DD299047A5 - Binderloesung fuer die herstellung keramischer maskenformen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Binderloesung fuer die Herstellung keramischer Maskenformen fuer die Feingiesztechnik mit niedrigen Formstoff- und Formherstellungskosten die auf Basis von Ethylsilicaten als Bindemittel in Bindersuspensionen fuer alle UEberzugsschichten verwendet wird. Erfindungsgemaesz enthalten die Binderloesungen 0,3 bis 3,0 Masseanteile in % Methyltriorganooxysilan und 0,4 bis 4,0 Masseanteil in % Kieselsol. Als Methyltriorganooxysilan werden bevorzugt Methyltriethoxysilan und/oder Methyltriacetoxysilan verwendet.{Binderloesung; keramische Maskenformen; Feingiesztechnik; Ethylsilicate; Bindemittel; Bindersuspensionen; UEberzugsschichten; Methyltriorganooxysilan; Kieselsol; Methyltriethoxysilan; Methyltriacetoxysilan}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung 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.

Charakteristik des bekennten Si s 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 Tauchvorgang gebildete 1.Üb9rzugsschicht im wesentlichen die Oberflächenqualität der Gußstücke, während die nachfolgenden Schichten die Festigkeit und Maßhaltigkeit der keramischen Maskonformen beeinflussen.

Die Bindersuspension setzt sich aus einer Binderlösung, feuerfestem, oulverförmigem Material und ggf. weiteren Zusätzen zusammen. Die Binderlösung enthält neben einem Bindemittel Wasser, organisches Lösungsmittel, Hydrolysekatalysator, Tensid sowie ggf. wi itere 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 Bindovermögens übe wiegend für die Herstellung der höheren Überzugsschichten eingesetzt. Dagegen werden Bindersuspensionen mit Kieseisol als Bindemittel wegen ihres günstigen Fließverhaltens und Erzeugung einer elastischen Überzugsschicht mit glatter innerer Oberfläche der keramischen Maskenformen bevorzugt zur Herstellung der i. Überzungsschicht 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 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 einam 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 DD153956 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 hydrolysierten und partiell hydrolysierten Ethylsilicaten besteht, während gemäß DD264389 eine Verbesserung der Bindersuspension durch Zugabe von Methylphenylsiliconharzen erzielt wird.

Es werden zwar in beiden Fallen hohe Festigkeit der keramischen Maskenformen erreicht, doch sind die jeweilig modifizierten Bindersuspensionon nur für die Hersteilung 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 Überzugsschichten auf Basis von ethylsilicalischen Bindemitteln zu entwickeln. Durch Einsatz dieser Binderlosung soll die Herstellung keramischer Maskenformen, die sowohl sehr hohe Festigkeiten als auch konturengenaue, glatte, abriebfreie innere Oberflächen aufweisen, gewährleistet sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Binderlösung auf Basis ethylsilicatischer Bindemittel verwendet wird, die 0,3 bis 3,0 Masseanteile in % Mothyltriorganooxysilan und 0,4 bis 4,0 Masseanteile in % Kieselsol enthält. Als Methyltriorganooxysilan finden bevorzugt Methyltrieethoxysilan und/oder Methyltriacetoxysilan Anwendung. Sie können gemeinsam mit dem Bindemittel der Binderlösung zugesetzt und hydrolysiert werden. Als Kieselsole erweisen sich handelsübliche Kieselsäurelösungen mit einem SiO₂-Gehalt von 30 Masseanteile in % und einem stabilisierten, alkalischen oder sauren 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 werden Bindemittel auf Basis polymerer Ethoxysiliciumverbindungen verwendet.

Der SiO₂-Gehalt 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 der Binderlösung soll kleiner 3 -ei". H.h.

ein stabiler, saurer Bereich muß eingehalten werden. Insbesondere ist bei Verwendung alkalischer Kiesolsole die Säurezugabe entsprechend zu bemessen. Durch einen Wasserüberschuß werden auch bei den erfindungsgemäßen FJinderlösungen die . ^kannten Verbesserungen erzielt.

Al s den erfindungsgemäßen Binderlösungen werden durch Zugabe von für das Feingießverfahren bekannten, pulverförmiger feuerfesten Füllstoffen Bindersuspensionen hergestellt, die für alle Überzugsschichten verwendbar sind. Es sind keine Zusatzstoffe zur Verbesserung des Fließ- und Sedimentationsverhalten sowie zur 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 Oberflächen aus, wodurch die Ausschußquote gesenkt wird, die u.a. durch Ungenauigkeit der Konturen und Rauhigkeit der Oberfläche verursacht ist.

Eine Senkung Her Formherstellungskosten resultiert aus einer Festigkeitserhöhung im grünen, geschmolzenen Zustand um 20 bis 50% und im gebrannten Zustand um 10 bis 25%, bezogen auf eine Binderlösung ohne die erfindungsgemäßen Zusätze.

Dadurch wird die Handhabung der keramischen Maskenformen sicherer; die Bruchquoto wird gesenkt.

Eine Reduzierung der Formstoffkosten wird durch die Verringerung des SiO₂-Gehaltes der Binderlösung für die Bindersuspension der 1. Überzugsschicht, gegenüber der üblichen Kieselsolbinderlösung, erzielt.

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-
Get.'3ltvon41 Masseanteile in %)	37,2
Methyltriethoxysilan	1,0
Wasser (1. Zugabe)	5,4
Schwefelsäure (konz. 1. Zugabe)	0,13
Wasser (2. Zugabe)	34,6
Schwefelsäure (konz. 2. Zugabe)	0,17
alkalisches Kieselsol (mit einem
SiGyGehalt von 30 Masseanteile
in % up J einer mittleren Teilchen-
größevon8-10"9m)	1,7
Tensid (auf Basis von Nonylphenyl-
polyethylenglycol)	0,3

Nach der I.Zugabe von Wasser und Schwefelsäure erfolgt eine Hydrolyse im Zeitraum von 15 bis 20 min. Erst danach werden die Hauptwassermenge (2. Zugabe) sowie die restlichen Ausgangskomponenten unter weiterem Rührun zugefügt. Zur Herstellung der Bindersuspension wird in die 3inderlösung Quarzmehi (Hauptkornfraktion 0,005 bis 0,08mm) unter Rühren eingetragen. Für die 1. Überzugsschicht werden 236,9 Masseanteile in %, für die nachfolgenden Schichten 243,7 Masseanteile in % (bezogen auf die Binderlösung) Quarzmehl dispergiert. Die Viskosität der Suspensionen, gemessen als Auslaufzeit mit einem Auslaufbecher (TGL14301, Düsendurchmesser 5mm) beträgt dann für die 1.Überzugsschicht 30,2s und für die nachfolgenden Schichten 37,4s. Die Herstellung der beiden Bindersuspensionen unterschiedlicher Viskosität kann ohne weiteres auch durch nachträgliches Zu dosieren von Quarzmeh! bzw. Verdünnen mit Binderlösung aus der jeweiligen anderen Suspension erfolgen.

Nach dem Tauchen in die Bindersuspension wird die 1. ÜberziMsschicht mit Quarzsand einer mittleren Korngröße von 0,25 mm. die nachfolgenden Schichten mit Quarzsand einer mittleren K'i-ngrößG von 0,76mm bestreut. Es schließt sich eine Zwischentrocknung bei 303K und einer relativen Luftfeuchto von 40% bis .'u einem Trocknungsgrad von 90% an. Die so hergestellten keramischen Maskenformen zeichnen sich durch eine exakte Rooroduktion der Modellkonturen aus. Sie haben eine glatte, abriebfeste innere Oberfläche. Ihre Festigkeitsparameter wurden mit keramischen Prüfkörpern gemäß DD254338 bestimmt. Sie sind Tabelle 1 zu entnehmen.

Beispiel 2

Es wird abweichend von Beispiel 1 anstelle von Methyltriethoxysilan Methyltriacetoxysiian in gleicher Menge zugegeben. Der Quarzmehlzusatz wird leicht erhöht. Er beträgt für die 1. Üherzugsschicht 239,0 Masseanteile in % und für die nachfolgenden Schichten 245,7 Masseanteile in % (bezogen auf die Binderlösung). Es ergeben sich dadurch Auslaufzeiten von 29,6s (1. Schicht) bzw. 39,7 s (nachfolgende Schichten).

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

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)

Es wird abweichend von Beispiel 1 kein Methyltriothoxysilan und kein Kieselsol verwendet und dafür die Ethanolmenge auf 20,2 Masseanteile in % und die 2.Zugabe des Wassers auf 36,6 Masseanteile in % erhöht. Dei Bindersuspension für die 2. und nachfolgenden Überzugsschichten werden zusätzlich 0,5 Masseanteile in % Kaolin zugefügt. D^;e Quarzmehlzusätze betragen für den I.Überzug 236,0 Masseanteile in % und für die nachfolgenden Schichten 240,5 Masseanteile in %. Es ergeben sich dadurch Auslaufzeiten von 27,1 s (I.Schicht) bzw. 44,5s (nachfolgende Schichten). Die Qualität der inneren Oberflächen der so hergestellten keramischen Maskenformen ist ungenügend und weist insbesondere die für e'hylsilicatische Bindersuspensionen typische Oberflächenrauhigkeit auf. Die Festigkeitsparameter sind der Tabelle 1 zu entnehmen.

Tabelle 1

Festigkeitsparameter der keramischen Prüfkörper

	Beispie! 1	Beispiel 2	Beispiel 3
Biegefestigkeit, grün
nach dem Ausschmelzen
mit Dampf (0,3 M Pa)
in M Pa	3,86	3,57	2,85
Biegefestigkeit, gebrannt
Brenntemperatur 1 223 K
in M Pa	2,64	2,71	2,38

Claims (3)

1. Binderlösung für die Herstellung keramischer Maskenformen auf Basis von ethylsilicatischen Bindemitteln, die in Bindersuspensionen für alle Übarzugsschichten verwendbar ist, daduicli gekennzeichnet, daß die Binderlösung 0,3 bis 5,0 Masseanteile in % Methyltriorganooxysilan und 0,4 bis 4,0 Masseanteile in % Kieselsol enthält.

2. Binderlösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Methyltriorganooxysilan Methyltriethoxysilan und/oder Methyltriacetoxysilan 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.