DD293520A5 - Binderloesung zur herstellung keramischer maskenformen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Binderlösung zur Herstellung keramischer Maskenformen für die Feingieîtechnik mit niedrigen Formstoff- und Formherstellungskosten , die auf Basis von Ethylsilicaten als Bindemittel in Bindersuspensionen für alle _berzugsschichten verwendet wird. Erfindungsgemäî enthalten die Binderlösungen 0,2 bis 3,0 Masseanteile in % Silanhaftmittel der allgemeinen Formel R Si(ORÝ)wobei R = C ind 2- bis C ind 12-Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Alkylaryl, Alkylcycloalkyl, Alkylcycloalkenyl oder Glycidoxyalkyl und RÝ = C ind 1- bis C ind 4-Alkyl und 0,5 bis 6,0 Masseanteil in % Kieselsol. Als Silanhaftmittel werden bevorzugt Cyclohexenylethyltriethoxysilan und/oder Glycidoxypropyltriethoxysilan verwendet.{Binderlösung; keramische Maskenformen; Feingieîtechnik; Ethylsilicate; Bindemittel; Bindersuspensionen; _berzugsschichten; Silanhaftmittel; Kieselsol; Cyclohexenylethyltriethoxysilan; Glycidoxypropyltriethoxysilan}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Bindorlösuny auf Basis von ethylsilicatischen Bindemitteln, die in Bindersuspensionen für alle Überzugsschichten zur Herstellung von keramischem Maskenformen für die Feingießtechnik verwendet werden kann.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Herstellung keramischer Maskenformen werden ausschmelzbare oder anderweitig entfernbare Modelle in eine Bindersuspension getaucht und anschließend mit feinkörnigem, feuerfestem Material bestreut. Dieser Vorgang wird nach einer Zwischentrocknung mehrfach wiederholt und der gebildete Überzug anschließend ausgehärtet. Die Qualität der keramischen Maskenformen und damit auch die Qualität der damit hergestellten Gußstücke hängt im wesentlichen von der Beschaffenheit der Bindersuspensionen ab. Dabei bestimmt die beim Taiichvorgang gebildete 1. Überzugsschicht im wesentlichen die Oberflächenqualität der Gußstücke, während die nachfolgenden Schichten die Festigkeit und Maßhaltigkeit der keramischen Maskenfcrmen beeinflussen.

Die Bindersuspension setzt sich aus einer Binderlösung, feuerfestem, pulverförmigem Material und ggf. weiteren Zusätzen zusammen. Die Binderlösung enthält neben einem Bindemittel Wasser, organisches Lösungsmittel, Hydrolysekatalysator, Tensid sowie ggf. weitere Zusätze. Als Bindemittel sind Ethylsilicate und Kieselsole bekannt. Sie werden in der Regel einzeln eingesetzt, jedoch finden sie auch in einer Kombination als sogenannte Hybridbinder Verwendung. Bindersuspensionen, die Ethylsilicate als Bindemittel enthalten, werden wegen ihres festen Bindevermögens überwiegend für die Herstellung der höheren Überzugsschichten eingesetzt. Dagegen werden Binder?ur.pe.isionen mit Kieselsol als Bindemittel wegen ihres günstigen Fließverhaltens und Erzeugung einer elastischen Überzugsschicht mit glatter innerer Oberfläche der keramischen Maskenformen bevorzugt zur Herstellung der 1. Überzugsschicht verwendet. Damit werden für dje Herstellung keramischer Maskenformen zwei unterschiedliche Bindersuspensionen benötigt, da auch die Hybridbindemittel enthaltenden Bindersuspensionen weitgehend für die Herstellung der höheren Überzugsschichten Anwendung finden. Zur Verbesserung des Fließ- und Sedimentationsverhaltens sowie zur Steigerung des Bindevermögens werden den Ethylsilicat enthaltenden Bindersuspensionen häufig noch zusätzliche Stoffe, z.B. Kaolin hinzugefügt. Diese reagieren jedoch unerwünscht mit der Schmelze, weshalb derartige Suspensionen für die Herstellung der 1. Überzugsschicht völlig unbrauchbar sind. Ethylsilicatische Binderlösungen werden vorteilhaft mit einem höheren Wasseranteil als zur Hydrolyse erforderlich ist, hergestellt (Wasserüberschuß-Binder). Sie zeichnen sich durch ein günstiges Abbindungsverhalten aus. Trotzdem ist die Festigkeit der keramischen Maskenformen, die unter Verwendung derartiger Binderlösungen erreichbar ist, nicht immer ausreichend, um den extrem hohen Belastungen, besonders während des Brennens und Abgießens, standzuhalten. Es sind deshalb Änderungen in der Zusammensetzung der Binderlösungen auf Basis ethylsilicatischer Bindemittel vorgeschlagen worden, die diesen Mangel beseitigen sollen. So werden z. B. in DD 153956 Bindemittel beschrieben, bei denen die Alkoxygruppen teilweise durch Methylgruppen substituiert sind. Die sie enthaltenden Bindersuspensionen weisen jedoch ein schlechtes Trocknungsverhalten auf. In DD 254 538 wird ein Bindemittel vorgeschlagen, das aus einer Kombination von nicht hydrolysieren und partiell hydrolysieren Ethylsilicaten besteht, während gemäß DD 264 389 eine Verbesserung der Bindersuspensionen durch Zugabe von Methylphenylsiliconharzen erzielt wird.

Es worden zwar in beiden Fällen hohe Festigkeit der keramischen Maskenformen erreicht, doch sind die jeweilig modifizierten Bindersuspensionen nur für die Herstellung der höheren Überzugsschichten geeignet, da beide Kaolin enthalten. Es sind bisher noch keine Binderlösungen beschrieben worden, die mit gutem Erfolg in Bindersuspensionen für die Herstellung aller Überzugsschichten einsetzbar sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Binderlösung, die für Bindersuspensionen aller Überzugsschichten zur Herstellung von keramischen Maskenformen einsetzbar ist. Formstoff- und Formherstellungskosten sollen gesenkt und der technologische Ablauf vereinfacht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einheitliche Binderlösung für die Bindersuspensionen aller Üborzugsschichten auf Basis von ethylsilicatischen Bindemitteln zu entwickeln. Durch Einsatzu dieser Bindelösung soll die Herstellung keramischer Maskenformen, die sowohl sehr hohe Festigkeiten als auch kohturongenaue, glatte, abriebfreie innero Oberflächen aufweisen, gewährleistet sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Binderlösung auf Baisis ethylsilicatischor Bindemittel verwendet wird, die 0,2 bis 3,0 Masseanteil in % Silanhaftmittel der allgemeinen Formel RSi(OR¹I₃, wobei R = C₂ bis C₁₂ Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Alkylaryl, Alkylcycloalkyl, Alkylcycloalkenyl oder Glycidoxyalkyl und R' = C₁ bis C₄ Alkyl bedeuten, sowie 0,6 bis 6,0 Masseanteile in % Kieselsol enthält. Als Silanhaftmittel finden bevorzugt Cyclohexonylethyltriethoxysilan und/oder Glycidoxypropyltriethoxysilan Anwendung. Es kann gemeinsam mit dem Bindemittel der Binderlösung zugesetzt und hydrolysiert werden.

Als Kieselsole erweisen sich handelsübliche Kieselsäurelösungen mit einem SiO₂-Gehaltl von 30 Massenanteile in % und einem stabilisierten, alkalischen oder saurem pH Bereich als vorteilhaft. Die ethylsilicatischen Bindemittel sollten SiO₂-Gehalte von 28 bis 43 Masseanteile in % aufweisen, wobei Gehalte von 40 Masseanteilen in % günstig und üblich sind. Im allgemeinen worden Bindemittel auf Basis polymerer Ethoxysiliciumverbindungen verwondet.

Der SiO₂-GeHaIt der Binderlösung wird im wesentlichen durch den Masseanteil des Bindemittels bestimmt und liegt in dem für Ethylsilicate bekannten niedrigen Bereich von 12 bis 17 Masseanteile in %. Der pH-Wert muß eingehalten werden. Insbesondere ist bei Verwendung alkalischer Kieselsole die Säurezugabe entsprechend zu bemessen. Durch einen Wasserüberschuß werden auch bei den erfindungsgemäßen Binderlösungen die bekannten Verbesserungen erzielt.

Aus den erfindungsgemäßen Binderlösungen werden durch Zugabeyon für das Feingießverfahren bekannten, pulverförmigen,

feuerfesten Füllstoffen Bindersuspensionen hergestellt, die für alle Überzugsschichten verwendbar sind. Es sind keine Zusatzstoffe zur Verbesserung des Fließ- und Sedimentationsverhaltens sowiezur Steigerung des Bindevermögens erforderlich.

Zweckmäßig wird lediglich die Viskosität der ersten Überzugsschicht niedriger gewählt als die der höheren., in dem die Relation Binderlösung zu Füllstoff zugunsten der Binderlösung verschoben wird.

Durch den Einsatz einer einheitlichen Binderlösung für alle Überzugsschichten wird der technologische und ökonomische Aufwand zur Herstellung der keramischen Maskenformen erheblich verringert. Insbesondere zeichnen sich die Maskenformen durch hohe Qualität der inneren Oberfläche aus, wodurch die Ausschußquote gesenkt wird, die u. a. durch Ungenauigkeit der Konturen und Rauhigkeit der Oberfläche verursacht ist. Auffällig ist auch die Steigerung der Abriebfestigkeit der inneren Oberflächen der gebrannten keramischen Maskenformen.

Eine Senkung der Formherstellungskosten resultiert aus einer Festigkeitserhöhung im grünen, geschmolzenen Zustand um 40 bis 90% und im gebrannten Zustand um 5 bis 15%, bezogen auf eine Binderlösung ohne die erfindungsgemäßen Zusätze. Auch die Gestaltfestigkeit wird erhöht. Dadurch wird die Handhabung der keramischen Maskenformen sicherer; die Bruchquote wird gesenkt.

Die mit den erfindungsgemäßen Binderlösungen hergestellten Bindersuspensionen weisen ein deutlich verbessertes Fließverhalten im Vergleich zu bekannten Bindersuspensionen auf, wodurch mit einer geringen Suspensionsmenge die Ausbildung eines gleichmäßigen Suspensionsfilmes gewährleistet ist. Damit werden die Formstoffkosten ebenso gesenkt, wie durch die Verringerung des SiO₂-Gehaltes der Binderlösung für die Bindersuspension der 1. Überzugsschicht (gegenüber der üblichen Kieselsolbinderlösung).

Eine weitere Effektivitätssteigerung wird durch eine Verbesserung des Trocknungsverhaltens, insbesondere bei den höheren Überzugsschichten erzielt. Wie aus Figur 1 ersichtlich, werden vergleichbare Feuchten, besonders im Bereich der Endfeuchten, mit dem erfindungsgemäßen Zusatz eher erreicht als ohne. Dadurch können die Trocknungszeiten verkürzt werden.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

Eine Binderlösung der in nachfolgender Tabelle angegebenen Zusammensetzung wird in der dort angeführten Reihenfolge unter Rühren hergestellt.

Ausgangskomponente	Masseanteil in %
Ethanol (techn.)	19,5
Ethylsilicat (mit einem SiO2-	37,2
Gehaltvon41 Masseanteile in %)
Cyclohexenylethyltriethoxysilan	0,61
Wasser(1.Zugabe)	5,4
Schwefelsäure (konz. 1. Zugabe)	0,13
Wasser (2. Zugabe)	34,6
Schwefelsäure (konz. 2. Zugabe)	0,15
Phosphorsäure (85 Masseanteile in %)	0,06
alkalisches Kieselsol (mit einem	1,9
SiO2-Gehalt von 30 Masseanteile
in % und einer mittleren Teilchen
größe von 8 · 10~9 m)
Tensid (auf Basis von Nonylphenyl-	0,45
polyethylenglycol)'

Nach der 1. Zugabe von Wasser und Schwefelsäure erfolgt eine Hydrolyse im Zeitraum von 15 bis 20min. Erst danach werden die Hauptwassermenge (2. Zugabe) sowie die restlichen Ausgangskomponenten unter weiterem Rühren zugefügt. Zur Herstellung der Bindersuspension wird in die Binderlösung Quarzmehl (Hauptkornfraktion 0,005 bis 0,08km) unter Rühren eingetragen. Für die 1. Überzugsschicht werden 238,0 Masseanteile in %, für die nachfolgenden Schichten 245,5 Masseanteile in % (bezogen auf die Binderlösung) Quarzmehl dispergiert. Die Viskosität der Suspensionen, gemessen als Auslaufzeit mit einem Auslaufbecher (TGL 14301, Düsendurchmesser 5mm) beträgt dann für die 1. Überzugsschicht 30,8s und für die nachfolgenden Schichten 42,1 s. Die Herstellung der beiden Bindersuspensionen unterschiedlicher Viskosität kann ohne weiteres auch durch nachträgliches Zudosieren von Quarzmehl bzw. Vordünnen mit Bindorlösung aus der jeweiligen anderen Suspension erfolgen. Nach dem Tauchen in die Bindersuspension wird die 1. Überzugsschicht mit Quarzsand einer mittleren Korngröße von 0,25 mm, die nachfolgenden Schichten mit Quarzsand einer mittleren Korngröße von 0,78mm bestreut. Es schließt sich eine Zwischentrocknung bei 303 K, einer relativen Luftfeuchte von 40% und einer Windgeschwindigkeit von 1,2 m/s an. Die Zeitdauer beträgt für die 1.Überzugsschicht 35min und für die nachfolgenden Schichten 80min. Die so hergestellten keramischen Maskenformen zeichnen sich durch eine exakte Reproduktion der Modellkonturen aus. Sie haben eine glatte, völlig abriebfeste innere Oberfläche. Ihre Festigkeitsparametur wurden mit keramischen Prüfkörpern gemäß DD 254338 bestimmt. Sie sind Tabelle 1 zu entnehmen.

Das Trocknungsverhalten wurde ebenfalls mit Prüfkörpern ermittelt und ist am Beispiel der 2. und 5. Überzugsschicht in Figur 1 (Kurven 1-2 und 1-5) dargestellt.

Beispiel 2

Es wird abweichend von Beispiel 1 anstelle von Cyclohexenylethyltriethoxysilan Glycidoxypropyltriethoxysilan in gleicher Menge zugegeben. Dadurch ergeben sich veränderte Auslaufzeiten. Sie betragen für die 1 .Überzugsschicht 28,6s und für die nachfolgenden Schichten 38,8s. .

Die Qualität der inneren Oberfläche der keramischen Maskenformen ist die gleiche, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Festigkeitsparameter sind der Tabelle 1 zu entnehmen.

Das Trocknungsverhalten der 2. und 5. Überzugsschicht ist als Kurven 2-2 und 2-5 in Figur 1 dargestellt.

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)

Es wird abweichend von Beispiel 1 kein Cyclohexenylethyltriethoxysilan und kein Kieselsol verwendet und dafür die Ethanolmengen auf 20,11 Masseanteile in % und die 2.Zugabe des Wassers auf 36,5 Masseanteile in % erhöht. Der Bindersuspension für die 2. und nachfolgenden Überzugsschichten werden zusätzlich 0,5 Masseanteile in % Kaolin zugefügt. Es ergeben sich Auslaufzeiten von 26,3 (1 .Überzugsschicht) und 45,0s (nachfolgende Schichten). Die Qualität der inneren Oberflächen der so hergestellten keramischen Maskenformen ist ungenügend und weist insbesondere die für ethylsilicatische Bindersuspensionen typische Oberflächenrauhigkeit auf. Die Festigkeitsparameter sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Das Trocknungsverhalten der 2. und 5. Überzugsschicht ist als Kurven 3-2 und 3-5 in Figur 1 dargestellt.

Tabelle 1

Festigkeitsparameter der keramischen Prüfkörper

	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
im grünen Zustand
Biegefestigkeit,
nach dem Ausschmelzen
mit Dampf (0,3 M Pa) in M Pa	4,67	4,86	2,78
im gebrannten Zustand
(nach dem Brennen bei 1 223 K)
Biegefestigkeit in M Pa	2,54	2,48	2,37
Biegepfeil der Gesamt
verformung in %	0,475	0,480	0,420
E Modul in M Pa	1383	1370	1280

Claims (3)

1. Binderlösung zur Herstellung keramischer Maskenformen, die auf Basis von ethylsilicatischen Bindemitteln in Bindersuspensionen für alle Überzügsschichten verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderlösung 0,2 bis 3,0 Masseanteile in % Silanhaftmittel der allgemeinen Formel RSi(OfV)₃, wobei R = C₂ bis C₁₂ Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Alkylaryl, Alkylcycloalkyl, Alkylcycloalkenyl oder Glycidoxyalkyl und R' = C₁ bis C₄ Alkyl bedeuten, und 0,5 bis 6,0 Masseanteile in % Kieselsol enthält.

2. Binderlösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Silanhaftmittel Cyclohexenylethyltriethoxysilan und/oder Glygidoxypropyltriethoxysilan verwendet wird.

3. Binderlösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kieselsol handelsübliche Kieselsäurelösungen mit einem SiO₂ Gehalt von 30 Masseanteilen in % und einem stabilisierten alkalischen oder sauren pH Bereich verwendet werden.