專(zhuān)利名稱(chēng)：用經(jīng)過(guò)破碎和分級(jí)的礦石，最好是磁鐵礦石來(lái)制造鑄模和型芯的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用經(jīng)過(guò)破碎及分級(jí)的礦石，最好為磁鐵礦石，來(lái)制造在鑄造有色金屬或合金，特別是輕金屬和輕金屬合金中使用的鑄模和型芯的用途。
磁鐵礦是一種具有化學(xué)計(jì)量成分Fe3O4的鐵磁性礦物。在本文中，“分級(jí)”一詞指的是例如用篩分，風(fēng)選或浮選，使已經(jīng)經(jīng)過(guò)破碎的礦石經(jīng)受一定顆粒粒度的分級(jí)，如眾所周知的用于顆粒材料，如型砂的方式。
到目前為止，用來(lái)制造鑄模和型芯的細(xì)顆粒礦物基物料實(shí)際上全部是石英砂。
不可否認(rèn)，已經(jīng)知道在鑄造工業(yè)中也可采用其它的細(xì)粒礦物基材料，如橄欖砂，鎂鐵硅酸鹽，及鋯英砂，鋯硅酸鹽。由于它們具有高的耐熱性并且價(jià)格很高，已經(jīng)特別發(fā)現(xiàn)把這些基體材料具體地用作所謂的“模型砂”或作為型芯鑲嵌物，將它們用在鑄造鑄鋼件時(shí)鑄模的特別是暴露在熱的條件下的這些區(qū)域上，從而防止或減少在與鑄件相對(duì)應(yīng)的部分砂子的“熔補(bǔ)”，以及隨之而來(lái)的對(duì)鑄件的繁重的和費(fèi)用高的清理工作。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種對(duì)破碎的鉻鐵礦的相應(yīng)用途，作為這種材料，也存在這樣的情況，即它對(duì)于液態(tài)鋼的潤(rùn)濕關(guān)系使得它僅簡(jiǎn)單地“抵抗”后者。
在將這種細(xì)顆粒礦物基體材料大量的用在循環(huán)的成型材料方面沒(méi)有先例，更不用說(shuō)用于鑄造有色金屬或合金了。
在一篇由A.Wittmoser，K.Steinack及R.Hifman寫(xiě)的題目為“磁制模法用于批量鑄件工業(yè)生產(chǎn)的可能性”的文章中(1971年在杜塞爾多夫第38屆國(guó)際鑄造會(huì)議上第九篇交流文章)，描述了鑄件的大量生產(chǎn)，它基于一種可膨脹的聚苯乙烯泡沫的可熱汽化模型的大量生產(chǎn)，這些模型用噴涂層或浸蘸層覆蓋，其后它們被一種可能處于流體狀態(tài)的鐵顆粒和破碎的磁鐵礦石的可流動(dòng)混合物包圍。在進(jìn)行鑄造作業(yè)之前，對(duì)成型材料施加一個(gè)磁場(chǎng)，這樣使各個(gè)顆粒在磁場(chǎng)的作用下結(jié)合在一起，在整個(gè)鑄造期間以及至少在模子內(nèi)的金屬凝固期間的部分時(shí)間內(nèi)，始終保持所說(shuō)的磁場(chǎng)。當(dāng)去除磁場(chǎng)時(shí)，現(xiàn)在又是可流動(dòng)的成型材料從鑄件流走，可能在經(jīng)過(guò)了冷卻之后，它可以被用在新的鑄模中。僅僅涉及黑色金屬鑄造的這篇文章提到與石英砂相比，該成型材料有較高的冷卻效果，并且也討論了如何通過(guò)改變鐵晶粒與磁鐵礦顆粒之間的份量比例來(lái)使這種冷卻效果發(fā)生變化，由此增加磁鐵顆粒的比例會(huì)減弱其冷卻效果。
顯然，該方法不能應(yīng)用在傳統(tǒng)的模鑄和鑄造系統(tǒng)中。
但是，對(duì)于鑄造輕金屬鑄件，特別是用在汽車(chē)工業(yè)和類(lèi)似工業(yè)中的輕金屬鑄件，極需實(shí)現(xiàn)已被鑄入模中的金屬更快速的冷卻，因?yàn)檫@樣可能在鑄件中得到一種更細(xì)晶粒的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可避免鑄件中出現(xiàn)所謂的微小縮孔。
目前，做了通過(guò)在所謂的金屬模(模具)中模鑄來(lái)達(dá)到這樣較快速冷卻的嘗試。然而，這樣的鑄模制造成本高，與傳統(tǒng)的基于使用砂子的模鑄和鑄造系統(tǒng)相比，它們的生產(chǎn)能力非常有限。
本發(fā)明的目的是顯示出在基于利用砂子的傳統(tǒng)模鑄和鑄造工廠中，如何能使冷卻速度接近可在金屬模中達(dá)到的速度。
根據(jù)本發(fā)明，該目的的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)采用一種經(jīng)過(guò)破碎和分級(jí)的礦石，最好為磁鐵礦石，分別作為用在可循環(huán)和不可循環(huán)的模子中的一種細(xì)顆粒礦物基體材料或型芯材料，來(lái)制造干的或濕的，最好為粘土的，特別是膨潤(rùn)土黏結(jié)的有箱?；驘o(wú)箱模，以及最好當(dāng)鑄造有色金屬或合金，特別是輕金屬和輕金屬合金時(shí)，用來(lái)放置于這種模或金屬模(模具)中的型芯。
與以石英砂作為基體材料的情況相比，這種方法的主要特點(diǎn)是已經(jīng)澆注在模子中的金屬凝固得較快，而且這種鑄件，特別是輕金屬鑄件，在這種工藝中能得到一種較細(xì)晶粒和“較致密”的結(jié)構(gòu)，與用金屬型鑄造可達(dá)到的結(jié)構(gòu)大致相當(dāng)，即，在基于使用型砂的傳統(tǒng)模制和鑄造系統(tǒng)中，并且在這種工廠中有相對(duì)較低的模型價(jià)格和高的生產(chǎn)能力，它可能達(dá)到至少與有相當(dāng)高的模子成本和較低的生產(chǎn)率并采用金屬型鑄造系統(tǒng)所能達(dá)到的水平接近的鑄件質(zhì)量水平。
第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，采用按照本發(fā)明的用途，可以使模鑄系統(tǒng)的冷卻部分顯著的縮短，由此節(jié)約了空間。
第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與以石英砂為基體材料相比，可能減少再循環(huán)的模鑄材料的數(shù)量，由此可部分地補(bǔ)充使用價(jià)格高的基體材料。
涉及同一方面的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)可從下述內(nèi)容中看出為了環(huán)境原因，儲(chǔ)存和處理用過(guò)的和廢棄的基于石英砂的造型材料的費(fèi)用相對(duì)較高，但是在廢棄基于磁鐵礦石的造型材料的情況下，不僅可能免費(fèi)進(jìn)行處理，而且甚至還可能具有經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@些材料無(wú)需進(jìn)一步處理就可不僅在高爐，也可在任何一種在實(shí)踐中熔化鐵或鋼的爐子中利用來(lái)生產(chǎn)鐵。
以磁鐵礦石作為基體材料的再一優(yōu)點(diǎn)是，與石英砂相反，該材料不會(huì)增加肺部疾病矽肺病的發(fā)生。
用此材料制造置于金屬模具中的型芯的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與金屬芯相比，這種型芯可以以任何所要求的方式來(lái)成形，與相應(yīng)的用石英砂做的型芯相比，仍具有明顯大得多的冷卻能力。
采用按照本發(fā)明的用途，已經(jīng)有利的證明基體材料有如權(quán)利要求2中所指出的粒度分布。
用于鑄模的造型材料可以比較有利地按權(quán)利要求3中所述的方式來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，優(yōu)選使用的膨潤(rùn)土是一種自然存在的鈉膨潤(rùn)土(西方膨潤(rùn)土)或一種所謂的“活性膨潤(rùn)土”，即一種鈣膨潤(rùn)土(南方型)由離子交換轉(zhuǎn)化為鈉膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土在鑄造工業(yè)中是一種常用的粘結(jié)劑。
另一方面，可以按權(quán)利要求4所述的方式生產(chǎn)造型材料。如權(quán)利要求5所述，在兩種情況下，鑄模在鑄造前都要經(jīng)過(guò)干燥。
作為第二或進(jìn)一步的替代方案，可以按權(quán)利要求6中所述的方式生產(chǎn)造型材料，如果這樣做的話，可在進(jìn)行按權(quán)利要求7中所述的鑄造之前使模子固化或硬化處理。
在所有三種情況下，最好從權(quán)利要求8中所述的一組內(nèi)選擇添加劑，但是這不排除其它添加劑的使用。
由于采用了根據(jù)本發(fā)明的用途，型芯最好包括按權(quán)利要求9所述方式生產(chǎn)的一種型芯材料，該型芯材料可按權(quán)利要求1 0或者11中所述的那樣進(jìn)行固化或被硬化處理。
然而，也可以按權(quán)利要求2中所述的方法組成型芯，并用冷凍的方法使其固化或硬化，對(duì)芯盒的冷處理可例如用像氮?dú)膺@樣的氣體來(lái)達(dá)到。按此方法，型芯將產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的冷卻效果，因而可以希望將它應(yīng)用于某方面，例如上述的用于在金屬模中的型芯。
更可取的是，對(duì)由落砂操作產(chǎn)生的鑄模和型芯材料的一部分按權(quán)利要求13所述的方法進(jìn)行再處理，而在此情況下，水和粘結(jié)黏土的添加最好按這樣一種方式調(diào)和，即再循環(huán)的造型材料將具有所要求的造型特性。
由落砂操作產(chǎn)生的鑄模和型芯材料的其余部分可如權(quán)利要求14所述的那樣經(jīng)受再生和再利用，它可能是這樣一種再生過(guò)程，以使用熟知的用于以石英砂為基礎(chǔ)的鑄模和型芯材料的相似處理的方法和設(shè)備，但是由于基體材料的磁特性，要按權(quán)利要求1 5所述的那樣另外補(bǔ)充以磁力分離。
另一種方案是，可以按權(quán)利要求16所述的方法利用不再使用的那部分基體材料。這意味著不必像以石英砂作為基體材料時(shí)那樣，以巨大的花費(fèi)來(lái)儲(chǔ)存或處理使用過(guò)的剩余造型材料，但是可以有利地用于金屬礦的開(kāi)采過(guò)程-在磁鐵礦的情況下，這可以在傳統(tǒng)的鐵或鋼鑄造用爐，或在熔鐵爐中完成，有時(shí)也可對(duì)磁鐵礦材料進(jìn)行預(yù)制粒處理。
在本說(shuō)明書(shū)的下列部分中，分別在基于破碎的和分級(jí)的磁鐵礦石以及基于石英砂的造型材料的比較性實(shí)例的基礎(chǔ)上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。
在下面所討論的“技術(shù)”試驗(yàn)中，常用的型砂試驗(yàn)設(shè)備來(lái)自瑞士沙夫豪森州的Georg Fischer股份有限公司，并附有該公司的試驗(yàn)指導(dǎo)說(shuō)明。
表征所用磁鐵礦砂和石英砂之間明顯差異的參數(shù)是每單位體積干基砂的重量，即例如以公斤計(jì)的一升固結(jié)砂的重量，對(duì)于磁鐵礦砂而言大約為2.8公斤，而石英砂大約為1.5公斤，另外，磁鐵礦砂的冷卻效果大約為1500J/m2s1/2°k，而石英砂大約為1000J/m2s1/2°k絕對(duì)溫度。
為了在比較試驗(yàn)中使用，在實(shí)驗(yàn)室混合機(jī)中形成下述混合物。
I.磁鐵礦砂使4.5kg的磁鐵礦砂與300g活性膨潤(rùn)土(“Geko”)和63g水混合7分鐘，篩分后按表1所示進(jìn)行試驗(yàn)。
II.石英砂使2.5kg英砂與300g活性膨潤(rùn)土(“Geko”)和63g水混合7分鐘，篩分后按表1所示進(jìn)行試驗(yàn)。
表1磁鐵礦砂 石英砂50×50毫米直徑標(biāo)準(zhǔn)試樣的重量250 146抗壓強(qiáng)度p/cm21250 1600剪切強(qiáng)度p/cm2230 300氣體滲透率60120使用相同的模型及上述I及II中所述的型砂混合物生產(chǎn)尺寸為直徑36毫米×185毫米的試驗(yàn)?zāi)?，用AISi7Mg在680℃時(shí)鑄造上述試驗(yàn)?zāi)?。同時(shí)，在一金屬模中鑄造有相應(yīng)尺寸的試件，并確定下列參數(shù)DAS，即枝晶臂間距，微米計(jì)ts，即固結(jié)時(shí)間，秒計(jì)表2金屬模磁鐵礦砂 石英砂DAS 363844ts 475585這些數(shù)據(jù)相當(dāng)清楚地表明，與石英砂相比，磁鐵礦砂具有更好的冷卻效果，同時(shí)在磁鐵礦砂模中鑄造的試樣的微觀結(jié)構(gòu)比在石英砂模中鑄造的試樣“致密”大約13.6％(晶粒更細(xì))，與在石英砂模中鑄造的試樣相比，它們的固結(jié)時(shí)間減少了近35％。還能夠看出，對(duì)于上述的兩種參數(shù)，所達(dá)到的值與在金屬模中模鑄時(shí)達(dá)到的值近似。
除了上述的和權(quán)利要求書(shū)中提到的用途外，對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言，顯然可以將根據(jù)權(quán)利要求9-12中的任何一項(xiàng)的型芯用在以石英砂為基體材料的鑄模中，從而達(dá)到相關(guān)聯(lián)的改進(jìn)的冷卻效果及在模鑄后降低型芯的浮動(dòng)力。在此情況下，磁鐵礦砂可以在落砂后容易地與石英砂進(jìn)行磁力分離，由此部分地回收磁鐵礦砂，部分地避免帶有芯砂和型芯粘結(jié)劑的循環(huán)石英砂的污染。
在上述說(shuō)明中，根據(jù)本發(fā)明的用途是關(guān)于輕金屬合金的鑄造而進(jìn)行描述的，但是可以理解，所述用途也可以在鑄造例如有色銅合金，甚至黑色金屬，例如鑄鐵時(shí)實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)過(guò)破碎和分級(jí)的礦石，最好是磁鐵礦石的用途，將其分別用作在可再循環(huán)的或不可再循環(huán)的鑄模中的一種細(xì)顆粒礦物基體材料或型芯材料，用以制造干的或濕的，最好是粘土結(jié)合的，特別是膨潤(rùn)土結(jié)合的有箱?；驘o(wú)箱模，以及用以制造最好當(dāng)鑄造有色金屬或合金，特別是輕金屬和輕金屬合金時(shí)，用來(lái)置于這種?；蚪饘倌?模具)中的型芯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用途，其特征在于，該基體材料的粒度分布主要在0.05毫米到0.5毫米，最好在0.1毫米到0.25毫米的范圍內(nèi)，并且主要在三種標(biāo)準(zhǔn)的篩目?jī)?nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用途，其特征在于，鑄模包括粘土結(jié)合的濕模材料，它是通過(guò)將基體材料與重量最好為2-20％的膨潤(rùn)土，重量最好為1-5％的水，及任選的重量最好為1-10％的添加劑混合而成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用途，其特征在于，鑄模由造型材料構(gòu)成，該造型材料通過(guò)使基體材料與重量最好為5-10％的水泥，重量最好為1-5％的水，及任選的重量為1-10％的添加劑混合而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的用途，其特征在于，在鑄造之前，在高至大約400℃的溫度下干燥鑄模。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用途，其特征在于，鑄模由造型材料構(gòu)成，該造型材料是通過(guò)使基體材料與重量最好為5-10％的水玻璃，及任選的重量為1-10％的添加劑混合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用途，其特征在于，在鑄造之前，通過(guò)吹送CO2的方法來(lái)硬化鑄模。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-7中任一項(xiàng)所述的用途，其特征在于，添加劑是從包含有煤塵粉、谷類(lèi)及磨木的組中選擇的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用途，其特征在于，型芯由一種型芯材料構(gòu)成，該材料通過(guò)使基體材料與粘結(jié)劑混合而形成，所述粘結(jié)劑選自包含有可定型的和自凝固的，可能本身已知的固態(tài)或液態(tài)有機(jī)或無(wú)機(jī)的型芯粘結(jié)劑的組中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用途，其特征在于，型芯材料用加熱的方法硬化或達(dá)到凝固。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用途，其特征在于，用吹送氣體硬化或凝固劑的方法使型芯材料硬化或達(dá)到凝固。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用途，其特征在于，型芯由粘土結(jié)合的濕芯材料構(gòu)成，該材料具有如權(quán)利要求3所述的成分，并通過(guò)例如在冷藏的芯盒中冷凍的方法使其硬化或凝固。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任何一項(xiàng)所述的用途，其特征在于，在造型的鑄造和落砂后，通過(guò)使以此方式回收的部分造型和型芯材料與一占適當(dāng)重量百分比的水和有時(shí)選用的占適當(dāng)重量百分比的粘土質(zhì)粘結(jié)劑混合而再處理所述部分造型和型芯材料，以形成造型材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用途，其特征在于，由落砂回收的造型和型芯材料中沒(méi)有再處理的部分根據(jù)權(quán)利要求3、4、6和9中任何一項(xiàng)經(jīng)受再生和作為基體材料重復(fù)利用。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用途，其特征在于，再生的過(guò)程包括磁力分離。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用途，其特征在于，由落砂回收的造型和型芯材料的沒(méi)有經(jīng)過(guò)再處理的部分中的基體材料在冶金過(guò)程中用來(lái)生產(chǎn)金屬。
全文摘要
本發(fā)明涉及經(jīng)過(guò)破碎和分級(jí)的礦石，最好是磁鐵礦石的用途，將其分別用作在可循環(huán)的和不可循環(huán)的鑄模中一種細(xì)顆粒礦物基體材料或型芯材料，用以制造干式或濕式，最好是粘土結(jié)合的，特別是膨潤(rùn)土粘結(jié)的有箱?；驘o(wú)箱模，以及最好在鑄造有色金屬或合金，特別是輕金屬和輕金屬合金時(shí)，置于這種?；蚪饘倌?模具)中的型芯。與用石英砂作為基體材料的傳統(tǒng)用途相比，該用途可以使?jié)茶T在鑄模中的金屬得到明顯更快的冷卻和固化，以及在由鑄造生產(chǎn)的鑄件中有更有利的微觀結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B22C9/00GK1160368SQ9519563
公開(kāi)日1997年9月24日 申請(qǐng)日期1995年10月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月13日
發(fā)明者普雷本·N·漢森, 尼爾斯·W·拉斯穆森, 伊米爾·耶斯佩森 申請(qǐng)人:喬治·費(fèi)希爾·迪薩公司