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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gießereikerne mit verbesserten
Entkernungseigenschaften, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie
ihre Verwendung.
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Formen
und Kerne werden im Sandguss zumeist aus Quarzsand, für
spezielle Anwendungen aber auch aus anderen Sanden (Aluminiumoxid,
Zirkonoxid, Olivin, Chromerz) hergestellt, in dem die Sandkörner
durch polymere Binder miteinander verklebt werden und für
die Dauer der Formfüllung mit flüssigem Metall
einen formstabilen Verbund bilden. Dieser soll nach dem Erstarren
der Schmelze möglichst einfach wieder aufgelöst
werden können, was insbesondere für Kerne gilt,
die komplex geformte Hohlräume im Gussstück negativ
abbilden. Zur Entkernung oder Auflösung der Form können
mechanische Hilfsmittel (rütteln, schütteln, klopfen),
thermische Hilfsmittel oder druckbeaufschlagtes Wasser verwendet
werden. Als Binder werden heute vor allem Phenolharze verwendet,
sowie Polyurethane, Harnstoffe und Furanharze, die komplex chemisch modifiziert
werden (chemische Additive), um den Anforderungen der Gießereien
gerecht zu werden. Ebenso sind aerogele Binder bekannt. Die Binder werden
auf die Anwendungen hin in ihrer chemischen Zusammensetzung optimiert,
um den widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden,
wie zum Beispiel hohe thermische Stabilität bei geringer Ausgasung
und geringem Bindereinsatz und dennoch leichter Entkernung und hohe
Oberflächengüte.
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Die
Binder des Standes der Technik können zum gegenwärtigen
Zeitpunkt jedoch noch nicht als optimal angesehen werden. So beeinträchtigen
Anhaftungen von Metallschmelzen am Form- und Kernwerkstoff sowie
die Vererzung der Gussteiloberfläche die Gussteilqualität,
die Entformung und die Entkernung sowie den späteren Gebrauch
des Gussteils. Fast alle Binder sind bei filigranen oder komplex
geformten Gussteilen schwer entfernbar, hinterlassen Anhaftungen
und Vererzungen und eine grobe, raue Gussteiloberfläche.
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DE 10 2006 003 198
A1 beschreibt einen wasserlöslichen Kern, der
im Bereich des Leichtmetallgusses und/oder des Feingusses eingesetzt
werden kann. Das anorganische Gemisch aus Sand und hydrophilem Aerogelgranulat
wird mit verschiedenen Bindemitteln gebunden. Aerogelgranulate,
die Silica-Aerogele umfassen, werden als besonders bevorzugt beschrieben,
da sie nicht von flüssigen Metallen benetzt oder chemisch
angegriffen werden. Beispiele für hydrophile organische
Aerogele/Aerogelgranulate, insbesondere Resorcin-Formaldehyd-Aerogel/Aerogelgranulat,
werden in dieser Anmeldung nicht genannt. Einsatzgebiet der beschriebenen
anorganischen Kerne ist die Gießereiindustrie.
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Es
ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gießereikerne
bereitzustellen, die die spezifischen Gießerei-technischen
Probleme des Standes der Technik, das heißt Anhaftung,
Vererzung und Oberflächengüte, vermindern bzw.
sogar lösen.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird nun ein neuer Weg beschritten: Anstatt
wie bisher den oder die Binder chemisch oder physikalisch zu modifizieren,
werden dem Sand Zusatzstoffe zugesetzt, die mit ihren speziellen
Eigenschaften diese spezifischen Probleme lösen.
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In
einer ersten Ausführungsform wird das der vorliegenden
Erfindung zugrunde liegende Problem gelöst durch einen
Gießereikern, der Sand, Bindemittel und Resorcin-Formaldehyd-Aerogelgranulat (RF-Aerogelgranulat)
enthält.
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Bindemittel
für die Sande (Formsande) können anorganischer
oder organischer Natur sein, wobei die anorganischen Bindemittel
in natürliche und synthetische anorganische Bindemittel
unterteilt werden. Natürliche anorganische Bindemittel
umfassen Tone wie Montmorrillonit, Glaukonit, Kaolinit, Illit oder Attapulgit.
Synthetische anorganische Bindemittel umfassen unter anderem Wasserglas,
Zement und Gips. Organische Bindemittel umfassen Kunstharze wie
Phenol-, Harnstoff- und Furanharze sowie Ethylsilicat. Öle,
Kohlehydratbinder, wasserlösliche Flüssigkeitsbinder
auf Basis von Sulfit-Ablaugen, Melasse, Dextrose-Abläufen,
Alkanolaminen und Pechbindern werden auch noch eingesetzt (K.
E. Höner „Gießereiwesen", Ullmanns
Encyklopädie der technischen Chemie, S. 271–287,
Bd. 12, 4. Auflage, Verlag Chemie Weinheim, 1976).
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RF-Aerogele
im Sinne der Erfindung umfassen kolloidale Substanzen, die geliert
und unterkritisch getrocknet werden. Sie haben eine geringe Dichte
und hohe, offene Porosität. Sie bestehen nur zu circa 10
bis 30 Vol.-% aus einem Feststoff, während der Rest ihres
Volumens durch das sie umgebende Gas bzw. auch Vakuum ausgefüllt
wird, das heißt sie besitzen eine hohe Oberfläche
(bis zu 50–300 m2/g).
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Anorganische
Aerogele aber auch zum Beispiel das RF-Aerogel der vorliegenden
Erfindung als ein organisches Aerogel sind üblicherweise
von sich aus hydrophil. Aerogele gelten als eines der leichtesten
Materialien und der besten Wärmeisolatoren.
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Aerogelgranulate
werden insbesondere durch das Mahlen von Aerogelmonolithen gewonnen.
Hydrophil bedeutet wasserliebend, das heißt, das eingesetzte
RF-Aerogelgranulat zeigt eine ausgeprägte Wechselwirkung
mit polaren Lösemitteln wie Wasser. So haben die eingesetzten
hydrophilen RF-Aerogelgranulate einen Benetzungswinkel mit Wasser
von < 10°.
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Abgesehen
vom Zusatz des hydrophilen RF-Aerogelgranulats (bzw. vom Ersatz
eines gewissen Anteils des Formgrundstoffes durch das RF-Aerogelgranulat)
bleibt der sonstige Prozess der Formteil-, Kern- oder Kernpaketherstellung
unverändert; es sind also nach wie vor alle möglichen
Kombinationen an Sanden und Bindematerialien einsetzbar.
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Eine
mögliche Begründung für die durch den erfindungsgemäßen
Gießereikern beobachteten Verbesserungen könnte
damit zusammenhängen, dass die eingesetzten RF-Aerogelgranulate
zwar makroskopische Dimensionen besitzen aber nanostrukturiert sind
(wie alle Aerogele). Der Einsatz eines ausreichenden Anteils dieses
Aerogelgranulats könnte nun dazu führen, dass
die Schmelze die Gussform nicht mehr in ausreichender Weise reaktiv
benetzen kann, da die Nanostruktur des Aerogelgranulats nur punktförmige
Kontakte zulässt. Auf diese Weise würden dann
Anhaftungen und Vererzungen unterdrückt. Überraschend
ist aber, dass sich ein solcher Effekt mit einem organischen Aerogel
erzielen lässt, da es sich unter den thermischen Beanspruchungen
während des Abgusses unweigerlich zumindest teilweise zersetzt,
das heißt zu einem Kohlenstoff-Aerogel-Granulat verkohlt.
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Insgesamt
erweisen sich die über den Einsatz der erfindungsgemäßen
Gießereikerne erhaltenen Gussteile als sehr glatt (genaue
Gussqualität), Anhaftungen und Vererzungen sind im Vergleich
zu Gussteilen des Standes der Technik deutlich unterdrückt.
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Bevorzugt
umfasst der Sand Quarzsand, einen auf Al2O3 basierenden und/oder einen auf Mullit basierenden
Sand.
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Als
Sande können unter anderem die in Deutschland handelsüblichen
Quarz-Neusande folgender Herkunft mit folgender mittlerer Korngröße
in mm verwendet werden:
Dorsten 0,84 mm (Sorte DO20), 0,56
mm (DO30), 0,39 mm (DO40), 0,13 mm (DO110);
Frechen 0,32 mm
(Sorte F31), 0,23 mm (F32), 0,22 mm (F33), 0,20 mm (F34), 0,18 mm
(F35), 0,16 mm (F36);
Gambach 0,37 mm (Sorte G30), 0,29 mm
(G31), 0,23 mm (G32), 0,21 mm (G33), 0,19 mm (G34);
Haltern
0,36 mm (Sorte H31), 0,32 mm (H32), 0,26 mm (H33), 0,21 mm (H34)
und 0,19 mm (H35).
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Alternativ
zu den eingesetzten Quarzsanden können auch Korundsande ähnlicher
Größenordnung (0,1 bis 0,9 mm) eingesetzt werden.
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Die
oben gezeigten Quarzsande sind Neusande, tatsächlich werden
diese in Gießereien nur in geringem Maße den „Altsanden” zugesetzt.
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Altsand
ist der beim Ausleeren der Gussstücke aus den Formen anfallende
Sand, welcher nach entsprechender Kühlung und Neuaufbereitung
der Formerei wieder zugeführt wird. Die Neuaufbereitung hat
zwei Aufgaben zu erfüllen: Die Reinigung des Quarzkornes
von anhaftenden Bindemitteln und die Entfernung staubförmiger
Bestandteile. Bei diesem Prozess werden noch vorhandene Agglomerate
mechanisch zerkleinert und so die Bindemittelhüllen teilweise
von den Quarzkörnern entfernt. Bei diesem Prozess erfährt
die ursprünglich eher abgerundete Oberfläche des
Sandkornes eine Veränderung. Von rund wird sie zu splitterig.
Diese Kornform ist wichtig für den Prozess der Formstoffbindung,
auf diese Weise wird gewährleistet, dass nur ein vergleichsweise geringer
Bindemittelanteil gebraucht wird.
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Bevorzugt
enthält die Mischung aus der der Gießereikern
hergestellt wird, einen Sandanteil von 83 bis 95 Gew.-% wobei hier
1 bis 20 Gew.-% Neusand und 80 bis 99 Gew.-% Regenerat (Kreislaufformstoff,
das heißt gereinigter wiederverwendeter Sand) bevorzugt
sind. Auf die Zumischung von regeneriertem Sand kann verzichtet
werden, insbesondere bei Rot-, Messing- und Bronzeguss. Der Anteil
an Bindemittel beträgt bevorzugt 1 bis 10 Gew.-%. Sand-,
Bindemittel- und Aerogelgranulatanteil (und gegebenenfalls die Anteile
weiterer Inhaltsstoffe) addieren sich entsprechend auf 100 Gew.-%
bzw. Vol.-%.
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Bevorzugt
weist das Aerogelgranulat eine Korngrößenverteilung
in der Größenordnung des Sandes auf.
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Bevorzugt
weist/weisen das Aerogelgranulat und/oder der Sand eine Korngrößenverteilung
in einem Bereich von 0,1 bis 0,9 mm auf.
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Bevorzugt
weist das Aerogelgranulat eine Korngröße/Korngrößenverteilung
in einem Bereich von ≤ 0,5 mm auf.
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Der
Vorteil der soeben beschriebenen Korngrößenverteilungen/Korngrößen
ist darin zu sehen, dass sowohl das RF-Aerogelgranulat als auch
der Sand als Formgrundstoffe verwendet werden und eine optimale
Durchmischung gleichgroßer Partikel einfacher durchzuführen
ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass bei den erfindungsgemäßen
Korngrößenverteilungen/Korngrößen
die beobachteten Effekte, das heißt ein vermindertes Ausmaß an
Anhaftungen und Vererzungen sowie eine genauere Gussteiloberfläche,
größer sind als bei anderen Korngrößenverteilungen/Korngrößen.
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Der
Anteil des Aerogelgranulats liegt bevorzugt in einem Bereich von
5 bis 15, besonders bevorzugt von 8 bis 12 Vol.-%. Alternativ oder
kumulativ liegt der Anteil des Aerogelgranulats im Kern in einem
Bereich von 0,18 bis 0,93, insbesondere von 0,5 bis 0,75 Gew.-%.
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Bevorzugt
handelt es sich bei dem Bindemittel um ein organisches Bindemittel,
insbesondere ein Bindemittel oder ein Bindemittelgemisch, welches mindestens
einen Vertreter ausgewählt aus Phenolharzen, Harnstoffharzen,
Furanharzen, Polyurethanharzen und Resorcin-Formaldehydharzen und RF-Aerogelbinder
umfasst.
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Organische
Bindemittel haben sich als bevorzugt herausgestellt, da beim Abguss
eine Verkohlung des Bindemittels erfolgt und diese zu einer weiteren
Erleichterung bei der Entkernung beiträgt und die Vererzung
reduziert.
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In
einer zweiten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Gießereikerns, welches
dadurch gekennzeichnet ist, dass man die folgenden Schritte durchführt:
- a. Mischung eines Aerogelgranulats mit Sand
und Bindemittel,
- b. Einbringung der Mischung in eine Negativform des Kerns, gegebenenfalls
gefolgt von einer Verdichtung der Mischung,
- c. Härtung des Bindemittels und
- d. Kernentnahme aus der Negativform.
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Die
Verdichtung wird beispielsweise durch Kernschießen, Rütteln,
Klopfen und/oder Stampfen vorgenommen. Für die Härtung
des Bindemittels haben sich Temperaturen von 20 bis 300°C
als besonders geeignet herausgestellt, insbesondere 80 bis 250°C.
Die Dauer der Härtung beträgt vorzugsweise wenige
Sekunden bis Minuten. Die Trocknung der Gießereikerne ist
entweder nach der Härtung abgeschlossen oder erfolgt durch
Lagerung der Kerne bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen oberhalb von
Raumtemperatur bis 300°C von 1–24 Stunden oder
in der Mikrowelle.
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In
einer dritten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe gelöst durch die Verwendung des erfindungsgemäßen
Gießereikerns im Metallguss, insbesondere im Buntmetall-, Leichmetall-
oder Eisenguss.
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Insbesondere
wird der Kern nach dem Erstarren der Schmelze durch eine thermische
Behandlung bei erhöhter Temperatur, insbesondere einer
Temperatur von ≥ 350°C, oder mechanisch (Rütteln,
Ultraschall, Klopfen) entfernt.
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Die
Entfernung mit einer thermischen Behandlung ist von Vorteil, da
hier sich der Kern rückstandsfrei zersetzt.
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Fehler
der Maßhaltigkeit die aufgrund der Kernausdehnung beim
Quarzsprung unter Verwendung von Quarzsand während des
Abgusses entstehen können durch die Elastizität
der eingesetzten Granulate in Abhängigkeit von Granulatanteil
und Bindergehalt kompensiert werden.
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Ausführungsbeispiel:
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Es
wurde RF-Aerogelgranulat eingesetzt. Zunächst wurden zur
Herstellung von RF-Aerogelgranulat Monolithe über den Sol-Gel-Prozess
hergestellt. Folgende molare Verhältnisse kamen zum Einsatz:
Resorcin (MERCK, reinst) zu Wasser (deionisiert): 0,044, Formaldehyd
(VWR, 37%, aqueous solution) zu Resorcin: 1,38 und Resorcin zu Katalysator (Natriumcarbonat
wasserfrei zur Analyse, Merck): 1512,63. Das nach der Gelierung
bei 40°C unterkritisch getrocknete Aerogel wurde in einer
Schlagkreuzmühle (SK100, Retsch) zerkleinert, die maximale
Korngröße beträgt 0,5 mm.
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Als
Binder wurden eingesetzt:
Phenolharzbinder mit gasförmigem
Amin-Katalysator
Harnstoffbinder
Polyurethanbinder
RF-Aerogelbinder
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In
allen Fällen wurden feste Formstoffe oder Kerne, sowie
Biegeriegel, dem VDG Merkblatt P73 entsprechend, erzeugt. Abgüsse
mit Messing, Bronze und Aluminiumlegierungen zeigten Gussstücke frei
von Anhaftungen oder Vererzungen und saubere, teils glatte Oberflächen.
Kerne, hergestellt aus dem Verbund Sand mit Aerogelgranulat und
polymerem Binder, ließen sich bei Probeabgüssen
(Modellplatte für Biegeriegel, aber auch technische Gussteile) leicht
und problemlos entfernen, entweder mechanisch oder thermisch (Oxidation
bei ca. 350°C). Die Gussstücke waren zudem poren-
und lunkerfrei, das heißt die Kerne erzeugten, obwohl sie
organische Substanzen enthielten, keine zusätzliche Gasentwicklung,
da der aerogele Zusatzstoff im Sand als Sikkativ oder absorbierend
für Gießgase wirkt.
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Von
den oben genannten Bindemitteln erwies sich RF-Aerogelbinder als
besonders vorteilhaft:
Zur Herstellung von Biegeriegeln wurden
500 g Sandgemisch (MinSand 230/Natursand, Mischungsverhältnis
1:0,208), 10 Vol.-% RF-Aerogelgranulat (3,4 g, Korngröße < 0,5 mm) und 62
g RF-Binder (eigene Herstellung, wässrige Sol-Lösung,
Zusammensetzung entsprechend der molaren Verhältnissen: Resorcin
(MERCK, reinst) zu Wasser (deionisiert): 0,044, Formaldehyd (VWR,
37%, aqueous solution) zu Resorcin: 1,38 und Resorcin zu Katalysator
(Natriumcarbonat wasserfrei zur Analyse, Merck): 1512,63) gemischt.
Die Biegeriegel wurden handgeformt und anschließend bei
40°C im Wärmeschrank getrocknet. Die Entkernbarkeit
wurde wesentlich verbessert, die Kerne zerfielen thermisch. Die
Gussteile hatten eine glatte Oberfläche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006003198
A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - K. E. Höner „Gießereiwesen”,
Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, S. 271–287,
Bd. 12, 4. Auflage, Verlag Chemie Weinheim, 1976 [0008]