DE10149876B4

DE10149876B4 - Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzungen für Speiserheizmassen

Info

Publication number: DE10149876B4
Application number: DE10149876A
Authority: DE
Inventors: Christoph Stratmann
Original assignee: FISCHER GEORG & CO KG GmbH; Georg Fischer GmbH
Current assignee: FISCHER GEORG & CO KG GmbH; Georg Fischer GmbH
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: DE10149876A1

Abstract

Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für ssstücke, wobei die Zusammensetzung nur ein leicht oxidierbares Metall und ein Oxidationsmittel für das leicht oxidierbare Metall umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das leicht oxidierbare Metall und das Oxidationsmittel aus Elementen zusammengesetzt sind, die in der Gusslegierung enthalten sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzungen für Speiserheizmassen, insbesondere für Speiser für Gussstücke, wobei die Zusammensetzung zumindest ein leicht oxidierbares Metall und ein Oxidationsmittel für das leicht oxidierbare Metall umfasst.
Beim Giessen von Gusstücken, beispielsweise aus flüssigem Gusseisen oder Stahl, in eine Giessform, unterliegt das Volumen des flüssigen Metalls beim Abkühlen und Verfestigen einer Kontraktion, einer Volumenreduktion. Das Metall in der Giessform schrumpft, schwindet und es entstehen grössere oder kleinere Hohlräume, sogenannte Lunker, unterhalb und an der Oberfläche des Gussstückes. Aus einem oder mehreren sogenannten Speisern soll, während dem Abkühlen und Verfestigen, flüssiges Metall in die Form nachfliessen können um das Entstehen von Hohlräumen im Gussstück zu verhindern. Der Speiser ist als ein offener oder geschlossener Hohlraum ausgebildet, der mit einem Vorrat des flüssigen Metalls gefüllt werden kann und der mit dem Gussstück in Verbindung steht. Der Speiser ist in der Giessform üblicherweise oberhalb vom eigentlichen Gussstück angeordnet. Das Metall im Speiser soll möglichst lange flüssig bleiben, zumindest bis der Schrumpfprozess abgeschlossen ist.
Um das Metall im Speiser möglichst lange auf einer möglichst hohen Temperatur zu halten, können die Speiserheizmassen aus Werkstoffen zusammengesetzt sein, die exotherm reagieren, das heisst Energie ans Metall abgeben. Um das Metall vor Abkühlung zu schützen, werden die Wände des Speisers deshalb oft auch aus Werkstoffen mit stark wärmedämmenden und/oder exothermen Eigenschaften ausgebildet. Die Speiserheizmassen können als Pulver eingesetzt werden oder zu festen Körpern geformt werden, beispielsweise zu Speiserplatten oder Speiserhülsen.
In der US 5 180 759 A werden exotherme Zusammensetzungen für Speiserheizmassen beschrieben, die zusammengesetzt sind aus einem leicht oxidierbaren Metall, wie beispielsweise Aluminium in Pulver- oder Folienform, einem Oxidationsmittel, wie beispielsweise Mangandioxid, einer Verbindung, die organisch gebundenes Fluor enthält, wie beispielsweise PTFE, einem wärmedämmenden Material, wie beispielsweise Aluminiumsilikat in Pulver- oder Faserform und einem Bindemittel, wie beispielsweise ein kolloidales Sol von Siliziumdioxid.
Die Bindemittel sind notwendig um die Speiserheizmassen in einer bestimmten Form herstellen zu können. Die organischen Fluorverbindungen werden verwendet um die exotherme Reaktion des oxidierbaren Metalls mit dem Oxidationsmittel bei einer tieferen Temperatur zu zünden. Fluorverbindungen sind jedoch aus der Sicht des Umweltschutzes und aus metallurgischen Gründen nicht unbedenklich, auch nicht in kleineren Konzentrationen und vor allem nicht bei den in den Eisengiessereien erforderlichen Temperaturen von über 1200°C.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen anzugeben, die unbedenklich ist für die Umwelt, die günstig herzustellen ist, die bei der Rückgewinnung des Formsandes nicht stört und die dem Gussprodukt keine unerwünschten Elementen zufügt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen, insbesondere für Speiser für Gussstücke, wobei die Zusammensetzung zumindest ein leicht oxidierbares Metall und ein Oxidationsmittel für das leicht oxidierbare Metall umfasst und wobei das leicht oxidierbare Metall und das Oxidationsmittel aus Elementen zusammengesetzt sind, die in der Gusslegierung enthalten sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es ist von Vorteil, dass die Werkstoffzusammensetzung keine Elemente enthält, die einen ungünstigen Einfluss auf die Gusslegierung haben können. Dies wird dadurch erreicht, dass das leicht oxidierbare Metall metallisches Silizium ist. Dies wird auch dadurch erreicht, dass das Oxidationsmittel ein Kupferoxid, insbesondere Kupfer(II)oxid ist.
Es ist weiter von Vorteil, dass die Werkstoffzusammensetzung ohne Komponente zusammengesetzt ist, die als Zünder für die exotherme Reaktion dient. Es ist auch von Vorteil, dass die Werkstoffzusammensetzung keine organische oder anorganische Verbindungen enthält, die Fluor enthalten. Dies wird dadurch erreicht, dass das Verhältnis von Silizium zu Kupferoxid in der Zusammensetzung derart gewählt wird, dass zum Zünden der exothermen Reaktion das flüssige Giessmetall verwendet werden kann.
Der Gedanke, welcher der Erfindung zugrunde liegt, ist eine Zusammensetzung für sogenannte exotherme Speiserheizmassen anzugeben, die kein Fluor enthalten und deshalb keine Belastung für die Umwelt darstellen, und die weder im Formsand noch in der Gusslegierung stören. Speiserreste, die in den Formsand gelangen, sollten die Aufbereitung des Formsandes nicht verunmöglichen oder unverhältnismässig verteuern. Speiserreste, die in das Gussprodukt gelangen, sollten keinen nachteiligen Einfluss auf die Qualität der Gusslegierung haben.
Die exotherme Reaktion von metallischem Silizium mit Kupferoxid wird bei den in der Giesserei herrschenden Temperaturen vom Stickstoff gezündet, der in der Umgebungsluft über der Oberfläche des flüssigen Giessmetalls genügend vorhanden ist. Der Luftstickstoff wirkt hierbei für die Reaktion von Silizium mit Kupferoxid als Katalysator. Falls das Giessmetall und die Legierung als Hauptbestandteil vorwiegend Eisen enthalten, wird als leicht oxidierbares Metall Silizium und wird als Oxidationsmittel Kupfer(II)oxid gewählt, weil sowohl Silizium als auch Kupfer als Legierungselement in der Eisengiesserei verwendet werden. Ein Mischungsverhältnis von etwa 1 Mol Silizium zu 0,6 Mol CuO hat sich als eine vorteilhafte Zusammensetzung für exotherme Speiserheizmassen, insbesondere für Speiserheizmassen für Gussstücke aus Gusseisen und Stahl, herausgestellt.
Die Zusammensetzungen aus 1 Mol metallisches Si und 0,6 Mol CuO, die ohne fluorhaltige Verbindungen oder sonstige Zusätze zur Zündung gebracht werden können, reagieren bei den in den Eisen- und Stahlgiessereien herrschenden Temperaturen von über 1200°C stark exotherm.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es können auch Zusammensetzungen hergestellt werden, die mit einem wärmedämmenden Werkstoff gemischt werden. Die Beispiele beziehen sich auf eine Anwendung in der Eisengiesserei, können jedoch auch auf andere Metalle und/oder Legierungen übertragen werden.
Ausführungsbeispiel 1
Es wurde eine exotherm reagierende Zusammensetzung hergestellt aus: 1 Mol feinkörniges metallisches Silizium und 0,6 Mol feinkörniges Kupfer(II)oxid.
Die Zusammensetzung wurde gemischt und unter einer Stickstoffatmosphäre erhitzt. Bei einer Zündtemperatur von 800 bis 1000°C setzte unverzüglich eine starke Reaktion ein, wobei ein schmelzflüssiges Reaktionsprodukt aus SiO2 und Cu verblieb, dass beim anschliessenden Abkühlen erstarrte.
Ausführungsbeispiel 2
Die Zusammensetzung aus dem Ausführungsbeispiel 1 wurde gemischt und auf eine Gusseisenschmelze mit einer Oberflächentemperatur von etwa 1300°C gegeben. Dabei kam es, auch ohne die Zugabe von reinem Stickstoff, zu einer heftigen Reaktion. Es zeigte sich also, dass die Speiserzusammensetzung bei Kontakt mit einer Metallschmelze bei Temperaturen von etwa 1300°C auch an der Luft exotherm reagiert.
Ausführungsbeispiel 3
Die Zusammensetzung aus dem Ausführungsbeispiel 1 wurde gemischt und in eine gleichmässige Schicht über die Innenfläche eines handelsüblichen nichtexothermen Speisers verteilt, der mit einem Thermoelement ausgerüstet wurde. Die Schicht der Speiserheizmasse war am geschlossenen Ende des Speisers etwa 2 cm und im Bereich des Thermoelementes etwa 1 cm dick. Für die Beschichtung wurden etwa 40 g des Gemisches verwendet. Der so beschichtete Speiser wurde neben einem unbeschichteten Speiser in eine Giessform eingebaut. Über den Einguss wurde Eisen mit einer Temperatur von etwa 1450°C in die Giessform gebracht. Es wurde bei diesem Versuch kein zusätzlicher Stickstoff verwendet.
Eine Temperaturmessung in den beiden Speisern während den ersten 3 Minuten nach dem Giessen zeigte, dass der beschichtete Speiser nach etwa 30 Sekunden eine maximale Temperatur von etwa 1600°C erreichte, während der unbeschichtete Speiser lediglich eine maximale Temperatur von etwa 1300°C erreichte. Die Werkstoffzusammensetzung für die Speiserheizmasse kann hierzu mit etwa 2% Harz und Härter als Bindemittel in eine feste Form gebracht werden. Die Speiserheizmasse kann leicht aufgewärmt werden und mittels eines passenden Pressstempels auf die Innenwand des Speisers gepresst werden. Das hierzu verwendete Bindemittel kann durchlässig sein für Luftstickstoff oder kann bei den in der Giesserei herrschenden Temperaturen für Luftstickstoff durchlässig werden. Denkbar ist auch, dass das Bindemittel selbst stickstoffhaltig ist.

Claims

Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen, insbesondere für Speiser für Gussstücke, wobei die Zusammensetzung nur ein leicht oxidierbares Metall und ein Oxidationsmittel für das leicht oxidierbare Metall umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das leicht oxidierbare Metall und das Oxidationsmittel aus Elementen zusammengesetzt sind, die in der Gusslegierung enthalten sind.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leicht oxidierbare Metall metallisches Silizium ist.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel ein Kupferoxid ist.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Silizium zu Kupferoxid in der Zusammensetzung derart gewählt wird, dass zum Zünden der exothermen Reaktion das flüssige Giessmetall verwendet werden kann.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die exotherme Reaktion von Silizium und Kupferoxid durch Stickstoff, der in der Umgebungsluft enthalten ist, katalysiert wird.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das molekulare Verhältnis von Silizium zu Kupferoxid in der Zusammensetzung 1 zu 0,5 bis 1 zu 2 beträgt.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das molekulare Verhältnis von Silizium zu Kupferoxid in der Zusammensetzung etwa 1 zu 0,6 beträgt.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mechanisch oder thermisch geformt wird.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung zumindest ein Bindemittel enthält.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel aus einer Zweikomponenten-Mischung aus Harz und Härter aufgebaut ist.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel durchlässig ist für Luftstickstoff oder bei den in der Giesserei herrschenden Temperaturen für Luftstickstoff durchlässig wird.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Kupferoxid Kupfer(II)oxid verwendet wird.
Exotherm reagierende Werkstoffzusammensetzung für Speiserheizmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Giessmetall, die Gusslegierung und die Gussstücke vorwiegend Eisen enthalten.