NO178057B - Bindemiddelblanding, formblandinger for stöperi omfattende denne, samt fremgangsmåte for fremstilling av stöperikjerner og -former - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører bindemiddelblandinger som omfatter en fenolresolharpiks i en vandig alkalisk løsning som har et tørrstoffinnhold på 40 til 75 vektprosent, idet fenolresolen har et molforhold aldehyd:fenol fra 1,2:1 til 2,6:1 og et molforhold alkali:fenol fra 0,2:1 til 1,2:1, formeblanding for støperi, samt fremgangsmåte for fremstilling av støperikjerner og former.

Bindemidler eller bindemiddelsystemer for støper.ikj erner og -former er vel kjent. I støperiteknikken fremstilles kjerner eller former for fremstilling av metallavstøp vanligvis ut fra en blanding av et tilslagsmateriale, såsom sand, og en sammenbindende mengde av et bindemiddel eller bindemiddelsystem. Etter at tilslagsmaterialet og bindemiddelet er blitt blandet, blir den resulterende blandingen typisk stampet, blåst eller på annen måte formet i den ønskede form eller mønster og deretter herdet ved anvendelse av katalysatorer og/eller varme til en fast herdet tilstand.

Harpiksbindemidler som anvendes ved fremstilling av støpeformer og -kjerner blir ofte herdet ved høye temperaturer for å oppnå den hurtigherdende arbeidstakten som kreves i støperier. I senere år er det imidlertid blitt utviklet harpiksbindemidler som herder ved lave temperaturer, for å unngå behovet for herdeoperasjoner ved høye temperaturer, som har høyere energibehov og som ofte fører til dannelse av uønsket røyk.

Én gruppe fremgangsmåter som ikke krever oppvarming for å oppnå herding av harpiksbindemiddelet kalles "cold-box"-prosesser. I slike fremgangsmåter blir bindemiddelkompo-nentene lagt på tilslagsmaterialet, såsom sand, og materialet blåses inn i en boks med den ønskede form. Herding av bindemiddelet utføres ved å lede en gassformig katalysator eller herder gjennom det formede harpiksbelagte materialet ved omgivende temperaturer.

En slik "cold-box"-fremgangsmåte anvender en vandig alkalisk løsning av en fenolresolharpiks som bindemiddel. Dette bindemiddelet blir herdet ved å lede en flyktig ester gjennom det formede harpiksbelagte materialet. Fremgangsmåten er beskrevet i detalj i US-patent nr. 4 468 359 (Re. 32 720) som er inkorporert heri ved referanse i sin helhet.

Den esterherdede fremgangsmåten er overlegen sammenlignet med noen av de tidligere fremgangsmåtene ut i fra et miljømessig synspunkt. Imidlertid har strekkfasthetene for de kjernene som lages etter denne fremgangsmåten en tendens til å være noe lavere enn de som fremstilles ved andre "cold-box" fremgangsmåter. Tidligere har man forsøkt å forbedre styrken av kjernene fremstilt ved anvendelse av esterherdefremgangs-måten ved å tilsette modifikasjonsmidler til harpiksen. Slike modifikasjonsmidler omfatter: ketonalkoholer og eteralkoholer såsom furfurylalkohol og monoalkyletere av glykoler eller diglykoler, US-patent nr. 4 780 489.

Vi har nå oppdaget at visse fenoksyetanoler som hittil ikke har vært anvendt med esterherdede fenolbindemiddel-systemer, vil øke herdehastigheten for slike systemer og gi former og kjerner med høyere strekkfasthet. Dette reduserer brekkasje av kjernene når de fjernes fra kjerneboksene og håndteres. Dessuten kan de anvendes ved lave konsentrasjoner og derved minimalisere organiske avgasser og det gassvolumet som dannes ved støpingen. Dette reduserer gassrelaterte defekter.

I samsvar med denne oppfinnelse tilveiebringes en bindemiddelblanding som omfatter: en vandig alkalisk løsning av en fenolresolharpiks, hvor nevnte vandige løsning har et tørrstoffinnhold på fra 40% til 75 vektprosent og nevnte fenolresol har et molforhold aldehyd:fenol på fra 1,2:1 til 2,6:1 og et molforhold alkali:fenol på fra 0,2:1 til 1,2:1. Bindemiddelblandingen er kjennetegnet ved at den også omfatter en aryloksyforbindelse i en mengde på i det minste 1 vektprosent av fenolresolharpiksen, idet nevnte tilsetning er løselig i den vandige alkaliske løsningen og har den generelle formelen:

hvor Ar er fenyl eller fenyl som er substituert med én eller flere halogen-, hydroksy-, alkoksy- eller alkyl-

grupper og hvor R<1> og R<2> kan være de samme eller forskjellige og lik hydrogen, alkyl eller alkoksy.

Dessuten tilveiebringes i samsvar med denne oppfinnelse, støperiformeblandinger som omfatter en blanding av bindemidlene ifølge denne oppfinnelsen med granulære ildfaste materialer og en fremgangsmåte for fremstilling av støperi-kjerner og -former ved anvendelse av denne formeblandingen for støperier. Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for fremstilling av støperikjerner og former, som angitt i krav 9.

Fenolresolharpiksene som anvendes ved praktisering av denne oppfinnelsen, blir fremstilt ved fremgangsmåter som er vel kjent i teknologien. Vanligvis blir de fremstilt ved om-setning av et molmessig overskudd av et aldehyd med en fenpl under alkaliske betingelser. Forskjellige fenoler kan anvendes ved fremstilling av harpiksen, men det foretrukne fenoliske materialet er usubstituert fenol. Likeså kan anvendes et hvilket som helst av de vanligvis anvendte alde-hydene ved fremstilling av harpiksen. Det foretrukne alde-hydet er formaldehyd.

Hvilken som helst av de vanligvis anvendte basiske katalysatorene kan anvendes for å fremstille fenolresolharpiksen. Det foretrukne alkali i produktet er imidlertid KOH. Av denne grunn kan dette alkali anvendes ved fremstilling av harpiksen, eller det kan settes til harpiksen etter dens fremstilling. Harpiksens alkalinitet uttrykkes i form av molforholdet av KOH til fenolen i harpiksen. Andre alkalier er imidlertid ikke utelukket og kan anvendes alene eller i kombinasjon med KOH.

Molforholdet KOH:fenol i harpiksløsningen er i området på fra 0,2:1 til 1,2:1. Det foretrukne molforholdet KOH:fenol er fra 0,4:1 til 0,9:1.

Molforholdet aldehyd:fenol er fra 1,2:1 til 2,6:1. Det foretrukne molforholdet aldehyd:fenol er fra 1,5:1 til 2,2:1.

Som bemerket ovenfor er bindemiddelet ifølge denne oppfinnelsen en vandig løsning. Tørrstoffinnholdet i den vandige løsningen er i området på fra 4 0% til 7 5 vektprosent. Løs-ningen inneholder også en aryloksyforbindelse i tillegg til vann.

De aryloksyforbindelser som anvendes ved utførelse av denne oppfinnelsen er fenoksyetanoler med den generelle formelen:

Ar-0-CHR<1->CHR<2->OH

I denne formelen er Ar fenyl eller fenyl substituert med én eller flere halogen-, hydroksy-, alkoksy- eller alkylgrupper. R<1> og R<2> i formelen kan være de samme eller forskjellige og representere hydrogen, alkyl eller alkoksy.

JEksempler på aryloksyforbindelser omfatter fenoksyetanol, l-fenoksy-2-propanol, 2-(4-bromfenoksy)etanol og 2-(4-klorfenoksy)etanol. Fenoksyetanol er en spesielt anvendbar tilsetning ved utførelsen av denne oppfinnelsen.

Aryloksyforbindelsen anvendes i en mengde på i det minste 1 vektprosent av fenolresolharpiksen. En foretrukket konsentrasjon er fra 2% til 6 vektprosent av fenolresolharpiksen, men høyere konsentrasjoner kan være fordelaktige i noen tilfeller. Aryloksyforbindelsen bør være én som i den anvendte mengden er løselig i den vandige alkaliske løsningen av fenolresolharpiksen.

Bindemidlene ifølge denne oppfinnelse kan anvendes ved fremstilling av formeblandinger for støperier. Slike blandinger omfatter et granulært ildfast materiale og fra 0,5% til 8 vektprosent av det ildfaste materialet i form av vandig alkalisk bindemiddel-løsning. De kornige ildfaste materialene som anvendes i formeblandingen kan være et hvilket som helst av de ildfaste materialene som anvendes i støperiindustrien ved fremstilling av former og kjerner, såsom kiselsand, kromittsand, zirkonsand eller olivinsand og blandinger derav. Når det anvendes slike sandtyper, foretrekkes det at bindemiddel-løsningen er tilstede i en mengde på fra 1% til 3 vektprosent av sanden.

Andre vanlig anvendte tilsetninger såsom urea og organosilaner kan eventuelt anvendes i bindemiddelblandingene ifølge denne oppfinnelsen. Organosilanene, som er kjente koplingsmidler, vil øke adhesjonen av bindemiddelet til sanden. Eksempler på anvendbare koplingsmidler av denne typen omfatter aminosilaner, epoksysilaner, merkaptosilaner, hydroksysilanér og ureidosilaner.

Når bindemidlene ifølge denne oppfinnelse anvendes ved fremstilling av støpekjerner og -former, blir det ildfaste materialet, såsom støperisand, godt blandet sammen med den vandige alkaliske bindemiddel-løsningen. Blandingen utføres inntil i alt vesentlig alle sandpartiklene er fullstendig og jevnt belagt med bindemiddel-løsning. Det ildfaste materialet belagt med bindemiddelet blir deretter plassert i en ventilert kjerne- eller formboks, slik som anvendes i konven-s j onelle 11 cold-box" -fremgangsmåter.

Blandingen av sand og harpiks blir herdet ved å lede en flyktig ester gjennom materialet i den ventilerte boksen. De foretrukne esterne som anvendes for gassbehandling av blandingen er de lavere alkylformiater. Den mest foretrukne esteren er metylformiat. Som kjent i teknologien blir slike estere vanligvis ikke anvendt som ren gass, men som en damp eller aerosol i en inert bæregass. Slike inerte bæregasser er slike som ikke reagerer med esteren eller har en dårlig virkning på herdereaksjonen for produktegenskapene. Egnede gasser omfatter luft, nitrogen eller argon.

De følgende spesielle eksemplene illustrerer den foreliggende oppfinnelse. Dersom intet annet er angitt, er alle deler og prosentsatser etter vekt.

Eksempel 1

En resolharpiks ble fremstilt ved å tilsette langsomt 1276 deler av 50% vandig formaldehyd til en blanding av 1000 deler fenol, 800 deler av 45% vandig KOH og 800 deler vann. Temperaturen på blandingen ble holdt ved 80°C under tilsetningen og i ytterligere 2 timer. Vann ble deretter fjernet fra blandingen ved oppvarming under vakuum ved 50°C inntil brytningsindeksen, målt ved 25°C, var 1,4912. Blandingen ble igjen oppvarmet ved 80°C inntil viskositeten, målt ved 25°C, var 160 eps. Blandingen ble avkjølt og blandet med 16 deler gamma-aminopropyltrietoksysilan.

Til den alkaliske fenolresolharpiksløsningen ble det tilsatt forskjellige mengder fenoksyetanol. Hver harpiksprøve ble belagt på Wedron 53 0 sand i en Hobart-blander. Den anvendte harpiksmengden var 1,75% av sandens vekt. De belagte sandtypene ble deretter testet ved fremstilling av standard AFS (hundebein) strekk-kjerner. Testkjernene ble fremstilt ved å blåse blandingen ved et lufttrykk på 550 kPa inn i en Redford laboratorie-kaldboks-maskin med tre hulrom. Kjernene ble herdet ved gassbehandling med en 70:30-blanding av metylformiat og luft i 7 sekunder. Strekkfastheten ble målt etter 1 minutt, 30 minutter, 1 time og 24 timer etter gass-behandlingen, ved bruk av en Detroit Testing Machine Company modell CST Tensile Tester. Sammenlignende prøver ble utført på kjerner fremstilt ved bruk av bindemiddelet uten noe som helst fenoksyetanol. Resultater av testen gitt i tabell I viser at kjerner som ble laget ved bruk av fenoksyetanol-tilsetningen ifølge denne oppfinnelsen har overlegen fasthet sammenlignet med den som ble fremstilt uten den flytende tilsetningen. En slik forbedret fasthet er viktig for å redusere mengden av kjernebrekkasje når bindemidlene anvendes i støperioperasjoner:

EKSEMPEL 2

Den generelle fremgangsmåten fra eksempel 1 ble fulgt, unntatt at forskjellige flytende aryloksyforbindelser ble satt til den alkaliske fenolresolharpiksen i en mengde på 4 vektprosent av harpiksen. Sammenlignende forsøk ble utført ved bruk av harpiks uten noen tilsetning. Resultatene gitt i tabell II viser at forskjellige derivater av fenoksyetanol også er brukbare aryloksyforbindelser i bindemiddelblandingene ifølge denne oppfinnelse.

EKSEMPEL 3

Den generelle fremgangsmåten i eksempel 1 ble fulgt ved bruk av en flytende tilsetning av fenoksyetanol i en mengde på 4 vektprosent av fenolresolharpiksen. Sammenlignende for-søk ble utført ved bruk av 4 vektprosent av fenolharpiksen i form av furfurylalkohol og butylkarbitol som tilsetninger. Resultatene som er gitt i tabell III viser at fenoksyetanol er overlegen i forhold til de tilsetningene som tidligere ble anvendt for dette formålet.

EKSEMPEL 4

En blanding av 24,71 deler fenol, 9,45 deler av 50% vandig formaldehyd og 0,84 deler av 50% vandig natrium-hydroksydløsning ble oppvarmet i en beholder til 80°C. Temperaturen ble holdt ved 80°C i 10 minutter ved bruk av kjøling etter behov. Deretter ble det tilsatt ytterligere 21,96 deler 50% vandig formaldehyd i løpet av en periode på. ca. 25 minutter ved bruk av kjøling etter behov for å holde temperaturen på 80°C-82°C. Blandingen ble deretter holdt ved 80°C i 3 timer, avkjølt til 50°C og 23,34 deler 50% vandig kaliumhydroksydløsning ble tilsatt ved en slik hastighet at temperaturen ble holdt under 60°C med kjøling. Deretter ble det tilsatt 4,65 deler vann, og blandingen ble oppvarmet til 80"C og holdt ved denne temperaturen inntil blandingens viskositet målt ved 25°C var 150 eps. Blandingen ble avkjølt og 0,36 deler gamma-aminopropyltrietoksysilan ble tilsatt. Den alkaliske fenolresolharpiksløsningen ble blandet med forskjellige mengder fenoksyetanol, og de resulterende harpiks-prøvene ble brukt til å fremstille prøvekjerner etter den fremgangsmåten som er gitt i eksempel 1. Sammenlignende forsøk ble utført på kjerner fremstilt ved bruk av bindemiddelet uten noe som helst fenoksyetanol og med furfurylalkohol og butylkarbitol. Resultatene gitt i tabell IV viser igjen at fenoksyetanol er effektiv til å øke strekkfastheten for kjerner som er laget ved bruk av bindemidlene som inneholder denne tilsetningen.

Det er således åpenbart at det er blitt fremskaffet i samsvar med denne oppfinnelsen en bindemiddelblanding for støperier som fullstendig tilfredsstiller de formål, hen-sikter og fordeler som er fremsatt ovenfor.

Claims (10)

1. Bindemiddelblanding som omfatter en fenolresolharpiks i en vandig alkalisk løsning som har et tørrstoffinnhold på fra 40 til 75 vektprosent, idet nevnte fenolresol har et molforhold aldehyd:fenol på fra 1,2:1 til 2,6:1 og et molforhold alkali:fenol på fra 0,2:1 til 1,2:1, karakterisert ved at den også omfatter en aryloksyforbindelse i en mengde på i det minste 1 vektprosent av fenolresolharpiksen og som er løselig i den vandige alkaliske løsning og har den generelle formel Ar-O-CHR^CHR^OH hvor Ar er fenyl eller fenyl som er substituert med én eller flere halogen-, hydroksy-, alkoksy- eller alkylgrupper og hvor R<1> og R<2> kan være de samme eller forskjellige og lik hydrogen, alkyl eller alkoksy.

2. Bindemiddelblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at aryloksyforbindelsen er tilstede i en mengde på fra 2 til 6 vektprosent av fenolresolharpiksen .

3. Bindemiddelblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at aryloksyforbindelsen er fenoksyetanol.

4. Bindemiddelblanding. ifølge krav 1, karakterisert ved at molforholdet aldehyd:fenol er fra 1,5:1 til 2,2:1.

5. Bindemiddelblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at det alkali som anvendes til fremstilling av den vandige alkaliske løsning blir valgt fra gruppen bestående av kaliumhydroksyd, natrium-hydroksyd og blandinger derav.

6. Bindemiddelblanding ifølge krav 5, karakterisert ved at molforholdet av alkali til fenol er fra 0,4:1 til 0,9:1.

7. Bindemiddelblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at den dessuten omfatter et silan.

8. Formeblanding for støperi, karakterisert ved at den omfatter et granulært ildfast materiale og et bindemiddelmateriale i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 7.

9. Fremgangsmåte for fremstilling av støperikjerner og -former, karakterisert ved at den omfatter (a) å blande et granulært ildfast materiale med fra 0,5 til 8 vektprosent, basert på det ildfaste materiale, av bindemiddelet ifølge hvilket som helst av krav 1 til 7; (b) å plassere blandingen av ildfast materiale og bindemiddel i en ventilert kjerne- eller formboks; og (c) å gassbehandle blandingen i kjerne- eller formboksen med en flyktig ester.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at den flyktige ester er metylformiat.