專利名稱：用經過破碎和分級的礦石，最好是磁鐵礦石來制造鑄模和型芯的用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用經過破碎及分級的礦石，最好為磁鐵礦石，來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計量成分Fe3O4的鐵磁性礦物。在本文中，“分級”一詞指的是例如用篩分，風選或浮選，使已經經過破碎的礦石經受一定顆粒粒度的分級，如眾所周知的用于顆粒材料，如型砂的方式。
到目前為止，用來制造鑄模和型芯的細顆粒礦物基物料實際上全部是石英砂。
不可否認，已經知道在鑄造工業中也可采用其它的細粒礦物基材料，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格很高，已經特別發現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鑄模的特別是暴露在熱的條件下的這些區域上，從而防止或減少在與鑄件相對應的部分砂子的“熔補”，以及隨之而來的對鑄件的繁重的和費用高的清理工作。
已經發現一種對破碎的鉻鐵礦的相應用途，作為這種材料，也存在這樣的情況，即它對于液態鋼的潤濕關系使得它僅簡單地“抵抗”后者。
在將這種細顆粒礦物基體材料大量的用在循環的成型材料方面沒有先例，更不用說用于鑄造有色金屬或合金了。
在一篇由A.Wittmoser，K.Steinack及R.Hifman寫的題目為“磁制模法用于批量鑄件工業生產的可能性”的文章中(1971年在杜塞爾多夫第38屆國際鑄造會議上第九篇交流文章)，描述了鑄件的大量生產，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，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的鐵顆粒和破碎的磁鐵礦石的可流動混合物包圍。在進行鑄造作業之前，對成型材料施加一個磁場，這樣使各個顆粒在磁場的作用下結合在一起，在整個鑄造期間以及至少在模子內的金屬凝固期間的部分時間內，始終保持所說的磁場。當去除磁場時，現在又是可流動的成型材料從鑄件流走，可能在經過了冷卻之后，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改變鐵晶粒與磁鐵礦顆粒之間的份量比例來使這種冷卻效果發生變化，由此增加磁鐵顆粒的比例會減弱其冷卻效果。
顯然，該方法不能應用在傳統的模鑄和鑄造系統中。
但是，對于鑄造輕金屬鑄件，特別是用在汽車工業和類似工業中的輕金屬鑄件，極需實現已被鑄入模中的金屬更快速的冷卻，因為這樣可能在鑄件中得到一種更細晶粒的結構，同時也可避免鑄件中出現所謂的微小縮孔。
目前，做了通過在所謂的金屬模(模具)中模鑄來達到這樣較快速冷卻的嘗試。然而，這樣的鑄模制造成本高，與傳統的基于使用砂子的模鑄和鑄造系統相比，它們的生產能力非常有限。
本發明的目的是顯示出在基于利用砂子的傳統模鑄和鑄造工廠中，如何能使冷卻速度接近可在金屬模中達到的速度。
根據本發明，該目的的實現是通過采用一種經過破碎和分級的礦石，最好為磁鐵礦石，分別作為用在可循環和不可循環的模子中的一種細顆粒礦物基體材料或型芯材料，來制造干的或濕的，最好為粘土的，特別是膨潤土黏結的有箱模或無箱模，以及最好當鑄造有色金屬或合金，特別是輕金屬和輕金屬合金時，用來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是已經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晶粒和“較致密”的結構，與用金屬型鑄造可達到的結構大致相當，即，在基于使用型砂的傳統模制和鑄造系統中，并且在這種工廠中有相對較低的模型價格和高的生產能力，它可能達到至少與有相當高的模子成本和較低的生產率并采用金屬型鑄造系統所能達到的水平接近的鑄件質量水平。
第二個優點是，采用按照本發明的用途，可以使模鑄系統的冷卻部分顯著的縮短，由此節約了空間。
第三個優點是，與以石英砂為基體材料相比，可能減少再循環的模鑄材料的數量，由此可部分地補充使用價格高的基體材料。
涉及同一方面的第四個優點可從下述內容中看出為了環境原因，儲存和處理用過的和廢棄的基于石英砂的造型材料的費用相對較高，但是在廢棄基于磁鐵礦石的造型材料的情況下，不僅可能免費進行處理，而且甚至還可能具有經濟方面的優點，因為這些材料無需進一步處理就可不僅在高爐，也可在任何一種在實踐中熔化鐵或鋼的爐子中利用來生產鐵。
以磁鐵礦石作為基體材料的再一優點是，與石英砂相反，該材料不會增加肺部疾病矽肺病的發生。
用此材料制造置于金屬模具中的型芯的一個優點是，與金屬芯相比，這種型芯可以以任何所要求的方式來成形，與相應的用石英砂做的型芯相比，仍具有明顯大得多的冷卻能力。
采用按照本發明的用途，已經有利的證明基體材料有如權利要求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利要求3中所述的方式來進行生產，優選使用的膨潤土是一種自然存在的鈉膨潤土(西方膨潤土)或一種所謂的“活性膨潤土”，即一種鈣膨潤土(南方型)由離子交換轉化為鈉膨潤土。膨潤土在鑄造工業中是一種常用的粘結劑。
另一方面，可以按權利要求4所述的方式生產造型材料。如權利要求5所述，在兩種情況下，鑄模在鑄造前都要經過干燥。
作為第二或進一步的替代方案，可以按權利要求6中所述的方式生產造型材料，如果這樣做的話，可在進行按權利要求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，最好從權利要求8中所述的一組內選擇添加劑，但是這不排除其它添加劑的使用。
由于采用了根據本發明的用途，型芯最好包括按權利要求9所述方式生產的一種型芯材料，該型芯材料可按權利要求1 0或者11中所述的那樣進行固化或被硬化處理。
然而，也可以按權利要求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，對芯盒的冷處理可例如用像氮氣這樣的氣體來達到。按此方法，型芯將產生相當強的冷卻效果，因而可以希望將它應用于某方面，例如上述的用于在金屬模中的型芯。
更可取的是，對由落砂操作產生的鑄模和型芯材料的一部分按權利要求13所述的方法進行再處理，而在此情況下，水和粘結黏土的添加最好按這樣一種方式調和，即再循環的造型材料將具有所要求的造型特性。
由落砂操作產生的鑄模和型芯材料的其余部分可如權利要求14所述的那樣經受再生和再利用，它可能是這樣一種再生過程，以使用熟知的用于以石英砂為基礎的鑄模和型芯材料的相似處理的方法和設備，但是由于基體材料的磁特性，要按權利要求1 5所述的那樣另外補充以磁力分離。
另一種方案是，可以按權利要求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那樣，以巨大的花費來儲存或處理使用過的剩余造型材料，但是可以有利地用于金屬礦的開采過程-在磁鐵礦的情況下，這可以在傳統的鐵或鋼鑄造用爐，或在熔鐵爐中完成，有時也可對磁鐵礦材料進行預制粒處理。
在本說明書的下列部分中，分別在基于破碎的和分級的磁鐵礦石以及基于石英砂的造型材料的比較性實例的基礎上對本發明進行更詳細的說明。
在下面所討論的“技術”試驗中，常用的型砂試驗設備來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指導說明。
表征所用磁鐵礦砂和石英砂之間明顯差異的參數是每單位體積干基砂的重量，即例如以公斤計的一升固結砂的重量，對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絕對溫度。
為了在比較試驗中使用，在實驗室混合機中形成下述混合物。
I.磁鐵礦砂使4.5kg的磁鐵礦砂與300g活性膨潤土(“Geko”)和63g水混合7分鐘，篩分后按表1所示進行試驗。
II.石英砂使2.5kg英砂與300g活性膨潤土(“Geko”)和63g水混合7分鐘，篩分后按表1所示進行試驗。
表1磁鐵礦砂 石英砂50×50毫米直徑標準試樣的重量250 146抗壓強度p/cm21250 1600剪切強度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尺寸為直徑36毫米×185毫米的試驗模，用AISi7Mg在680℃時鑄造上述試驗模。同時，在一金屬模中鑄造有相應尺寸的試件，并確定下列參數DAS，即枝晶臂間距，微米計ts，即固結時間，秒計表2金屬模磁鐵礦砂 石英砂DAS 363844ts 475585這些數據相當清楚地表明，與石英砂相比，磁鐵礦砂具有更好的冷卻效果，同時在磁鐵礦砂模中鑄造的試樣的微觀結構比在石英砂模中鑄造的試樣“致密”大約13.6％(晶粒更細)，與在石英砂模中鑄造的試樣相比，它們的固結時間減少了近35％。還能夠看出，對于上述的兩種參數，所達到的值與在金屬模中模鑄時達到的值近似。
除了上述的和權利要求書中提到的用途外，對本領域中的技術人員而言，顯然可以將根據權利要求9-12中的任何一項的型芯用在以石英砂為基體材料的鑄模中，從而達到相關聯的改進的冷卻效果及在模鑄后降低型芯的浮動力。在此情況下，磁鐵礦砂可以在落砂后容易地與石英砂進行磁力分離，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劑的循環石英砂的污染。
在上述說明中，根據本發明的用途是關于輕金屬合金的鑄造而進行描述的，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，例如鑄鐵時實施。
權利要求
1.一種經過破碎和分級的礦石，最好是磁鐵礦石的用途，將其分別用作在可再循環的或不可再循環的鑄模中的一種細顆粒礦物基體材料或型芯材料，用以制造干的或濕的，最好是粘土結合的，特別是膨潤土結合的有箱模或無箱模，以及用以制造最好當鑄造有色金屬或合金，特別是輕金屬和輕金屬合金時，用來置于這種模或金屬模(模具)中的型芯。
2.根據權利要求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，并且主要在三種標準的篩目內。
3.根據權利要求1或2所述的用途，其特征在于，鑄模包括粘土結合的濕模材料，它是通過將基體材料與重量最好為2-20％的膨潤土，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.根據權利要求1或2所述的用途，其特征在于，鑄模由造型材料構成，該造型材料通過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.根據權利要求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.根據權利要求1或2所述的用途，其特征在于，鑄模由造型材料構成，該造型材料是通過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.根據權利要求6所述的用途，其特征在于，在鑄造之前，通過吹送CO2的方法來硬化鑄模。
8.根據權利要求3-7中任一項所述的用途，其特征在于，添加劑是從包含有煤塵粉、谷類及磨木的組中選擇的。
9.根據權利要求1或2所述的用途，其特征在于，型芯由一種型芯材料構成，該材料通過使基體材料與粘結劑混合而形成，所述粘結劑選自包含有可定型的和自凝固的，可能本身已知的固態或液態有機或無機的型芯粘結劑的組中。
10.根據權利要求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到凝固。
11.根據權利要求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到凝固。
12.根據權利要求1或2所述的用途，其特征在于，型芯由粘土結合的濕芯材料構成，該材料具有如權利要求3所述的成分，并通過例如在冷藏的芯盒中冷凍的方法使其硬化或凝固。
13.根據權利要求1-12中任何一項所述的用途，其特征在于，在造型的鑄造和落砂后，通過使以此方式回收的部分造型和型芯材料與一占適當重量百分比的水和有時選用的占適當重量百分比的粘土質粘結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.根據權利要求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有再處理的部分根據權利要求3、4、6和9中任何一項經受再生和作為基體材料重復利用。
15.根據權利要求14所述的用途，其特征在于，再生的過程包括磁力分離。
16.根據權利要求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有經過再處理的部分中的基體材料在冶金過程中用來生產金屬。
全文摘要
本發明涉及經過破碎和分級的礦石，最好是磁鐵礦石的用途，將其分別用作在可循環的和不可循環的鑄模中一種細顆粒礦物基體材料或型芯材料，用以制造干式或濕式，最好是粘土結合的，特別是膨潤土粘結的有箱模或無箱模，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，置于這種模或金屬模(模具)中的型芯。與用石英砂作為基體材料的傳統用途相比，該用途可以使澆鑄在鑄模中的金屬得到明顯更快的冷卻和固化，以及在由鑄造生產的鑄件中有更有利的微觀結構。
文檔編號B22C9/00GK1160368SQ9519563
公開日1997年9月24日 申請日期1995年10月4日 優先權日1994年10月13日
發明者普雷本·N·漢森, 尼爾斯·W·拉斯穆森, 伊米爾·耶斯佩森 申請人:喬治·費希爾·迪薩公司