DD293520C4 - BINDERLOESUNG FOR THE MANUFACTURE OF CERAMIC MASK FORMS - Google Patents
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Description
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfitidung betrifft eine Binderlösung auf Basis von ethylsilicatischen Bindemitteln, die in Bindersuspensionen für alle Überzugsschichten zur Herstellung von keramischen Maskenformen für die Feingießtechnik verwendet werden kann.The invention relates to a binder solution based on ethylsilicate binders, which can be used in binder suspensions for all coating layers for the production of ceramic shell molds for the investment casting technique.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
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 Zwischantrocknung 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 Tauchvorgang gebildete 1. Überzugsschicht im wesentlichen die Oberflächenqualität der Gußstücke, während die nachfolgenden Schichten die Festigkeit und Maßhaltigkeit der keramischen Maskenformen beeinflussen.To make ceramic mask molds, fusible or otherwise removable models are dipped in a binder suspension and then sprinkled with fine-grained refractory material. This process is repeated several times after an intermediate drying and the coating formed subsequently cured. The quality of the ceramic mask molds and thus also the quality of the castings produced therewith depends essentially on the nature of the binder suspensions. The first coating layer formed during the dipping process essentially determines the surface quality of the castings, while the subsequent layers influence the strength and dimensional stability of the ceramic mask molds.
Die Bindersuspension setzt sich aus einer Binderlösung, feuerfestem, pulverförmigom 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. Bindersuspens onen, die Ethylsilicate als Bindemittel enthalten, werden wegen ihres festen Bindevermögens überwiegend für die Herstellung der höheren Überzugsschichten eingesetzt. Dagegen werden Bindersuspensionen 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 die 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 Sedirnentationsverhaltens 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 fviaskenformen, die unter Verwendung derartiger Binderlösungen erreichbar ist, nicht immer ausreichend, um den extrem bohen 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 264389 eine Verbesserung der Bindersuspensionen durch Zugabe von Methylphenylsiliconharzen erzielt wird.The binder suspension is composed of a binder solution, refractory, pulverförmom material and possibly other additives. The binder solution contains, in addition to a binder, water, organic solvent, hydrolysis catalyst, surfactant and optionally further additives. As binders, ethyl silicates and silica sols are known. They are usually used individually, but they are also used in a combination as so-called hybrid binder use. Bindersuspens onen, containing ethyl silicates as binders are used mainly because of their strong binding capacity for the production of the higher coating layers. In contrast, binder suspensions with silica sol as a binder are preferably used for producing the first coating layer because of their favorable flow behavior and production of an elastic coating layer with a smooth inner surface of the ceramic mask molds. Thus, two different binder suspensions are required for the production of ceramic mask molds, as well as the hybrid binder-containing binder suspensions are widely used for the production of the higher coating layers application. To improve the flow and Sedirnentationsverhaltens and to increase the binding capacity of the ethyl silicate-containing binder suspensions are often still additional substances, eg. B. added kaolin. However, these react undesirably with the melt, which is why such suspensions are completely unusable for the production of the first coating layer. Ethyl silicate binder solutions are advantageously made with a higher water content than required for hydrolysis (excess water binder). They are characterized by a favorable bonding behavior. Nevertheless, the strength of the ceramic fiber molds achievable using such binder solutions is not always sufficient to withstand the extremely high stresses, especially during firing and pouring. Therefore, changes in the composition of the binder solutions based on ethylsilicate binders have been proposed which are intended to eliminate this deficiency. So z. B. DD 153956 described binders in which the alkoxy groups are partially substituted by methyl groups. However, the binder suspensions containing them have a poor drying behavior. In DD 254 538 a binder is proposed which consists of a combination of non-hydrolyzing and partially hydrolyzing ethyl silicates while according to DD 264389 an improvement of the binder suspensions is achieved by the addition of methyl phenyl silicone resins.
Es werden 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.Although high strength of the ceramic mask molds is achieved in both cases, the respective modified binder suspensions are only suitable for the production of the higher coating layers, since both contain kaolin. There are no binder solutions have been described that can be used with good success in binder suspensions for the production of all coating layers.
Ziel der ErfindungObject of the invention
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.The aim of the invention is the development of a binder solution which can be used for binder suspensions of all coating layers for the production of ceramic mask molds. Moldmaking and molding costs are to be reduced and the technological process simplified.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einheitliche Binderlösung für die Bindersuspensionen aller Überzugsschichten auf Basis von ethylsilicatischen. Bindemitteln zu entwickeln. Durch Einsatzu dieser Bindelösung soll die Herstellung keramischer Maskenformen, die sowohl sehr hohe Festigkeiten als auch konturengenaue, glatte, abriebfreie innere Oberflächen aufweisen, gewährleistet sein.The invention is based on the object, a uniform binder solution for the binder suspensions of all coating layers based on ethylsilicatischen. Develop binders. By use of this binding solution, the production of ceramic mask molds, which have both very high strengths and contour-accurate, smooth, abrasion-free inner surfaces, should be ensured.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Binderlösung auf Baisis ethylsilicatischer Bindemittel verwendet wird, die 0,2 bis 3,0 Masseanteil in % Silanhaftmittel der allgemeinen Formel RSi(OR1I3, wobei R = C2 bis C,2 Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Alkylaryl, Alkylcycloalkyl, Alkylcycloalkenyl oder Glycidoxyalkyl und R' = C1 bis C4 Alkyl bedeuten, sowie 0,5 bis 6,0 Masseanteile in % Kieselsol enthält. Als Silanhaftmittel finden bevorzugt Cyclohexenylethyltriethoxysilan und/oder Glycidoxypropyltriethoxysilan Anwendung. Es kann gemeinsam mit dem Bindemittel der Binderlösung zugesetzt und hydrolysiert werden.According to the invention the object is achieved in that a binder solution is used on Baisis ethylsilicatischer binder, the 0.2 to 3.0 parts by weight in% silane coupling agent of the general formula RSi (OR 1 I 3 , where R = C 2 to C, 2 alkyl, Aryl, cycloalkyl, cycloalkenyl, alkylaryl, alkylcycloalkyl, alkylcycloalkenyl or glycidoxyalkyl and R '= C 1 to C 4 alkyl, and 0.5 to 6.0 parts by mass in% silica sol contains As silane coupling agent are preferably cyclohexenylethyltriethoxysilane and / or glycidoxypropyltriethoxysilane application. It can be added together with the binder of the binder solution and hydrolyzed.
Als Kieselsole erweisen sich handelsübliche Kieselsäurelösungen mit einem SiO2-GeHaItI von 30 Massenanteile in % und einem stabilisierten, alkalischen oder saurem pH Bereich als vorteilhaft. Die ethylsilicatischon Bindemittel sollten SiO2-Gehalte von 28 bis 43 Masseanteile in % aufweisen, wobei Gehalte von 40 Masseanteiler. in % günstig und üblich sind. Im allgemeinen werden Bindemittel auf Basis polymerer Ethoxysiliciumverbindungen verwendet.Commercially available silicic acid solutions having an SiO 2 content of 30% by mass and a stabilized, alkaline or acidic pH range prove to be advantageous as silica sols. The ethylsilicate binders should have SiO 2 contents of 28 to 43 wt. Parts in%, with contents of 40 wt. in% low and usual. In general, binders based on polymeric ethoxysilicon compounds are used.
Ethylsilicate bekannten niedrigen Bereich von 12 bis 17 Masseanteile in %.Ethyl silicate known low range of 12 to 17 parts by weight in%.
Der pH-Wert der Binderlösung soll kleiner 3 sein, d.h. ein stabiler, saurer Bereich 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.The pH of the binder solution should be less than 3, i. a stable, acidic range must be maintained. In particular, when using alkaline silica sols, the acid addition is to be sized accordingly. By an excess of water, the known improvements are achieved in the binder solutions according to the invention.
Aus den erfindungsgemäßen Binderlösungen werden durch Zugabe von für das Feingießvjrfahren bekannten, pulverförmigen,From the binder solutions according to the invention by the addition of known for the Feingießvjrfahren, powdery,
feuerfesten Füllstoffen Bindersuspensionen hergestellt, die für alle Überzugsschichten verwendbar sind. Es sind keine Zusatzstoffe zur Verbesserung des Fließ- und Sedimentationsverhaltens sowie zur Steigerung des Bindevermögens erforderlich.refractory fillers binder suspensions which are suitable for all coating layers. No additives are needed to improve the flow and sedimentation behavior and to increase the binding capacity.
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.Suitably, only the viscosity of the first coating layer is chosen lower than that of the higher, in which the relation binder solution to filler is shifted in favor of the binder solution.
Durch den Einsatz einer einheitlichen Binderlösung für alle Üborzugsschichten 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.The use of a uniform binder solution for all overcoat layers significantly reduces the technological and economic costs for producing the ceramic mask molds. In particular, the mask shapes are characterized by high quality of the inner surface, whereby the reject rate is lowered, the u. a. caused by inaccuracy of the contours and roughness of the surface. It is also striking to increase the abrasion resistance of the inner surfaces of the fired ceramic mask molds.
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.A reduction in the mold manufacturing costs results from an increase in strength in the green, molten state by 40 to 90% and in the fired state by 5 to 15%, based on a binder solution without the additives according to the invention. The structural strength is increased. This makes the handling of the ceramic mask molds safer; the break rate is lowered.
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, wieThe binder suspensions prepared with the binder solutions according to the invention have a significantly improved flow behavior in comparison to known binder suspensions, whereby the formation of a uniform suspension film is ensured with a small amount of suspension. Thus, the molding material costs are lowered as well
durch die Verringerung ö".s SiO2-Gehaltes der Binderlösung für die Bindersuspension der 1. Überzugsschicht (gegenüber der üblichen Kieselsolbinderlösung).by reducing ö ".s SiO 2 content of the binder solution to the suspension of the binder 1. coating layer (compared to the usual Kieselsolbinderlösung).
Eine weitere Effektivitätssteigerung wird durch eine Verbesserung dos 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.A further increase in efficiency is achieved by improving the drying behavior, especially in the higher coating layers. As can be seen from FIG. 1, comparable moistures, especially in the area of the final moistures, are more easily achieved with the additive according to the invention than without. This can shorten the drying times.
Ausführungsbeispieleembodiments
Eine Binderlösung der in nachfolgender Tabelle angegebenen Zusammensetzung wird in der dort angeführten Reihenfolge unter Rühren hergestellt.A binder solution of the composition given in the table below is prepared in the order stated therein with stirring.
Nach der 1. Zugabe von Wasser und Schwefelsäure erfolgt eine Hydrolyse im Zeitraum von 15 bis 20 min. Erst danach worden die Hauptwassermenge (2. Zugabe) sowie die restlichen Ausgangskomponenten unter weiterem Rühren zugefügt. Zur Herstellung der Bindersuspension wird in die Binderlösung Ouarzmohl (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 dispergiart. 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 Bindersuspensionon unterschiedlicher Viskosität kann ohne weiteres auch durch nachträgliches Zudosieren von Quarzmehl bzw. Verdünnen mit Binderlösung aus der jeweiligen anderen Suspension erfolgen. Nach dem Tauchen in die Bindersuspension wird die 1. Überzugsschicht mit Quarzsand einer mittleren Korngröße von 0,25mm, die nachfolgenden Schichten mit Quarzsand einer mittleren Korngröße von 0,78mm bestreut. Es schließt sich eine Zwischentrockming bei 303 K, einer relativen Luftfeuchte von 40% und einer Windgeschwindigkeit von 1,2 m/s an. Die Zeitdauer beträgt für die 1. Überzugsschicht 35 min 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 Festigkeitsparameter wurden mit keramischen Prüfkörpern gemäß DD 254338 bestimmt. Sie sind Tabelle 1 zu entnehmen.After the first addition of water and sulfuric acid, hydrolysis takes place in the period of 15 to 20 minutes. Only then was added the main amount of water (2nd addition) and the remaining starting components with further stirring. To prepare the binder suspension is added to the binder solution Ouarzmohl (main grain fraction 0.005 to 0.08km) with stirring. For the first coating layer, 238.0 parts by weight in%, and for the following layers 245.5 parts by weight in% (based on the binder solution) of quartz flour dispersible. The viscosity of the suspensions, measured as the flow time with a flow cup (TGL 14301, nozzle diameter 5 mm), is then 30.8 s for the 1. Coating layer and 42.1 s for the subsequent layers. The preparation of the two Bindersuspensionon different viscosity can readily be done by subsequent addition of quartz powder or dilution with binder solution from the respective other suspension. After immersion in the binder suspension, the first coating layer is sprinkled with quartz sand having an average particle size of 0.25 mm, the subsequent layers with quartz sand having an average particle size of 0.78 mm. This is followed by an intermediate drying at 303 K, a relative humidity of 40% and a wind speed of 1.2 m / s. The time duration is 35 minutes for the first coating layer and 80 minutes for the subsequent layers. The ceramic mask molds produced in this way are characterized by an exact reproduction of the model contours. They have a smooth, completely abrasion-resistant inner surface. Their strength parameters were determined with ceramic test specimens according to DD 254338. They are shown in Table 1.
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.The drying behavior was also determined using test specimens and is illustrated by the example of the second and fifth coating layers in FIG. 1 (curves 1-2 and 1-5).
Es wird abweichend von Beispiel 1 anstelle von Cyclohexenylethyltriethoxysilan Glycidoxypropyliriothcxysilan in gleicher Menge zugegeben. Dadurch ergeben sich veränderte Auslaufzeiten. Sie betragen für die 1 .Überzugsschicht 28,6s und für die nachfolgenden Schichten 38,8s.It is notwithstanding Example 1 instead of cyclohexenylethyltriethoxysilane Glycidoxypropyliriothcxysilan added in the same amount. This results in changed flow times. They amount to 28.6 s for the 1. Coating layer and 38.8 s for the subsequent layers.
Festigkeitsparameter sind der Tabelle 1 zu entnehmen. y Strength parameters are shown in Table 1. y
Das Trocknungsverhalten der 2. und 5. Überzugsschicht ist als Kurven 2-2 und 2-5 in Figur 1 dargestellt.The drying behavior of the second and fifth coating layers is shown as curves 2-2 and 2-5 in FIG.
Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)Example 3 (comparative example)
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.By way of derogation from Example 1, no cyclohexenylethyltriethoxysilane and no silica sol are used, and the amounts of ethanol are increased to 20.11 parts by weight in% and the second addition of water to 36.5 parts by weight in%. The binder suspension for the 2nd and subsequent coating layers are additionally added 0.5 parts by weight in% kaolin. There are flow times of 26.3 (1st coating layer) and 45.0s (subsequent layers). The quality of the inner surfaces of the ceramic mask molds thus produced is insufficient and in particular has the surface roughness typical of ethylsilicate binder suspensions. The strength parameters are shown in Table 1. The drying behavior of the second and fifth coating layers is shown as curves 3-2 and 3-5 in FIG.
Festigkeitsparameter der keramischen PrüfkörperStrength parameters of the ceramic test specimens
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| DD293520A5 (en) | 1991-09-05 |
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