MXPA06002032A - Pastas conteniendo compuestos de hierro usados en la fundicion de metales - Google Patents

Abstract

Las pastas conteniendo cationes tri o polivalentes se utilizan para moldes de fundición y elaboración de revestimiento asícomo también revestimientos de núcleo. Estas pastas son acuosas a base de alcohol conteniendo un componte mineral y un aglutinante polianiónico, en donde al menos una de la fase continua o componente mineral contiene cationes trivalentes o polivalentes o cationes que se convierten en cationes trivalentes o polivalentes durante el uso. El componte catiónico se selecciona de un grupo que consiste de al menos uno de los metales de hierro o aluminio. El componente polianiónico contiene al menos uno del grupo que consiste de sílice coloidal o uno o más polímeros orgánicos solubles en agua.

Description

PASTAS CONTENIENDO COMPUESTOS DE HIERRO USADOS EN LA FUNDICIÓN DE METALES DESCRIPCIÓN DE TÉCNICAS DE FUNDICIÓN POR INVERSIÓN La fundición por inversión es un proceso para hacer partes finamente detalladas, las cuales suponen hacer un modelo del artículo a ser fundido en un material tal como cera o espuma de poliestireno expandido que puede ser derretida a temperaturas de entre 50 y 150°C, y luego formar un recubrimiento, la coraza, alrededor del modelo por aplicaciones repetidas de una pasta conteniendo un componente mineral y un aglutinante, el último estando típicamente basado en sílice coloidal. El proceso de construcción de la coraza inicia típicamente con la fabricación de una coraza delgada consistiendo de un agregado finamente dividido, típicamente del tamaño de partícula debajo de 75µm. Esta coraza primaria es reforzada por la aplicación de capas adicionales de recubrimiento sobre ella y por más aplicaciones de pastas que puedan contener agregados más gruesos, después de los cuales el entero es calentado en dos etapas. La primera etapa seca la coraza y derrite el modelo de cera o espuma debajo. Por esta razón el proceso es también conocido como el proceso de cera pérdida o espuma pérdida. En el proceso de cera pérdida, la cera se acaba dejando la coraza "verde" seca que es entonces calentada a una temperatura de 600°C o más para producir una coraza fuerte de cerámica dentro de la cual el metal es vertido para quemar cualquier residuo de cera. El proceso para hacer el molde por fundición por inversión de espuma pérdida es similar pero la coraza es más simple en construcción y más delgada, estando sostenida en su lugar por un lecho de arena compactada. En contraste al proceso de cera pérdida el modelo está hecho de un polímero de espuma, usualmente poliestireno expandido, el cual se encoge cuando la coraza está seca pero permanece dentro de ella en vez de acabarse como es el caso con el proceso de cera pérdida. Los residuos de espuma son entonces quemados cuando el metal derretido es vertido dentro del molde. Es extremadamente importante que la pasta sea capaz de formar una coraza verde fuerte que pueda ser manejada sin romperse y no contiene componentes que pueden incluir gases que pueden romper la coraza durante el calentado. De manera similar, es importante que la coraza final sea lo suficientemente fuerte para soportar las tensiones incurridas durante la fundición del metal. La sol de ácido silícico es uno de los muy pocos aglutinantes que pueden suministrar estas propiedades y el único aglutinante de significado usado para el propósito. Sin embargo es extremadamente sensible a las impurezas químicas y requiere que otros componentes usados con el sean extremadamente puros. Como un ejemplo, es recomendado que solo agua desionizada sea usada en la fabricación de pastas. Una siíuación similar pertenece al componente mineral, uno de los más comunes siendo un silicato de aluminio químicamente puro hecho de la fusión de alúmina pura y sílice puro juntos y luego triturar y tamizar el producto resultante. Otros minerales usados para la fabricación de las corazas incluyen circón (silicato de zirconio), muilita (silicato de aluminio natural) y sílice pulverizado fundido. Todos estos requerimientos combinados hacen la fundición por inversión un proceso más costoso que es usado solamente para las partes más demandantes. La penuria de los minerales convenientes descarta o al menos limita severamente el uso de un número de procesos potencialmente valuables que podrían ayudar a reducir costos. Uno de estos, calentamiento por microondas, ha sido el objeto de un interés considerable, dado que calienta las pastas más rápidamente que el calentamiento convectivo, permitiendo a la coraza ser secada y a la cera o espuma ser derretidas más rápidamente. Por esta razón, la industria ha estado también estudiando el uso de componentes, particularmente ceras de modelado, que pueden absorber la energía de microondas y de esta manera son calentadas hasta su punto de derretimiento más rápidamente en un horno de microondas en vez de las ceras estándar en un horno de convección típico. Mientras que eficientes en este respecto, estas ceras, continuamente conteniendo pequeñas gotas de agua emulsificadas dentro de la cera, son más difíciles y costosas de recuperar.

Incluso más significantes son los ahorros que pueden ser alcanzados si es posible utilizar minerales para hacer las corazas que pudieran ser calentadas al estado verde y después calentadas al someterse a un campo electromagnético, por ejemplo por microondas o métodos de inducción. Tales minerales están descritos en la solicitud de patente provisional de EE. UU. 60/496,675 e incluyen compuestos de elementos de metal de transición (hierro, cobalto y níquel) en el estado de bivalencia, tales como norita (aluminosilicato de calcio de hierro) ilmenita (titanato de hierro), cromita (cromito de hierro), olivina (silicato magnesio ferruginoso), magnetita (sesquióxido de hierro), hiperita (aluminosllicato de magnesio de hierro). Intentos de usar estos materiales en pastas convencionales para fundición por inversión o recubrimiento de molde con aglutinantes polianiónicos tales como sílice coloidal los propósitos fallan debido a la gelación del aglutinante.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Corazas para fundición de metal ligero Esta invención describe como las pastas conteniendo minerales férreos incluyendo aquellos que pueden ser calentados por campos electromagnéticos (EMF), pueden ser estabilizados y usados para fabricar corazas que sean más efectivas en costo y versátiles que el estado de los productos de la materia. El hecho de que las pastas conteniendo maíeriales férreos y aglutinantes polianiónicos sean inestables prescribe su uso para la fundición por inversión. Este fenómeno no es adecuadamente explicado en la literatura, aunque los proveedores de productos usados para estos propósitos establecen niveles máximos de contenido de hierro, típicamente menores a 200 ppm. Es por eso inesperado que la estabilidad de los pastas teniendo contenidos de hierro más grandes que este puede ser usado por el recurso de agregar al menos 0.2% en peso de un agente reductor tal como hipofosfito de sodio al sistema aglutinante. Un efecto similar fue también encontrado en la adición de al menos 0.2% de ej. fosfato de hidrógeno de diamonio y particularmente fosfato de trisodio. Fue también encontrado que las mezclas de estabilizadores tales como estos podrían ser usadas con un efecto similar. Como un ejemplo, la siguiente pasta puede ser usada como un primer recubrimiento para la fundición por inversión de cera pérdida de aluminio: 1Marca de Remet Inc. 2Marca de Azko Nobel 3Marca de Ciba Geigy Aluminosilicato de calcio de hierro según lo minado en Rekefjord, Noruega También como un ejemplo, la siguiente pasta puede ser usada para los recubrimientos secundarios: 1Marca de Remet Inc. 2Marca de Azko Nobel 3Marca de Ciba Geigy 4Alumlnosilicato de calcio de hierro según lo minado en Rekefjord, Noruega En todos los casos es previsible que el ortofosfato de trisodio sea disuelto en el aglutinante antes de que el mineral sea agregado. Una norlta más gruesa, por ejemplo 35/50 malla, puede entonces ser bañada sobre este recubrimiento secundario para suministrar una capa terminada consistiendo de 87.5% de pasta secundaria y 12.5% de norita más gruesa. Hay un número significativo de ventajas para este sistema sobre los sistemas convencionales. Primero, la conductividad térmica superior de las corazas férreas les permiten ser secadas y desenceradas en equipo estándar (autoclave) en menos de la mitad del tiempo requerido por las corazas hechas por los sistemas convencionales, incrementando así la eficiencia del proceso y reduciendo sus necesidades energéticas. Segundo, el secado y desencerado pueden ser llevados a cabo incluso más rápido por calentamiento por inducción o por microondas en un horno de aire circulante, por cuyo proceso la cera residual puede ser removida antes de calentado. Tercero, estas corazas pueden ser calentadas por métodos de inducción o microondas mucho más rápido y con requerimiento de energía mucho menor que en un horno convencional de aire caliente. Cuarto, agua corriente puede ser usada para fabricar pastas conteniendo fosfato de trisodio o tripotasio, sin la inesíabilidad concurreníe que puede afectar el estado de la pastas de la materia.

Esto representa un ahorro considerable, dado que las fundiciones de hierro usando sistemas convencionales están obligados a usar agua desionizada, la cual puede necesitar ser comprada a un precio que refleje tanlo los costos de fabricación como de transporte. Quinto, el uso específico de fosfato de trisodio o tripotasio produce pastas que tienen valores de pH bastante estables.

Este no es el caso para los pastas convencionales que a menudo requieren un ajuste con sosa cáustica o potasio, con todo lo que esto implica en términos de requerimientos de monitoreo y trabajo. Las corazas hechas de esta manera son convenientes para la fundición por inversión de aluminio y la fundición de otras aleaciones a temperaturas por debajo de 1 ,200°C.

Es posible que la adición de agentes quelantes, reductores o fosfatos junto con sustancias férreas, incluyendo aquellas que pueden estar presentes en agua corriente, trabajan al contrarrestar los efectos dañinos de cationes trivalentes por medio de la reducción de ellos a cationes divalentes o convertirlos en compuestos tan insolubles que interactúan de manera mínima con los aglutinanfes polianiónicos. Caliones divalentes tales como Fe2+ no desestabilizan estos aglutinantes pero lo hacen tan rápido cuando son oxidizados al estado trivalente.

Corazas moldeadas por inversión para metales férreos El método de la invención también puede ser usado para hacer corazas de cerámica para fundición de hierro por el proceso de espuma pérdida o fundición de acero por los procesos de espuma pérdida o cera pérdida, usando un mineral tal como olivina conteniendo menos del 8% de hierro. Donde los sistemas sensibles a los campos de energía de inducción o microondas son deseados, el carbono elemental puede ser agregado al segundo recubrimiento por ejemplo en el rango de mezcla de 25% de carbono grafitico finalmente dividido y 75% de olivino teniendo un contenido de hierro máximo de 8%. Otros minerales que no forman compuestos de bajo punto de derretimiento con el aglutinante de sílice, tales como ortosilicato de zirconio y calcio, pueden ser usados en vez de olivina. La coraza debe ser entonces recalentada en un ambiente libre de oxigeno.

TÉCNICAS DE LA TÉCNICA ANTERIOR PARA LA FABRICACIÓN DE RECUBRIMIENTOS PARA MOLDES DE FUNDICIÓN DE HIERRO Y NÚCLEOS Moldes y núcleos son a menudo recubiertos para mejorar el acabado de la superficie del recubrimiento o para ayudar a prevenir la penetración del metal. Un recubrimiento es una pasta que contiene un mineral finamente molido, a menudo zircón, y una sustancia tal como la bentonita que es capaz de suministrar cierta fuerza de unión incluso a temperaturas de fundición. Es importante que estos pastas de recubrimiento permanezcan estables por muchos meses, dado que son típicamente suministrados como productos recién-hechos que son almacenados hasta que se usan por la fundición de hierro. Mientras que las fundiciones de hierro han, por muchos años, usado recubrimientos a base de alcohol que permiten la fase continua de ser quemadas sin la necesidad de ser secadas, legislación ambiental reciente ha decretado que el uso de líquido volátil orgánico debe ser restringido. Esfuerzos considerables están siendo hechos ahora para reemplazar el alcohol con recubrimientos a base de agua y aglutinantes de sílice coloidal son de muchas maneras ideales para esta aplicación, dado que ellos mantienen su integridad durante la fundición y no son tan cosíosos. Son sin embargo, difícilmente usados debido a la pobre estabilidad de almacenamiento y al hacho de que están restringidos a un rango limitado de minerales.

Recubrimientos para moldes y núcleos Continuando con la premisas descritas en la presente como una posible causa para las limitaciones de estabilidad de los recubrimientos basados en sílice coloidal, las formulaciones dadas en la sub-sección titulada "Corazas para fundición de metales ligeros" y "Corazas de fundición por inversión para metales férreos" anteriores han demostrado a ellas mismas ser convenientes para usarse como recubrimientos de molde y núcleo. Los siguientes sistemas son ejemplos de productos satisfactorios, mostrando poco cambio después de almacenamiento por 6 meses a 30°C: Marca de Remet Inc. 2Marca de Azko Nobel 3Marca de Ciba Geigy 4Aluminosilicato de calcio de hierro según lo minado en Rekefjord, Noruega Marca de Remet Inc. 2Marca de Azko Nobel 3Marca de Ciba Geigy 4Un mineral en la familia minado en Rekefjord, Noruega 1 Marca de Remet Inc. 2Marca de Azko Nobel 3Marca de Ciba Geigy 4Silicato de magnesio férreo El propósito del látex de polímero es el de suministrar una así llamada fuerza verde para que el recubrimiento no se quiebre durante el secado o movimiento del molde o núcleo. Recubrimieníos hechos con agluíinantes de sílice coloidal tienen una fuerza excepcionalmente buena caliente y son altamente refractarios. No es posible fabricar recubrimientos basados en agua estables usando minerales tales como aquellos mencionados aníeriormeníe, junio con una sílice coloidal o un agluíinante polianiónico similar, a menos de que el método de esta invención sea seguido. Una ventaja en particular de ser capaz de usar minerales férreos tales como la Norita en la fabricación de recubrimientos basados en agua, es que estos pueden ser secados rápidameníe por exposición a un impulso electromagnético oscilatorio, tal como una microonda o preferiblemente un campo de inducción. Mientras que la norita es conveniente para metales tales como el aluminio, minerales más refractarios necesitan ser usados en recubrimientos empleados en la fundición de hierro y especialmente de acero. Algunos de estos ej. cromito de hierro y magnetita, son lo suficientemente refractarios para ser usados en fundición de hierro ya sea solos o mezclados con por ejemplo anortosiía. Sin embrago las temperaturas experimentadas en la fundición de acero pueden causar que la sílice en el aglutinante reaccione con los minerales férreos para formar compuestos menos refractarios tales como fayelita (ortosilicato férreo) o gruenerita (metasilicato férreo), los cuales pueden descartar el uso de minerales conteniendo más de 8% o algo así de compuestos férreos. Sin embargo la adición de 3-30% o más de carbono grafitico a un mineral con bajo contenido de hierro usuafmente generará suficiente calor en un campo electromagnético oscilatorio. La descripción anterior deberá ser considerada como ilustrativa solamente de los principios de esta invención. Numerosas aplicaciones de la presente invención ocurrirán fácilmente para limitar la invención a las modalidades preferidas descritas anteriormente. Preferiblemente, todas las modificaciones convenientes y equivalentes pueden ser recurridas, cayendo dentro del alcance de la invención.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Pastas conteniendo cationes tri o polivalentes usadas para fundición por inversión y hacer moldes y recubrimientos de núcleo.
2. 2. Pastas basadas en alcohol y acuosas según la reivindicación 1 , conteniendo un componente mineral y un aglutinaníe polianiónico, en donde al menos uno de la fase continua o el componente mineral contiene cationes trivalentes o polivalentes o cationes que son convertidos a cationes polivalentes o trivalentes durante su uso.
3. 3. Las pastas según la reivindicación 2, caracterizadas porque el componente catiónico es seleccionado del grupo consistiendo de al menos uno de los metales, hierro o aluminio.
4. 4. Las pastas según la reivindicación 2, caracterizadas porque el componente polianiónico contiene al menos uno del grupo consistiendo de sílice coloidal o uno o más polímeros orgánicos solubles en agua.
5. 5. Las pastas según la reivindicación 1 hechas por la incorporación de al menos 0.01 % en peso de mineral o agua de un agente que convierte dichos componentes catiónicos en la pasta en sustancias que son incapaces de flocular en sustancias polianiónicas.
6. 6. Las pastas según la reivindicación 2 hechas por la incorporación de al menos 0.01 % en peso de mineral o agua de un agente que convierte dichos componentes catiónicos en la pasta en sustancias que son incapaces de flocular en sustancias polianiónicas.
7. 7. Las pastas según la reivindicación 3 hechas por la incorporación de al menos 0.01 % en peso de mineral o agua de un agente que convierte dichos componentes catiónicos en la pasta en sustancias que son incapaces de flocular en sustancias polianiónicas.
8. 8. Las pastas según la reivindicación 4 hechas por la incorporación de al menos 0.01 % en peso de mineral o agua de uh agente que convierte dichos componenfes catiónicos en la pasta en sustancias que son incapaces de flocular en sustancias polianiónicas.
9. 9. Los agentes según la reivindicación 5 que contienen al menos un agente seleccionado del grupo consistiendo de un agente quelante o un agente reductor o un fosfato soluble en agua.
10. 10. Las pastas según la reivindicación 1 conteniendo minerales o carbono que pueden ser calentados en un campo electromagnéíico seleccionado del grupo consistiendo de microondas, inducción o radiación por radiofrecuencia. 1 1 . Las pastas según la reivindicación 2 conteniendo minerales o carbono que pueden ser calentados en un campo electromagnético seleccionado del grupo consistiendo de microondas, inducción o radiación por radiofrecuencia. 12. Las pastas según la reivindicación 3 conteniendo minerales o carbono que pueden ser calentados en un campo electromagnético seleccionado del grupo consistiendo de microondas, inducción o radiación por radiofrecuencia. 13. Las pastas según la reivindicación 4 conteniendo minerales o carbono que pueden ser calentados en un campo electromagnético seleccionado del grupo consistiendo de microondas, inducción o radiación por radiofrecuencia. 14. Las pastas según la reivindicación 5 conteniendo minerales o carbono que pueden ser calentados en un campo electromagnético seleccionado del grupo consistiendo de microondas, inducción o radiación por radiofrecuencia. 15. Las pastas según la reivindicación 6 conteniendo minerales o carbono que pueden ser calentados en un campo electromagnético seleccionado del grupo consistiendo de microondas, inducción o radiación por radiofrecuencia.