DE102006021151A1

DE102006021151A1 - Kernwerkstoff aus tonhaltigem Sand enthaltendem Aerogelsand

Info

Publication number: DE102006021151A1
Application number: DE102006021151A
Authority: DE
Inventors: Lorenz Prof. Ratke; Sabine Dr. Brück; Elmar Dipl.-Ing. Nolte
Original assignee: METALLGUSS HERPERS GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: METALLGUSS HERPERS GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-05-06
Filing date: 2006-05-06
Publication date: 2007-11-08
Also published as: EP1852197A1; ATE525153T1; EP1852197B1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Kernwerkstoff aus tonhaltigen Sand enthaltendem Aerogelsand sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Kernwerkstoff aus tonhaltigem Sand enthaltendem Aerogelsand sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Gießen in Formen aus gebundenen Sanden ist eine Standardguss-technik, um Werkstücke aus verschiedensten Legierungen, insbesondere von Aluminium, Magnesium, Titan oder Graugusslegierungen herzustellen. Modelle der Gusskörper werden aus Holz, Styropor und anderen Materialien hergestellt, in geeigneten Formkästen fixiert und mit Sanden umfüllt, wobei die Sande verdichtet werden. Die Sande werden in der Regel durch organische Bindemittel (Kunststoffe) chemisch oder thermisch gebunden, wodurch der Sandform eine ausreichende Festigkeit verliehen wird. (J. Sprunk, W. Blank, W. Grossmann, E. Hauschild, H. Rieksmeier, H.G. Rosselnbruch; Feinguss für alle Industriebereiche, 2. Auflage, Zentrale für Gussverwendung, Düsseldorf 1987; K.A. Krekeler, Feingießen, in: Handbuch der Fertigungstechnik Bd. 1., Herausgeber: G. Speer, Hanser Verlag, München 1981, W. Tilch, E. Fleming, Formstoffe und Formverfahren, Deutsche Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig/Stuttgart 1993).
Hohlräume innerhalb der Gussform müssen mittels eines Kernes stabil vorgeformt werden. Solche Kerne werden in der Regel wegen der dort herrschenden hohen thermischen und mechanischen Belastung aus kunststoffgebundenen Sanden hergestellt. Nachteil der heute üblichen Verfahren zur Kernherstellung ist, dass die Entfernung der Kerne aus dem Gussstück, insbesondere bei Leichtmetalllegierungen nur mit hohem Aufwand möglich ist (z.B. mechanische Zerstörung, Rütteln, thermische Zersetzung), die Verteilung der Sande im Kern inhomogen ist und/oder Risskeime existieren, die unter anderem zum Bruch unter thermisch-mechanischer Belastung führen können. Insbesondere die thermische Zersetzung der organischen Binder ist im Leichtmetallguss problematisch und nicht gelöst. In der Regel bleiben Kernfragmente im Gusskörper, die mechanisch entfernt werden müssen.
Aerogele sind hochporöse, offenporige Festkörper, die in der Regel über Sol-Gel-Verfahren über die Gelation kolloiddisperser Lösungen und anschließender überkritischer Trocknung gewonnen werden. Seit einigen Jahren ist es gelungen, auch Kunststoffe über Sol-Gel-Verfahren zu gelieren und durch überkritische Trocknung in einen hochporösen organischen Festkörper umzuwandeln (siehe beispielsweise DE 195 23 382 A1 , DE 694 09 161 T2 und US-A-5,086,085). Pyrolyse solcher Kunststoffaerogele unter Schutzgas oder im Vakuum bei Temperaturen oberhalb 1000°C wandelt diese in Kohlenstoffaerogele um. Wie die oxidischen Aerogele haben Kunststoff- und Kohlenstoffaerogele extrem geringe effektive Wärmeleitfähigkeiten (Größenordnung einige mW/K/m) und sind erheblich leichter. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kunststoff- und Kohlenstoffaerogelen sind in der Literatur dokumentiert (R.W. Pekala, C.T. Alviso, F.M. Kong, S.S. Hulsey; J. Non-Cryst. Solids 145 (1992) 90; R.W. Pekala, C.T. Alviso, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 270 (1992) 3; R. Petricevic, G. Reichenauer, V. Bock, A. Emmerling, J. Fricke; J. Non-Cryst.Solids (1998)). Sie lassen sich durch die Ausgangsstoffe, ihr Gemisch und das Herstellungsverfahren in weiten Grenzen variieren.
EP 1 077 097 A1 beschreibt die Herstellung und Verwendung von hochporösen, offenporigen Kunststoff- und/oder Kohlenstoffaerogelen, erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation von organischen Kunststoffmaterialien. Die beschriebenen Aerogelsande können auch als Kernwerkstoffe eingesetzt werden, wobei die Aerogelsande jedoch durch Oxidation bei einer Temperatur von weniger als 500°C entfernt werden können.
Aerogelsande entstehen aus der Kombination von konventionellen Gießereisanden und Aerogelen. Werden insbesondere RF-Aerogelsande pyrolisiert, entstehen Kohlenstoff-Aerogelsande. Typischerweise verbrennen Kohlenstoff und kohlenstoffhaltige Produkte erst mit merklicher Geschwindigkeit bei Temperaturen oberhalb 800°C. Dies bedeutet, dass Kohlenstoff-gebundene Aerogelsande als Kernwerkstoff für Aluminiumguss nicht in Frage kämen. Kohlenstoff-Aerogelsande oxidieren aber schon merklich ab 480°C ( DE 10200427382.0 ).
RF-Aerogelsande werden aus Gießereisanden, Resorcin und Formaldehyd hergestellt. Resorcin und Formaldehyd werden als Hauptbestandteile des Binders in einem Stoffmengenverhältnis von etwa 1,3:1 gemischt und Na₂Co₃ als Katalysator und deionisiertes Wasser hinzugefügt. Das Sol wird mit dem Sand vermengt und geliert unter Luftabschluss. Das Trocknen der Mischung aus nassem Gel und Sand bei 20 bis 40°C erzeugt die Aerogelsande.
Sande können mit Gehalten zwischen 50 und 90 Gew.-% in sogenannte Aerogelsande eingebracht werden. Ihre Form und Größe sowie deren chemische Zusammensetzung sind die Einflussfaktoren für die Eigenschaften eines Kernes. Zur Herstellung der Aerogelsande wurden Quarz-, Alodur^®-(96% Al₂O₃), und Siliziumcarbidsand (SiC) eingesetzt. Aerogelsande haben ausreichende Festigkeiten, die mit der Korngröße der Sande aber auch dem Binderanteil verändert werden kann. Die Wärmeleitfähigkeiten liegen im Bereich konventioneller Form- und Kernwerkstoffsysteme.
Die RF-Aerogelsande sind die notwendige Voraussetzung, um Kohlenstoff-Aerogelsande herzustellen. Durch Pyrolyse lassen sich aus ihnen Kohlenstoff-Aerogelsande herstellen. Dabei werden Körper aus RF-Aerogel-gebundenen Sanden in einem Ofen eingesetzt; der Ofen evakuiert und mit Argon geflutet. Aufheizen des Ofens auf über 1.000°C und Halten bei dieser Temperatur je nach Größe des Formkörpers für einige Stunden, wandelt die RF-Aerogele in Kohlenstoff-Aerogele um. Nach einem Abkühlungsprozess können die entstandenen C-Aerogele beziehungsweise Kohlenstoff-Aerogelsande entnommen werden. Die so erhaltenen Formkörper aus Sand und Kohlenstoff-Aerogel verlieren dabei nicht ihre Form und sind mechanisch stabil, vergleichbar mit dem Ausgangsprodukt – dem Kunststoff-Aerogelsand.
DE 102 16 464 A1 beschreibt Kernwerkstoffe aus anorganischem Aerogel und anorganischen Füllstoffen, wie Gießereisanden, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung zur Herstellung von Gussformen. Die beanspruchten Kernwerkstoffe bestehen neben den Füllstoffen aus Silicaaerogel.
Anstelle der heute üblichen chemischen Bindemittel wurde dem Sand bisher Ton beigemischt oder es wurden natürliche Sandsorten gewählt, bei denen bereits Ton in hinreichender Menge enthalten war (Formsande). Die tongebundenen Sande werden im Allgemeinen mit Wasser gebunden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass diese Formstoffe keine hohe Festigkeit aufweisen und daher für die Kernherstellung prinzipiell ungeeignet sind. Bis heute werden Kerne für den Formguss mit polymeren Bindern wie beispielsweise Phenol- oder Furanharzen hergestellt. Diese können jedoch nicht in Kombination mit Natursanden eingesetzt werden, da diese zur Quellung des Schichtmaterials notwendigerweise einen hohen Wasseranteil aufweisen müssen. Dieses Wasser würde zu einer Verdünnung der Harze führen und damit zu einer deutlichen Absenkung der Bindefähigkeit. Daher wurden mit Einführung der polymeren Binder im Formguss bislang nur reine spezielle und damit teure Gießereisande eingesetzt, die entweder zumindestens zu 99 Gew.-% aus SiO₂ bestehen (Quarzsande) oder die zumindest zu 97 Gew.-% aus Al₂O₃ bestehen (ALODUR^®).
Auch bei den vor kurzer Zeit bekannt gewordenen Kernwerkstoffen aus Aerogelen und Formsanden werden ausschließlich spezielle Gießereisande eingesetzt. So wird beispielsweise in der EP 1 077 097 A1 ALODUR^®-Sand eingesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, einen Kernwerkstoff aus Aerogel und Sand bereitzustellen, der wesentlich einfacher und preisgünstiger herzustellen ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst in einer ersten Ausführungsform durch einen Kernwerkstoff für den Formguss aus Sand enthaltendem Aerogel, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sand tonhaltige 3 bis 10 Gew%-Schichtsilikate enthält.
Tonhaltiger Sand im Sinne der Erfindung ist ein Sand, der zum einen feucht ist und zum anderen einen wesentlichen Anteil an Ton enthält. Übliche tonhaltige Sande enthalten beispielsweise zwischen 5 und 15 Gew.-% Ton. Tonhaltiger Sand im Sinne der Erfindung ist also ein Tonmineralsand. Dieser enthält sogenannte Tonmineralien, insbesondere Schichtsilikate in einer Menge von 3 bis 10 Gew.%, wie beispielsweise Illit, Kaolinit oder auch Montmorillonit.
Gerade unter dem Gesichtspunkt, dass tonhaltige Formsande immer weniger in Gießereien eingesetzt werden, ist es nun um so überraschender, dass der erfindungsgemäße Kernwerkstoff aus Aerogel und tonhaltigem Sand im Vergleich zu herkömmlichen Kernwerkstoffen aus Aerogel und Gießereisand eine besonders hohe Festigkeit aufweist und schnell aushärtet. Dies lässt sich möglicherweise dadurch erklären, dass gerade Aerogele auf Polymerbasis von Hause aus einen hohen Wasseranteil mit sich bringen und so das hohe Bindungsvermögen des Tonminerals mit den guten Bindeeigenschaften des Aerogels verknüpft werden. Besonders vorteilhaft am Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch der besondere niedrige Preis von tonhaltigem Sand, der in der Folge die besonders preisgünstige Fertigung von Kernen für den Formguss erlaubt. Durch die hohe Festigkeit des erfindungsgemäßen Kernwerkstoffes kann der Kernwerkstoff mit einem deutlich verringerten Binderanteil gefertigt werden.
Das Aerogel ist vorteilhafterweise ein Resorcin-Formaldehyd-Aerogel. Diese Aerogele werden durch Trocknung eines Sols aus Resorcin und Formaldehyd gewonnen. Dieses Material ist deshalb besonders vorteilhaft, da es in der bisherigen Gießereitechnik bereits als nicht poröses und massives Polymerbasiertes Bindemittel Resorcin-Formaldehydharz eingesetzt wird.
Vorteilhafterweise ist das Aerogel als Bindemittel in einem Mengenbereich von 6 bis 15 Gew.-% im Kernwerkstoff enthalten. Liegt die Menge des Aerogels deutlich unterhalb dieses Bereiches, so wird ein erhöhter Abrieb und eine geringe Festigkeit des Kernwerkstoffes beobachtet. Liegt der Anteil an Aerogel als Bindemittel deutlich über 15 Gew.-%, so verlängert sich die Gelierdauer bei der Herstellung des Kernwerkstoffs von einigen Minuten für den erfindungsgemäßen Kernwerkstoff auf bis zu mehrere Stunden für einen Kernwerkstoff enthaltend mehr Aerogel.
Der tonhaltige Sand ist vorteilhafterweise in einem Mengenbereich von 85 bis 94 Gew.-% im Kernwerkstoff enthalten. Ein höherer Gehalt an tonhaltigem Sand führt zu geringerer Stabilität des Kernwerkstoffes. Ein niedrigerer Gehalt an tonhaltigem Sand führt zu einer deutlich verlängerten Gelierzeit.
Die Festigkeit des Kernwerkstoffes beträgt vorteilhafterweise mindestens 100 N/cm² (1MPa).
Der mittlere Korndurchmesser des tonhaltigen Sandes beträgt vorteilhafterweise mindestens 100 μm.
Der Tongehalt des tonhaltigen Sandes liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 3 bis 20 Gew.-%, insbesondere 8 bis 15 Gew.-%. Der Wassergehalt des eingesetzten Natursandes liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 3 bis 10 Gew.-%.
Die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Kernwerkstoffes liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 W/mK. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Kernwerkstoff für Anwendungen wie Aluminiumguss und Stahlguss eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernwerkstoffes, umfassend die folgenden Schritte:

a. Herstellung eines Sols,
b. Mischung des Sols mit tonhaltigen Sand,
c. Gelierung des Sols zu einem Gel, und
d. Trocknung des Gels.

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren zur Herstellung von Kernwerkstoffen auf Basis von Aerogel unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren vor allem dadurch, dass mit diesem Verfahren eine erhebliche Verkürzung der Gelierdauer erzielt werden kann. Während bei den bekannten Verfahren die Gelierdauer oft mehrere Stunden betrug, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschenderweise eine Gelierdauer von nur wenigen Minuten erreicht werden. Durch die höhere resultierende Festigkeit des Kernwerkstoffes kann im Unterschied zu den bekannten Verfahren auch ein deutlich geringerer Bindeanteil eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise setzt man im erfindungsgemäßen Verfahren tonhaltigen Sand mit einem Wassergehalt in einem Bereich von 3 bis 10 Gew.-% ein. Bei diesem Wassergehalt konnte beobachtet werden, dass eine besonders hohe Festigkeit des resultierenden Kernwerkstoffs erzielt werden konnte.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kernwerkstoff als Kernwerkstoff für den Formguss.
Ausführungsbeispiel:

1. Herstellung der Aerogellösung: 22 g Resorcinol + 20 ml Formaldehydlösung (37%ig) + 0,013 g Na₂CO₃ + 82 ml H₂O und Rühren bei Raumtemperatur.
2. Mischen der Aerogellösung mit tonhaltigem Sand: Beispiel: 100 cm³ tonhaltiger Sand (Fa. Klophaus, Solingen, Sandklasse SGII) mit einer mittleren Korngröße 120 μm nahm 45 ml Lösung auf. Die Aerogellösung wurde unter Rühren in einem Hobart-Mischer dem Sand zugefügt.
3. Befüllung der Kernform: Befüllung der Kernform unter Rüttel- und Klopfverdichtung.
4. Abbinden des Sandes zu ausreichender Nassfestigkeit innerhalb von 5 Minuten.
5. Trocknen: Trocknen der offenen Form in einer Stunde bei 120°C im Trockenschrank.
6. Einbau des aerogelgebundenen Sandkernes in eine Standardgussform

Nach dieser Vorschrift wurden verschiedene Probekörper hergestellt, die mit einem unterschiedlichen Anteil an Aerogellösung hergestellt wurden. Die Aushärtungsdaten sind in der Tabelle 1 wieder gegeben. Tabelle:
Für ausgewählte Kombinationen aus tonhaltigem Sand und der Aerogellösung wurde die Endfestigkeit bestimmt Die Daten sind in der Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2:

Claims

Kernwerkstoff für den Formguss aus Sand enthaltendem Aerogelsand, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff tonhaltigen Sand mit einem Gehalt an Schichtsilikaten von 3 bis 20% aufweist.
Kernwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel ein Resorcin-Formalehyd-Aerogel ist.
Kernwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel in einem Mengenbereich von 6 bis 15 Gew.% im Kernwerkstoff enthalten ist.
Kernwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der tonhaltige Sand in einem Mengenbereich von 85 bis 94 Gew.% im Kernwerkstoff enthalten ist.
Kernwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit mindestens 100 N/cm2 beträgt.
Kernwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Korndurchmesser des tonhaltigem Sand mindestens 100 μm beträgt.
Verfahren zur Herstellung des Kernwerkstoffes gemäß Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: a. Herstellung eines Sols, b. Mischung des Sols mit tonhaltigen Sand, c. Gelierung des Sols zu einem Gel, und d. Trocknung des Gels.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man tonhaltigen Sand mit einem Wassergehalt in einem Bereich von 3 bis 10 Gew.% einsetzt.
Verwendung des Kernwerkstoffes gemäß Anspruch 1 als Kernwerkstoff für den Formguss.