DD296433A5 - Alkalische binderloesung fuer keramische maskenformen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bindersuspension zur Herstellung keramischer Maskenformen in der Feingusztechnik fuer alle UEberzugsschichten. Die Bindersuspension besteht aus:{alkalische Binder; Kieselsol; Methylthriethoxysilan; Ethyltriethoxysilan; universelle Anwendbarkeit; Keramikform; Feinguszueberzug}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar für die Herstellung keramischer Maskenformen in der Feingießtechnik und betrifft eine Binderlösung für keramische Bindersuspensionen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Herstellung keramischer Maskenformen für das Feingußverfahren wird ein ausschmelzbares Modell mehrfach abwechselnd in eine Bindersuspension, bestehend aus einer Bindemittellösung und einem feuerfesten Füllstoff, getaucht, mit feuerfestem körnigen Material bestreut und die so entstandene Überzugsschicht ausgehärtet.

Die Verfestigung des Bindemittels kann dabei mittels Lufttrocknung oder chemischer Gelierung oder durch Anwendung beider Möglichkeiten erfolgen.

Die für das Tauchen verwendete Bindersuspension wird im Wesentlichen durch Vermischen von Bindemitteln, wie Ethylsilicat, Kieselsole, Alkalisilicat mit Wasser, Lösungsmittelbestandteilen, Hydrolysekatalysatoren, Tensiden, Entschäumern und pulverförmigen feuerfesten Stoffen, wie Quarzmehl, Mullit, Zirkonsilicat, hergestellt.

Die Qualität der keramischen Maskenformen und damit auch der Gußstücke hängt in erheblichem Maße von der Qualität und der Zusammensetzung der Bindersuspension ab. Zur Herstellung keramischer Maskenformen werden im Allgemeinen mindestens zwei verschiedenartige keramische Bindersuspensionen verwendet. Während durch die zweiten und die nachfolgenden Überzüge im Wesentlichen die Festigkeit und die Maßhaltigkeit der Keramikform bestimmt wird, beeinflußt die erste Überzugsschicht vor allem die Qualität der späteren Gußstücke.

Es ist allgemein bekannt, daß Bindersuspensionen mit Kieselsol als Bindemittel zur Herstellung einer hochqualitativen ersten Überzugsschicht, wegen ihrer Fähigkeit zur Ausbildung eines gleichmäßigen, glatten und elastischen Suspensionsfilmes, geeignet sind. Für die Bildung der höheren Überzüge können dagegen unterschiedliche Bindemittel, wie Ethylsilicat, Kieselsol, entsprechend den spezifischen Herstellungsbedingungen und Anforderungen an die Keramikformen verwendet werden.

Weiterhin sind aus einer Reihe von Erfindungsbeschreibungen Hybridbindersysteme bekannt, welche die Vorteile beider Bindemittel in sich vereinigen sollen (vgl. DE-OS 2037154, DE-OS 2148716). Derartigen Bindemitteln haftet jedoch der Nachteil an, daß das Verhältnis der beiden Ausgangsbindemittel nicht unbegrenzt variierbar ist und zumeist nur den Anforderungen an eine Bindersuspension für die höheren Überzüge in ausreichender Weise entspricht.

Bei einer Verwendung von Kieselsol als Bindemittel für alle Überzugsschichten sind beim ersten Überzug vor allem seine bereits genannten herausragenden Fähigkeiten zur Bildung eines hochqualitativen, gleichmäßigen, glatten und elastischen Suspensionsfilmes als Forderung zu nennen, während bei den höheren Überzügen der Keramik durch das Bindemittel eine extrem hohe Feuerfestigkeit verliehen wird.

Trotz dieser Vorzüge bringt die Verwendung von Kieselsol jedoch auch einige Nachteile mit sich. So sind die Verarbeitung der Suspensionen auf Grund von Schaumbildungseffekten schwierig, das Trocknungsverhalten der Keramik ungünstig sowie deren Gasdurchlässigkeit zu niedrig. Dadurch werden die Qualität der Keramikformen beeinträchtigt und eine effektive Keramikformherstellung erschwert. Eine Verbesserung des Verarbeitungs-und Trocknungsverhaltens erscheint durch Vermischen von Kieselsol mit Lösungsmitteln, wie Ethanol, möglich. Die Herstellung derartiger Mischungen birgt jedoch die Gefahr in sich, daß Koagulationserscheinungen auftreten und damit der Verlust der Bindewirkung einhergeht. Aus der DE-AS 1508668 sind Methyltialkoxysilane als Bindemittel mit guter Bindewirkung für Gußformen bekannt.

Aus dem DD-WP 146797 ist bekannt, die Bindewirkung ethylsilicatischer Bindemittel durch Zusätze Ethylethoxysilanen zu verbessern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Binderlösung für keramische Maskenformen auf Basis einer Kieselsolsuspension, die für alle Überzugsschichten geeignet ist, sich durch Homogenität, Lagerbeständigkeit auszeichnet und eine billige, unkomplizierte und automatisierbare Fertigungsweise zur Erzielung hochqualitativer Keramikformen ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer Binderlösung eine einheitliche, für alle Überzugsschichten vorteilhafte, verwendbare Bindersuspension herzustellen, welche hinsichtlich ihres Benetzungs- und Schaumbildungsverhaltens eine problemlose Verarbeitung ermöglicht, die Ausbildung eines konturengenauen einheitlichen und elastischen Suspensionsfilmes und Überzugs auf den Modellen ermöglicht sowie den Keramikformen bei Gewährleistung einer ausreichend hohen Festigkeit eine hohe Gasdurchlässigkeit und ein optimales Trocknungsverhalten verleiht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, indem erfindungsgemäß eine alkalische Binderlösung mit folgender Zusammensetzung verwendet wird:

Kieselsol 70 bis 95 Ma.-%

Ethanol 4 bis 20 Ma.-%

Methyltriethoxysilan oder

Ethyltriethoxysilan oder

Mischungen von beiden Ibis 3 Ma.-%

Tensid 0,1 bis 1,0 Ma.-%

Entschäumer 0,1 bis 1,0 Ma.-%

Dabei werden 95 bis 99,5Ma.-% des SiO₂ der Binderlösung aus dem kolloidalen Siliziumdioxidsol und 0,5 bis 5,0Ma.-% aus den Alkylethoxysilanen gebildet.

Als Kieselsole sind alkalische wäßrige Lösungen kolloidaler Kieselsäuren mit einem pH-Wert > 9 und einem vorzugsweisen SiCVGehalt von 25 bis 35 Ma.-% einsetzbar. Als Ethanol kann eine technische Qualität mit geringeren Wassergehalten verwendet werden. Die Binderlösung kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß die Alkylethoxysilane mit einem Teil oder der gesamten Ethanolmenge vermischt und in Gegenwart minimaler Säurenmengen hydrolysiert werden. Der Wassergehalt im Ethanol sollte dabei so hoch sein, daß eine mindestens 50%ige partielle Hydrolyse (Verwendung von 0,5 Molen Wasser je Mol Ethoxygruppe) oder eine vollständige Hydrolyse erreicht werden. Die Hydrolyselösung kann dann problemlos mit dem Kieselsol und den anderen Bestandteilen vermischt werden. Als Tenside sind vorzugsweise solche des nichtionogenen Typs zu verwenden. Als Entschäumer sind für diesen Verwendungszweck übliche Produkte einzusetzen. Die nach der oben beschriebenen Weise hergestellten erfindungsgemäßen Binderlösungen besitzen ein klares bis leicht getrübtes Aussehen ohne Neigung zur Bodensatzbildung. Binderlösungen der beschriebenen Qualität können selbst bei ungünstigen Rührbedingungen hergestellt werden. Durch die Anwesenheit der Alkylethoxysilane können ein Verlust an Bindewirkung bzw. Koagulationserscheinungen in der Binderlösung vermieden werden. Sie weisen eine hohe Standzeit auf; ihre Gelierzeit beträgt mindestens 7 Monate. Damit ist eine ausreichende Lager- und Verarbeitungszeit dieser Lösungen gegeben, welche ihre Herstellung sowohl beim Anwender aber auch bei einem Bindemittelhersteller ermöglicht.

Mit den erfindungsgemäßen Binderlösungen lassen sich unter Verwendung von für das Feingießverfahren geeigneten feuerfesten Stoffen, Bindersuspensionen mit optimalen Eigenschaften sowohl für die erste als auch für die nachfolgenden Überzugsschichten herstellen, wenn bestimmte technologische Vorgaben zum Viskositätsbereich eingehalten werden. Derartige Bindersuspensionen sind froststabil und neigen kaum zur Eindickung.

Mit ihnen lassen sich die von Kieselsol her bekannten Probleme der Schaum- und Blasenbildung sowie Benetzung im Tauchgefäß und auf den Modellen praktisch unterbinden, wenn geeignete Tensid- und Entschäumerzusätze Anwendung finden. Bei Verwendung geeigneter feuerfester Füllstoffe läßt sich unter den beiden Feingießverfahren üblichen technologischen Bedingungen eine konturengenaue, glatte, dichte sowie rißfreie erste Überzugsschicht herstellen. Ein Auftreten von zu Verlusten führenden Qualitätsmängeln an der inneren Formoberfläche bzw. im Formstoff kann damit ausgeschlossen werden. Mit den erfindungsgemäßen Bindersuspensionen hergestellte Keramikformen weisen ein etwas niedrigeres Festigkeitsniveau im Vergleich zu den mit reinem Kieselsol hergestellten auf. Dies kann jedoch insbesondere deswegen in Kauf genommen werden, weil sich mit Kieselsolbindemitteln ein überdurchschnittliches Niveau der Heißfestigkeit erreichen läßt. Darüber hinaus läßt sich mit den erfindungsgemäßen Bindersuspensionen eine wesentlich bessere Gasdurchlässigkeit erzielen, welche um bis zu 40% höher gegenüber den mit reinem Kieselsol hergestellten Keramikformen liegt.

Ein weiterer erheblicher Vorteil der mit den erfindungsgemäßen Bindersuspensionen hergestellten Überzüge besteht in ihren extrem günstigen Trocknungseigenschaften. Diese sind so beschaffen, daß bei der Trocknung der Überzüge mit minimalen oder höheren Windgeschwindigkeiten eine extrem schnelle Feuchtigkeitsabnahme bis zu dem niedrigen Niveau der Gleichgewichtsfeuchte erfolgt. Dieses Trocknungsverhalten ist damit deutlich besser als bei Anwendung reiner Kieselsuspensionen und gleichzeitig erheblich günstiger als das Trocknungsverhalten von Keramikformen auf Basis ethylsilicatischer Bindemittel, welche ja bekanntlich noch höhere Lösungsmittelanteile aufweisen. Die aus dem günstigen Trocknungsverhalten der erfindungsgemäßen Binderlösungen resultierenden minimalen Zwischentrocknungs- und Formherstellungszeiten sind Voraussetzung für eine effektive Keramikformenherstellung sowie eine Automatisierbarkeit des Verfahrens. Eine Verbesserung des Trocknungsverhaltens von reinen Kieselsolbindersuspensionen durch alleiniges Vermischen mit Lösungsmittelanteilen ist auf Grund der Gefahr des Auftretens von Koagulationserscheinungen und des damit verbundenen Verlustes der Bindewirkung nicht möglich.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Zur Herstellung einer Binderlösung werden 83,5Ma.-% eines alkalischen Kieselsols (SiOyGehalt 30%, mittlere Teilchengröße 8x10~⁹m) vorgelegt. Dem Kieselsol wird eine Lösung, welche durch 30minutiges Mischen von 13,9 Ma.-% technischen Ethanols (Wassergehalt 5%) mit 1,57Ma.-% Methyltriethoxysilan und 0,01 Ma.-% konzentrierter Schwefelsäure hergestellt wurde, zugemischt. Anschließend werden dieser Binderlösung noch 0,56Ma.-% eines Tensids auf Nonylphenylpolyethylenglykolbasis

und 0,46 Ma.-% eines Entschäumersauf Siliconbasis zugesetzt. Die auf diese Weise hergestellte Binderlösung stellt eine homogene, leicht getrübte Binderlösung ohne Bodensatzbildung dar. Sie besitzt einen pH-Wert von 9 bis 10 und eine unter Luftabschluß ermittelte Gelierzeit von mindestens 7 Monaten. Dieser Binderlösung werden unter Rühren 179,7 Ma.-% (bezogen auf die Binderlösung) Quarzmehl (Hauptkornfraktion 0,005 bis 0,080mm) zugesetzt. Nach einer ausreichenden Suspendierung kann die Bindersuspension verarbeitet werden. Siebesitzt eine Auslaufzeit von 19,0s (gemessen mit einem Auslaufbecher TGL 14 301, Düse 5 mm). Mit ihr kann eine, allen Ansprüchen genügende, innere Formoberfläche hergestellt werden, wenn unter Drehen Modelle in die Bindersuspension getaucht, von überschüssiger Suspension durch Abtropfen befreit, in einem Wirbelsandbett mit Quarzsand der Korngröße 0,1 bis 0,4mm besandet und die so entstandene Überzugsschicht bei Temperaturen <35°C und einer Trockenzeit bis zum Erreichen eines Trocknungsgrades von ca. 86 bis 89% getrocknet werden. Anschließend können auf diese Überzugsschicht 4 weitere Überzugsschichten mit der gleichen Bindersuspension und unter Verwendung eines gröberen Bestreusandes (0,5-1,0mm) bei Einhaltung dergleichen Bedingungen aufgebracht werden. Die auf diese Weise hergestellten Keramikformen erfüllen die an sie gestellten Anforderungen im Prozeß ihrer Herstellung und Verarbeitung. Unter der gleichen Bedingung wurden plättchenförmige keramische Prüfkörper hergestellt und einer Biegefestigkeitsprüfung unterzogen. Des weiteren wurden unter diesen Bedingungen Gasdurchlässigkeitsprüfkörper hergestellt und geprüft; die Ergebnisse sind in Anlage 1, Spalte 1 aufgeführt.

Beispiel 2

Es wird abweichend von Beispiel 1 anstelle des Methyltriethoxysilans Ethyltriethoxysilan verwendet. Die Bindersuspension wird abweichend von Beispiel 1 mit 177,5Ma.-% des gleichen Quarzmehls hergestellt. Ihre Auslaufzeit beträgt 20,5s. Unter den gleichen Bedingungen des Beispiels 1 hergestellte Keramikformen besitzen folgende von Beispiel 1 abweichende Eigenschaften, welche in der Tabelle dargestellt sind (Anlage 1).

Beispiel 3

Zur Herstellung einer Binderlösung werden 98,60Ma.-% des Kieselsols von Beispiel 1 mit 0,56 Ma.-% des Tenside und 0,48 Ma.-% des Entschäumers von Beispiel 1 vermischt. Dieser Binderlösung werden unter Rühren 180,5 Ma.-% des Quarzmehls von Beispiel 1 zugesetzt. Die Bindersuspension besitzt eine Auslaufzeit von 22,5 s. Trotz der Verwendung einer geeigneten Tensid/ Entschäumerkombination gelingt es mit dieser Bindersuspension nicht, Qualitätsmängel an kritischen Stellen der Keramikform, bedingt durch Schaum- und Blasenbildungseffekten insbesondere beim Aufbringen des ersten und zweiten Überzuges, zu vermeiden. Weitere Eigenschaften der mit der Bindersuspension hergestellten Keramikformen sind in der Tabelle dargestellt (Anlage 1).

Anlage 1

Vergleich verschiedener Eigenschaften der Keramikformen

Bsp. 1 Bsp. 2 Bsp. 3

Gasdurchlassigkeiteiner bei	75	73	59
950 0C gebrannten Probe	2,27	2,21	2,61
Grünbiegefestigkeit in MPa	3,17	3,04	3,43
Heißbiegefestigkeit in MPa

Claims (2)

1. Alkalische Binderlösung für die Herstellung keramischer Maskenformen auf Basis einer Kieselsolsuspension, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einer alkalischen Lösung mit folgender Zusammensetzung besteht:

70 bis 95 Ma.-% Kieselsol
4 bis 20 Ma.-% Ethanol

Methyltriethoxysilan oder
Ethyltriethoxysilan oder
1 bis 3 Ma.-% deren Mischungen
0,1 bis 1,0Ma.-% Tensid
0,1 bis 1,0Ma.-% Entschäumer,

wobei 95 bis 99,5 Ma.-% des SiO₂ der Binderlösung aus dem kolloidalen Siliziumdioxidsol und 0,5 bis 5,0 Ma.-% aus dem Alkylethoxysilanen gebildet werden.

2. Binderlösung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Kieselsol eine stabile alkalische Lösung kolloidaler Kieselsäuren mit einem SiO₂-Gehalt von 25 bis 35 Ma.-% verwendet wird.