y otros objetivos se consiguen mediante una composición de aglutinante para una mezcla de fundición de acuerdo con la reivindicación 1, la mezcla de fundición de acuerdo con la reivindicación 9 y un método de uso de la mezcla de fundición de acuerdo con la reivindicación 11.
La composición de aglutinante comprende un precursor de aglutinante de poliuretano, proporcionado en dos partes, y un catalizador de curado líquido. La primera parte del precursor de aglutinante comprende un componente poliol; la segunda parte comprende un componente poliisocianato. El catalizador de curado se proporciona en una forma líquida y puede ser proporcionado en un disolvente adecuado. El catalizador de curado líquido se selecciona en particular para proporcionar un tiempo de trabajo en el intervalo de aproximadamente 45 a aproximadamente 60 minutos después de haber sido mezclado con los precursores de aglutinante de poliuretano. El catalizador de curado líquido también debe proporcionar un tiempo de despojo que es menor que aproximadamente 167 % del tiempo de trabajo, tal como se mide desde el mismo punto de partida, es decir, cuando el catalizador de curado líquido y las dos partes del precursor de aglutinante de poliuretano se mezclan.
Para evitar el curado de los precursores de aglutinante, el catalizador de curado líquido se mantiene separado de al menos la segunda parte del precursor de aglutinante de poliuretano hasta su uso.
Normalmente, el catalizador de curado líquido está presente en el intervalo de aproximadamente 5 a 7 por ciento en peso basado en el peso de la primera parte del componente aglutinante de poliuretano.
El catalizador de curado líquido comprenderá normalmente una piridina, sustituida en la segunda o tercera posición con un resto que tiene un peso molecular en el intervalo de aproximadamente 30 a aproximadamente 100 unidades de peso molecular ("mwu"). Los ejemplos específicos del catalizador de curado líquido son 2-etanolpiridina (CAS 103 74-2), 3-cloropiridina (Ca S 626-608) y 2-metoxipiridina (CAS 1628-89-3). Cuando se utilizan estos compuestos, el catalizador de curado líquido también puede comprender un hidrocarburo aromático líquido en el que la piridina sustituida es soluble, especialmente un hidrocarburo aromático líquido en una cantidad de aproximadamente 20 por ciento en peso.
La mezcla de fundición que cumple con los objetivos de la invención se proporciona mediante la mezcla de la composición de aglutinante con una cantidad apropiada de un agregado de fundición. En tal mezcla de fundición, y después de mezclar las dos partes del precursor de aglutinante de poliuretano, el catalizador de curado líquido y el agregado de fundición, el resultado será una mezcla de fundición que se caracteriza por un tiempo de trabajo en el
intervalo de 45 a 60 minutos para formar una forma de fundición en un patrón, y un tiempo de despojo para la retirada de la forma de fundición formada y curada a partir del patrón, donde una relación del tiempo de trabajo al tiempo de despojo está en el intervalo de aproximadamente 0,6 a 1,0.
El proceso "de endurecimiento en frio" para formar una forma de fundición según la definición de la invención comprende tres pasos. En el primer paso, una propiedad del curado de una mezcla de fundición se activa mediante la mezcla de las dos partes del precursor de aglutinante de poliuretano con el catalizador de curado líquido y el agregado de fundición. En el segundo paso, la mezcla de fundición activada se mezcla en un patrón para formar una forma de fundición. En este paso, la velocidad de curado de la mezcla de fundición permite que la mezcla de fundición activada se trabaje durante un tiempo en el intervalo de 45 a 60 minutos después de realizar la etapa de activación. En el tercer paso, el molde de fundición formado se separa del patrón, una vez que el molde de fundición formado se cura suficientemente para ser manejable. En este paso, la velocidad de curado de la mezcla de fundición es suficiente para permitir que se produzca el despojo en un tiempo de despojo que es menor que aproximadamente 167 % del tiempo de trabajo, tal como se mide a partir del paso de activación.
Descripción detallada
Como un punto de referencia contra el cual los resultados experimentales se pueden comparar, se seleccionó un aglutinante de fundición de endurecimiento en frío comercialmente disponible. El aglutinante de fundición utilizado fue PEP SET™ I 1670/II X-2000, disponible comercialmente de ASK Chemicals LP. El aglutinante de fundición seleccionado tenía dos partes, con la Parte I que comprende un componente poliol y la parte II que comprende un componente poliisocianato. El catalizador líquido seleccionado para su uso en el control fue 4-(3- fenilpropil)piridina ("4-PPP") (CAS 2057-49-0). Este catalizador se considera un catalizador "lento" en términos del tiempo de despojo en condiciones de prueba estándar.
En el protocolo experimental, se prepararon núcleos de prueba. La Parte I y el catalizador probados se mezclaron con arena de sílice 540 WEDRON. A continuación, se añadió la parte II. La relación en peso de la Parte I con la Parte II fue 55/45, exclusivo del catalizador y el nivel de aglutinante fue de 1 % en peso, basado en arena ("BOS").
Una vez mezclado, la mezcla de fundición resultante se compactó en una caja de machos con forma dogbone (hueso de perro), con las muestras de prueba resultantes ("dogbones") probadas para la resistencia a la tensión a una hora, dos horas, y a las tres horas después de la retirada de la caja de machos. Los tiempos de trabajo y tiempos de despojo también se llevaron a cabo en las muestras de prueba.
Utilizando el mismo protocolo, la prueba se repitió con 2-etanolpiridina ("2-EP") (CAS 103-74-2), 3-cloropiridina ("3-CP") (CAS 626-60-8) y 2-metoxipiridina ("2-MOP") (CAS 1628-89-3) en lugar de 4-PPP. En cada caso, se utilizó una solución al 20 % del catalizador seleccionado en AROMATIC 150, un hidrocarburo aromático líquido comercialmente disponible de ExxonMobil Chemical Company. La cantidad de adición del catalizador se basó en la Parte I ("BOP1"). Los objetivos de resistencia a la tensión fueron por un mínimo de 0,344737 MPa en 1 h, 0,689475 MPa en 2 h, 0,896318 MPa en 3 h y 1,723689 MPa en 24 h con un tiempo de despojo de al menos 45 a 60 minutos. Los resultados fueron los siguientes:
___ ___
Claims (11)
1. Una composición de aglutinante para una mezcla de fundición, que comprende:
un precursor de aglutinante de poliuretano, proporcionado en dos partes,
la primera parte que comprende un componente poliol y la segunda parte que comprende un componente poliisocianato; y
un catalizador de curado líquido, seleccionado para proporcionar un tiempo de trabajo en el intervalo de 45 a 60 minutos después de haber sido mezclado con los precursores de aglutinante de poliuretano y un tiempo de despojo que es menor del 167 % del tiempo de trabajo, tal como se mide a partir del mismo punto de partida, en donde el catalizador de curado líquido comprende una piridina, sustituida en la segunda o tercera posición con una fracción que tiene un peso molecular en el intervalo de 30 a 100 mwu.
2. La composición de aglutinante de conformidad con la reivindicación 1, en donde:
el catalizador de curado líquido se mantiene separado de al menos la segunda parte del precursor de aglutinante de poliuretano hasta su uso.
3. La composición de aglutinante de conformidad con la reivindicación 1, en donde:
el catalizador de curado líquido está presente en el intervalo del 5 al 7 por ciento en peso basado en el peso de la primera parte del componente de aglutinante de poliuretano.
4. La composición de aglutinante de conformidad con la reivindicación 1, en donde:
el catalizador de curado líquido comprende además un hidrocarburo aromático líquido en el que la piridina sustituida es soluble.
5. La composición de aglutinante de conformidad con la reivindicación 4, en donde: el catalizador de curado líquido está presente en el hidrocarburo aromático líquido en una cantidad del 20 por ciento en peso.
6. La composición de aglutinante de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde:
el catalizador de curado líquido es 2-etanolpiridina.
7. La composición de aglutinante de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde:
el catalizador de curado líquido es 3-cloropiridina.
8. La composición de aglutinante de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde:
el catalizador de curado líquido es 2-metoxipiridina.
9. Una mezcla de fundición, que comprende:
una composición de aglutinante de conformidad con la reivindicación 1; y
un agregado de fundición adecuado.
10. La mezcla de fundición de conformidad con la reivindicación 9, en donde:
al mezclar las dos partes del precursor de aglutinante de poliuretano,
el catalizador de curado líquido y el agregado de fundición, la mezcla de fundición resultante tiene propiedades de curado caracterizadas por:
un tiempo de trabajo en el intervalo de 45 a 60 minutos para formar un molde de fundición en un patrón; y un tiempo de despojo para retirar la forma de fundición formada y curada del patrón, de manera que la relación del tiempo de trabajo al tiempo de despojo está en el intervalo de 0,6 a 1,0.
11. Un proceso "de endurecimiento en frío" para formar una forma de fundición, que comprende los pasos de: activar una propiedad de curado de una mezcla de fundición de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 o 10, mezclando las dos partes del precursor de aglutinante de poliuretano con el catalizador de curado líquido y el agregado de fundición;
trabajar la mezcla de fundición activada en un patrón para formar una forma de fundición, la velocidad de curado de la mezcla de fundición que permite trabajar la mezcla de fundición activada en el intervalo de 45 a 60 minutos después del paso de activación; y despojar el molde de fundición formado del patrón una vez que la forma de fundición formada se cura suficientemente para ser manejable, siendo la velocidad del curado suficiente para permitir que el despojo se produzca en un tiempo de despojo, medido a partir del paso de activación, es decir menos del 167 % del tiempo de trabajo.
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