Verfahren zur Herstellung eines frei fliessenden, körnigen Stoffes, sowie dessen Verwendung zur Herstellung von Giessformen oder Kernen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung eines frei fliessenden, körnigen Stoffes, dessen Körner mit einem Bindemittel, das chemisch gebunde nes Wasser enthält, überzogen sind.
Die Erfindung be- zeiht sich weiterhin auf nach diesem Verfahren erzeug ten körnigen Stoff sowie auf eine Verwendung des kör nigen Stoffes zur Herstellung von Giessformen oder Kernen in der Metallgiesserei.
Giessformen für Metalle werden bisher in. der Weise hergestellt, dass körnige Stoffe, beispielsweise Sand enthaltende Formmischun gen, um ein Modell gepackt und zu einem Formkörper verfestigt werden,
der nach Entnahme des Modells zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls dient und auf die Gussstücke die Form und Oberflächengestalt des Modells überträgt.
Die bekannten Formmischungen lassen jedoch noch viel zu wünschen übrig.
Unter den Eigenschaften, die hier in einer Formmi schung vereint werden sollen, sind die Fähigkeit, die Umrisse und Oberflächengestalt des Modells anzuneh men, und deren exakte Wiedergabe im Gussstück, zu nennen. Ferner sollte das Formmaterial, für die sich im Hohlraum der Form bildenden Gase durchlässig sein.
Insbesondere bei der Massenfertigung von Guss stücken mit Hilfe von einem oder von wenigen teuren Modellen erscheint es wünschenswert, dass in sich be ständige Formen möglichst schnell hergestellt und von den Modellen abgehoben werden können. Ferner ist es wichtig, falls das herzustellende Gussstück Unterschei dungen aufweist und flexible Modelle Verwendung fin den, das Formmaterial ohne Erhitzung auf dem Modell härten zu können.
Gemäss vorliegender Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Einzelkörner eines trockenen hitzebeständigen kör nigen Ausgangsmaterials mit einem verflüssigten Bin demittel überzieht, welches durch Reaktion mit einem Gas unter Verkittung der Körner haftbar ist, worauf das so behandelte Ausgangsmaterial getrocknet wird unter Bildung eines trockenen, nicht klebenden überzu- ges auf den Einzelkörnern, welcher gebundenes Wasser enthält, und wobei der erzeugte körnige Stoff weniger als 0,3 Gew.-1/o nichtgebundene Feuchtigkeit aufweist.
Die erfindungsgemässe Verwendung besteht darin, dass man den Stoff in die gewünschte Form bringt und ihn in dieser Form mit einem das Bindemittel härten den Gas in Berührung bringt, wobei das chemisch ge bundene Wasser mindestens teilweise freigesetzt wird und der Stoff zu einer festen Masse erstarrt.
Die Körner des erfindungsgemäss erhaltenen frei fliessenden, körnigen, weniger als 0,3 Gew.-%, nichtge- bundenes Wasser enthaltenden Stoffes sind mit einem chemisch gebundenes Wasser enthaltenden Bindemittel überzogen. Der Stoff ist durch Gase unter Bildung einer harten Masse härtbar. Der Begriff Gas um- schliesst in bekannter Weise auch Dämpfe und Gemi sche von Gasen und Dämpfen, beispielsweise Wasser dampf und C02.
Die erfindungsgemäss hergestellte Giessform weist in der Regel eine bestimmte Dichte, Durchlässigkeit und Festigkeit auf, wobei Einzelkörner nur an unregel- mässig verteilten Berührungsstellen miteinander ver bunden sind und Zwischenräume für den Gasdurchtritt freilassen. In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 ist ein schematisches Fliessbild des Arbeits ablaufes beim erfindungsgemässen Verfahren.
Fig. 2 gibt eine perspektivische Ansicht in ausein- andergezogener Anordnung eines im erfindungsgemäs- sen Verfahren zu verwendenden Formkastens, in wel chem auch die Härtung des Bindemittels vorgenommen wird, wieder.
Fig.3 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Formkasten und ein Modell mit aufgesetzten Kokillen, teilweise mit der körnigen Formmischung gefüllt.
In Fig.4 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ausführlicher dargestellt und veran schaulicht insbesondere besser das Entgasen als die schematische Fig. 1. In Fig.1 sind mehrere bei der Durchführung des Verfahrens vorzunehmende Massnahmen angegeben. Erst wird eine geeignete Formmischung durch Mischen eines körnigen, hitzebeständigen Materials mit einem einen trockenen überzug auf den Körnern bildenden Bindemittel hergestellt. Das körnige Material, z. B. Sand, wird dem Vorrat 10 entnommen. Das verflüs sigte Bindemittel fliesst aus dem Vorratsbehälter 11 zu.
Das Mischen kann wirkungsvoll in einem Kollergang 12 oder auch in einer andern geeigneten Vorrichtung, die das Bindemittel innig mit dem körnigen Material vermischt und dessen Einzelkörner mit dem verflüssig ten Bindemittel überzieht und beim Trocknen sich bil dende Agglomerate zerkleinert, vorgenommen werden.
Ein Strom trockener Luft oder trockenen Stickstoffs kann durch das Rohr 14 in das durch Schaber 13 be- wegte Gut eingeblasen werden; falls jedoch ein Koller gang zum Einsatz gelangt, der dauernd Luft in das Gut einwirbelt, wie es beispielsweise im sogenannten Speed Muller der Firma Beardsley an Piper, ge schieht, ist die Trocknung normalerweise genügend ohne besondere Luftzuführung.
Nach dem Mischen und Trocknen kann die Mischung vor Gebrauch gelagert werden, sollte jedoch, falls das Bindemittel hygroskopisch ist, vor Feuchtig keit geschützt werden. Vielfach erweist sich erneutes Mischen und/oder Trocknen kurz vor Gebrauch als vorteilhaft und mit gewissen Stoffen sind bessere Er gebnisse zu erzielen, wenn die Mischung vor Gebrauch gealtert wird. Diese Massnahmen sind fakultativ.
Geeignete Formmischungen sind in jedem Falle beim Gebrauch frei fliessend und schüttbar und weisen keine Grünfestigkeit auf, d. h. sie setzen sich aus ein zelnen Körnern zusammen, die gegeneinander frei be weglich sind und deren Oberfläche so trocken ist, dass sie sich unter dem Einfluss der Schwerkraft den Um rissen des Modells anschmiegen. Vibrieren oder Be klopfen des Formkastens hilft, etwaige Brückenbildung zwischen den Körnern zu vermeiden und führt auch zu erhöhter Dichte.
Die Formmischung ist bei der Ver- wendung trocken, d. h. weist weniger als 0,3 %, vor- zugsweise weniger als ca. 0,1% freie Feuchtigkeit (Nicht eingeschlossen gebundenes Wasser, wie Hydrat wasser),
sowie keine klebrige Oberfläche auf.
Das überführen der Formmischung in eine Giess- form geschieht (wie in Fig. 1 unter Formen angege ben) dadurch, dass ein gebräuchliches Modell 15 in einem Formkasten 16 eingesetzt und dann die Formmi schung über das Modell geschüttet wird, bis Kasten 16 gefüllt ist, wie bei 17 angedeutet. Wie bereits erwähnt, kann der Formkasten 16 samt Inhalt vibriert werden, um die Mischung zu verdichten.
Mit Vorteil weist die Formmischung solche Schütteigenschaften auf, dass die Umrisse und Formen des Modells 15 unter Füllung sämtlicher Ritzen und Spalten wirklichkeitsgetreu widergegeben werden, und dass sie auch zwischen die in engem Abstand angeordneten Kokillen 18, falls sol che gebraucht werden, rieselt, wobei im Formkasten 16 genügende Verdichtung ohne Blasen, Stampfen oder Pressen erreicht wird.
Nachdem die Mischung 17 in den Formkasten 16 eingebracht worden ist, wird der Bindemittelüberzug der Körner einem Gas ausgesetzt, welches dieses Bin demittel härtet, so dass eine in sich beständige Giess- form entsteht, welche sich unbeschädigt vom Modell abheben lässt. Zu diesem Zweck wird der Formkasten 16 auf den Boden 20 einer Druckkammer gesetzt, welche hier aus Glocke 21 und Grundplatte 20 bestehend abgebildet ist.
Der Innenraum der Glocke 21 wird dann evaku iert, z. B. mittels einer gebräuchlichen Vakuumpumpe (nicht abgebildet), welche an die in Bodenplatte 20 mündende Vakuumleitung 22 angeschlossen ist. Nach Erreichen eines bestimmten Unterdrucks in Glocke 21, und damit in Kasten 16, wird der Hahn 23 der Vaku umleitung geschlossen und durch Öffnen des Hahns 26 in Gasleitung 25 das härtende Gas eingeblasen. Zu folge des vorherrschenden Unterdrucks durchdringt das Gas die körnige Masse im Kasten allseitig. Unregel- mässige Strömung und Verdünnung werden auf diese Art vermieden, wodurch eine gleichmässige Härtung des Bindemittels gewährleistet wird.
Das verwendete Gas reagiert mit dem Bindemittel unter Bildung eines festen Verbandes.
Demgemäss besteht die Härtung in der Herstellung eines festen Verbandes der Einzelkörner des körnigen Stoffes unter Verkittung dieser Körner; für diesen Vor gang wird im folgenden zuweilen der Ausdruck Akti vieren verwendet, da der Härtung eine Kornverkle- bung vorangeht.
Gemäss Fig. 2 weist ein Deckel 20 für den Kasten 16 im Zentrum ein Loch 31 auf, um den in die Form masse 17 eintretenden oder aus derselben austretenden Gasstrom auf eine Fläche zu konzentrieren, die sich in gewissem Abstand von den Kanten und Ecken sowie dem Modell 15 befindet. Falls die Trocknung einwand frei erfolgte und weitere Faktoren wie oben beschrie ben optimal liegen, ist dieses Hilfsmittel nicht nötig; da jedoch dadurch die Fläche, wo sich nasse Stellen bil den können, wenn die Bedingungen nicht optimal sind, eingeschränkt wird, vermindert sich das Risiko, man gelhafte Produkte zu erhalten, auf einfache Art.
Eine biegsame Platte 32 aus Gummi oder Kunststoff, die über der Formmischung im Kasten 16 angeordnet ist und auf eine Vielzahl von kleinen Gaseintrittsöffnun- gen 33 aufweist, kann zur Verteilung des reaktionsfähi gen Gases in der Masse 17 in gewünschten Richtungen dienen. Da diese Platte flexibel ist, wirkt sie als Dia phragma und wird bei Gaseinlass nach unten gedrückt, wobei sämtliche Öffnungen freigelegt werden und das einströmende Gas durchtreten lassen, trotzdem ein. Deckel 30, der in manchen Fällen nützlich jedoch nicht nötig ist, Verwendung findet.
Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Diaphragmas ist der, dass es beim Öffnen des Vakuumhahnes 23 nach oben gezogen wird und beim nachherigen Aufsetzen von Druck auf den Sand zu rückklatscht und diesen wieder verfestigt, falls beim Evakuieren Lockerungen auftraten. Diese Platte kann auch als Dichtung für den Deckel 30 dienen, um zu verhindern, dass Gas in der Nähe der Ecken eintritt und die Mischung dort befeuchtet. Besteht die Mög lichkeit, dass Gas oder Dämpfe eingeschlossen werden, so wird mit Vorteil eine Abzugsöffnung 36 im Modell und eine Abzugsöffnung 38 in der Grundplatte der Kammer angeordnet, durch welche das Gas dann aus gespült werden kann.
Das Gas kann an beliebiger Stelle gesammelt und ausgespült werden, wenn die öff- nungen im Diaphragma 32 entsprechend angeordnet werden. Die Abzugsöffnung 36 ist hier beispielsweise direkt unterhalb einer keine Öffnungen aufweisenden Teilfläche des Diaphragmas angeordnet, wodurch die gewählte Stelle als letzte von einströmenden Gasen er reicht wird.
Die Abzugsöffnung 36 kann, gegen die Kammer mit tels einer Ringdichtung 37 aus einem weichen Elasto mer (z. B. Korogel ) abgedichtet werden. Bei kompli zierten Modellen können mehrere Abzugsöffnungen angebracht werden. Meist ist es jedoch von Vorteil die Anordnung so zu planen, dass das reagierende Gas an einer einzigen Stelle gesammelt und von dort abgezo gen wird.
Ein anderes nützliches Hilfsmittel ist ein. durchlässi ges Schaumgummi- oder Schaumgummikunststoffdia- phragma. Es kann beliebige Dicke aufweisen, doch scheint ein solches von ca. 6 mm Stärke die beste Wir kung abzugeben. Es wird angenommen, dass dieses Material sich unter dem Druck des einströmenden Gases besser an die Sandoberfläche anschmiegt als ein glattes Gummidiaphragma, so dass die Auswirkungen einer eventuell gebildeten Zwischenschicht auf ein Minimum reduziert werden und die Möglichkeit zur Regelung der Strömungsrichtung des Gases verbessert wird.
Diese Art von Diaphragma kann ohne Öffnungen oder zusammen mit einer darüberliegenden gelochten Platte oder auch teilweise abgedichtet verwendet wer den, wobei im letzten Fall nur ausgewählte Flächen von Gas durchströmt werden. Ein besonderer Vorteil dieser Art von Diaphragma (das keine eigentlichen öff- nungen aufweist) liegt darin, dass der Druck in der Kammer beliebig rasch gesenkt werden kann, ohne dass die Gefahr des Ausblasens von Sand zufolge von Gaseinschlüssen zu befürchten ist. Es gestattet auch die Zufuhr oder Entnahme von Gas über die gesamte obenliegende Fläche innert kürzester Zeit.
Nachdem das Begasen abgeschlossen und die ge wünschte Bindung erreicht ist, wird der Gasstrom durch Schliessen des Hahns 26 unterbrochen; in Glocke 21 wird über 25a der Druck ausgeglichen und dann kann der Kasten 16 herausgenommen und geöff net werden. Die abgebundene Giessform 35 wird abge hoben und ist gleich zum Guss verwendbar.
Der körnige Stoff zeichnet sich dadurch aus, dass er praktisch trocken ist, d. h. vorzugsweise weniger als 0,1 Gew.-%, jedenfalls aber nicht mehr als 0,3 Gew.-1/0, freies Wasser enthält bei Verwendung von gewöhn lichem Quarzsand mit einer Siebgrösse der Körner von 0,3 mm. Bei gröberem Sand müsste der Gehalt an freiem Wasser niedriger sein, um dieselbe Rieselfähig- keit zu erreichen.
Bei Verwendung von feinerem Sand ist die ohne Einbusse der Schüttfähigkeit adsorbierbare Flüssigkeitsmenge etwas grösser, da zufolge der grösse- ren spezifischen Oberfläche der feineren Körner die Feuchtigkeit sich besser verteilt.
Befriedigende Ergebnisse werden erzielt, wenn als körniges, hitzebeständiges Ausgangsmaterial ein Sand verwendet wird, der hauptsächlich Quarzsand enthält. Schon seiner Billigkeit wegen wird man einen solchen wählen, obschon Zirkon- und Olivensand ebenfalls brauchbar sind, deren Vorteile im Giessereibetrieb schon bekannt sind. Allgemein lassen sich gewaschene und getrocknete Sande mit ziemlich einheitlicher Korn- grösse zwischen ca 0,053 und 0,30 mm mit befriedi genden Ergebnissen verwenden.
Die betreffende Giess- form kann aus nur einer Sandart oder aber aus ver schiedenen Sanden in getrennten Teilen gefertigt wer- den.sein.
Die mit einem trockenen überzug versehenen, frei gegeneinander beweglichen Körner dieser Formmi- schung ordnen sich zu gleichmässiger Dichte an und bilden feinkörnige, englückige Oberflächen, welche die Einzelheiten des Modells genau wiedergegeben. Bei der Verwendung wurden einwandfreie Ergebnisse dadurch erzielt, dass der Formkasten entweder während oder nach dem Einfüllen der Formmischung vibriert oder beklopft wurde, wobei einheitliche Dichten von ca. 1,36 bis 1,68 g/cml festzustellen waren.
Vibrieren, Be klopfen oder Rütteln des Formkastens, insbesondere quer zur Wirkungsrichtung der Schwerkraft, führt zu fehlerfreien Giessformen, Vibrieren, Beklopfen oder Rütteln in vertikaler Richtung ist zur Verhinderung der Brückenbildung und der damit verbundenen Bildung von Hohlräumen weniger wirkungsvoll, verfestigt jedoch die Formmischung unter entsprechender Dich tezunahme. Zur Erzielung dichtester Packung ist Vibrieren oder Beklopfen in beiden Richtungen, z. B. entlang einer kreis- oder ellipsenförmigen Bahn, nötig.
Die mittlere Dichte dieses mit einem überzug verse- henen Sandes bewegt sich im allgemeinen zwischen 1,36 und 1,44 g/cm3. Durch Vibrieren oder Rütteln lässt sich diese auf maximal 1,68 bis 1,84 glcm3 erhö hen. Im Vergleich dazu erreicht die sogenannte Rüt teldichte von feuchtem Sand, der in üblicher Weise auf ein Modell aufgesiebt wird, nur ca. 0,77 g/cm3, die sich nach dem Stampfen und Pressen auf ca. 1,12 bis 1,28 g/eml erhöht, wobei jedoch Ungleichmässigkeiten auftreten können.
Mit trockenem, freifliessenden körnigem Material ist es möglich, eine unterschiedliche Teilchenanord nung auf der Modelloberfläche, bzw. in der Giessform selbst, selektiv zu erreichen. Es wurde bereits erwähnt, dass ein wesentlicher Vorteil einer trockenen, freiflies senden Formmischung darin besteht, dass sich die Teil chen durch Vibrieren oder Beklopfen des Formkastens gleichmässig gepackt und in maximaler Dichte entlang der Modelloberfläche anordnen lassen.
Dies ist uner- lässlich, falls eine möglichst glatte Oberfläche erzeugt werden soll, selbst wenn feiner Sand mit einer Teil- chengrösse von ca. 0,15 mm verwendet wird. Wird nicht vibriert, so kann die zufällige Anordnung der Körner nicht genügend dicht sein, um untereinander eine Bindung einzugehen, so dass einzelne davon der Giessformoberfläche verlorengehen und beim Abheben des Modells auf demselben haften. Oft sind solche zu fällige Lücken gross genug, um eine rauhe Oberfläche zu verursachen.
Falls jedoch der Sand in beschriebener Weise behandelt wird und er zudem fein ist, wird die Durchlässigkeit bis zu einem solchen Grad herabge setzt, wo Schwierigkeiten auftreten könnten, falls die Beschaffenheit der Giessform überall dieselbe ist. Es wurde nun gefunden, dass sich bei Verwendung einer trockenen, schüttbaren Formmischung diese Gefahr durch Beimischen eines faserigen Stoffes z. B. Asbest, bannen lässt, indem sich nämlich die Fasern längs der formgebenden Oberfläche zwischen den Sandkörnern gerichtet anordnen. Dies verhindert zu dichte Packung der freien Körner innerhalb der Formmasse, beein- flusst jedoch nicht die dichte Anordnung der kugeligen Körner zunächst der glatten Oberfläche des Modells.
Es ist klar, dass derselbe Effekt durch Stampfen kleb riger Massen nicht erreicht werden kann, da die zur Erzielung grosser Dichte (Glätte) an der Oberfläche aufzuwendenden Kräfte zwangsläufig auch eine Ver dichtung unterhalb der Oberfläche bedingen (da die verdichtenden Kräfte durch die Masse hindurch über- tragen werden), woraus verminderte Durchlässigkeit resultiert.
Es wurden beispielsweise 4 Gew.-% Asbestfasern, Typ<B> 7M </B> (Philip Carey) zu C-30 Wedron -Sand zugefügt. Nach Vibrieren, das normalerweise zu Dich ten von ca. 1,60 bis 1,68 g/cm3 und zu einer Durchläs sigkeit gemäss AFA von 20 bis 25 geführt hätte, wur den lediglich Dichten von 1,28 bis 1,44 g/cm3, jedoch eine Durchlässigkeit gemäss AFA von 40 bis 45 festge stellt, wobei die Glätte der Oberfläche in beiden Fällen gleichwertig war.
Aluminium, welches in Sand mit und ohne Faserbeimischung vergossen wurde, wies Oberflä chen mit einer Rauheit von 3,175 . 10-3 bis 3,810. 10-3 mm auf (Profilmeterablesung), wobei keine messbar glätter als die andere war.
Die Fähigkeit der Einzelkörner, sich frei zu bewe gen, erlaubt eine selektive Anordnung an der glatten Modelloberfläche und im Innern der Giessform, wo Fasern und andere geeignete Materialien zugemischt sind. Die sich widersprechenden Anforderungen an die Oberfläche der Giessform und an deren Inneres (in dem die erste Kontinuität der Materie, die zweite Dis kontinuität der Materie, d. h. uDurchlässigkeit, verlangt) waren seit jeher ein Problem der Giesserei.
So stellt denn die Möglichkeit, diese Anforderungen leicht und schnell durch Verwendung einer einzigen Mischung in einem einzigen Verdichtungsarbeitsgang zu erfüllen, eine wichtige und grundlegende Verbesserung bei der Herstellung von Giessformen und hervorragender Qua lität dar.
Ein weiterer Vorteil einer schüttbaren Mischung ist ihre Fähigkeit, Schlitze zu füllen. In vielen Giessfor- men, insbesondere solchen zum Aluminium- und Magnesiumguss, ist es äusserst wichtig, dass zahlreiche, eng angeordnete Schreckplatten 18 (Fig.3) auf das Modell aufgesetzt werden, die in der Giessform ver bleiben und der Wärmeabfuhr beim Erstarren des Gussstückes dienen.
Es ist äusserst langwierig, feuchtes und klebriges Formmaterial zwischen diese Schreck platten einzustampfen. überdies ist die anzubringende Anzahl beschränkt mit Rücksicht auf die Festigkeit der Giessform. Zufolge dieser Probleme werden solche Schreckplatten meist nur zusammen mit Formschlamm verwendet. Die Vorteile des vorliegenden Verfahrens machen es erstmals möglich, komplizierte Schreckplat- tenanordnungen in körnigen, hitzebeständigen Formmi schungen anzubringen.
Die hier verwendeten Formmischungen eignen sich vorzüglich zum Gebrauch zusammen mit biegsamen Modellen, da äusserst geringe oder überhaupt keine äusseren Kräfte anzuwenden sind, um die Mischung dem Modell anzuschmiegen und daher das Modell beim Formen nicht verbogen wird, im Gegensatz zu eewöhnlichem, grünem Sand, der zur Verfestigung ge stampft wird.
Die Schüttbarkeit dieser Formmischungen vermin dert auch den Modellverschleiss, wie er normalerweise beim Aufschleudern, Aufblasen oder Stampfen der Mischung auftritt.
Als Bindemittel sind solche geeignet, die sich in verflüssigter Form auf die Körner des Ausgangsmate rials aufbringen lassen und zu einem trockenen Über zug auf den einzelnen Körner erstarren (z. B. durch fortwährendes Rühren in einer trockenen Atmosphäre oder durch Trocknen in Schwebe in einem Gasstrom) und die sich nach dem Trocknen durch ein Gas akti vieren lassen und dann eine feste Verkittung ergeben. Verschiedene Alkalisilikate können durch die Ein wirkung von Kohlendioxydgas vorerst zum Kleben und dann zum Abbinden gebracht werden. Der Austritt von gebundenem Hydratwasser aus dem mit dem Gas in Berührung stehenden Überzug macht diesen klebfä hig.
Wahrscheinlich wandert dann ein Teil des so ent bundenen Wassers in benachbartes Silikat, das dem Gas nicht ausgesetzt ist und verbindet so die Körner.
Das Silikat, wie es als Überzug auf den einzelnen Körnern der Formmischung vorliegt, ist trocken genug, um die Mischung schüttbar und freifliessend zu erhal ten. Solche Silikate können durch die allgemeine For mel xM20. ySi02. zH20 dargestellt werden, worin M ein Alkalimetall, vorzugsweise Natrium, bedeutet und das Verhältnis x/y mit Vorteil demjenigen der Meta-, Ortho- und Sesquisilikate entspricht (d. h.
Natriumme- tasilikat, Na20 . SiO2 . z120, wobei z 5, 6, 8 oder 9 sein kann, Natriumsesquisilikat, 3Na20. 2Sia@. 11H20 oder Na3HSi04. 5H20, Natriumorthosilikat, 2Na20. Si02. H20;etc.) und Mischungen derselben.
Die Natriumsilikate mit einem Na,0. Si02 Ver hältnis (das Verhältnis x/y in obenstehender Formel) zwischen 2/1 und 1/1,2 eignen sich besonders für vor liegenden Zweck, da sie wirkungsvolle, aktivierbare, billige Bindemittel sind, die sich leicht auf Sand auf bringen lassen und nach dem Abbinden erhitzt werden können, um nötigenfalls Wasser und Gase auszutrei ben. Trotzdem sie gute Bindemittel sind, werden sie durch die Hitze des vergossenen Metalls derart er weicht, dass die Formmischung nach dem Guss leicht vom Gussstück entfernt werden kann.
Es können auch andere Silikate als Bindemittel verwendet werden, sofern ein weiterer Zusatz eines sie aktivierenden Stof fes gemacht wird, beispielsweise durch Einbringung einer hydratisierten Verbindung in den überzog, welche beim Begasen Wasser freigibt. Zu diesem Zwecke las sen sich Bariumhydroxydoctahydrat,
Borax oder hydratisierte kristalline Silikate verwenden. Allgemein sollte der überzog gebundenes Wasser in der Grössen- ordnung von 10 bis 75 Gew.-% des zu aktivierenden Bindemittels enthalten.
Die Aktivierung des Bindemittels durch das Gas kann auch in Form einer Katalyse erfolgen.
Auch andere Stoffe als Silikate wurden fähig be funden, durch Reaktion mit trockenen Gasen auf einen trockenen überzog aktivierend zu wirken und so eine wirkungsvolle Bindung für überzogenen Sand zu schaf fen. Selbst Stoffe, die gemeinhin kaum als Bindemittel in Betracht fallen, jedoch durch Begasung freizuma chendes, chemisch gebundenes Wasser enthalten, kön nen solche Überzüge tragende Körper an den Berüh rungsstellen verkitten, z. B. Natriumaluminat oder B ariumhydroxydmonohydrat.
Von den verschiedenen Möglichkeiten ist das Über ziehen des körnigen Ausgangsmaterials mit Natriumsi- likat der oben angegebenen Zusammensetzung unter anschliessendem Begasen mit reinem C02 überra schenderweise mit derartigen Vorteilen verbunden, dass es für die meisten Giessformen zu empfehlen ist.
Trotzdem mit den vorerwähnten Stoffen befriedi gende Resultate zu erzielen sind, können diese je nach den verwendeten Stoffen und den vorherrschenden Be dingungen etwas schwanken.
Es zeigte sich beispielsweise, dass die dem Metasili- katsverhältnis entsprechenden Silikate am wenigsten hygroskopisch sind und dass damit überzogener Sand bei normaler trockener Lagerung während längerer Zeit nach der Herstellung trocken und schüttbar bleibt. Andererseits neigen die daraus hergestellten Giessfor- men nach Begasen zu grösstmöglichster Festigkeit zum Zerfall, wenn sie nicht am selben Tag gebraucht wer den. Werden diese jedoch nur bis zu niedrigerer Festig keit (z. B. 0,28 bis 0,56 kg/cm2) begast, härten sie beim Stehen und Trocknen zu voller Festigkeit (z. B.
2,1 kg/cm2) aus. Es ist auch festzustellen, dass die ge formte Sandmasse beim Abbinden zum Schwinden neigt, falls Metasilikate verwendet werden. Wenn das Begasen mit C02 unterhalb ca. 20 durchgeführt wird, wird die Neigung zu Schwund auf ein Minimum redu ziert.
Silikate mit Orthosilikatsverhältnis zeigen kaum unerwünschte Volumenänderungen in der Giessform beim Abbinden und ergeben gute Festigkeitswerte, sind jedoch hygroskopischer und erfordern besondere Vor- sichtmassnahmen, um die überzogenen Körner vor atmosphärischer Feuchte zu bewahren und sie so schüttfähig zu erhalten.
Silikate mit Sesquisilikatverhältnis sind wesentlich weniger hygroskopisch als jene mit Orthosilikatverhält- nis und zeitigen beim Abbinden praktisch keine Volu menveränderung. Mit Sesquisilikatbindemittel herge stellte Giessformen bewahren ihre Festigkeit (z. B. 2,45 bis 5,95 kg/cm2) auch beim Lagern.
Die relative Güte (auf absteigender Qualitätsskala A, B, C, D mit A als bester und D als schlechtester Qualität) von Sanden, die mit einer der drei Arten von Silikaten überzogen sind, wird in nachfolgender Tabelle aufgeführt.
EMI0005.0017
Eigensch<U>a</U>ft <SEP> Meta <SEP> Sesqui <SEP> Ortho
<tb> Löslichkeit <SEP> A <SEP> A <SEP> D
<tb> Erhaltung <SEP> des <SEP> trockenen <SEP> A <SEP> A- <SEP> D
<tb> Zustandes
<tb> (nicht <SEP> hygroskopisch)
<tb> Anfängliche <SEP> Festigkeit <SEP> D <SEP> A <SEP> A
<tb> durch <SEP> Lufthärtung
<tb> Endgültige <SEP> Festigkeit <SEP> C <SEP> A <SEP> A
<tb> Wiedergabegenauigkeit <SEP> C <SEP> A <SEP> A
<tb> Alkalinität <SEP> A <SEP> B <SEP> C Bei der Verwendung von Metasilikat als Bndemit- tel auftretender Schwund kann dadurch beeinflusst werden, dass man dem Metasilikat kleinere Mengen Orthosilikat beimischt, z.
B. 111/0 Ortho- auf 1,5 bis 3 % Metasilikat, oder dass der Sand auf ca. -15' abge- kühlt wird, jedoch ohne dass das Wasser der Silikatlö- sung gefriert.
Durch Abkühlen, beispielsweise mit küh lem Gas, wird auch der Wasserverlust verringert, was bei der Bemessung der anfänglich zugefügten Wasser menge und dem zu wählenden Trocknungsgrad berück sichtigt werden sollte. Ein nochmaliges Mischen oder Belüftung (z. B. während 2 bis 10 Minuten) nach dem Lagern und kurz vor Gebrauch des Sandes ergeben ver besserte Festigkeitseigenschaften, indem während dem Lagern aufgenommenes Wasser ausgetrieben wird. Eine Mischung mit überraschend guten Eigenschaf ten ist eine solche, die Natriumsesquisilikat und Natriumorthosilikat im Verhältnis von ca. 3:1 enthält.
Diese Mischung ist weniger auf den Trocknungsgrad nach dem überziehen des Sandes empfindlich, als das Sesquisilikat. Sie kann auch bei etwas niedrigerem Druck begast werden (0 bis 1,4 atü im Vergleich zu 1,4 bis 2,8 atü) und daraus hergestellte Giessformen: erleiden geringere Festigkeitsverluste beim Trocknen nach dem Abbinden (z. B. 25 bis 50 0/0 im Vergleich zu 40 bis 70 0/0.
Die ein Gemisch von Alkalimetallsilikaten enthal tende Formmischung kann auch dadurch hergestellt werden, dass man trockenen Sand oder ähnliche Stoffe mit trockenem pulverförmigem oder körnigem Silikat in einem Kollergang 12 innig mischt. Während dem Mischen entstehende Wärme und der ausgeübte Druck erweichen das Silikat unter Verflüssigung, so dass es auf den einzelnen Körnern einen überzug bildet, der während dem Mischen trocknet. Allgemein ist es aber vorteilhafter, dem körnigen Material im Kollergang oder in einer andern Mischvorrichtung eine fertige Sili- katlösung möglichst hoher Konzentration beizufügen.
Eine solche Lösung sollte so konzentriert wie mög lich sein, um unnötiges Trocknen zu umgehen, jedoch sollte die Wassermenge mindestens dem gewünschten Hydrat entsprechen, im allgemeinen der höchsten Hydratstufe der betreffenden Verbindung. Beispiels weise nimmt bei Metasilikat die Klebefähigkeit mit zu nehmendem Wassergehalt bis zum Nonahydrat zu, kann jedoch dann geringer werden, sobald der Mischung mehr Wasser zugefügt wird.
Falls Natriumorthosilikat verwendet werden soll, kann es als feines Pulver in Wasser dispergiert werden, da es schwerlöslich ist. Auch kann das Silikatpulver mit dem Sand gemischt werden, worauf man dann Metasilikatlösung zufügt, bis ein glatter überzug auf den Körnern entsteht.
Trotzdem hier von Metasüikaten , Ortho-> und Sesquisilikaten etc. sowie von Mischungen derselben die Rede ist, werden diese durch Wasser zersetzt, so dass sie meist als Systeme oder Komplexe be trachtet werden, die sich am genauesten durch das Verhältnis von Alkalimetalloxyd zu Siliziumdioxyd und Wasser charakterisieren lassen. Der Zusatz von Alkali zu einer Lösung von Silikaten kann zu verschiedenen Silikatkomplexen führen.
Die spezifischen Angaben für besondere Silikate sollten deshalb stets als sich auf das Verhältnis von Metalloxyd zu Siliziumdioxyd in den dem Mischer zugeführten Stoffen beziehend verstanden werden. Beispielsweise kann die vorerwähnte Mischung von Sesqui- und Orthosilikat im Verhältnis 3:1 dadurch hergestellt werden, dass einer Silikatlösung mit relativ niedrigem Metall zum Silikat Verhältnis (es wurde den Lösungen mit einem derart niedrigem Ver hältnis wie 1:
3,75 verwendet) eine bestimmte Menge an Alkalihydroxyd zugefügt wird.
Der behandelte Sand wird mit Vorteil möglichst schnell getrocknet, da zu langes Mischen eine Beein trächtigung des Produktes verursachen könnte. Der Grund hierzu ist nicht bekannt, doch könnte die mechanische Beanspruchung eine Kristallform bedin gen, welche weniger Wasser bindet.
Zur Beschleunigung der Verdampfung des freien Wassers aus dem Sand während dem Mischvorgang kann die Temperatur z. B. auf 50 bis 95 erhöht wer den. Wird zu langsam getrocknet, z. B. mit kühler oder feuchter Luft, nimmt die erreichbare Bindefestigkeit bereits ab bevor der überzug trocken ist. Es genügt meist, das Mischen bei normaler Umgebungstempera tur durchzuführen, um den überzogenen Sand zu trocknen. Bei Silikatüberzügen sollte das Trocknen in der Weise durchgeführt werden, dass kein gebundenes Wasser verdampft. Die Temperatur ist deshalb mög lichst unterhalb 80 zu halten.
Trotzdem die verwendeten Stoffe durch Einwir kung von Kohlendioxydgas erhärten, ist es nicht not wendig, unter Aussschluss von Luft zu arbeiten, die ja normalerweise auch C02 enthält (0,03 Volum-Pro- zent). Das zur Aktivierung benützte Gas sollte eine wesentlich höhere C02 Konzentration aufweisen, min destens 10 mm Partialdruck, oder aber es sind dann viel längere Reaktionszeiten erforderlich.
Da bei Ver wendung eines COz haltigen Gasgemisches zur Durch führung der Reaktion stets ein Restgas übrigbleibt, sind besondere Massnahmen zu treffen, um eine gleich- nnässige Einwirkung zu erzielen und zu verhindern, dass das Restgas eingeschlossen wird und den Zustrom von weiterem Kohlendioxyd unterbindet. Daher ist rei nes C02 am besten zur Durchführung des Verfahrens geeignet. (Die in cm oder mm angegebenen Gasdrucke beziehen sich auf absolute barometrische Drucke, d. h. auf die Quecksilbersäule, welche in einem Barometer durch den betreffenden Gasdruck getragen werden kann).
Das die auf Modell 15 verdichtete Formmischung 17 durchströmende Kohlendioxyd verursacht vorerst Haftfähigkeit des überzuges auf den einzelnen Körnern und bewirkt eine feste Bindung derselben zur zusam menhängenden Giessform. Obschon die Formmischung beim Aufschütten auf das Modell keine Feuchtigkeit zu enthalten scheint, macht das Kohlendioxyd den Silikat überzug haftfähig und beschleunigt bei weiterem Ein wirken das Abbinden.
Die Erfahrung zeigt, dass im allgemeinen gewisse Mengen gebundenen Wassers notwendig sind, um eine feste Verbindung zwischen den Körnern herbeizufüh ren. Wird beispielsweise die Beziehung zwischen den aus Proben überzogenen Sanden beim Trocknen bis zu Gewichtskonstanz abgegebenen Wassermengen und der Zugfestigkeit von Probeblöcken, die aus den entspre chenden Sanden mittels C02 geformt wurden, gra phisch aufgetragen, so durchläuft die Kurve ein Maxi inum mit beidseitiger Abnahme der Festigkeit, falls der Wassergehalt höher oder tiefer liegt.
Falls die Mischung insgesamt wesentlich mehr Wasser enthält (freies und gebundenes) als chemisch als Hydratwasser gebunden werden kann (z. B. mehr als 0,3 0lo freies Wasser bezogen auf das gesamte Fest stoffgewicht, d. h. Gewicht von Sand plus Bindemittel), so ist die Formmischung nicht trocken genug, um leicht schüttbar und freifliessend zu sein. Andererseits kann die Festigkeit der abgebundenen Giessform nach der Behandlung mit C02 recht tiefe Werte erreichen, z.
B. 0,35 kg/cm2 Querschnitt, falls der Gehalt an che- misch gebundenem Wasser unter ca. 25 % des Totalge- wichtes an z. B. Silikat absinkt. Um ein zu weit gehen des Trocknen beim Begasen zu vermeiden, kann das C02 durch Wasser hindurchgeleitet werden, bevor es in den Sand eintritt.
Das Trocknen des beschichteten Sandes sollte so durchgeführt werden, dass praktisch alles freie Wasser entfernt wird, wobei mit Vorteil eine freie Restfeuch- tigkeit von ca. 0,1% zusätzlich zum Hydratwasser be- lassen wird. Gewisse Schwankungen beim Trocknen sind tolerierbar, selbst über die Grenze hinaus, wo Hydratwasser zu verdampfen beginnt.
Auch in einem offenen Mischer kann fortwährendes übermässiges Mischen bei Raumtemperatur in Gegenwart von trok- kener Luft und/oder Stickstoff zum Verlust von Hydratwasser aus dem Silikatüberzug und damit zur Verminderung der Bindefähigkeit führen. Es zeigte sich, dass beim Mischen von trockenem Silikat mit Sand bei Temperaturen, die bereits zum Austritt von Hydratwasser führen und den überzug verflüssigen, die Mischung in vorerwähnter Kurve bereits unterhalb des Maximums der erreichbaren Festigkeit zu liegen kommt.
Als sicheres Anzeichen dafür, dass der ge wünschte Trocknungsgrad erreicht ist, dient in der Pra xis die Erscheinung, dass dann im Kollergang das Material in Form einer glatten Welle vor dem Schaber hergeschoben wird. Der Trocknungsvorgang ist zu un terbrechen, sobald diese Welle praktisch verschwindet.
Ein 45 kg Ansatz mit Quarzsand von 0,15 mm Siebgrösse wurde in einem Kollergang mit einer 3,6 kg Natriumsesquisilikat ( Metso 99 der Firma Philadel phia Quartz Company) in 0,68 kg Wasser enthaltenden Lösung gemischt, wobei ein Heissluftstrom (130 bis 150 ) durchgeleitet wurde. In gewissen Zeitabständen wurden Proben entnommen, in Hantelform gebracht und mit C02 begast, worauf deren Zugfestigkeit be stimmt wurde.
Grosse Festigkeit wurde mit trockenen und freifliessenden Mischungen erreicht, deren Gehalt an gebundenem Wasser (bezogen auf die Natriumsili- kat-Beschichtung) unterhalb ca. 60 % und oberhalb ca. 50 % lag. Die mit einer auf 61
% Wassergehalt ge- trockneten Mischung erreichte Festigkeit betrug ca. 2 kg/cm2. Mit abnehmendem Wassergehalt nahm dann die Festigkeit bis auf ca. 4 kg/cm2 bei 54 % zu. Dieser Wert entspricht praktisch nur gebundenem Wasser.
Mit forschreitender Trocknung nahm hierauf die erreich- bare Festigkeit schnell ab, bis sie bei ca. 50 % unter den Bedingungen dieses Versuches auf Werte abfiel, die für eine Giessform ungeeignet sind.
Die Art der Bindung, die mit Silikaten erhalten wird, hängt vom Ausmass der Reaktion mit C02 ab. Diese ist von Druck und Zeit abhängig. Ist die Reak tion nur wenig fortgeschritten, so wird Wasser aus den Verbindungen frei und es entsteht Nassbindung mit niedrigen Festigkeitswerten (0,07 bis 0,14 kg/cm2). Mit weiter fortschreitender Reaktion wird die Bindung pla stisch.
Sie ist stärker und gibt noch etwas nach (0,2 bis 0,7 kg/cm2). Ist die Reaktion noch weiter fortgeschrit ten, so wird die Bindung in zunehmendem Masse fester und auch brüchiger. Bei vollständigem Reaktionsablauf ist die Bindung starr. Demzufolge kann die Art der Bindung durch die Begasung geregelt werden.
Hohe Festigkeit ist oft erwünscht, schafft jedoch manchmal zufolge der Brüchigkeit Probleme beim Abheben der Giessform vom Modell, so dass geringere Festigkeit bei plastischer Bindung zu bevorzugen ist.
Die sich auf maximal erreichbare Festigkeit bezie,- henden Prozentzahlen können etwas schwanken, je<B>,</B> nach Zusammensetzung, anfänglichem Wassergehalt der Lösung und Trocknungsbedingungen.
Für Quarzsand, der mit ca. 8 Gewichts-Prozent Natriumsequisilikat überzogen war, wurde beispiels- weise gefunden, dass das Maximum der Feuchtigkeits- gehalt-Festigkeitskurve im Bereiche von 36 bis 55 0/0 gebundenem Wasser, bezogen auf das Silikatgewicht, Lag. Ein ähnlicher Versuch wurde mit Silikat gleicher Konzentration auf Quarzsand durchgeführt, wobei jedoch die Bedingungen beim Trocknen, Mischen und Begasen variieren.
Die Produkte waren bei einem Ge- halt von 45 % gebundenem Wasser im Überzug trocken und freifliessend und ergaben Festigkeitswerte von 2,2 kg/cm2, die auf 3,1 kg/cm2 anstiegen, wenn der Gehalt an gebundenem Wasser im Überzug noch 42 0/0 betrug, jedoch langsam abfielen,
falls der Wassergehalt auf weniger als 40 % reduziert wurde.
Bei einem weiteren gleichartigen Versuch wurden der gewünschte Trocknungsgrad und freies Fliessen der Mischung erreicht, wenn der Gehalt an chemisch ge bundenem Wasser 54 (,/o betrug (bezogen auf einem Natriumsesquisilikat-Überzug;
die mit dieser Mischung erreichbare Festigkeit belief sich auf ca. 2 kg/cm' und nahm bis auf ca. 4 kg/cm2 zu, wenn der Gehalt an ge- bundenem Wasser bis auf ca. 47 % im Überzug ernied- rigt wurde. Danach fiel die erreichbare Zugfestigkeit bei weiterem Trocknen schnell ab und lag bis ca. 0,14 kg/cm' bei einem Wassergehalt des Überzuges von. ca. 43 0/0.
Es wurde auch festgestellt, dass im allgemeinen die Korngrösse der abzubindenden Masse einen Einfluss auf die erreichbare Festigkeit hat. Mischungen, die zu wenig gebundenes Wasser aufweisen, um ein Abbinden eines kleinen Presslings möglich zu machen, binden z. B. in einem Papierbecher ab. Es wird angenommen, dass das in dem zuerst reagierenden Teil der Masse frei werdende Wasser der restlichen Masse höhere Festigkeit verleiht. Jedoch existiert eine untere Grenze, unterhalb welcher zuwenig Wasser vorhanden ist, um auch grössere Mengen abbinden zu können. Diese Grenze liegt aber wesentlich tiefer als oben angegeben.
Mit reinem C02 läuft die Reaktion sehr rasch ab, kann aber durch Verdünnen des C02 verlangsamt wer den. Es wurde gefunden, dass beim Begasen der Massen beträchtliche Temperaturanstiege auftreten, wohl zufolge exathermer Reaktionen.
Diese Erscheinung kann dazu dienen, die richtige Begasungszeit und, unter Proben nahme beim Trocknen, auch den Endpunkt der Trock nung festzulegen. Die Grösse dieses Temperaturanstieges scheint von der Grösse der hergestellten Giessform unabhängig zu sein, wird aber rasch erreicht,
wenn das Trocknen unterbrochen wird, sobald die, Mischung sich trocken anfühlt und freifliessend ist. Der Temperatur- anstieg wird geringer, wenn die Trocknung der Form- mischung weitergetrieben wird.
Demzufolge kann bei gleichzeitiger Probenahme während dem Trocknen und Begasen dieser Proben unter Temperaturkontrolle die Trocknung dann unterbrochen werden, wenn die Tem- peraturzunahme nach Überschreiten eines Maximums ausgeprägt abnimmt.
Eine einfachere, für schnelle Betriebskontrollen in der Giesserei geeignete Methode besteht darin, dass man die zur Bewegung des Kollergangs benötigte Lei stung misst. Sobald diese auf den vor der Zugabe der Silikatlösung registrierten Wert zurückfällt, kann die Mischung als ebenso trocken, wie vor Zugabe der Lösung betrachtet werden.
Ein Vergleich zwischen 1) verschiedenen Trock- nungszeiten beim Beschichten der Formmischung, 2) der zur Erreichung der Maximaltemperatur beim Bega- sen benötigten Zeit, 3) der maximal erreichten Tempe ratur, und 4) der in den Giessformen erreichten Festig keit zeigt, dass gute Bindung sich durch einen raschen Temperaturanstieg um ca. 55 oder mehr während den ersten Minuten des Begasens anzeigt. Falls der anfäng liche Temperaturanstieg geringer ist, ist die erhaltene Bindung möglicherweise ungenügend.
Die beste Bin dung wird nicht unbedingt durch den schnellsten oder höchsten Temperaturanstieg angezeigt, jedoch kann all gemein gesagt werden, dass dann mit derartigen Sili- katbindern befriedigtende Ergebnisse erzielt werden, wenn beim Begasen mit C02 in den ersten 1 bis 2 Minuten ein scharfer Temperaturanstieg um ca.55 erfolgt (d. h. nach Abschluss des Evakuierens und Ein blasens von C02 in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung).
Dabei wird das Begasen fortgesetzt, bis die Spitzentem peratur erreicht ist und sich die Zunahme abzuflachen beginnt (gewöhnlich bei ca.<B>93'</B> für die meisten Mischungen), was nach ca. 2 bis 3 Minuten Begasungs- zeit der Fall ist.
Falls die entstehende Reaktionswärme zu Beden ken Anlass gibt, können weniger alkalische Silikate Verwendung finden, da diese weniger Wärme entwik- keln, oder aber es kann entweder der Sand oder das Gas gekühlt werden, damit die Temperatur nicht zu hoch ansteigt.
Diese Variablen, wie Reaktionswärme, Tempera turanstieg. Reaktionsgeschwindigkeit und Mengen an gebundenem und freiem Wasser im Überzug, beeinflus sen die Begasungszeit, sowie die dabei auftretenden Temperaturen. Für normale Betriebserfordernisse braucht die Zugfestigkeit nicht Höchstwerte zu errei chen, sondern es genügen Werte, die eine normale Handhabung gestatten, Zugfestigkeiten der abgebun denen Giessformen von 0,7 bis 1,05 kg/cm2 genügen meist, jedoch sind mit dem beschriebenen Verfahren Werte bis zu 4,5 kg/cm' leicht zu erreichen.
Ein wichtiger Vorteil des vorliegenden Verfahrens zeigt sich darin, dass das auf die Form aufgeschüttete und niedergerüttelte Material sich beim Abbinden nicht setzt, da die Bindemittelschicht nicht herausfliesst.
Das Begasen der beschriebenen Formmischung kann auf beliebige Art durchgeführt werden. So kann das reagierende Gas in die Mischung hineindiffundie- ren oder aber in dieselbe hineingepresst werden und die Behandlungszeit kann wesentlich abgekürzt werden, wenn Überdruck angewendet wird. Das Gas kann dabei durch die Giessform oder in das Modell mündende Rohre zugeführt werden.
Wird zu niedriger Druck angewendet, so leidet die Festigkeit der Bindung darunter. Die noch wirksame Minimaldrucke sind für die einzelnen Silikate verschie den. Nach Evakuieren auf 5 mm ist im allgemeinen ein Druck von 2,7 atü genügend beim Begasen. 1,3 atü ist der beim Arbeiten mit Natriummeta- oder Sesquisilikat minimal erforderliche Druck, jedoch können noch be friedigende Ergebnisse bei 0 bis 0,6 atü erzielt werden, wenn die restlichen Bedingungen optimal sind.
Für diese Mischung mit 25 % Ortho- und 75 % Sesquisili- kat genügen<B>0</B>,7 atü Betriebsdruck.
Wenn das Begasen der Silikatbindemittel zum Aus tritt von derart viel Wasser führt, dass zu beanstan dende Durchwässerung oder schlechte Bindung ent steht, oder falls beim Evakuieren die Luft nur unvoll ständig entfernt wird, kann die in Fig. 2 gezeigte An ordnung gewählt werden.
Der ganze Gasstrom zur Formmischung wird durch eine zentral im Deckel 30 angeordnete Öffnung 31 geführt und durch die kleinen Öffnungen 33 im Diaphragma 32 verteilt, so dass durch die übermässige Nässung an Stellen besonders hoher C02 Konzentration die schnelle Bildung einer festen Bindung in den Ecken der Giessform oder in den auf der Oberfläche des Modells aufliegenden Schichten nicht beeinträchtigt wird, wo beim Abheben des Modells besondere Festigkeit erforderlich ist. Vorzugs- :eise kommen solche übermässig nassen Stellen in die Nähe der Eintrittsöffnungen zu liegen, wo sie von um liegenden, fest abgebundenen Teilen der Giessform zu sammengehalten werden.
Eine Verbesserung der Bin dung in solchen durchnässten Stellen kann dadurch er reicht werden, dass man diese nach dem Trocknen nochmals kurz begast. Äusserst wirkungsvoll ist in die sem Falle folgendes Vorgehen: Nach einer kurzzeitigen Begasung unter niedrigem Druck (z. B. nicht mehr als 0,7 atü) wird dieser mittels einer Vakuumpumpe auf wenige mm absoluten Druck reduziert, worauf erneut C02 mit ca. 0,07 bis 0,7 atü eingepresst wird. Die endgültige Festigkeit solcher Stellen, wo übermässige Nässung auftrat, kann dann ein Mehrfaches des ur sprünglichen Wertes erreichen.
Erfolgt die Behandlung mit C02 unterhalb des Atmosphärendurckes, so ent steht unter sonst gleichen Bedingungen schlechte Bin dung.
Es können auch andere Gase angewendet werden, welche auf das Abbinden beschleunigend wirken oder einen Bestandteil des Bindemittels freimachen, der dann auf dasselbe aktivierend wirkt. So kann HCl Gas auf beide Arten reagieren, je nach Art des ver wendeten Bindemittels und S02, sowie andere gasför mige Säureanhydride zersetzen hydratisierte Salze in derselben Weise wie C02. In der Praxis bewährt sich aber CO;;
am besten. Ammoniakgas kann zur Aktivie rung von Bindemitteln wie Oxalsäure, (COOH)2. 2H20, Calciumphosphat Ca(H2P04)2.2H20 oder Natrium phosphat NaH2P04 . 14201 verwendet werden.
Die durch die Begasung von mit Silikaten überzo genen Sanden mit C02 erzeugte Bindung bleibt auch beständig, wenn die Giessformen zum Austreiben von Gasen und Feuchtigkeit erhitzt werden. Es hat sich z. B. gezeigt, dass eine derart abgebundene Giessform nach einstündigem Erhitzen auf 120 lediglich einen Viertel ihrer Festigkeit eingebüsst hatte.
Formmischungen zur beschriebenen Verwendung können auch andere Stoffe als das körnige, hitzebe ständige mit dem Bindemittel beschichtete Material enthalten. Oft erscheint es wünschenswert, kleine Men gen (z. B. '/4 bis 1 Gewichts-Prozent bezogen auf die Mischung) an Dextrin, Mehl oder Harnstoff während der Beschichtung beizufügen, um den bei der Verwen dung von Metasilikat auftretenden Schwund ausZuglei- chen oder auf ein. Mindestmass zu reduzieren.
In ähn- licher Weise können auch Glimmerpulver oder Faser materialien, wie Asbest, Schlacken- oder Glaswolle und andere:
Leichtstoffe dem Sand beigemischt werden, um die Dichte, resp. das Gewicht der Giessfarm zu ernie drigen oder deren Wärmeleitfähigkeit zu beeinflussen. Derartige Faserstoffe können auch die Bildung der er wähnten nassen Stellen weitgehend verhindern, indem sie:
Dochtwirkung zeigen und flüssigkeitsverteilend wir- ken. Ein. Zusatz von 2 % Asbest zur Formmischung verbessert die Durchlässigkeit und erniedrigt die Dichte.
Ähnliche Mengen an Baumwoll-, Bast oder Glasfasern können ebenfalls verwendet werden. Tone und ganz all gemein Staub, wie Gipsstaub, sollten nicht oder nur in ganz geringen Mengen beigemischt werden. Immerhin können bestimmte Tonsorten, z. B. Georgia-Kaolin, einen günstigen Einfluss ausüben. Es wurde darauf hingewiesen, dass gewisse Mengen Wasser bei der Bindungsreaktion freigesetzt werden.
In vielen Fällen können diese Wassermengen 2,5 bis 3 % des Gewichtes der Giessform ausmachen. Wenn diese Mengen für bestimmte Gusstücke und für die Durch lässigkeit des Sandes zu hoch sind und es nicht mög lich erscheint, den Dampf durch Oeffnungen auszubla sen, so kann die Feuchtigkeit oder ein Teil derselben durch Trocknen bei Temperaturen, die zwischen Raumtemperatur und normaler Kerntrocknungstempe- ratur liegen, beseitigt werden.
Dabei wird die Berück sichtigung der Zeit, der Festigkeit und der auftretenden Wärmespannungen in der Giessform für die Wahl der Temperatur massgebend sein. In den meisten Fällen dürften Temperaturen zwischen 65 und 120 befriedi gende Ergebnisse zeitigen. Strahlungswärme, Infrarot strahlung oder Induktionsheizung können zur Errei chung derselben verwendet werden, gemäss üblicher Verfahren.
Die Mengenanteile des körnigen, hitzebeständigen Materials in der Formmischung können beträchtlich schwanken, wie in andern gebräuchlichen, abbindfähi- gen Formmischungen.
Die bevorzugten Mengenverhältnisse zwischen Bin demittel und hitzebeständigem, körnigem Material in der Formmischung zur Verwendung im beschriebenen Verfahren bewegen sich allgemein in den in nachfol genden Beispielen angeführten Grenzen. Zufriedenstel lende Ergebnisse werden erhalten, wenn 6 bis 10 Ge- wichts-Prozent Silikat, bezogen auf das Trockenge wicht der beschichteten Mischung, eingesetzt werden.
Bei einigen Verwendungsarten (insbesondere für Kerne oder einfache Formen, im Gegensatz zu verwickelten Formen mit Hohlräumen und in diese hineinragenden dünnen Querschnitten) werden gute Resultate bereits mit 3 bis 4 % Silikatbindemittel erreicht.
Es ist allgemein üblich bei der Herstellung von Sandgiessformen das Modell mit einem das Abheben der Form erleichternden Mittel zu bestreichen. Im vor liegenden Verfahren wurde für diesen Zweck eine Schicht kollidalen Graphits als geeignet befunden. Diese Art von Schicht erweist sich besonders bei Modellen, die durch das alkalische Bindemittel ange- griffen würden, z. B. Aluminiummodellen, als, vorteil haft.
<I>Beispiel 1</I> 200 Gewichts-Teile Quarzsand (C-30 Wedron) mit einer Siebgrösse der Körner von 0,15 mm wurden in einen Schnellmischer (Kollergang) eingefüllt. In das gleichmässig verteilte Material wurde eine heisse Lösung (60 ) von 7,2 kg Natriumsesquisilikat (Metso 99) in 3,1 Gewichts-Teilen Wasser eingearbei tet. Das Mischen wurde während 3 Minuten fortge setzt. Anschliessend leitete man heisse Luft von 140 bis 150 ein, um das freie Wasser auszutreiben. Dies erforderte ca. 25 Minuten. Der Sand war erst nass und wurde dann mehlig. Mit zunehmendem Trockenheits grad zeigte sich vor dem Schaber des Mischers eine kleine Welle.
Als diese Welle praktisch zu verschwin den begann, wurde das freifliessende Material in einen dichtschliessenden Behälter entleert und auf Raumtem peratur abgekühlt. Das Material enthielt chemisch ge bundenes Wasser in der Beschichtung und hatte einen Gesamtgehalt von weniger als 0,3 Gew: % an nichtge- bundener Feuchtigkeit.
Ca. 9 kg dieser Mischung wur den auf ein kompliziertes Aluminiummodell geschüttet, dessen Oberfläche mit einem feinflockigen Glimmer- präparat (Lubikold) behandelt war. Modell und Form mischung wurden dann vibriert, bis der Sand verdich tet war, und anschliessend in eine geschlossene Kam mer verbracht, in welcher der Druck auf 3 bis 5 mm (absolut) reduziert wurde. Hierauf wurde gasförmiges CO., eingeblasen und unter einem Druck von 2,8 atü während 2 Minuten einwirken gelassen. Dabei stieg die Temperatur der Sandmischung auf ca. 88 .
Nach Ab lauf der 2 Minuten wurde das C02 abgelassen und das Modell mit der abgebundenen Form, die nun eine Festigkeit von über 1,4 kg/cm2 aufwies, herausgenom men. Nachdem die Form vom Modell abgehoben wor den war, wurde auf ähnliche Art eine passende zweite Formhälte gefertigt. Die beiden Hälften wurden dann zu einer Giessform zusammengefügt, in welche eine Aluminiumlegierung bei 720 vergossen wurde. Nach dem Abkühlen wurde die Giessform vom Gusstück weggebrochen und der noch anhaftende Sand abgewa schen. Das Gusstück war von hervorragender Beschaf fenheit.
<I>Beispiel 2</I> 1000 Gewichts-Teile Quarzsand mit einer Sieb grösse der Körner von 0,15 mm wurden auf 82 erhitzt und mit einer Lösung von 100 Gewichts-Teilen Natri- ummetasilikat-Pentahydrat ( Metsogranular der Phi ladelphia Quartz Company) in 40 Gewichts-Teilen Wasser gemischt, und zwar in einem Schaufelmischer (Hobart-Mischer). Während des Mischvorganges wurde die Beschickung durch Einblasen trockener Luft ge trocknet und rieselfähig gemacht.
Das Material enthielt chemisch gebundenes Wasser in der Beschichtung und hatte einen Gesamtgehalt von weniger als 0,3 Gew.-1/o an nichtgebundener Feuchtigkeit. Der derart beschich tete Sand wurde über ein kleines Modell geschüttet, das mit Öffnungen versehen war, welche den Gasdurch- tritt an dessen Oberfläche ermöglichten. C02 wurde unter mässigem Druck während 31/4 Minuten durch die Mischung hindurchgeleitet. Die Sandkörner wurden an ihren Berührungsstellen fest verbunden. Die auf diese Weise erhaltene Giessform liess sich leicht vom Modell abheben und befriedigte im Gebrauch.
<I>Beispiel 3</I> 2000 Gewichts-Teile Quarzsand mit einer Sieb- grösse der Körner von 0,30 mm wurden mit einer Lösung von 200 Gewichts-Teilen Natriumorthosilikat ( Metro 200 der Philadelphia Quartz Company) in 68 Gewichts-Teilen Wasser behandelt. Ein Schnellmi scher mit einem Mahlstein von 45 cm wurde zum Mischen verwendet und während dem Mischvorgang wurde trockener Stickstoff eingeleitet, bis die Mischung trocken und freifliessend war und vor dem Schaber des Mischers eine leichte Welle warf.
Das Material enthielt chemisch gebundenes Wasser in der Beschichtung und hatte einen Gesamtgehalt von weniger als 0,3 Gew.-% an nichtgebundener Feuchtigkeit. Sie wurde dann in dichte Behälter abgefüllt. Mehrere Kerne wurden aus dieser Mischung gefertigt, indem der Sand in einen Kernformkasten eingefällt und dann mit C02 begast wurde. Die Begasungszeit belief sich auf ca. 2 Minuten mit trockenem C02 von Raumtemperatur.
Der Druck betrug in der ersten Minute 0,07 bis 0,14 atü und in der zweiten Minute 0,35 bis 0,7 atü. Die erhaltenen Kerne waren fest abgebunden und wiesen eine gute, abriebfeste Oberfläche auf. Einer dieser Kerne wurde in eine gebräuchliche Sandform eingebettet und mit Aluminiumlegierung Nr.43 bei 680 übergossen. Ein einwandfreies Gusstück handelsüblicher Qualität wurde mühelos erhalten. Der Kern war leicht aus dem Guss- tück zu entfernen durch Ausschwemmen mit Wasser.
<I>Beispiel 4</I> 1000 Gewichts-Teile Quarzsand (Wedron) mit einer Siebgrösse von 0,125 mm wurden in einem Schaufelmischer (Hobart-Mischer) mit einer Lösung von 100 Gewichts-Teilen Natriumsesquisilikat ( Metso 99 der Philadelphia Quartz Company) in 20 Ge- wichts-Teilen Wasser behandelt. Wasser und Lösung wiesen Raumtemperatur auf. Unter fortdauerndem Mischen wurde der Sand mit Stickstoff getrocknet. Die trockene Masse wurde durch ein 0,42 mm Sieb passiert, um Klumpen auszusieben.
Das Material ent hielt chemisch gebundenes Wasser in der Beschichtung und hatte einen Gesamtgehalt von weniger als 0,3 Gew.-% an nichtgebundener Feuchtigkeit. Ein Kern für einen Drehmomentwandlerrotor (Automobil) wurde aus dieser Mischung gefertigt,
indem der be@ schichtete Sand in einen mit einem elektrischen Vibra- tor ausgerüsteten Kernformkasten aus Epoxyharz ge schüttet und mit C02 bei einem Druck von 0,35 bis 0,7 atü während ca. 4 Minuten begast wurde. Es wurde ein gut abgebundener und verwendungsfähiger Kern erhalten.
<I>Beispiel 5</I> Es wurde eine Lösung von 50 Gewichts-Teilen Natriummetasilikat und 50 Gewichts Teilen Natrium.- orthosilikat in 65 Gewichts-Teilen Wasser bereitet und 3630 Gewichts-Teile Zirkonsand beigemischt, der vorgängig auf 82 erhitzt worden war. Der Sand wurde in einem Schnellmischer (Kollergang) gemischt und mit kaltem, trockenem Stickstoff behandelt, bis er sich praktisch trocken anfühlte. Er wurde dann im Hobart -Schaufelmischer umgefüllt und unter Rühren weiter getrocknet, bis er freifliessend war.
Das Material enthielt chemisch gebundenes Wasser in der Beschich tung und hatte ein Gesamtgehalt von weniger als 0,3 Gew.-11/o an nichtgebundener Feuchtigkeit. Aus der Mischung wurden dann Kerne gefertigt, indem dieselbe in einen Kernformkasten geschüttet, zwecks Verdich tung vibriert und dann mit C02 unter Druck während 1 112 Minuten begast wurde. Die Kerne waren gut abge bunden,
liessen sich leicht dem Formkasten entnehmen und eigneten sich vorzüglich zum Gebrauch in Giesse- reien.
<I>Beispiel 6</I> 45 400 Gewichts-Teile Quarzsand ( Wedron C-30 ) mit einer Siebgrösse von 0,15 mm wurden einem geschlossenen Schnellmischer (Kollergang) auf gegeben. Nach gleichmässiger Verteilung wurde eine heisse Lösung (71 ) von 2724 Gewichts-Teilen Natri- umsesquisilikat ( Metro 99 ) und 616 Gewichts-Teilen Natriumorthosilikat ( Metro 200 ) in 948 Gewichts- Teilen Wasser zugefügt.
Das Mischen wurde während 3 Minuten forgesetzt. Dann wurde heisse Luft von 145 bis 150 über die Mischung geleitet, bis das freie Was ser entfernt war und die Stosswelle vor den Schabern praktisch verschwand, wie im vorhergehenden Ver such. Das trockene, freifliessende Material wurde in einen geschlossenen Behälter abgefüllt und abkühlen gelassen. Das Material enthielt chemisch gebundenes Wasser in der Beschichtung und hatte einen Gesamtge halt von weniger als 0,3 Gew.-0/9 an nichtgebundener Feuchtigkeit. Aus der Mischung wurden dann wie vor gängig beschrieben Giessformen hergestellt mit dem Unterschied, dass diese bei 0,7 atü begast wurden.
Die Formhälften wurden zusammengesetzt und zum Gies- sen verwendet. Die Giessform befriedigte in jeder Hin sicht und es wurden Gusstücke von hervorragender Qualität erhalten.
<I>Beispiel 7</I> Gemäss Beispiel 1 beschichteter Sand wurde in einem geschlossenen Behälter 24 Stunden gelagert und dann erneut 5 Minuten im Kollergang gemischt.
Das Material enthielt chemisch gebundenes Wasser in der Beschichtung und hatte einen Gesamtgehalt von weni- ger als 0,3 Gew.-% an nichtgebundener Feuchtigkeit. Die Mischung wurde dann auf ein Modell aufgeschüttet und in einer geschlossenen Kammer einem Unterdruck von 40 mm ausgesetzt.
Dann. wurde C02 mit 3,5 atü während 2 Minuten aufgepresst. Nach Evakuieren auf 60 mm wurde erneut während 2 Minuten unter 3,5 atü begast. Dann wurde die Kammer vom Druck entlastet und die Form vom Modell abgehoben.
Obschon in den Beispielen die Fertigung von Alu- miniumgusstücken beschrieben wird, ist das Verfahren auch zum Vergiessen von anderen Metallen geeignet, z. B. von Magnesium, wobei eine bisher unerreichte Genauigkeit möglich wird. Die beim Vergiessen von Magnesium in Sand bisher gebräuchlichen, bekannten Inhibitoren (z. B. Fluoborate, Fluosilikate) können dem Sand nach der Beschichtung beigemischt werden. Auch Schwefel kann verwendet werden, sollte jedoch erst kurz vor Gebrauch zugesetzt werden.
Borsäure ist nicht empfehlenswert, da sie mit dem Silikat unter Freisetzung von gebundenem Wasser reagieren kann.
<I>Beispiel 8</I> 134 kg Wedron-C-30 -Sand wurden in einen Schnellmischer (Beardsley Piper No.40 Speedmuller) gegeben. Eine heisse Lösung von<I>7,9 kg</I> flüssigem Sili kat B. W. der Philadelphia Quartz Company (mit einem NaüO:Si02-Verhältnis von 1:1,65) und 3,4 kg Natriumhydroxydflocken in 1395 ml Wasser wurde dann beigemischt, und zwar bei laufendem Mischer.
Das Mischen wurde fortgesetzt, bis die Amperemeter ablesung am Antriebsmotor wieder dieselbe war wie vor der Zugabe der Lösung. (Dies zeigte an, dass die Mischung trocken und freifliessend geworden war.) Dazu waren ca. 10 Minuten erforderlich. Das Material enthielt chemisch gebundenes Wasser in der Beschich tung und hatte ein Gesamtgehalt von weniger als 0,3 Gew.-% an nichtgebundener Feuchtigkeit. Der Sand wurde entleert und abkühlen gelassen.
Zu einem Teil des trockenen, beschichteten Sandes wurde 1% Kaliumfluoborat, zu einem anderen Teil 3 % Kalium- fluoborat zugemischt.
Aus diesen Mischungen wurde eine 40-k--Giessform in der Weise hergestellt, dass der 1 % Fluoborat enthaltende Sand auf die dünne, Quer- schnitte aufweisenden Stellen des Modells,
und der 3 % Fluoborat enthaltende Sand auf Stellen mit dickem Querschnitt (Eingusstrichter, Steiger) aufgeschüttet wurde. Der Rest der Giessform (d. h. die nicht mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommenden Teile) wurde mit Sand aufgefüllt, der keinen Inhibitor enthielt. Das Modell wurde dann vibriert, um den Sand zu verdichten, und in eine Begasungskammer gesetzt.
Ein Vakuum von 5 mm wurde erzeugt und anschlies- send CO= mit 2,8 atü während 2 Minuten aufgepresst. Nach Ablassen des Drucks wurde die Kammer geöffnet und die Foim vom Modell abgehoben. Auf diese Weise wurden Ober- und Unterkasten gefertigt. Diese wurden in einem Ofen von 120 gesetzt und 4 Stunden darin belassen. Nach Zusammensetzen der Form wurde eine Magnesiumlegierung (AZ91C) bei 816 C vergossen. Das erhaltene Gusstück erfüllte sämtliche an einen Präzisionsguss zu stellenden Anforderungen.
Obschon das Evakuieren vor dem Begasen nicht unbedingt zur Durchführung des beschriebenen Ver fahrens notwendig ist und in den Beispielen auch nicht immer ausdrücklich erwähnt wird, ist es bei der prakti schen Ausführung vorzusehen, da sonst das gleichmäs- sige Zuströmen des aktivierenden Gases zu sämtlichen Stellen der Giessform nicht gewährleistet ist.