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Die
Erfindung betrifft Form oder Formlinge für Gießereizwecke, ein Gießerei-Formstoffgemisch
bestehend aus Formsand, Bindemittel und Zuschlägen sowie ein Verfahren zu
seiner Herstellung.
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Gießerei-Formstoffgemische
sind in vielfältiger
Form bekannt. Grundsätzlich
ist zwischen tongebundenen Formsanden, Sandmischungen mit anorganischen
oder organischen Bindern sowie bindemittellosen Formsanden mit physikalischer
Bindung zu unterscheiden. Die Anforderungen an die Gießerei-Formstoffgemische
sind sehr vielfältig
und umfassen Eigenschaften wie Fließfähigkeit des Formstoffgemisches,
Verfestigungsverhalten, erreichbare Endfestigkeit, Trennbarkeit
bzw. Entformbarkeit.
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Aus
der DE-OS-1508634 (Diamond Shamrock Corp.) ist ein Bindemittel für Rohmassen
zur Herstellung von selbsthärtenden
Gießformen
und Gießkernen
bekannt. Die Abbindezeit wird durch Zugabe von Kaliumhydroxid verkürzt. Bei
einer zu schnellen Abbindung besteht jedoch die Gefahr, dass die
Oberfläche
der Kernformlinge nicht die erforderliche Glätte aufweist.
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Zur
Verbesserung der Verarbeitungsfähigkeit
beim Nassgussverfahren von Gießerei-Formstoffgemischen
unter Verwendung von Wasserglasbindern wird in
DD 82809 (DDR-Patent) die fertige Grünform chemisch
oder thermisch verfestigt, z. B. durch eine Veresterung während einer
Trocknung von einer Stunde bei 200 °C. Dieses Verfahren ist langwierig
und aufwendig und daher nicht für
eine schnelle, maschinelle Kernherstellung geeignet.
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Nach
der
DE 2909107 wird
dem Binder ein oberflächenaktiver
Stoff zugesetzt, der aus einem Tensid wie Silikonöl oder einer
Silikonemulsion bestehen kann. Solche Stoffe sind aus Umweltschutzgründen nicht mehr
erwünscht,
da sie während
des Gießprozesses
und der anschließenden
Entfernung des Formstoffgemisches aus dem Gussteil zu toxischen
Emissionen führen
können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Form oder einen Formling
für Gießereizwecke,
ein Gießerei-Formstoffgemisch
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Form oder eines Formlinges
unter Verwendung des Gießerei-Formstoffgemisches
anzubieten, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet
und eine maschinelle, schnell getaktete Form- und Kernherstellung
ermöglicht.
Ein unter Verwendung der neuen Form oder des neuen Formlinges hergestelltes
Gießprodukt
soll leicht entformbar sein. Ferner soll das Formstoffgemisch nach
der bestimmungsgemäßen Verwendung
gute Zerfallseigenschaften aufweisen und der verbrauchte Formsand
unter geringer Emission leicht aufbereitet werden können.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
komplexen Aufgabenstellung besteht einerseits in der Bereitstellung
eines neuen Gießerei-Formstoffgemisches
und der damit herstellbaren neuen Form bzw. neuen Formlingen gemäß den Ansprüchen 1–9. Um optimale
Ergebnisse zu erzielen wurde ein neues Verfahren zur Herstellung
der Form oder Formlinge sowie die Herstellung von Gussteilen mit
den Ansprüchen
10–14
entwickelt.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass Aluminiumoxid als Zuschlag zu einem Gießerei-Formstoffgemisch
dann geeignet ist, wenn es nach der Durchmischung und Trocknung
als deckende Schicht die Sand- oder Quarzpartikel des Formstoffes
umhüllt.
Hierzu ist das Aluminiumoxid in einer bestimmten Menge bezogen auf
das Bindemittel und in einer bestimmten Korngröße bezogen auf den mittleren
Durchmesser der Sand- oder
Quarzkörner
einzusetzen.
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Bei
der Verarbeitung war es überraschend,
dass Aluminiumoxid die Fliessfähigkeit
und das Verfestigungsverhalten des Formstoffgemisches wesentlich
verbessert. Dies wird anhand nachfolgender Vergleichsversuche näher erläutert. Weiterhin überraschend war,
dass der Formling/Kern bzw. die Form nach ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung
besonders gute Zerfallseigenschaften aufwies. Es wurde beispielsweise
beobachtet, dass der mit Wasser in Kontakt gebrachte Kern sofort
zerfällt
und vollständig
als homogene Suspension weiterverarbeitet werden kann.
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Besonderes
Augenmerk gilt bei einem Formstoffgemisch den nach der Abformung
im Gießereibetrieb hergestellten
Formen oder Formlingen für
Gießereizwecke.
Es wurde beobachtet, dass mit dem erfindungsgemäßen Zuschlag die Qualität der Gussteile,
insbesondere deren Oberflächen
ganz wesentlich verbessert werden konnte. Aufgrund detaillierter
Untersuchungen gehen die Erfinder davon aus, dass die Verbesserung
der Oberflächen
einerseits durch ein besseres Abformverhalten und andererseits durch
eine bessere Entformbarkeit durch geringe Anhaftungen von Formsand
etc. auf der Gussoberfläche
verursacht wird.
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Die
Erfinder haben daraufhin gezielt die Verhältnisse während des Abgießens im
Kontaktbereich zwischen Formsand und Metalloberfläche untersucht.
Es ergab sich, dass bei den beschriebenen Prozessen einerseits die
Benetzbarkeit der Formlingoberfläche
mit dem flüssigen
Metall eine Rolle spielt, andererseits jedoch eine gegenläufige Wirkung
bei der Entformung bzw. der Wiederaufbereitung des Formsandes zu
beobachten war. So sind für
eine formgetreue Wiedergabe zwar gute Benetzungsverhältnisse
wichtig, andererseits führt
dies unter Umständen
bei der Entformung zu Problemen, da mit der Entnahme des Gussteils
auch Teile der Form oder des Formlinges in Form von feinen Sandpartikeln
mitgerissen werden. Insbesondere zeigten sich bei einem schlechten
Benetzungsverhalten des Formsandes bereits schon im Mischungszustand
mit dem teilweise flüssigen
Binder nachteilige Effekte, die zu einer schlechten Wiederverwendbarkeit
des verbrauchten Formstoffgemisches führten (Entmischung, Inhomogenitäten etc.).
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Es
war daher überraschend,
dass mit dem Zusatz von Aluminiumoxid unter den genannten problematischen
Randbedingungen sowohl die Fliessfähigkeit, das Verfestigungsverhalten
und die Entformbarkeit des Formlings zusammen mit einer wesentlichen
Verbesserung der Gussteiloberfläche
erreicht werden konnte. Dies geschah vor dem Hintergrund einer vielschichtigen
physikalischen, chemischen und thermodynamischen Interdependenz
der beteiligten Stoffe und Verfahrensschritte.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Bei
der Herstellung des Formstoffgemisches wurde als Oxid ein Aluminiumoxid
mit 99,9% Reinheit zunächst
direkt einer Formstoffmischung zugesetzt und homogen verteilt. Es
zeigte sich, dass homogene Verteilungen in üblichen Formsanden mit mittleren
Korngrößen zwischen
75 und 250 Mikrometern jedoch erst durch wiederholte und langwierige
Durchmischungsprozesse erhalten werden konnten. Um vor allem etablierte
Systeme effektiv nutzen zu können,
die auf das Verwenden von flüssigen
Bindern in Form von Harzen, Alkoholen, Ölen oder anorganischen Suspensionen
ausgelegt sind, wurde das Oxid zunächst dem Binder zuzugeben,
homogen dispergiert und dann über
etablierte Methoden dem Formstoff zugesetzt. Es wurde gefunden,
dass Aluminiumoxide mit einer Korngröße von 1 bis 200 Mikrometern
bei gleich niedrigem Zeitbedarf in einem flüssigen Binder dispergiert und
anschließend
eingebracht werden können,
wobei eine gleichbleibend gute Homogenität erzielt wird. Die Konzentration
lag dabei zwischen 10% und 85% (Gewichtsprozent; alle nachfolgenden
Konzentrationsangaben ebenso).
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Fließfähigkeit
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Fließfähigkeit
betrifft das Fließverhalten
des Formstoffgemisches, während
es in die Form gefüllt
wird. Es wird beeinflusst durch die Kohäsion der Formstoffgemisch-Komponenten untereinander
und der Adhäsion des
Formstoffs an der Wand der Form. Besonders im Bereich der trockenen
Formstoffgemische, in denen das Verhältnis von Formsand zu Bindemitteln
und Zuschlägen
im Bereich von 3 zu 1–2
liegen kann, kommen die Eigenschaften der Zuschläge deutlich zum Tragen.
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Um
den Einfluss des Aluminiumoxid-Zuschlags zu ermitteln wurden unterschiedliche
Mischungen aus Formsand und Aluminiumoxid in einem Rührmischer
homogenisiert. Die mittlere Korngröße des Formsands betrug 0,32
mm; die Größe der Aluminiumoxidpartikel
betrug 1,5–2,5
Mikrometer; ebenso in den nachfolgenden Vorversuchen. Anschließend wurde
das Gemisch in einer zylindrischen, vertikal erstreckten Form verdichtet.
Die aufrecht stehende Form wurde nun mit konstanter Kraft vertikal
nach oben abgezogen, während
ein ortsfester Stempel das verdichtete Gemisch am Platz fixierte,
sodass die Form nach oben von dem Gemisch abgezogen wurde. Dabei
wurde die Zeit t1 ermittelt, die zum vollständigen Abziehen des Zylinders
benötigt wurde.
Des weiteren wurde der Zeitpunkt t2 bestimmt, zu dem das Gemisch
durch sein Eigengewicht die zylindrische Form aufbrach und zu einem
Kegel zerfiel. Abschließend
wurde der Neigungswinkel Alpha der Kegelflanken des resultierenden
Kegels bestimmt. Tabelle
1: Versuche zur Fließfähigkeit
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Die
Versuche mit trockenem Formsand zeigten ein Aufbrechen der Form
während
des Abziehens des Zylinders. Anschließend schnellte der Zylinder
widerstandsfrei nach oben und löste
die Zeitnahme t1 aus. Das Aluminiumoxid bewirkt bei hohem Gehalt
an der Gesamtmischung ein früheres
Aufbrechen des Formlings und einen flacheren Winkel der Kegelflanken. Tabelle
2: Versuche zur Fließfähigkeit
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Bedingt
durch die Feuchtigkeit ist die Kohäsion unter den Teilchen des
Formstoffgemisches größer und
es kommt erst später
zu einem Aufbrechen des Formlings. Der Einfluss des höheren Anteils
an Aluminiumoxid fällt
etwas geringer aus. Die Fließfähigkeit
des Sandes ist bei allen Mischungen gut. Tabelle
3: Versuche zur Fließfähigkeit
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Der
zusätzlich
hinzugefügte
Wasserglasbinder verstärkt
die Kohäsionskräfte zwischen
den Partikeln des Formstoffgemisches. Das Aufbrechen des Formlings
ereignete sich jeweils bei vergleichbarer Höhe an freigelegter Form. Das
bedeutet, dass der deutlich niedrigere Wert für t1 und t2 bei einem Aluminiumoxidgehalt von
40% durch eine höhere
Abzugsgeschwindigkeit und eine verringerte Haftung an der Formwand
erklärt werden
kann.
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Die
Zunahme der Abzugsgeschwindigkeit mit steigendem Aluminiumoxid-Gehalt
und die flacheren Winkel der Kegelflanken deuten auf eine verringerte
Wechselwirkung mit der Form-Wand und eine bessere Fließfähigkeit
hin. Dies wurde in den Versuchen zur Verfestigung und Trennbarkeit
näher untersucht.
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Verfestigungsverhalten
und Trennbarkeit
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Das
Verfestigungsverhalten beschreibt die Fähigkeit eines Formstoffgemisches,
eine Form auszufüllen
und dabei seine Teilchen in dichtest möglicher Weise anzuordnen. Trennbarkeit
bzw. Entformbarkeit betrifft die Wechselwirkungen zwischen Formstoffgemisch
und Form. Treten hierbei zu starke Adhäsionskräfte auf, so können bei
der Entformung Teile des Formlings an der Form anhaften und aus
dem Formling herausbrechen.
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Zur Überprüfung wurde
ein Formsand-Bindergemisch mit einem Binderanteil von 2,5% und einem
variierten Aluminiumoxidanteil von 10% bzw. 40% sowie 80% im Binder
(Gewichtsprozent bezogen auf den Binder) über eine Kernschießmaschine
in eine Form eingeschossen, bis zur ausreichenden Grünfestigkeit
vorgetrocknet und entnommen. Nach der Untersuchung der Grünlinge auf
Fehler wurden diese mit Mikrowellen vollständig zu gebrauchsfertigen Formlingen
getrocknet und abschließend
begutachtet.
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Bei
der Form handelt es sich um einen riegelförmigen Prüfkörper dessen eine Seite glatt
und dessen andere Seite Profile und Hinterschneidungen mit zunehmender
Feinheit aufweist. Es wurden jeweils 10 Formen hergestellt. Die
relative Dichte wurde nach vollständiger Trocknung unter Berücksichtigung
der unterschiedlichen Dichte des Aluminiumoxids und des Sandes berechnet. Tabelle
4: Versuche zum Verfestigungsverhalten und der Trennbarkeit mit
je 10 Formlingen vor und nach abschließender Trocknung
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Die
Mischungen mit Aluminiumoxid-Zusatz zeigen ein gleich bleibend gutes
Verfestigungsverhalten. Alle Prüfkörper weisen
die gleiche Packungsdichte auf.
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Die
Profiltreue der Formlinge des Formstoffgemisches mit Aluminiumoxid-Zusatz
ist im Bereich der submillimeter-großen Profilierungen deutlich
der Mischung ohne Zusatz überlegen.
Dies beweist die bereits in den Versuchen für Fließfähigkeit angedeuteten, besseren
Fließeigenschaften
einer Formstoffmischung mit Aluminiumoxidzusatz.
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Die
Mischung ohne Zusatz zeigt das Auftreten von Fehlern in der Feinprofilierung
während
des Trocknens, während
dies bei den erfindungsgemäßen Mischungen
nicht der Fall ist. Im Trocknungsverhalten zeigt die erfindungsgemäße Mischung
eine bessere Beständigkeit
des Formstoffgemisches gegen thermische Einwirkungen.
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Untersuchungen
der gebrauchsfertigen, getrockneten Formlinge mit Hilfe eines optischen
Mikroskops zeigten, dass die einzelnen Sandkörner vollständig mit einer deckenden Schicht
aus Aluminiumoxid-Partikeln umhüllt
und in ihrer Kornmorphologie durch Berge bzw. Täler von etwa der halben Korngröße der Aluminiumoxidpartikel
gekennzeichnet waren. Bei besonders hohen Konzentrationen an Oxid
im Binder konnten dickere Schichten von Oxidpartikeln beobachtet
werden.
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Eine
Testreihe mit variiertem Oxidgehalt im Binder ergab, dass bei Oxidgehalten
ab 10% eine Bedeckung mit Oxidpartikeln beobachtet werden konnte,
während
bei Gehalten von 80% bis 90% durch die ansteigende Konzentration
in der Gesamtmischung immer mehr unterschiedlich dick mit Partikeln
umhüllte
Sandkörner
auftraten. Bevorzugt wurde mit Gehalten von 40% bis 60%, besonders
bevorzugt mit 50% an Oxid gearbeitet.
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Im
Ergebnis zeigten die Versuche, dass der Zusatz von Aluminiumoxid
zu einem Formsand mit einer überraschenden
Verbesserung seiner Fließeigenschaften
und einer gesteigerten Beständigkeit
des Formstoffgemisches gegen thermische Einwirkungen verbunden ist.
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Verwendung
als Gießerei-Formstoffgemisch
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Die
erhaltenen Formlinge wurden nun als feinprofilierte Kerne in einem
Gießprozess
mit flüssigem
Aluminium getestet. Aluminium wurde verwendet, da hier bezüglich der
Verwendbarkeit die größten Zweifel
bestanden. Aluminium und Aluminiumoxid sind bereits seit längerem als
Verbundwerkstoffe in Kombination in Verwendung. Daher ist zu erwarten,
dass tragende Haftbrücken
zwischen den Oxidpartikeln und dem flüssigen Metall ausgebildet werden
können,
die zu einer mit Oxidpartikeln verunreinigten Gussteiloberfläche führen können.
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Die
angefertigten Gussteile zeigten jedoch im Vergleich zu den Standardgussteilen
nach dem Entformen eine deutlich glattere Oberfläche. Die Anzahl der durchschnittlich
anhaftenden Körner
pro Quadratzentimeter sank von 47 bis 49 auf 0,4 bis 0,5. Zusätzlich war
die Haftkraft der einzelnen Körner
an der Metalloberfläche
extrem niedrig, sodass die Reinigung statt des üblichen Sandstrahlens mit Hilfe
von Druckluft oder Ultraschall erfolgen konnte. Dies eröffnet die
Möglichkeit,
die abschließende
Reinigung der Gussteile mit Methoden wie z. B. Ultraschallbädern oder
auch Druckluftbeaufschlagung durchzuführen, welche deutlich kostengünstiger
und schneller im Vergleich zum üblichen
Sandstrahlen sind. Darüber
hinaus wurden die Feinprofilierungen exakt in der im Formling vorgegebenen
Art und Weise ausgeformt.
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Der
vorgenannte Effekt lässt
sich insbesondere bei der maschinellen Kernherstellung in Verbindung mit
komplizierten Gussteilen nutzen. So sind beispielsweise Oel-Wasserkanäle mit Hinterschneidungen
im Gussteil von Automobil-Verbrennungsmotoren
nunmehr mit einer besonders glatten Oberfläche herstellbar. Eine Nachbehandlung
z. B. durch Strahlen der Gussteile ist nicht mehr erforderlich.
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Bei
der Entkernung der Gussteile zeigte sich ein zusätzlicher Effekt: Während die
auf übliche
Art und Weise hergestellten Gussteile in einem frequenzregulierten
Schwingungsentleerer etwa 40 Sekunden lang erschüttert und gedreht werden mussten,
um eine vollständige
Entkernung zu bewirken, war bei den Gussteilen mit Oxidzusatz die
Entkernung bereits nach 10 Sekunden vollständig abgeschlossen. Eine mikroskopische
Untersuchung des entkernten Sandes zeigte mikroporöse Binderbrücken im
Bereich der Kornzwickel, welche bei niederfrequenter Erschütterung
leichter gelöst
bzw. gebrochen werden können.
Die 4fach beschleunigte Entkernung konnte bei jedem Prüfkörper wiederholbar
festgestellt werden.
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Abschließend wurde
das erfindungsgemäße Formstoffgemisch
unter Verwendung von Aluminiumoxiden geringerer Reinheit mit gleichen,
eingestellten Korngrößen wie
zuvor beschrieben getestet. Dabei zeigte sich, dass bei einer Reinheit
des Typs AL90,0 und geringer vermehrter Anhaftungen von Formsand
auftraten. Dies wird daher als untere Grenze für den Reinheitsgehalt des Aluminiumoxids
angesehen.
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Im
Folgenden werden Oxide, welche in ihrer Morphologie durch Vermahlung
etc. eingestellt wurden, als ,synthetisch' bezeichnet. Es zeigte sich, dass auch
mit synthetischen Aluminiumoxiden mit einem Reinheitsgrad von 90%
die erfindungsgemäßen Vorteile
erzielt werden konnten.
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Zur
Begründung
der verschiedenen Parameterbereichsgrenzen des eingangs definierten „synthetischen
Aluminiumoxids" wurden
verschiedene gemahlene Oxide untersucht. Bei Korngrößen <1 Mikrometer trat
eine Klumpenbildung bei der Vermischung mit wiederaufbereitetem
Kernsand auf. Bei Korngrößen über 200
Mikrometer stellte man fest, dass eine vollständige Abdeckung des mit Aluminiumoxid
zu beschichtenden Kornes nicht zuverlässig erfolgte.
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Ferner
wurde festgestellt, dass die feingemahlenen Aluminiumoxide insbesondere
in den Grenzbereichen von 100–200
Mikrometer vorzugsweise unmittelbar nach der Vermahlung dem Bindemittel
zugemischt werden müssen,
sonst besteht bei einer längeren
Lagerung die Gefahr des Anlösens
bzw. der Aluminatbildung. Dies erfolgt insbesondere bei erhöhten Temperaturen
wie sie im Gießereibetrieb überall auftreten
können.
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Zusammenfassend
besteht das erfindungsgemäße Gießerei-Formstoffgemisch
aus Formsand, Bindemittel, Zuschlägen und Aluminiumoxid als emissionsfreiem
Zusatz. Es bewirkt eine verbesserte Fließfähigkeit und Beständigkeit
gegen thermische Einwirkungen des Formstoffgemisches, eine erheblich
reduzierte Anzahl an anhaftenden Körnern am fertigen Gussteil,
eine reduzierte Haftkraft der anhaftenden Körner am Gussteil sowie eine
deutlich verkürzte
Entkernungszeit.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Gießerei-Formstoffgemisches
sieht vor, dass das Aluminiumoxid mit einer Reinheit von >90% und einer Korngröße von 1–200 Mikrometer
dem Bindemittel unmittelbar zugemischt und verarbeitet wird. Der
Anteil kann dabei zwischen 10 und 85%, bezogen auf die Bindemittelmenge
liegen.
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Bei
der Verwendung des erfindungsgemäßen Formstoffgemisches
bilden sich zwischen den Sandkörnern
mikroporöse
Binderbrücken,
welche eine schnelleres und einfacheres Entkernen und abschließendes Reinigen
des Gussteils ermöglichen.
