CH639880A5 - Verfahren zur verbesserung der physikalischen eigenschaften von heissem gruenem formsand. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von heissem grünem Formsand, der Sand, Ton als Bindemittel und Feuchtigkeit enthält, auf ein Mittel zur Ausführung des Verfahrens und auf nach dem Verfahren hergestellten grünen Formsand.

Wie man weiss, befasst sich die Giessereitechnik mit der Herstellung von Metallartikeln durch Giessen von geschmolzenem Metall in eine Form, in der dann die Verfestigung stattfindet. Weitaus die grössten Mengen von Gussstücken werden in Formen hergestellt, die aus Sand bestehen; es handelt sich dabei um die Sandgiessverfahren. Es gibt vielerlei solche Verfahren, aber das meistverwendete ist dasjenige, bei dem grüner Formsand verwendet wird.

Grüner Formsand wurde definiert als «eine plastische Mischung aus Sandkörnern, Ton, Wasser und anderen Materialien, die für Form- und Giessverfahren verwendet werden können». Der Sand wird Grünsand genannt, wegen der darin enthaltenen Feuchtigkeit, zur Unterscheidung von Trockensand. (Heine et al., «Principles of Metal Casting», McGraw-Hill Book Co., Inc., New York [1955], p. 22). Grüner Sand ist auch definiert worden als «ein natürlich gebundener Sand» oder als « eine zusammengesetzte Formsandmischung, die mit Wasser angelassen wurde für den Gebrauch im feuchten Zustand». («Molding Methods and Materials», IstEd., The American Foundrymen's Society, Des Piaines [1962]). Ein solcher Sand enthält Wasser oder Feuchtigkeit sowohl in der Formbildungsstufe wie auch in der Metall-giessstufe. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Begriff «grüner Giessereiformsand» verwendet für grüne Formsande des bekannten Typs, welche Formsande auch Ton enthalten und mit Wasser angelassen sind.

Wie eben gesagt, sind die hauptsächlichsten Bestandteile eines grünen Formsandes Formsand, Ton und Wasser. Der 5 Formsand ist typischerweise ein Quarzsand (z.B. Quarz) kann aber auch ein Zirkon, ein Olivin oder ein anderes feuerfestes körniges Material sein, dessen Korngrösse meistens zwischen etwa 31 /2 und 0,053 mm beträgt, das hauptsächlich als Füllstoff dient und den Körper der Form bildet, io Der Ton, der fein verteilt ist (meistens in einer Korngrösse kleiner als 2 Mikron), besteht z.B. aus Montmorillonit (Ben-tonit), Illit, Kaolinit, Feuerton oder dergleichen und dient nach der Plastifizierung mit Wasser als Bindematerial für die Sandkörner, wobei er dem Ganzen auch die physikalische i5 Festigkeit verleiht, die den Gebrauch des grünen Formsandes als Baustoff für die Giessform ermöglicht. Meistens enthalten grüne Formsande 5 bis 20 Gew.-% Ton und genügend Wasser, meistens nicht mehr als etwa 8 Gew.-%, beide bezogen auf das Gewicht des Sandes, zur Erreichung der 20 gewünschten Plastizität und anderer physikalischer Eigenschaften. Die Menge Anlasswasser ist normalerweise grösser, wenn natürlich gebundene Sande als wenn synthetische Sande verwendet werden.

Es gibt eine Menge von Eigenschaften, die für grüne 25 Formsande erwünscht sind. Darunter sind die wichtigsten die folgenden:

1. Gute Fliessbarkeit oder Zusammenpackbarkeit, die es dem Sand ermöglicht, zum Giessereimodell hinzufliessen unter der Einwirkung von Verdichtungskräften;

30 2. Gute physikalische Festigkeit nach der Verdichtung, damit die Giessform ihre Form beibehält nach Wegnahme des Modells und während des Giessvorgangs;

3. Dimensionsstabilität während des Giessvorgangs;

4. Guter interner Zusammenhalt der Sandkörner und 35 schlechte Anhaftung der Sandkörner an den Gussstücken und

5. Leichte Auseinanderbrechbarkeit nach dem Giessen zwecks Ermöglichen des Ausformens.

Es gibt natürlich noch zusätzliche Eigenschaften, die mit 40 den vorgenannten im Zusammenhang stehen und worunter unter anderem die Kompressionsfestigkeit, die Permeabilität, die Verdichtbarkeit, die Formhärte, die Grünscherung, die Deformation, die Schälbarkeit und dergleichen genannt werden können. Im allgemeinen hat ein grüner Formsand ty-45 pischerweise Eigenschaften, die in den folgenden Bereichen gelegen sind:

Grüne Kompressionsfestigkeit 2,8-28 N/cm2

Grüne Scherfestigkeit 0,35- 7N/cm2

so Deformation 0,005-0,04 mm/mm

Permeabilitätszahl 6,5-400

Trocken-Druckfestigkeit 35-140 N/cm2

Verdichtbarkeit 35-65%

55 Falls die Deformation oder Verdichtbarkeit zu niedrig ist, so ist der grüne Formsand zu brüchig und kann den Beanspruchungen beim Handhaben und beim Entfernen des Modells nicht standhalten; ist dagegen die Deformation zu hoch, so kann die Dimensionsgenauigkeit nicht beibehalten 6o werden und die Form, insbesondere eine solche von grosser Masse von etwa 40 kg oder mehr, wird sich unter ihrem Eigengewicht deformieren. Falls sowohl die Grünfestigkeit als auch die Deformation zu hoch sind, kann der Formsand nicht einstückig geformt und verdichtet werden. Falls die 65 Permeabilität weniger als 6,5 beträgt, können die während des Giessvorgangs entstehenden Dämpfe nicht rasch genug entweichen, und die Form kann dann brechen wegen des entstehenden Gasdrucks mit der Gefahr, dass Metallschmel

3

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ze aus der Form entweicht. Falls im Gegenteil die Permeabilität zu hoch ist, so wird die Metallschmelze nicht im Giess-formraum gehalten; vielmehr wird die Schmelze in die kleinen Zwischenräume im Sand eindringen. Falls schliesslich die Trockenfestigkeit zu niedrig ist, so wird der Formsand dem erosiven Einfluss der fliessenden Schmelze während des Giessvorgangs nicht standhalten, wogegen bei zu grosser Trockenfestigkeit das Gussstück während der Verfestigung brechen kann.

Im allgemeinen liegen bei grünen Formsanden, die einzig und allein aus Sand, Ton und Wasser bestehen, die Eigenschaften nicht in einem ausgewogenen Mass vor. Aus diesem Grunde sind schon vielerlei Additive verwendet worden im Bestreben, die Eigenschaften der grünen Formsande zu verbessern. In typischer Weise bestehen diese Additive aus organischen Materialien, die verwendet werden als Oberflä-chenschichtbildungsmittel, Expansionssteuermittel und dergleichen. In den meisten Fällen sind diese organischen Additive dahin nützlich, dass sie nur eine Eigenschaft des Grünsandes verbessern, weshalb zwei oder mehrere Additive erforderlich sind. Ausserdem hat ein Additiv zur Verbesserung einer Eigenschaft oft einen nachteiligen Einfluss auf eine andere Eigenschaft des grünen Formsandes. Beispielsweise ist Meerkohle oder bituminöse Kohle verwendet worden als Oberflächenbildungsmittel. Dieses verhindert wohl das Anbrennen, führt aber dazu, dass erhöhte Mengen von Ton und Wasser erforderlich sind, um die gewünschten physikalischen Eigenschaften wiederherzustellen, die beim unmodifi-zierten grünen Formsand vorliegen.

Grüne Formsande können als «weiche Sande» bezeichnet werden, weil sie plastisch und wiederformbar bleiben während der ganzen Formbildungsprozedur und zum Teil auch während des Giessvorgangs. Solche Formsande sind streng zu unterscheiden von anderen Formsanden, die als «harte Sande» bezeichnet werden. Diese «harten Sande» sind wohl plastisch zu Beginn des Formbildungsvorganges, werden aber gehärtet und erlangen Steifigkeit vor dem Giessvor-gang. Harte Sande werden beispielsweise verwendet in Fein-' giessverfahren und beim Bilden von Kernen und von Formen aus harzgebundenen Sanden oder aus Sanden, die aus Natriumsilikat oder Phosphaten bestehen, oder aus Sanden, die mit trocknendem Öl gebacken sind. Solche gehärtete Sande haben eine Druckfestigkeit in der Grössenordnung von 56 bis 210 N/cm2 oder noch mehr. Im Gegensatz hierzu haben grüne Formsande eine Druckfestigkeit in der Grössenordnung von 2,8 bis 28 N/cm2, vorzugsweise zwischen 8,4 und 21 N/cm2.

Grüne Formsande unterscheiden sich auch von «harten Sanden» dadurch, dass sie leicht wieder aufbereitbar sind, weil zum Wiederaufbereiten nur das Anlasswasser ersetzt werden muss nebst gegebenenfalls organischen oder sonstigen Additiven, die während des Giessvorgangs verlorengegangen sind. Im Gegensatz hierzu können harte Sande nur dadurch wieder brauchbar gemacht werden, dass alle diejenigen Materialien entfernt werden, die nicht zu den feuerfesten Körnern gehören, und dass das Bindematerial vollständig ersetzt wird. Aus diesem Grunde werden harte Sande meistens nach einmaligem Gebrauch als Abfall weggeschafft.

Wegen der vollständig verschiedenen Zusammensetzung und auch vollständig verschiedenen Gebrauchsweise sind die bei grünen Sand-Giessvorgängen auftretenden Probleme vollständig anders gelegen als jene, die auftreten bei Giessen mit Hartsandformen. Eine dieser Schwierigkeiten liegt in der richtigen Steuerung der Menge von Anlasswasser durch Erzielen der adäquaten Bindefestigkeit sowohl während des Formens wie auch während des Giessens. Kleine Unterschiede in der Menge Wasser in einem grünen Formsand haben einen grossen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften desselben. Insbesondere hängen Trockenfestigkeit und Heissfestigkeit von grünem Formsand von der Feuchtigkeit ab, die im Sand vorliegt bei der Verdichtung; je kleiner der s Feuchtigkeitsgehalt, desto niedriger sind Heissfestigkeit und Trockenfestigkeit des Sandes. Beispielsweise hat die Veränderung des Wassergehaltes um einen bestimmten Prozentsatz einen fünfmal stärkeren Einfluss auf die Sandfestigkeit als eine entsprechende Änderung des Gehaltes an Ton oder io an einem anderen Additiv, das üblicherweise in einem grünen Sand verwendet wird.

Die Schwierigkeit einer guten Steuerung des Feuchtigkeitsgehaltes wird noch gesteigert durch einen Zustand, der unter dem Namen «Heisser grüner Formsand» bekannt ist. 15 Offensichtlich wird der Sand während des Giessvorgangs erhitzt, und falls dem Sand nicht genügend Zeit zur Verfügung steht zum Abkühlen auf Umgebungstemperatur vor der Wiederbenützung, nimmt die Temperatur des Sandes zu. Wenn die Temperatur des Sandes einen Wert von 40 bis 71° 20 erreicht, sind seine physikalischen Eigenschaften und Gebrauchseigenschaften materiell verändert, wobei die Formbildung schwieriger wird und auch leichter Giessfehler entstehen. Es hat sich gezeigt, dass dann bei der Formbildung heisser grüner Sand am Modell anhaftet und nicht leicht aus 25 tiefen Taschen entfernt werden kann. Des weiteren haben dann Sandrutschen und Behälter die Tendenz zu verstopfen, und es entstehen unhomogene Formstrukturen als Ergebnis von Variationen im Feuchtigkeitsgehalt des grünen Sandes. Unter den Giessfehlern sind zu nennen jene mit Einschlüssen 30 von Schmutz oder Sand in der Oberfläche der Gussstücke, das Vorliegen von Blasen und von Nadellöchern, das Auftreten von Erosionsfehlern und eine allgemeine Verschlechterung der Oberfläche der erhaltenen Gussstücke. Ohne sich hier auf eine bestimmte Theorie versteifen zu wollen, besteht 35 doch die Auffassung, dass die Primärursache für die mit heissem Grünsand auftretenden Schwierigkeiten in der raschen Verdampfung von Wasser aus dem heissen Sand liegt, besonders aus exponierten Sandoberflächen sowohl beim Sandtransport und aus geformten Giessformen, und auch in 40 der Unfähigkeit des Betriebspersonals, den Feuchtigkeitsgehalt richtig zu steuern. Veränderungen in der Ton/Wasser-Struktur bei erhöhten Temperaturen können zu einem offenen oder gelierten Strukturzustand führen, der auch zu erleichtertem Wasserverlust führen kann.

45 Dieser rasche Verlust von Wasser aus heissem grünem Formsand führt auch zu einer Feuchtigkeitskondensation an kühleren Flächen, wie etwa an Oberflächen von Bunkern, Rutschen und Modellen. Wenn diese Oberflächen feucht werden, so haften die Körner der Oberflächenschicht von so Sand stärker an ihnen an als andere Sandkörner. Dieses Anhaften'verursacht gerne ein Verstopfen von Bunkern und von Rutschen und behindert auch gerne das Absaugen von Sand aus tiefen Taschen von Modellen. Das Anhaften von Sand an der Modelloberfläche führt zu einer aufgerauhten 55 Formraumwandungsfläche, bei welcher Sandkörner exponiert sind, die nur schwach an andere Sandkörner gebunden sind. Da die Oberflächenschicht des Sandes das Wasser leichter entfernen lässt, ist die Trockenfestigkeit der Bindung dieser Oberflächenkörner an andere Körner schwächer als 60 die Bindung zwischen inneren Sandkörnern. Demzufolge können diese exponierten Sandkörner aus dem Verband gelockert werden, schon durch geringe Erschütterung, und wenn sie so herausgelöst sind, fallen die Sandkörner in der Form herab auf den Boden des Formhohlraumes und bilden 65 später Schmutzeinschlüsse in den erhaltenen Gussstücken.

Im Bestreben, die rasche Verdampfung der Feuchtigkeit zu kompensieren, muss dann der Formsand bei der Zubereitung über normal hohe Feuchtigkeitsgehalte verfügen.

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Wenn so vorgegangen wird, dass der Oberflächensand, der an eine Formbildungsstation abgegeben wird, eine für die Formbildung geeignete Feuchtigkeit hat, so hat zugleich der geschützte Sand im Innern der Sandmasse eine übermässig hohe Feuchtigkeit, was zu Blasen und zu Nadellöchern im Gussstück führt. Dies rührt davon her, dass die übermässige Feuchtigkeit zur Entstehung von übermässig grossen Gasmengen führt, wenn die Hitze aus der Metallschmelze in den Formsand eindringt.

Wegen den grossen Feuchtigkeitsunterschieden an Oberfläche und innerer Sandmasse, hervorgerufen durch die Verdampfung anlässlich der Förderung des Sandes auf Transportbändern zur Formbildestation, ergibt sich eine unhomogene Sandmasse bei der Formbildung. Dieser ungleichmäs-sige Feuchtigkeitsgehalt führt zur Entstehung einer Form mit unhomogenen physikalischen Eigenschaften, was auch die Gefahr eines Fehlgusses wegen zu hoher Beanspruchung erhöht.

Schon vor der Entwicklung der vorliegenden Erfindung waren Bestrebungen im Gange zur Lenkung des Feuchtigkeitsverlustes aus grünem Formsand, insbesondere aus synthetischem Formsand. Ein solcher Sand enthält typischerweise weniger Feuchtigkeit als ein Sand mit natürlicher Bindung, und auch der Feuchtigkeitsverlust ist dann weniger kritisch. Als diese Arten von Sand Wichtigkeit erlangten in den 1930er Jahren, wurden verschiedenartige Materialien getestet, die geeignet sind, die Verdampfung von Feuchtigkeit zu verzögern. Es kann diesbezüglich auf die US-PS Nr. 1 902 419 und auch auf den Aufsatz «The Drying Out of synthetic Sands» verwiesen werden, der an der «Annual Convention of the American Foundrymen's Association» vom 20.-24. April 1942 vorgelegt wurde. Materialien, die ausgewertet wurden, sollten den Wasserdampfdruck herabsetzen und dadurch die Wasserverdampfung verzögern, oder es handelte sich um hygroskopische Materialien. Halogenide, wie z. B. Chloride von Alkali oder Alkalimetallen, wurden als besonders zweckmässig hingestellt. Obwohl dabei die Verdampfung von Anlasswasser verzögert wird, hatten diese Materialien einen ungünstigen Einfluss auf gewisse physikalische Eigenschaften von grünem Formsand. Es zeigte sich ausserdem, dass während des Giessvorgangs das Metallchlorid umgewandelt wird in ein Metalloxid und Chlorwasserstoff. Die entstehenden Chlorwasserstoffdämpfe bilden einen unerwünschten gesundheitsschädlichen Faktor. Ausserdem führt die Benützung von Chloriden zu einem Anbrennen, das heisst zum Anhaften von Sand am Gussstück. Es ist schliesslich auch daraufhinzuweisen, dass obwohl diese Materialien den Feuchtigkeitsverlust verzögern, sie nicht geeignet sind, die oben erwähnten Schwierigkeiten zu überwinden, die bei heissem grünem Formsand auftreten; es war auch gar nicht die Absicht, dass sie dies tun sollten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von heissem grünem Formsand zu schaffen, das dem heissen grünen Formsand gute Verarbeitbarkeit und physikalische Eigenschaften verleiht, die mit jenen von grünem Formsand bei Umgebungstemperatur vergleichbar sind.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe, im Patentanspruch 1 definierte Verfahren gelöst.

Niederalkansäuren sind Säuren mit 1-6 C-Atomen, wie Ameisen-, Essig-, Propion-, Butter- und Isobutter- sowie Capronsäure.

Essigsaure Salze werden bevorzugt wegen deren Wirtschaftlichkeit. Die Magnesium- und Lithiumsalze sind hinsichtlich ihres Einflusses auf die Eigenschaften von grünem Formsand miteinander vergleichbar; Magnesiumsalze werden aber bevorzugt vom Wirtschaftlichkeitsstandpunkt her. Bei stark erhöhten Temperaturen wirken Lithiumsalze als

Flussmittel für den Sand; sie sollten deshalb nicht verwendet werden bei der Anfertigung von Formen für das Giessen von Stahl, können aber verwendet werden für das Giessen von Aluminium.

Die Menge Salzadditiv, die wirksam ist zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von heissem grünem Formsand, ist gering, und zwar in der Grössenordnung von 0,25-5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Sandes. Die tatsächlich verwendete Menge wird von Fall zu Fall von der zugedachten Verwendung abhängen, unter anderem auch von der Temperatur des heissen grünen Formsandes, von der Menge und vom Typ des tonhaltigen Bindematerials und auch von der Menge und vom Typ von anderen Additiven. Es hat sich aber gezeigt, dass Mengen zwischen 0,5 und 1,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Trockensandes, in den meisten Fällen zufriedenstellend sind.

Das Zumischen des Lithium- und/oder Magnesiumsalzes zum grünen Formsand kann auf irgendeine geeignete Weise erfolgen. Vorzugsweise wird das Salz als wässrige Lösung zugesetzt. Dies gibt dafür Gewähr, dass eine bestmögliche Verteilung in der Masse des grünen Formsandes erreicht wird. Die Konzentration des Salzes in der wässrigen Lösung ist in keiner Weise kritisch, wenn darauf geachtet wird, dass die Lösung nicht so verdünnt ist, dass ein übermässig grosser Feuchtigkeitsgehalt zur Erreichung des gewünschten Salzgehaltes dem Sand beigegeben wird. Lösungen mit einem Salzanteil von 10 bis etwa 50 Gew.-% sind gut geeignet.

Die Verwendung der Alkanoate des Lithiums und/oder Magnesiums bietet verschiedene Vorteile, die vollständig unerwartet sind in Hinsicht auf die bekannte Wirkung von entsprechenden Halogensalzen. Obwohl die Alkanoate weniger wirksam sind in der Verminderung des Feuchtigkeitsverlustes aus heissem grünem Formsand, verleihen sie stark verbesserte Trockendruckfestigkeit, Grün- oder Heisszugfestig-keit, Gründeformation und Zähigkeit im Vergleich mit den entsprechenden Halogensalzen, z.B. Chloriden. Wegen ihres organischen Gehalts pyrolysieren diese Verbindungen an der Formoberfläche während des Giessvorgangs unter Zurücklassung eines Kohlenstoffrückstandes, der eine gewisse Oberflächenverbesserungswirkung hat und auch als Barriere wirkt gegen das Anschmelzen von Sand am Gussstück. Es werden während des Giessvorgangs keinerlei schädliche Dämpfe erzeugt. Schliesslich sind die Alkanoate weniger hygroskopisch als die Chloride. Demzufolge sind die Formsande, die Alkanoate enthalten, weniger empfänglich zur Aufnahme von Feuchtigkeit bei der Lagerung, besonders in stark feuchten Umgebungen.

Die Alkanoate können dem Formsand beigegeben werden in Mischungen mit anderen Additiven, wie z.B. Oberflächenverbesserungsmitteln, Expansionsbeeinflussungsmitteln und dergleichen. Falls das Alkanoat als wässrige Lösung zugesetzt wird, sollte das andere Additiv mindestens wasserdi-spergierbar sein und vorzugsweise wasserlöslich. Ein besonders bevorzugtes sonstiges Additiv zur Verwendung in Beimischung mit Alkanoaten ist das Trihydroxydiphenyl oder ein sonstiges harzartiges Material, das Trihydroxydiphenyl enthält, z.B. RM 441, das in der US-PS 3 816 145 offenbart ist. Das Trihydroxydiphenyl wird in der wässrigen Lösung verwendet in einer Menge, die genügend gross ist, um dem grünen Formsand Eigenschaften zu verleihen, die in der eben erwähnten Patentschrift angeführt sind. In einer solchen Verbindung wird die Konzentration der Alkanoate variieren zwischen 5 und 40 Gew.-%, und die Konzentration des Trihydroxydiphenyls wird variieren zwischen 20 und 80 Gew.-%, mit der Auflage, dass in der Zusammensetzung mindestens 15 Gew.-% Wasser enthalten sind.

Die nachfolgend angeführten Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung. Die Prozent- und die Teilangaben

4

s io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

639 880

sind gewichtsmässig. In diesen Beispielen wurde ein grüner Formsand verwendet, der aus 4475 Gewichtsteilen Nr. 130 McConnellsville Sand,1 300 Gewichtsteilen Western Bentonit, 75 Gewichtsteilen Wasser und 150 Gewichtsteilen einer 50%igen wässrigen Lösung des jeweiligen Additivs bestand. Immer dann, wenn das Additiv ein hydriertes Salz, z.B. Magnesiumacetat-Tetrahydrat war, wurde die 50%ige Konzentration bezogen auf hydrierte Salzbasis und nicht auf die anhydrische Basis. Somit war die Salzkonzentration auf einer anhydrierten Basis geringer als 50%, und im Falle von Magnesiumacetat war sie 33,2%. Zusätzlich wurde ein Kontrollsand präpariert aus 4475 Teilen Sand, 300 Teilen Western Bentonit und 150 Teilen Wasser. Jede Zusammensetzung von grünem Formsand wurde erhalten durch Zusetzen von Wasser bzw. der wässrigen Lösung des Additivs zum Salz, reiben während einer Minute, dann wurde der Western Bentonit zugesetzt und das Reiben während 10 min weitergeführt. Zwei Minuten vor dem Ende des Reibens wurde der Feuchtigkeitsgehalt nachgeprüft und im Bedarfsfall eingestellt auf ungefähr 3%. Nach Verweilenlassen über Nacht wurden die physikalischen Eigenschaften des so erhaltenen Sandes bestimmt bei Umgebungstemperatur und auch nachdem der Sand gleichmässig erhitzt worden war auf 54,5 bis 65,5 °C in einem verschlossenen Behälter, dann gleichmässig verteilt worden war bis zu einer Tiefe von 25,4 mm auf einer auf 60 °C erhitzten Fläche und schliesslich der Atmosphäre ausgesetzt war während bis zu 25 min zur Simulierung von heissem Sand.

1. Grüne Zugfestigkeit - Sand bei Umgebungstemperatur und heisser Sand. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 8, S. 6, 1963. Angeführtin N/cm2 als Mittelwert von drei Versuchsergebnissen.

2. Grüne Druckfestigkeit - Nur Sand bei Umgebungstemperatur. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 8, S. 2,1963. Angeführt in N/cm2 als Mittelwert von drei Versuchsergebnissen.

3. Trockene Druckfestigkeit-Bei Umgebungstemperatur und für heissen Sand. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 8, S. 4,1963. Angeführt in N/cm2 als Mittelwert von drei Versuchsergebnissen.

4. Grüne Scherfestigkeit - Nur für Sand bei Umgebungstemperatur. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 8, S. 5,1963. Angeführt in N/cm2 als Mittelwert von drei Versuchsergebnissen.

5. Grüne Durchlässigkeit - Nur für Sand bei Umgebungstemperatur. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 7, S. 9, 1963. Angeführt als Durchlässigkeitszahl, und zwar Mittelwert aus drei Versuchsergebnissen.

6. Grüne Formhärte - Nur für Sand bei Umgebungstemperatur. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 9, S. 1, 1963. Angeführt als Formhärtenummer, Mittelwert aus drei Versuchsergebnissen.

7. Grüne Formdeformation - Nur für Sand bei Umgebungstemperatur. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 16, S. 1, 1963. Angeführt in mm/mm als Mittelwert von drei Versuchsergebnissen.

8. Zähigkeit - Das Produkt aus grüner Druckfestigkeit und grüner Deformation.

9. Verdichtbarkeit - Für Sand bei Umgebungstemperatur und für heissen Sand. Bestimmt gemäss «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 9, S. 4, (Rev. 1973). Angeführt in Prozenten.

1 Typische Analyse: AFS Feinheit Nr. 133: Siebanalyse: 0,2% =

0,420 mm; 0,4% = 0,297 mm; 2,4% = 0,210 mm; 12,8% = 0,149 mm; 29,2% = 0,105 mm; 39,4% = 0.074 mm; <9,4% = 0,053 mm; 6,8% = 0,053 mm.

10. Feuchtigkeit - Für Sand bei Umgebungstemperatur und für heissen Sand. Bestimmt nach der Calciumcarbid-Methode, «AFS Foundry Sand Handbook», Sekt. 6, S. 5, 1963.

11. Anhaften - Nur für heissenSand. Sand bei 65,5 °C wird durch ein Sieb mit 3,36 mm Maschenweite hindurchgelassen in eine Bronze-Tonerde-Waschbasis, die einen zylindrischen Hohlraum mit einem Durchmesser von 85,7 mm und einer Tiefe von 28,6 mm aufweist, und zwar bei Umgebungstemperatur (21,1 °C). Überschüssiger Sand wird weg-gestossen, der Sand wird dann während 3 min stehengelassen, worauf die Form umgekehrt wird; dann wird viermal geklopft, um das Ausfallen des Sandes zu ermöglichen. Das Gewicht des Sandes, der an der Wandungsoberfläche des Hohlraumes anhaftete, wurde bestimmt und in Grammgewicht ausgedrückt.

Beispiele 1 und 2 Unter Anwendung der oben angegebenen Prozeduren wurden Magnesiumacetat und Lithiumacetat geprüft als grüne Formsandadditive. Die Messwerte aus diesen zwei Versuchen sind in der Tabelle I zusammengestellt, zusammen mit Messwerten aus einem Vergleichsversuch in Abwesenheit von Additiv.

Tabelle I Ermittlung der Versuchswerte für Lithium- und Magnesiumacetat

Ver

Beispiel

gleichs-

1

2

versuch

Ma

Lithium

gnesium acetat"1'

acetat+

Konzentr. wasserfreie

Basis, %

-

33,2

32,4

Grün-Sand-Eigenschaften

(Umgebungstemperatur)

Zugfestigkeit

1,14

0,92

0,85

Druckfestigkeit

7,93

7,10

6,48

Deformation

0,31

0,45

0,43

Zähigkeit

2,46

3,19

2,79

Scherfestigkeit

1,86

1,93

1,72

Permeabilität

53,0

55,8

53,5

Formhärte

90,0

88,0

87,0

Verdichtbarkeit

63,5

66,0

65,0

Trocken-Druckfestigkeit

94,5

191,8

191,1

(Umgebungstemperatur)

Heisssandeigenschaften

Heissverdichtbarkeit

Aussetzdauer, min

0

57,5

63,0

62,0

5

39,0

57,0

58,5

10

40,0

56,5

57,0

15

37,0

55,0

55,0

20

38,0

52,0

54,0

25

38,0

51,0

50,0

T rocken-Druckfestigkeit

Aussetzdauer

min

0

55,9

143

160

5

25,5

109

124

10

26,2

104

113

15

26,9

101

110

20

21,3

90

112

25

25,5

86

89

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

639880

6

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Ver

Beispiel gleichs-

1 2

versuch

Ma- Lithium-

gnesium- acetat+

acetat+

Feuchtigkeit am Anfang

3,1

3,1

3,0

am Ende

1,75

1,85

1,95

Heiss-Grün-Zugfestigkeit

1,0*

0,76

0,66

Haftversuch

3**

0,15

0,2

* Mittel aus 6 Versuchen ** Nach 2 Sätzen von 4 Klopfschlägen

T Magnesiumacetat als Tetrahydrat; Lithiumacetat als Dihydrat

Daraus kann ersehen werden, dass sowohl das Magnesiumacetat wie auch das Lithiumacetat die Heisssandver-dichtbarkeit und die Trockendruckfestigkeit erheblich verbessert haben und auch in starkem Ausmass das Haften von 5 Sand an der Form im Haftversuch vermindert haben. Dieses Ergebnis wurde erreicht ohne erhebliche Beeinträchtigung der Grünsand- und Trockensandeigenschaften bei Umgebungstemperatur. In der Tat haben die beschriebenen Additive in erheblichem Mass die Zähigkeit und die Trocken-lo druckfestigkeit des grünen Formsandes verbessert.

Vergleichsbeispiele A bis E Die oben beschriebenen Versuchsprozeduren wurden wiederholt unter Verwendung von verschiedenen Metall-i5 Chloriden als Additive. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen sind in der Tabelle II summarisiert, zusammen mit entsprechenden Ergebnissen aus Beispielen 1 und 2 zur Erleichterung des Vergleiches.

Tabellen

Vergleich von Lithium- und Magnesiumacetat mit Metallchloriden

Vergleichs- Beispiele versuch 1 A B 2 C D E

Additiv - MgAc* MgCl2+ CaCl2+ LiAc* LiCl KCl NaCl Konzentration,

wasserfreie Basis, % 1,66 33,2 23,4 37,8 32,4 50 50 50

Grün-Sand-Eigenschaften (Umgebungstemperatur)

Zugfestigkeit 1,14 0,92 0,78 0,61 0,86 0,63 0,46 0,65

Verdichtbarkeit 63,5 66,0 63,0 62,0 65,0 55,0 52,5 56,0

Trockendruckfestigkeit 95 192 62 59 191 26 21 52 (Umgebungstemperatur)

* MgAc = Magnesiumacetat; LiAc = Lithiumacetat + MgCl2 als MgCl2 • 6H20; CaCl2 als CaCl2 • 2H20

Ver- Beispiele gleichs- 1 A B 2 C D E

versuch

MgAc MgCI2+ CaCl2+ LiAc* LiCl KCl NaCi

Heisssandeigen-schaften Heissverdicht-barkeit, Aussetzdauer min

0

57,2

63,0

61,5

57,0

62,0

50,0

41,5

49,0

5

39,0

57,0

58,0

57,0

58,5

47,0

30,0

37,5

10

40,0

56,5

54,0

56,0

57,0

46,0

29,5

33,5

15

37,0

55,0

58,5

55,0

55,0

47,0

27,0

35,0

20

38,0

52,0

57,0

54,0

54,0

47,0

26,5

32,0

25

38,0

51,0

54,0

51,0

50,0

47,0

25,0

28,5

Trockendruck

festigkeit,

Aussetzdauer

min

0

56

143

37

40

160

28

-

20 '

5

25

109

35

50

124

28

22

24

10

26

104

34

54

113

30

23

23

15

27

101

34

44

110

29

28

23

20

21

90

34

41

112

31

22

23

25

25

86

33

40

90

30

21

19

7 639 880

Tabelle II (Fortsetzung)

Vergleichsversuch

Beispiele 1

A

B

2

C

D

E

MgAc

MgCl2 +

CaCl2 +

LiAc*

LiCl

KCl

NaCi

Feuchtigkeit

am Anfang

3,1

3,1

3,1

3,1

3,0

3,1

3,1

3,0

am Ende

1,75

1,85

2,1

2,1

1,95

2,75

1,7

1,7

Heiss-Grün-

Zugfestigkeit

1,0

0,76

0,59

0,52

0,67

0,44

0,54

0,68

Haftversuch

3,0

0,15

0,1

0,1

0,2

0

0,3

0,1

Aus Tabelle II ist ersichtlich, dass das Metallacetat den entsprechenden Metallchloriden und anderen Alkali- und Erdalkalichloriden als Additive zu grünem Formsand überlegen ist. Man sieht, dass die Chloride die Grün-Zugfestig-keit und die Trockendruckfestigkeit des grünen Formsandes erheblich herabsetzen, ferner dass die Chloride überhaupt keine oder nur eine schwache Verbesserung der Trockendruckfestigkeit brachten und zudem die grüne Zugfestigkeit des heissen Formsandes erheblich herabsetzten. Von besonderem Interesse ist das schlechte Ergebnis von Lithiumchlorid trotz der Tatsache, dass dieses noch erheblich besser ist als die anderen Additive in bezug auf die Fähigkeit, den Feuchtigkeitsverlust zu verzögern.

20

Vergleich der Beispiele F bis K Unter Anwendung ähnlicher Prozeduren wurden Acetate von anderen Metallen als Lithium und Magnesium geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in Tabelle III zusammen-25 gefasst, zusammen mit den Ergebnissen der Beispiele 1 und 2 zu Vergleichszwecken.

Tabelle III

Vergleich von Lithium- und Magnesiumacetat mit anderen Metallacetaten

Vergleichsversuch

Beispiele 1

F

G

H

2

J

K

Additiv

_

MgAc

CaAc+

BaAc

ZnAc+

LiAc

KAc

NaA

Konzentration,

wasserfreie Basis, %

33,2

44,8

50

41,7

32,4

50

30,2

Grün-Sand-Eigenschaften

Zugfestigkeit

1,15

0,92

1,10

0,98

1,01

0,86

0,42

0,7:

Verdichtbarkeit

63,5

66

65

62

62

65

54

63

Trocken-Druckfestigkeit

95

192

191

153

154

191

48

88

Heisssandeigenschaften

Heissverdichtbarkeit,

Aussetzung

min

0

57,5

63,0

59,0

58,0

61,0

62,0

51,0

59,0

5

39,0

57,0

41,0

39,5

45,0

58,5

46,0

53,0

10

40,0

56,5

43,5

37,5

44,5

57,0

44,0

49,0

15

37,0

55,0

41,0

36,5

45,0

55,0

40,0

48,0

20

38,0

52,0

41,0

35,0

44,5

54,0

38,0

52,0

25

38,0

51,0

43,0

33,0

41,0

50,0

35,0

38,0

T rocken-Druck-Festigkeit

Aussetzung

min

0

56

143

124

101

117 .

160

41

72

5

25

109

57

67

45

124

39

51

10

26

104

68

59

53

113

36

49

15

27

101

59

55

55

110

32

42

20

21

90

54

49

58

112

35

41

25

25

86

55

43

61

90

36

35

Feuchtigkeit

am Anfang

3,1

3,1

3,1

3,15

2,95

3,0

3,1

3,1

am Ende

1,75

1,85

1,8

1,6

1,95

1,95

2,0

1,6

Haftversuch

3

0,15

0,4

0,7

0,1

0,2

0,2

0,1

+ CaAc als CaAc • H20; ZnAc als ZnAc 2H20; NaAc als NaAc • 3H20

639 880

Aus Tabelle III ist ersichtlich, dass von den verschiedenen getesteten Acetaten nur diejenigen von Magnesium und Lithium die Heisssandeigenschaften merklich verbesserten. Die anderen Acetate hatten keinen oder nur sehr geringen Einfluss auf die Heisssandverdichtbarkeit oder die Heiss-sand-Trockendruckfestigkeit. Insbesondere hatte das Kali-umacetat, das nach Dunbeck als Feuchtigkeitsrückhalte-Additiv für synthetische Sande besonders in Frage kommen soll und als dem Lithiumchlorid unterlegen angeführt wird, keinen merklichen Einfluss, wenn man vom Haftversuch absieht.

In den angeführten Beispielen sind nur einfache Verbindungen angeführt worden. Es liegt aber im Rahmen der Er-

8

findung, Mischungen von zwei oder mehr Lithium- oder Magnesiumsalzen zu verwenden; es wird aber kein besonderer Vorteil erreicht durch Verwendung solcher Mischungen. Magnesiumacetat wird insbesondere bevorzugt. Die-s ses Material hat, wenn in Wasser aufgelöst, die Tendenz, eine Haut oder Kruste an der Oberfläche der Lösung zu bilden, wenn diese der freien Atmosphäre ausgesetzt wird. Diese Haut hat den Effekt, die Verdampfung von Wasser auf der unter der Haut befindlichen Lösung zu verzögern. Es ist io wohl möglich, dass diese Eigenschaft für die ausgesprochene Überlegenheit von Magnesiumacetat als Additiv zu Heiss-grünformsand verantwortlich ist.

s

Claims (10)

639 880

1. Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von heissem grünem Formsand, der Sand, Ton als Bindemittel und Feuchtigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, dass man dem grünen Formsand mindestens ein Lithium- und/oder Magnesiumsalz einer Niederalkansäure zusetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ein Acetat ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ein Magnesiumacetat ist.

4. Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in Form einer wässrigen Zubereitung, die mindestens ein gelöstes Lithium- und/oder Magnesiumsalz einer Niederalkansäure und ausserdem ein weiteres, in Wasser dispergier-bares oder lösliches Additiv enthält.

5. Mittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Lithium- und/oder Magnesiumacetat enthält.

6. Mittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Magnesiumacetat enthält.

7. Mittel nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass es als weiteres Additiv Trihydroxydiphe-nyl enthält.

8. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellter grüner Formsand, der Sand, Ton als Bindemittel und Feuchtigkeit und zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften in heissem Zustand zusätzlich mindestens ein Lithium-und/oder Magnesiumsalz einer Niederalkansäure enthält.

9. Grüner Formsand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Acetat enthält.

10. Grüner Formsand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er Magnesiumacetat enthält.