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Gegenstand
der Erfindung ist ein Kernwerkstoff aus tonhaltigem Sand enthaltendem
Aerogelsand sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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®).
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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.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es also, einen Kernwerkstoff aus
Aerogel und Sand bereitzustellen, der wesentlich einfacher und preisgünstiger
herzustellen ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Festigkeit des Kernwerkstoffes beträgt vorteilhafterweise mindestens
100 N/cm2 (1MPa).
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Der
mittlere Korndurchmesser des tonhaltigen Sandes beträgt vorteilhafterweise
mindestens 100 μm.
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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.-%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch
die Verwendung des erfindungsgemäßen Kernwerkstoff
als Kernwerkstoff für
den Formguss.
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Ausführungsbeispiel:
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- 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
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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:
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Für ausgewählte Kombinationen
aus tonhaltigem Sand und der Aerogellösung wurde die Endfestigkeit bestimmt
Die Daten sind in der Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle
2:
