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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernwerkstoff aus Aerogelsand enthaltend einen Additivsand sowie die Verwendung des Kernwerkstoffes für den Sand- und Formguß.
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Gießen in keramischen Formschalen und Formen mit Kernwerkstoffen aus gebundenen Sanden ist eine Standardgusstechnik, um Präzisionsteile aus verschiedensten Legierungen, insbesondere von Aluminium, Magnesium, Titan oder Graugusslegierungen herzustellen. Mittels moderner Gussverfahren ist es möglich, konturgerecht und endformnah zu gießen (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. Flemming, Formstoffe und Formverfahren, Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig/Stuttgart 1993).
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Der Stand in der Kernfertigung ist ebenso wie bei den Formverfahren durch eine Vielzahl von Kernformverfahren einschließlich verschiedenartiger Bindersystem und Ausrüstungen gekennzeichnet. Gießereien, die eine große Modellpalette haben, müssen verfahrensbedingt oftmals mehrere Verfahren nebeneinander anwenden. Der Schwerpunkt in der Entwicklung neuer Kernbinder- oder Kernformstoffe liegt in der Verbesserung der spezifischen Festigkeit von Formstoffen bei gleichzeitiger Verringerung des Binderanteils, um so die wirtschaftlichen und ökologischen Ressourcen zu schonen.
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Aufgrund der geringen Zerstörung der Binderbrücken behalten Kerne nach dem Gießen eine Festigkeit und lassen sich schwierig durch mechanische Vibration ausleeren. Besonders bei engen Hohlräumen ist oft ein zusätzlicher Zeit- und Arbeitsaufwand zur vollständigen Entfernung des Kernsandes erforderlich, wodurch die Kosten steigen.
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Dünnwandige Gussteile, die sich beim Entkernungsversuch verziehen oder verbiegen können, stellen ein Problem dar, das gelöst werden muss. Das Ausleerverhalten von organisch gebundenen Kernen beim Aluminiumguss hängt von ihrer mechanischen Festigkeit ab. In dem Masse wie die Festigkeit der Kerne zunahm, verschlechterte sich das Ausleerverhalten. Der übliche Weg, um eine gute Entkernbarkeit zu erzielen, führt zu geringeren Binderanteilen. Die Kerne lassen sich dann einfacher entfernen. Gleichzeitig aber verschlechtert sich die Stabilität des Kernes, so dass bereits im Vorfeld eines Abgusses Probleme wie Kernbruch oder Kernverzug auftreten können. Die Sandkörner können nur bis zu einer gewissen Minimalgrenze ausreichend vom Binder umhüllt werden, so dass eine vollständige Härtung schwierig ist. Eine Vielzahl von Möglichkeiten wurde erprobt um das Problem der vollständigen und sauberen Kernentfernung zu lösen, beispielsweise durch eine Variation der Binderarten und der Binderanteile. Diese Versuche waren nicht in allen Fällen erfolgreich. Oft musste ein ganzer Prozessschritt in der Gussteilfertigung neu definiert werden. Dies führte zu zusätzlichen Kosten für Investitionen, Energie und Arbeit. Wenn es gelänge, die Kerne ohne zusätzliche Maßnahmen, mindestens aber mit deutlich weniger Kosten sicher zu entfernen, könnte die Produktivität einer Gießerei gesteigert werden. Aus ökologischen Gesichtspunkten sollte darüber hinaus die selektive Rückführbarkeit der Formstoffe aus den Formstoffkreisläufen und ihre Rezyklierung Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten sein.
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Um zu verstehen, wie die Zerstörung und Ausleerung des Kerns ablaufen, muss nicht nur die Herstellung der Kerne und Formen betrachtet werden, sondern auch, wie sie ihre Festigkeit und ihre thermischen Eigenschaften erlangen. Die Mechanisierung der Kernfertigung setzte neue Maßstäbe, sowohl für die Einzelkernfertigung, als auch für die maschinelle Serienfertigung. Mit der Verwendung von Bindemittel auf Kunstharzbasis wurde die organochemische Kerntechnologie eingeleitet. Sie wurde 1943 von Croning vorgestellt, der erstmals ein Harz-Sandgemisch verwendete. Im Zuge ihrer Weiterentwicklung konnten eine Vielzahl von Bindersystemen, bevorzugt auf Kunstharzbasis, vorgestellt werden. Die Entwicklungsanforderungen, die an organische Bindersysteme gestellt werden, sind mannigfaltig. Qualitativ hochwertige organische Bindersysteme müssen heutzutage die Anforderungen an die Gussstückqualität und damit an Maßgenauigkeit und Formqualität erfüllen. Von ihnen wird eine hohe spezifische Festigkeit in Verbindung mit einem verminderten Binderanteil in der Formstoffmischung gefordert. Die Viskosität des Binders darf nicht zu hoch sein, denn nur SO kann eine gute Dosierung und damit gute Verarbeitung gewährleistet sein. Die Kornoberfläche lässt sich zudem besser vernetzen, so dass eine ausreichend hohe Festigkeit erzielt werden kann. Die Empfindlichkeit gegenüber Parametern, die auf die Dosierung und Verfestigung Einfluss nehmen, sollte nur gering und auch ein guter Kernzerfall sollte gewährleistet sein. Wirtschaftliche und ökologische Gesichtspunkte, wie die Vermeidung einer Schadstoffentwicklung während der Verarbeitung und dem Gießen und günstige Bedingungen hinsichtlich des material- und energiewirtschaftlichen Einsatzes, sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Die hier genannten Forderungen haben zu einer Verfahrensentwicklung mit neuen Bindersystemen und entsprechenden Ausrüstungen geführt.
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Wie oben ausgeführt gibt es verschiedene Verfahren in den Gießereien, um verlorene Formen und Kerne herzustellen. Im Bereich des Sandgusses kann zwischen kunstharzgebundenen und anorganisch gebundenen Sanden unterschieden werden. Im Bereich des Feingusses werden keramische Formschalen eingesetzt und organisch gebundene Sandkerne.
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Wesentliche Probleme aller Arten von Kern- und Formwerkstoffen sind:
- a) Entkernung, das heißt möglichst einfache, vollständige, rückstandfrei Entfernung des Kerns aus dem Gussstück
- b) Kerne müssen hohe thermische Belastungen aushalten. Sie dürfen sich beim Abguss nicht verziehen, brechen oder sonst wie verformen.
- c) Die Erstarrung des Gussstückes muss am Kern beginnen, da hier sonst Lunker entstehen
- d) Die Kernwerkstoffe müssen so fest sein, dass sie die hydrodynamischen Belastungen (Scherspannungen durch viskose Kräfte des einströmenden Metalls dürfen nicht zur Ablösung von Sandkörnern und Sandschichten führen) sowie thermische Spannungen und Schrumpfspannungen beim Gießen und Erstarren aushalten.
- e) Beim Abguss dürfen aus dem Kern- und Formstoff keine Gase austreten, die entweder im Metall zu Gussporen führen oder aber die Gussoberfläche schädigen (Gasstoß)
- f) Kern- wie Formwerkstoffe dürfen chemisch nicht mit dem Gießmetall reagieren
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Kerne werden heute auf sogenannten Kernschießmaschinen hergestellt, das heißt eine fließfähige Masse aus Sand und Binder wird unter hohem Druck in die Kernform geschossen und dann durch Zusatz eines Härters ausgehärtet (die Härtung kann durch Zusatz einer Chemikalie erfolgen oder durch Schießen in eine vorgewärmte Form oder eine Mikrowelle eingeleitet werden). Als synthetischer Kernsand findet beispielsweise MinSand Anwendung (W. Bender, 'MinSand – Mehr als nur ein neuer synthetischer Kernsand', Gießerei – Erfahrungsaustausch 6/2004). Auch der Einsatz von Strahlkorund ist beschrieben (P. Vollenweider, VSKF 36. Arbeitstagung 30.09./01.10.2004, Murten). Weiterhin bekannt ist die Verwendung einer Schlacke, welche auf Fe oder Ni basiert, wie dies in
JP 01-066037 A beschrieben ist. Die Herstellungszeiten für Kerne liegen heute im Sekundenbereich, wenn es um Massenprodukte geht, sonst im Minutenbereich.
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Die heute zur Verfügung stehenden Form- und Kernwerkstoffe erfüllen im allgemeinen diese Anforderungen, aber es gibt immer wieder Probleme in bestimmten Anwendungsbereichen, so beispielsweise im Titanguss, wo es kaum Kernwerkstoffe gibt, die nicht mit dem Metall reagieren, so im Aluminiumguss, bei dem vor allem die Entkernung komplex geformter Kerne (beispielsweise Hinterschneidungen) erhebliche Probleme bereitet. Zudem gibt es im Bereich der Formstoffe Probleme, da es kaum Sand-Bindersysteme gibt, die es ermöglichen, dünnwandig zu gießen. Ursache hierfür ist, dass die heutigen Formstoffsysteme eine so hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, dass das Gießmetall in dünnwandigen Formbereichen nicht mehr ausläuft.
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Eine Formsand-Zusammensetzung mit verbesserter Fluidität ist in
JP 2002-239681 A beschrieben. Der Sand umfasst neben Aggregaten auch hohlraumfreie sphärische Körner. Der Durchmesser dieser Körner ist bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 50 μm. Bevorzugt weist die Zusammensetzung ein organisches Harz als Bindemittel auf.
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Eine Zusammensetzung für eine Kern-Gussform ist auch aus
US 2 687 966 A bekannt. Diese umfasst 4 bis 84% Quarzsand, 96 bis 16% granulierte Schlacke, Kernöl, einen Quellbinder, ein Trockenmittel und Wasser.
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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 keramischen Pulvern hergestellt. Nachteil der heute üblichen Verfahren zur Kernherstellung ist, dass die Entfernung der Kerne aus dem Gussstück nur mit extrem hohen Aufwand möglich ist (beispielsweise Verbrennung im Autoklaven), die Verteilung der Sande im Kern inhomogen ist und Risskeime existieren, die unter anderem zum Bruch unter thermisch-mechanischer Belastung führen können.
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Aerogele sind hochporöse, offenporige oxidische Festkörper, die in der Regel über Sol-Gel-Verfahren aus Metallalkoxiden durch Polymerisation, Polykondensation zu Gelen 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 5 086 085 A ). Pyrolyse solcher Kunststoffaerogele unter Schutzgas oder im Vakuum bei Temperaturen oberhalb 1000°C wandelt diese in Kohlenstoffaerogele um.
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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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Aerogelsande sind als solche bereits bekannt, und sind im Wesentlichen Sand enthaltende Aerogele. Die Herstellung solcher Aerogelsande und vor allem deren Verwendung als Kernwerkstoff für den Formguß sind bereits aus der
EP 1 077 097 A1 bekannt.
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Die Herstellung füllstoffhaltiger Aerogele ist aus
WO 2005/056643 A2 bekannt. Der Aerogel-Formkörper enthält anorganischen Füllstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis zu 0,5 Wm
–1K
–1.
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Aus
DE 10 2004 027 382 B4 sind Kunststoff-Aerogele mit einer Temperatur der thermischen Zersetzung von weniger oder gleich 500°C bekannt.
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Bei der Herstellung von Aerogelsanden, vor allem wenn sie mit organischen Aerogelen auf Resorcin-Formaldehyd basieren, werden diese zur Formung des Kerns üblicherweise in Formkästen aus Holz, Metall oder Kunststoff eingefüllt oder geschossen (Kernschießen). Dabei neigen sie gerade bei Holzformkästen dazu, an den Wänden der Formkästen zu kleben. Verbunden mit einer geringen Grundfestigkeit wird die Herausnahme aus dem Form- oder Kernkasten erheblich erschwert und es kann zu Rissen kommen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, durch geeignete Zusatzstoffe sowohl die Klebneigung in den Formkästen zu reduzieren als auch die Grundfestigkeit direkt nach dem Kernschießen zu erhöhen.
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Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch einen Kernwerkstoff aus Aerogelsand, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kernwerkstoff Additivsand in einer Menge in einem Bereich von 1 bis 10 Gew.-%, ausgewählt aus
- – Strahlsand, enthaltend 48 bis 51 Gew.-% SiO2, 8 bis 12 Gew.-% FeO3, 28 bis 50 Gew.-% Al2O3, 2 bis 5 Gew.-% CaO, 3 bis 5 Gew.-% K2O und 2,7 bis 2,8 Gew.-% Al, und/oder
- – Kugelsand aus homogen gefüllten kugelförmigen Körnern, vom Additivsand verschiedenen Formsand in einer Menge im Bereich von 9878 bis Gew.-% und
ein Resorcin-Formaldehyd-Aerogel in einer Menge in einem Bereich von 1 bis 13 Gew.-% enthält.
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Strahlsand im Sinne der Erfindung ist solcher, der entweder aus Hochofen-Schlacke gewonnen wird, oder sonst üblicher Korund-Strahlsand, der üblicherweise zum Sandstrahlen von Gussstücken eingesetzt wird. Bei Hochofen-Schlacke handelt es sich um bei Kohlekraftwerken auftretende Schlacke, die gemahlen, gesiebt und entstaubt ist. Die Schlackenkörner bestehen vorzugsweise aus einem Korund-Silikat-Mischoxid und haben vorteilhafterweise eine glatte bis splittrige Gestalt. Mit „homogen gefüllt” im Sinne der Erfindung ist gemeint, dass die Dichteverteilung der Sandkörner über ihren gesamten Querschnitt hinweg im Wesentlichen gleich ist. Somit unterscheidet sich der erfindungsgemäße Kugelsand ausdrücklich von Sand aus Hohlkugeln.
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Der Begriff „kugelförmige Körner” im Sinne der Erfindung meint, dass die Oberfläche der Körner des Kugelsandes zu höchstens 10% des Radius von einer Kugel beanstandet sind, die engstmöglich um das jeweilige Korn herum gelegt werden kann.
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Durch den Einsatz von Additivsand wurde überraschend gefunden, dass sich die Grundfestigkeit von Kernwerkstoffen, insbesondere solcher aus Aerogelsanden basierend auf einem organischen Aerogel, erheblich steigern lässt. Auch wurde beobachtet, dass überraschenderweise die Klebeneigung dieser Kernwerkstoffe in Formkästen beispielsweise aus Holz erheblich abgenommen hat.
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Strahlsand unterscheidet sich von üblichem Gießereisand (spezifisches Gewicht 2,5 kg/l) beispielsweise durch die Zusammensetzung.
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Die maximale Porengröße des Kugelsandes beträgt vorteilhafterweise höchstens 10 Vol.-% des Volumens des jeweiligen Sandkorns selbst. Unabhängig davon kann es gleichermaßen bevorzugt sein, dass die Porosität des Kugelsandes in einem Bereich von 20 bis 90%, insbesondere in einem Bereich von 30 bis 70% liegt. Hierbei wird die Porosität dadurch ermittelt, dass die tatsächliche Dichte des Sandkorns bestimmt wird und auf die theoretische Dichte des porentiefen Sandkorns aus demselben Material normiert wird. Durch die Porosität und die Oberflächenrauhigkeit hat der Kugelsand den Vorteil, dass der entstehende Kernwerkstoff noch fester ist und insgesamt eine geringere Bindermenge benötigt wird.
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Darüber hinaus kann von den Poren überschüssiger Binder aufgesogen werden, so dass dieser nicht mehr zur Verklebung mit dem Formkasten führen kann. Die Schüttdichte des Kugelsandes liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 1,0 bis 2,2 g/cm3. Die Schüttdichte liegt also vorzugsweise etwa 40% oberhalb der Schüttdichte von Quarzsand. Auch dies trägt wiederum zu einer erhöhten Grundfestigkeit bei. Das spezifische Gewicht liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 2 bis 3 g/cm3.
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Der Additivsand des erfindungsgemäßen Kernwerkstoffes hat vorteilhafterweise eine mittlere Korngröße in einem Bereich von 1 bis 2000 μm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 200 μm. Die mittlere Korngröße im Sinne der Erfindung ist der sogenannte D50 Wert. Das heißt 50% der Partikel sind kleiner als dieser Wert.
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Der Additivsand ist in einer Menge in einem Bereich von 1 bis 10 Gew.-%, vorteilhafterweise in einer Menge in einem Bereich von 3 bis 8 Gew.-% enthalten.
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Das Aerogel ist ein organisches Aerogel, auf Resorcin-Formaldehyd-Basis. Das Resorcin-Formaldehyd-Aerogel ist in einer Menge in einem Bereich von 1 bis 13 Gew.-%, vorteilhafterweise in einem Bereich von 2 bis 4 Gew.-% enthalten.
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Außerdem enthält der erfindungsgemäße Kernwerkstoff einen vom Additivsand verschiedenen Formsand in einer Menge in einem Bereich von 78 bis 98 Gew.-%, vorteilhafterweise in einem Bereich von 87 bis 91 Gew.-%. Dieser Formsand ist vorteilhafterweise Natursand.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kernwerkstoffes für den Sand- und Formguß, insbesondere für den Leichtmetallguss.
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Ausführungsbeispiele:
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Ausführungsbeispiel 1:
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Eine Aerogelsand-Vorläufer-Mischung mit MinSand der Firma Minelco, Sample D (AFS65) wurde als Additiv mit folgender Zusammensetzung eingesetzt:
- – 4,5 Gew.% poröser MinSand, Sample D (AFS65) als Additiv
- – 86,5 Gew.% MinSand, fein (AFS230) als Formsand
- – 7–9 Gew.% Resorcin-Formaldehyd-Aerogel-Binder als Binder (hergestellt gemäß dem Ausführungsbeispiel der EP 1 077 097 B1 )
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Die beiden Sandsorten (Additiv- und Formsand) wurden zunächst vermischt. Die Mischung wurde mit der Aerogel-Binder-Lösung versetzt und anschließend gründlich durchmischt. Sobald eine homogene Durchmischung stattgefunden hatte, wurde die Mischung mittels einer Kernschießmaschine (V + S Turbo-Kerner, TK 303) mit einem Druck von ca. 5 bar in ein Kernnegativ geschossen.
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Der hochporöse Sandanteil nahm überschüssigen Binder auf und verhinderte damit ein Ankleben des Kerns im Kernnegativ und erhöhte die Festigkeit des feuchten Kerns. Die Trocknung der Kerne konnte sowohl bei RT (6–12 h), bei 40°C im Trockenschrank (1–4 h), oder in der Mikrowelle (0,5–5 min) erfolgen. Nach vollständiger Trocknung konnten die Kerne in den Hohlraum gelegt werden und der Abguss erfolgen. Nach der Abkühlung des Gussteils konnte dieser entkernt werden. Der Sand fiel in der Regel rieselnd heraus, da sich der Binder durch den Abguss auf eine Temperatur in unmittelbarer Kernnähe auf über 300°C erhitzt hatte.
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Der zurück gewonnene Sand konnte ohne weitere Behandlung erneut eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiel 2:
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Eine Aerogelsand-Vorläufer-Mischung mit Strahlsand als Additiv wurde mit folgender Zusammensetzung eingesetzt:
- – 8,5 Gew.% Strahlsand (ASILIKOS®; Firma Asikos, Strahlmittel GmbH, Dinslaken Pt) als Additiv
- – Gew.% 84,5 Natursand (Betonit gebundener Formsand; Firma Klophaus, Solingen DE) als Formsand
- – 7 Gew.% Resorcin-Formaldehyd-Aerogel-Lösung als Binder
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Die beiden Sandsorten (Additiv- und Formsand) wurden zunächst vermischt. Die Mischung wurde mit der Aerogel-Binder-Lösung versetzt und anschließend gründlich durchmischt. Sobald eine homogene Durchmischung stattgefunden hatte, wurde die Mischung in ein Kernnegativ gebracht und durch Stampfen verdichtet.
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Der eingesetzte Strahlsand verhinderte ein Ankleben des Kerns im Kernnegativ und erhöhte die Festigkeit des feuchten Kerns. Die Trocknung der Kerne war abhängig von ihrer Größe, und konnte sowohl bei RT (6–12 h), bei 40°C im Trockenschrank (1–4 h), oder in der Mikrowelle (0,5–5 min) erfolgen. Nach vollständiger Trocknung konnten die Kerne in den Hohlraum gelegt werden und der Abguss erfolgen. Nach der Abkühlung des Gussteils konnte dieser entkernt werden. Der Sand fiel in der Regel rieselnd heraus, da sich der Binder durch den Abguss auf eine Temperatur in unmittelbarer Kernnähe auf über 300°C erhitzt hatte.
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Der zurück gewonnene Sand konnte ohne weitere Behandlung erneut eingesetzt werden.
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1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme. In der Mitte des Bildes befindet sich ein hochporöses MinSand-Korn (MinSand, Sample D (AFS65)).
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2 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme von hochporösem MinSand, Sample D (AFS65).
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3 zeigt einen Kern aus MinSand, fein (AFS230) unter Zusatz von hochporösem MinSand, Sample D (AFS 65) als Additiv.
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4 zeigt Strahlsand (Abfallprodukt der Fa. Metallguss Herpers, Aachen) als REM-Aufnahme.
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5 zeigt einen Kern aus Natursand mit Strahlsand als Additiv.
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Die Zusätze bewirken eine Steigerung der Grundfestigkeit von 0,5 auf 0,9 MPa.
