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Die Erfindung betrifft ein Zweikomponenten-Bindemittel-System für die Herstellung von Giessereiformen und-kernen, bestehend aus einer wässerigen Alkalisilikatlösung und einem Härtungskatalysator.
Ähnliche Bindemittel-Systeme sind seit einigen Jahren bekannt. Alle diese Systeme werden
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Verfestigung bzw. Aushärtung der Sandmischung nach einer gewissen Wartezeit bei Raumtemperatur bewirkt.
Nach den seit vielen Jahren bekannten pulverförmigen Härtern, wie Ferrosilicium und Dical- ciumsilikat, kamen flüssige Härter auf den Markt, die im wesentlichen aus Essigsäureestern von
Glycerin, später auch von Äthylenglykol, bestanden.
Die Glycerinacetate, auch Acetine genannt, bzw. Gemische aus Mono-, Di- und Triacetin wirken jedoch entweder bei tiefen Temperaturen zu langsam bzw. ergeben bei rascher Einstellung ungenü- gende Festigkeitswerte der damit hergestellten Formen oder Kerne.
Auch die aus der FR-OS 2264608 bekannten Härter für Wasserglas auf der Basis von Dialkyl- estern von Dicarbonsäuren führen zu langen Abbindezeiten.
Die EU-OS 0001906 beschreibt als Härtungsmittel für Wasserglas Propylenglykolmonoacetat als solches oder im Gemisch mit Acetinen, Äthylenglykoldiacetat oder Diäthylenglykoldiacetat. Propylenglykolmonoacetat bewirkt zwar eine rasche Verfestigung der Wasserglas-Sand-Mischung, zeigt aber einen andern Nachteil. Bei der Herstellung grösserer Formen wird in manchen Giessereien zur Kosteneinsparung so gearbeitet, dass die selbsthärtende Wasserglas-Sand-Mischung in nur dünner Schicht an das Modell angelegt und der vorhandene Freiraum im Formkasten mit bentonitgebundenem, feuchtem Formsand aufgefüllt wird, der durch Rütteln oder Pressen verdichtet und damit verfestigt wird.
Für dieses Verfahren ist Propylenglykolmonoacetat weniger geeignet, da es an der Grenzfläche zur feuchten Formsandmischung zu einer deutlich verzögerten Härtungsreaktion kommt, wodurch der Vorteil der schnelleren Härtung wieder kompensiert wird.
Verschiedene andere flüssige Härter auf Esterbasis zeigten entweder ebenfalls zu langsame Aushärtung, Empfindlichkeit gegen feuchte Füllsandmischungen oder geringe Endfestigkeiten und darüber hinaus relativ kurze Verarbeitungszeiten bei verhältnismässig langsamer Durchhärtung.
Darüber hinaus ist es bekannt, bei einem Alkalisilikatbindemittel für die Herstellung von Giessereiformen und-kernen einen Härtungskatalysator zu verwenden, der von Hydroxycarbonsäuren abgeleitet ist. In diesem Zusammenhang kann als Beispiel auf die DE-OS 2156048 verwiesen werden, in der die Verwendung von Milchsäureestern beschrieben ist.
Durch die Erfindung soll ein Härtungsmittel angegeben werden, mit dem die geschilderten Nachteile beseitigt werden.
Das erfindungsgemässe Zweikomponenten-Bindemittel-System ist dadurch gekennzeichnet, dass der Härtungskatalysator ein Lacton, insbesondere Propio-, Butyro-, Valero-oder Caprolacton als 3-, 4-, 5-oder 6-Ringsysteme, ist und gegebenenfalls zur Steuerung der Härtungsgeschwindigkeit zusätzlich andere leicht hydrolysierbare, an sich bekannte Verbindungen, wie z. B. Glycerin-, Glykol-oder Polyglykolacetate und/oder Zusätze, wie z. B. Äthylenglykol, Propylenglykol oder Glycerin enthält.
Unter den genannten Verbindungen zeigt das erfindungsgemäss bevorzugt verwendete y-Butyro- lacton, abgesehen vom physiologisch bedenklichen s-Propiolacton, die höchste Härtungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig hohen Endfestigkeiten.
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hältnissen vermischt werden.
Das erfindungsgemässe Zweikomponenten-Bindemittel-System bringt neben der hohen Härtungsgeschwindigkeit weitere Vorteile : Erstens ist bei gegebener Ausschaltzeit die Verarbeitbarkeitsdauer wesentlich länger als bei den herkömmlichen Wasserglashärtern, zweitens sind die erreichbaren Festigkeiten auch bei rascher Aushärtung höher als bei Verwendung bisher bekannter Härtungsmittel, und drittens führen sie zu einer deutlich besseren Durchhärtung im Inneren von Formen und
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Kernen sowie an den Grenzflächen zu feuchten Füllsandmischungen.
In den erwähnten Eigenschaften ist das erfindungsgemässe Zweikomponenten-Bindemittel-System durchaus mit guten Kunstharzbindemitteln, gegenüber welchen es den Vorteil der grösseren Umweltfreundlichkeit aufweist, vergleichbar.
Die wässerige Lösung von Alkalisilikat (Wasserglas), die im erfindungsgemässen Zweikomponenten-Bindemittel-System zur Anwendung gelangt, besteht üblicherweise aus Natrium- oder Kaliumsilikat oder aus Gemischen der beiden, wobei der molare Modul von SiOz zu Na. O bzw. K2O 1, 9 bis 3,3, vorzugsweise 2,3 bis 2,7, betragen soll. Ein höherer Modul bringt zwar eine höhere Härtungsgeschwindigkeit, jedoch geringere Endfestigkeiten mit sich, ein niedrigerer Modul dagegen höhere Endfestigkeiten bei niedrigerer Härtungsgeschwindigkeit.
Wird das erfindungsgemässe Zweikomponenten-Bindemittel-System zur Herstellung von Formen oder Formteilen verwendet, wird meist kein besonderer Wert auf gute Zerfalleigenschaften nach dem Abguss gelegt. Für die Herstellung von Kernen sind die Zerfalleigenschaften jedoch von wesentlicher Bedeutung, weshalb in Wasserglasbinder üblicherweise organische Verbindungen als den Zerfall fördernde Zusätze ("Zerfallzusätze") eingebaut werden. Geeignete organische Verbindungen sind z. B. Saccharose, Glykosesirup, Sorbit, verschiedene Stärkeabbauprodukte, Melasse, Harnstoff, usw. und auch Kombinationen der oben erwähnten Verbindungen. Ausserdem wurden anorganische Zusätze in Pulverform, wie z. B. Aluminiumoxyd, Aluminiumoxydhydrat oder Siliciumdioxyd, zur Zerfallverbesserung vorgeschlagen.
Diese üblichen Zerfallzusätze können auch in die Alkalisilikatlösung des erfindungsgemässen Zweikomponenten-Bindemittel-Systems eingebaut oder dem Sand als dritte Komponente zugesetzt werden, um eine für Kerne ausreichende Zerfallneigung zu gewährleisten.
Aus den folgenden Beispielen sind die Eigenschaften des erfindungsgemässen ZweikomponentenBindemittel-Systems mit und ohne Zerfallzusatz ersichtlich.
Beispiel 1 : In einem Labormischer (System Mischka) wurden 2 kg Quarzsand mit einer AFS-Zahl von 56 bis 58 (Quarzsand F 32 der Quarzwerke Köln) eingefüllt und 60 g wässerige Natriumsilikatlösung, die einen molaren Modul von 2, 45 und eine Viskosität von 1500 mPas bei 20 C besass, zugesetzt. Die Sand- und die Raumtemperatur betrugen 20 bis 22OC. Nach einer Mischzeit von 2 min wurden 6 g Härter (s. Tabelle 1) zugegeben, worauf noch 45 s gemischt wurde. Als Härter wurden verwendet :
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<tb>
<tb> Härter <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 50% <SEP> y-Butyrolacton <SEP>
<tb> 50% <SEP> Triacetin
<tb> Härter <SEP> 2 <SEP> : <SEP> 20% <SEP> y-Butyrolacton
<tb> 80% <SEP> Triacetin
<tb>
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stellt.
In diesem Falle wurde jedoch der Zeitpunkt der Verdichtung der einzelnen Probekörper, vom Zeitpunkt des Mischendes an gemessen, genau festgehalten. Nach Prüfung der nach 24 h gegebenen Biegefestigkeit aller Prüfkörper wurde ein Diagramm über die Abhängigkeit der Endfestigkeit vom Prüfkörperherstellzeitpunkt aufgestellt und die Verarbeitbarkeitsdauer 1 als jene Zeit festgelegt, zu welcher der Prüfkörper noch 90% der Maximalfestigkeit erreicht, und die Verarbeitbarkeitsdauer 2 als jene Zeit, zu welcher der Prüfkörper nun mehr die Hälfte der Maximalfestigkeit erlangt.
Aus Tabelle 1 sind die Werte für die Formhärte 80, die Verarbeitbarkeitsdauer 1 und 2 und den Festigkeitsanstieg zu entnehmen. Die Verhältniszahlen zwischen Formhärte 80 und Verarbeitbarkeitsdauer 1 und 2 sind ein Mass für die Aushärtecharakteristik. Je niedriger die Zahlen sind und je näher sie beieinander liegen, umso günstiger sind die Verarbeitungseigenschaften. In diesem Fall schliesst an eine relativ lange Verarbeitbarkeitsdauer eine rasche Aushärtung an. Tabelle 1 beweist, dass das erfindungsgemässe Härtungsmittel deutliche Vorteile gegenüber den andern Härtern aufweist.
Tabelle 1
Sand- und Raumtemperatur : 20 - 220C
Rel. Luftfeuchtigkeit : 56-60%
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<tb>
<tb> Härter <SEP> Acetingemisch <SEP> 1 <SEP> Acetingemisch <SEP> 2 <SEP> Diacetin <SEP> Härter <SEP> l <SEP> Härter <SEP> 2
<tb> Biegefestigkeit <SEP> in <SEP> N/cm"
<tb> nach <SEP> 20 <SEP> min <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 40 <SEP> 25 <SEP> 0
<tb> 40 <SEP> min <SEP> 20 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 20
<tb> 60 <SEP> min <SEP> 30 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 60 <SEP> 30
<tb> 120 <SEP> min <SEP> 60 <SEP> 90 <SEP> 70 <SEP> 100 <SEP> 65
<tb> 24 <SEP> h <SEP> 480 <SEP> 300 <SEP> 190 <SEP> 500 <SEP> 480
<tb> Formhärte <SEP> 80
<tb> (min <SEP> : <SEP> s) <SEP> 28 <SEP> : <SEP> 00 <SEP> 4 <SEP> : <SEP> 15 <SEP> 3 <SEP> : <SEP> 45 <SEP> 4 <SEP> : <SEP> 55 <SEP> 25 <SEP> : <SEP> 00 <SEP>
<tb> VD <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> : <SEP> 20 <SEP> 0 <SEP> : <SEP> 29 <SEP> 0 <SEP> : <SEP> 17 <SEP> 1 <SEP> :
<SEP> 03 <SEP> 6 <SEP> : <SEP> 00 <SEP>
<tb> VD <SEP> 2 <SEP> 13 <SEP> : <SEP> 00 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 50 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 19 <SEP> 2 <SEP> : <SEP> 09 <SEP> 13 <SEP> : <SEP> 00 <SEP>
<tb> Formh rte <SEP> 80
<tb> VD <SEP> 1 <SEP> 12, <SEP> 0 <SEP> 8, <SEP> 8 <SEP> 13, <SEP> 2 <SEP> 4, <SEP> 7 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP>
<tb> Formhärte <SEP> 80
<tb> VD <SEP> 2 <SEP> 2, <SEP> 15 <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> 1, <SEP> 9 <SEP>
<tb>
Die beiden Acetingemische sind handelsübliche Wasserglashärter, die aus einem Gemisch von Diund Triacetin bzw. Mono-, Di- und Triacetin bestehen.
Beispiel 2 : Die in Beispiel 1 angegebene Arbeitsweise wurde bei tiefer Temperatur wiederholt.
Zu diesem Zweck wurde ein Klimaprüfschrank auf 0 C eingestellt und der Quarzsand darin auf 0 C abgekühlt. Mit dem kalten Sand wurde dann wie in Beispiel 1 angegeben eine Mischung hergestellt, wobei die verdichteten Prüfkörper sofort in den Klimaschrank gelegt und darin bis zur Festigkeitsprüfung gelagert wurden. Die Prüfwerte sind in Tabelle 2 enthalten. Daraus ist ersichtlich, dass mit dem erfindungsgemässen Härtungsmittel auch bei tiefer Temperatur sehr kurze Härtungszeiten erreicht werden. Da im Klimaprüfschrank bei 0 C keine niedrigere Luftfeuchtigkeit als 100% einstellbar ist, sind die erreichbaren Endfestigkeiten hier geringer als die in der Praxis erzielbaren Werte.
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Tabelle 2 Sand-und Raumtemperatur : 0 C Rel. Luftfeuchtigkeit : 100%
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<tb>
<tb> Härter <SEP> Acetingemisch <SEP> l <SEP> Acetingemisch <SEP> 2 <SEP> Diacetin <SEP> Härter <SEP> l <SEP>
<tb> Biegefestigkeit <SEP> in <SEP> N/cm2
<tb> nach <SEP> 20 <SEP> min <SEP> 0 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 20
<tb> 40 <SEP> min <SEP> 0 <SEP> 30 <SEP> 30 <SEP> 30
<tb> 60 <SEP> min <SEP> 5 <SEP> 40 <SEP> 35 <SEP> 50
<tb> 120 <SEP> min <SEP> 25 <SEP> 60 <SEP> 40 <SEP> 65
<tb> 24 <SEP> h <SEP> 130 <SEP> 130 <SEP> 120 <SEP> 130
<tb> Formhärte <SEP> 80
<tb> (min <SEP> : <SEP> s) <SEP> 70 <SEP> : <SEP> 00 <SEP> 12 <SEP> : <SEP> 00 <SEP> 8 <SEP> : <SEP> 30 <SEP> 9 <SEP> : <SEP> 30
<tb>
Beispiel 3 :
Es wurden drei Mischungen nach der in Beispiel 1 angegebenen Arbeitsweise bei einer Temperatur von 220C hergetellt, wobei die Menge des Härtungsmittels (Härter 1) variiert wurde. Die Prüfwerte sind in Tabelle 3 eingetragen und zeigen, dass durch Änderung der Zugabemenge an Härter die Geschwindigkeit ohne wesentliche Festigkeitseinbusse beeinflusst werden kann.
Tabelle 3
Sand- und Raumtemperatur : 220C
Rel. Luftfeuchtigkeit : 60%
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<tb>
<tb> Zusatzmenge <SEP> Härter <SEP> 1
<tb> bezogen <SEP> auf <SEP> Wasserglas <SEP> 5% <SEP> 10% <SEP> 15%
<tb> Biegefestigkeit <SEP> in <SEP> N/cm2
<tb> nach <SEP> 20 <SEP> min <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 35
<tb> 40 <SEP> min <SEP> 35 <SEP> 50 <SEP> 60
<tb> 60 <SEP> min <SEP> 45 <SEP> 60 <SEP> 80
<tb> 120 <SEP> min <SEP> 65 <SEP> 100 <SEP> 125
<tb> 24 <SEP> h <SEP> 490 <SEP> 500 <SEP> 420
<tb> Formhärte <SEP> 80
<tb> (min <SEP> : <SEP> s) <SEP> 6 <SEP> : <SEP> 15 <SEP> 4 <SEP> : <SEP> 55 <SEP> 3 <SEP> : <SEP> 55
<tb>
Beispiel 4 : Dieses Beispiel zeigt, dass das erfindungsgemässe Bindemittel-System auch in Verbindung mit Zerfallzusätze enthaltenden Alkalisilikatlösungen verwendet werden kann.
Zu diesem Zweck wurden zwei Mischungen wie in Beispiel 1 beschrieben unter Verwendung von zwei verschiedenen Wasserglastypen hergestellt und der Festigkeitsanstieg sowie die Formhärte 80 geprüft.
Wasserglas 1 entspricht der im Beispiel 1 verwendeten, wässerigen Natriumsilikatlösung, Wasserglas 2 weist den gleichen Modul und die gleiche Viskosität auf, enthielt jedoch einen Zusatz von 20% Saccharose.
Die Prüfwerte sind in Tabelle 4 enthalten.
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Tabelle 4 Sand- und Raumtemperatur : 240C Rel. Luftfeuchtigkeit : 58%
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<tb>
<tb> Wasserglastype <SEP> Wasserglas <SEP> 1 <SEP> Wasserglas <SEP> 2
<tb> ohne <SEP> Saccharose <SEP> mit <SEP> Saccharose
<tb> Biegefestigkeit <SEP> in <SEP> N/cm2
<tb> nach <SEP> 20 <SEP> min <SEP> 25 <SEP> 15
<tb> 40 <SEP> min <SEP> 60 <SEP> 45
<tb> 60 <SEP> min <SEP> 75 <SEP> 70
<tb> 120 <SEP> min <SEP> 110 <SEP> 90
<tb> 24 <SEP> h <SEP> 480 <SEP> 420
<tb> Formhärte <SEP> 80
<tb> (min <SEP> : <SEP> s) <SEP> 4 <SEP> : <SEP> 30 <SEP> 5 <SEP> : <SEP> 30
<tb>
Beispiel 5 : Es wurde versucht, eine Prüfmethode auszuarbeiten, welche die Durchhärtung im Inneren grosser Formen oder Kerne veranschaulicht.
Zu diesem Zweck wurde aus Mischungen wie in Beispiel 1 Normprüfkörper zur Messung der Druckfestigkeit (Zylinder mit je 5 cm Durchmesser und Höhe) mittels der GF-Einrichtung hergestellt und mit drei Raumschlägen verdichtet. Entgegen der üblichen Methode wurden diese Prüfkörper nicht sofort ausgeschaltet, sondern in der zylindrischen Metallhülse, die ausserdem an beiden Enden mit Korkstopfen verschlossen wurde, bis zum Zeitpunkt der Prüfung belassen. Die erhaltenen Druckfestigkeiten sind aus Tabelle 5 ersichtlich und sind ein Mass für die Härtungseigenschaften unter Luftabschluss. Daraus ist wieder die Überlegenheit des erfindungsgemässen Bindemittel-Systems erkennbar.
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