DE102008058205A1

DE102008058205A1 - Formstoffmischung und Speiser für den Aluminiumguss

Info

Publication number: DE102008058205A1
Application number: DE102008058205A
Authority: DE
Inventors: André Gerhards; Udo Skerdi; Josef Kroth; Henning Rehse
Original assignee: Luengen As GmbH; AS Luengen GmbH and Co KG
Current assignee: ASK CHEMICALS FEEDING SYSTEMS GMBH, DE
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2010-07-22
Also published as: BRPI0921527A2; EP2349609A2; KR20110086635A; EA201170690A1; CN102271836A; WO2010057464A2; ZA201103298B; MX2011005223A; US20110220314A1; WO2010057464A3; JP2012509182A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine exotherme Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss, zumindest enthaltend:
- einen feuerfesten Formgrundstoff;
- ein Bindemittel;
- bezogen auf die Formstoffmischung einen Anteil eines oxidierbaren Metalls von 5 bis 18 Gew.-%;
- ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50% und
- ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil von 15 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls.
Ein aus der exothermen Formstoffmischung hergestellter Speiser zündet auch bei niedrigen Temperaturen zuverlässig und zeichnet sich durch eine geringe Wärmeabgabe aus. Er eignet sich daher besonders für den Aluminiumguss.

Description

Die Erfindung betrifft eine exotherme Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss, einen aus der Formstoffmischung hergestellten Speiser für den Aluminiumguss sowie dessen Verwendung für den Aluminiumguss.
Bei der Herstellung von Metallgussstücken in der Gießerei wird flüssiges Metall in den Formhohlraum einer Gießform eingefüllt. Beim Erstarren verringert sich das Volumen des eingefüllten Metalls. Daher werden regelmäßig sogenannte Speiser in oder an der Gießform eingesetzt, um das Volumendefizit beim Erstarren des Gussstücks auszugleichen und eine Lunkerbildung im Gussstück zu verhindern. Die Speiser werden mit dem Gussstück bzw. dem gefährdeten Gussstückbereich verbunden und sind gewöhnlich oberhalb bzw. an der Seite des Formhohlraums angeordnet. Sie umfassen einen Ausgleichshohlraum, welcher mit dem Formhohlraum der Gießform verbunden ist und zunächst flüssiges Metall aufnimmt. Zu einem späteren Zeitpunkt, an dem das Metall im Formhohlraum erstarrt, wird das flüssige Metall wieder aus dem Ausgleichshohlraum abgegeben, um das Volumendefizit des Gussstücks auszugleichen.
Bei der Herstellung von Metallgussstücken, wird zunächst ein Modell hergestellt, dass in seiner Form im Wesentlichen dem herzustellenden Metallgussstück entspricht. An diesem Modell werden Zufuhrelemente und Speiser angebracht. Anschließend wird das Modell in einem Formkasten mit Formsand umgeben. Der Formsand wird verdichtet und dann ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird die Gießform aus dem Formkasten entnommen. Die Gießform weist einen Formhohlraum bzw., sofern die Gießform aus mehreren Teilstücken aufgebaut ist, einen Teil des Formhohlraums auf, welcher im Wesentlichen einer Negativform des herzustellenden Metallgussstücks entspricht. Nachdem die Gießform ggf. zusammengesetzt wurde, wird in den Formhohlraum der Gießform flüssiges Metall eingefüllt. Dabei wird auch der Ausgleichshohlraum des Speisers zumindest teilweise mit flüssigem Metall gefüllt. Dieses vom Ausgleichsvolumen des Speisers aufgenommene Speiservolumen steht später für ein Speisen des Gussstücks zur Verfügung. Das einfließende flüssige Metall verdrängt die Luft aus dem Formhohlraum bzw. dem Ausgleichshohlraum. Die Luft entweicht durch in der Gießform vorgesehene Öffnungen oder durch poröse Abschnitte der Gießform, beispielsweise durch die Wand eines Speisers. Die Speiser weisen daher bevorzugt eine ausreichende Porosität auf, so dass einerseits beim Einfüllen des flüssigen Metalls die Luft aus dem Speiser verdrängt wird und das Metall in den Speiser einströmen kann und andererseits beim Abkühlen und Erstarren des Metalls im Formhohlraum der Gießform das noch flüssige Metall aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform nachströmen kann, ohne dass ein Unterdruck im Ausgleichshohlraum des Speisers erzeugt wird.
Damit das Metall aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum zurückfließen kann, muss das im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltene Metall zu einem späteren Zeitpunkt erstarren als das Metall im Formhohlraum der Gießform. Das Erstarren des Metalls wird durch den Wärmeverlust bestimmt, den das flüssige Metall erfährt. Um also zu erreichen, dass das im Ausgleichshohlraum enthaltene flüssige Metall zu einem späteren Zeitpunkt erstarrt, als das flüssige Metall im Formhohlraum, muss das im Ausgleichshohlraum enthaltene flüssige Metall einen geringeren Wärmeverlust erfahren als das Metall im Formhohlraum.
Der Wärmeverlust wird zunächst vom Verhältnis von Oberfläche des Formkörpers, über welche Wärme abgegeben werden kann, zu dessen Volumen bestimmt. Bei einem gegebenen Volumen wird das flüssige Metall bei demjenigen Formkörper zuerst erstarren, der die größere Oberfläche aufweist. Der Ausgleichshohlraum des Speisers bzw. das genutzte Speiservolumen wird daher möglichst kompakt gestaltet.
Ferner wird der Wärmeverlust über die Isolierwirkung des Materials gesteuert, welches das flüssige Metall umgibt, also das Material der Gießform bzw. des Speisers. Speiser bestehen daher bevorzugt aus einem Material, welches eine ausreichend hohe isolierende Wirkung aufweist, sodass das Metall im Ausgleichshohlraum ausreichend lange flüssig bleibt. Dazu kann der Speiser aus einem Material hergestellt werden, das eine höhere Isolierwirkung aufweist als das Material der Gießform, sodass der Wärmeverlust beim im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltenen flüssigen Metall geringer ausfällt als der Wärmeverlust beim im Formhohlraum der Gießform enthaltenen Metall. Ein solches Material kann beispielsweise ein feuerfestes Material sein, das Aluminiumsilikatmikrohohlkugeln enthält. Durch das in den Mikrohohlkugeln eingeschlossene Gas wirkt ein solches Material stark isolierend. Eine andere Möglichkeit, den Wärmeverlust des im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltenen flüssigen Metalls zu verringern besteht darin, den Speiser als exothermen Speiser auszubilden. Dazu wird der Speiser aus einer Formstoffmischung hergestellt, die neben dem feuerfesten Material und dem Bindemittel noch ein brennbares Metall, beispielsweise Aluminiumgrieß, sowie ein geeignetes Oxidationsmittel, beispielsweise Natriumnitrat, enthält. Beim Kontakt mit heißem flüssigem Metall zündet die Mischung und gibt die bei der Oxidation des Metalls freigesetzte Hitze an das im Ausgleichshohlraum enthaltene flüssige Metall ab. Der Ausgleichshohlraum bzw. das Speiservolumen kann daher bei exothermen Speisern sehr klein gewählt werden.
Ein geeigneter Speiser muss so ausgewählt werden, dass der Speiser während des Speisens nicht leergesaugt wird, also das Speiservolumen groß genug ist, sodass auch zum Ende des Speisevorgangs noch ausreichend flüssiges Metall zum Speisen zur Verfügung steht. Ein zu kleines Speiservolumen führt zur Ausbildung so genannter Primärlunker. Der Speiser muss aber auch so ausgewählt werden, dass das flüssige Metall des Speiservolumens später erstarrt als das Metall im Formhohlraum der Gießform. Erstarrt das Metall im Ausgleichshohlraum früher als das Metall im Formhohlraum, kann kein Metall mehr vom Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum übertreten, das Gussstück also nicht mehr gespeist werden. Dies führt zur Ausbildung so genannter Sekundärlunker.
Das Erstarren des flüssigen Metalls kann näherungsweise über den Modul des Gussstücks bzw. des Speiservolumens beschrieben werden. Unter einem Modul wird dabei das Verhältnis von Volumen zu Wärme abgebender Oberfläche verstanden. Aus dem Modul M lässt sich über die Gleichung T = K·M² die Erstarrungszeit T abschätzen. K ist dabei eine für den verwendeten Gusswerkstoff charakteristische Konstante. In erster Näherung gilt also, dass Körper, die den gleichen Modul aufweisen, gleich schnell erstar ren. Verdoppelt sich der Modul des betrachteten Körpers, vervierfacht sich die Erstarrungszeit.
Während des Erstarrens des Metalls wird flüssiges Metall aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform gesaugt. Dadurch verringert sich das Volumen und die Oberfläche des im Ausgleichsvolumen verbleibenden flüssigen Metalls und damit auch dessen Modul. Will man also erreichen, dass das Metall im Ausgleichshohlraum des Speisers später erstarrt, als das Metall im Formhohlraum der Gießform, muss der Modul des nach dem Speisen im Speiser verbleibenden Speiserrestes größer sein als der Modul des Gussstücks bzw. des vom Speiser gespeisten Bereich des Gussstücks.
Bei Naturspeisern, also Speisern, die als einfacher Hohlraum in der Gießform ausgebildet sind, wobei die Wand des Ausgleichshohlraums vom Material der Gießform gebildet wird, beträgt die Aussaugbarkeit des Speisers etwa 15%. Es stehen also 15% des ursprünglich in den Ausgleichshohlraum eingefüllten Speiservolumens für das Speisen des Gussstücks zur Verfügung. Das Speiservolumen kann daher größer ausfallen als das Volumen des Gussstücks bzw. des vom Speiser gespeisten Bereichs des Gussstücks.
Bei Verwendung isolierender Speiser erhöht sich bei gegebenem Speiservolumen wegen des geringeren Wärmeabflusses der Modul bzw. kann bei vom Gussstück vorgegebenem Modul das Speiservolumen verringert werden. Bei isolierenden Speisern kann daher im Vergleich zu Naturspeisern eine höhere Aussaugbarkeit verwirklicht werden. Die Aussaugbarkeit isolierender Speiser wird meist im Bereich von etwa 25% des ursprünglich zur Verfügung stehenden Speiservolumens gewählt.
Exotherme Speiser weisen bei gegebenem Volumen einen nochmals deutlich höheren Modul auf, da der Wärmeverlust des im Ausgleichshohlraum enthaltenen flüssigen Metalls durch die Exother mie des Speisers in großem Umfang ausgeglichen wird. Bei exothermen Speisern kann eine sehr hohe Aussaugbarkeit von etwa 65% des ursprünglich zur Verfügung stehenden Speiservolumens verwirklicht werden.
In der EP 0 888 199 B1 werden Speiser beschrieben, welche exotherme Eigenschaften oder isolierende Eigenschaften aufweisen können und die durch ein Cold-Box-Verfahren erhalten werden. Dazu wird ein Speisergemisch in eine Speisergussform eingefüllt. Das Speisergemisch umfasst ein oxidierbares Metall und ein Oxidationsmittel oder ein isolierendes feuerfestes Material oder Gemische dieser Materialien sowie eine wirksame Bindemenge eines chemisch-reaktiven Cold-Box-Binders. Das Speisergemisch wird zu einem ungehärteten Speiser geformt, welcher dann mit einem dampfförmigen Härtungskatalysator in Kontakt gebracht wird. Der gehärtete Speiser kann dann aus der Gussform entnommen werden. Als isolierendes feuerfestes Material können hohle Aluminiumsilikatmikrokugeln verwendet werden. Durch die Verwendung derartiger Mikrokugeln aus Aluminiumsilikat erhalten die Speiser eine niedrige thermische Leitfähigkeit und damit eine sehr ausgeprägt isolierende Wirkung. Ferner weisen diese Speiser ein sehr geringes Gewicht auf, so dass sie sich zum Einen leicht handhaben und transportieren lassen und zum Anderen nicht so leicht vom Modell abfallen, wenn dieses beispielsweise gekippt wird.
In der EP 0 913 215 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Speisern und anderen Beschickungs- und Zuführungselementen für Gießformen beschrieben. Dazu wird eine Zusammensetzung, welche hohle Aluminiumsilikatmikrokügelchen mit einem Aluminiumoxidgehalt von weniger als 38 Gew.-%, ein Bindemittel zum Cold-Box-Härten und gegebenenfalls einen Füllstoff umfasst, wobei der Füllstoff nicht in faserförmiger Form vorliegt, durch Einblasen in einen Formkasten zu einem ungehärteten Formprodukt geformt. Dieses ungehärtete Formprodukt wird mit einem geeigneten Kataly sator in Kontakt gebracht, wobei das Formprodukt aushärtet. Das ausgehärtete Formprodukt kann dann aus dem Formkasten entnommen werden. Auch die mit diesem Verfahren erhaltenen Speiser weisen eine ausgeprägte isolierende Wirkung sowie ein geringes Gewicht auf.
Aus der WO 00/73236 A2 ist eine exotherme Speisermasse bekannt, welche Aluminium und Magnesium, mindestens ein Oxidationsmittel, einen SiO₂-haltigen Füllstoff und ein Alkalisilikat als Bindemittel enthält. Weiter enthält die Speisermasse etwa 2,5 bis 20 Gew.-% eines reaktiven Aluminiumoxids mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens etwa 0,5 m²/g und einem mittleren Teilchendurchmesser (D₅₀) von etwa 0,5 bis 8 μm. Die Speisermasse ist praktisch frei von fluoridhaltigen Flussmitteln. Durch die Verwendung einer derartigen Speisermasse zur Herstellung von Speisern kann sogenannter ”Hohlbrand”, der wahrscheinlich durch eine Verglasung der SiO₂-haltigen Füllstoffe mit Alkaliverbindungen zustande kommt, deutlich zurückgedrängt werden.
Um beim Metallguss eine Lunkerbildung im Gussstück verhindern zu können, muss der exotherme Speiser bei Kontakt mit dem flüssigen heißen Metall zuverlässig zünden und dann kontrolliert und gleichmäßig abbrennen. Dies wird bei Speisern, die für den Eisen- oder Stahlguss entwickelt wurden, inzwischen zuverlässig beherrscht. Beim Eisen- bzw. Stahlguss herrschen Temperaturen im Bereich zwischen etwa 1300 und 1600°C, sodass das flüssige Metall ausreichend heiß ist, um den Speiser zu zünden. Außerdem können der Formstoffmischung zur Herstellung des Speisers ausreichend hohe Mengen an oxidierbarem Metall sowie Oxidationsmittel zugegeben werden, dass beim Kontakt mit dem flüssigen heißen Metall eine zuverlässige Zündung des Speisers erfolgt und die Oxidation ausreichend heftig abläuft, sodass eine Temperatur erreicht wird, bei welcher das im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltene Metall in flüssiger Phase verbleibt. Üblicher weise enthalten derartige Speiser zwischen 20 und 33 Gew.-% oxidierbares Metall und zwischen 5 und 25 Gew.-% Oxidationsmittel, bezogen auf das Gewicht des Materials aus welchem der Speiser hergestellt ist.
Beim Aluminiumguss sind bisher noch keine exothermen Speiser bereitgestellt worden, die in industriellem Maßstab zuverlässig eingesetzt werden können. Aluminium wird bei Temperaturen im Bereich von etwa 600 bis 800°C vergossen. Werden exotherme Speiser für den Aluminiumguss eingesetzt, die für den Eisen- oder Stahlguss entwickelt wurden, so zünden diese wegen der niedrigen Temperatur des flüssigen Aluminiums entweder nicht oder, wenn eine Zündung erreicht wird, entwickeln diese eine sehr große Hitze. Es besteht dann die Gefahr, dass das Aluminium zu sieden beginnt und sich Gaseinschlüsse oder Gefügefehler im Gussstück ausbilden. Wird jedoch einfach die Menge an oxidierbarem Metall und Oxidationsmittel in der Formstoffmischung zur Herstellung des Speisers vermindert, um so die Oxidationsreaktion und damit die Wärmeentwicklung abzuschwächen, zündet der Speiser nicht mehr zuverlässig bzw. brennt er nach erfolgter Zündung nicht gleichmäßig und zuverlässig ab, sodass nicht sichergestellt ist, dass reproduzierbar eine ausreichende Menge an Wärme bereitgestellt wird, um das im Ausgleichshohlraum enthaltene Aluminium in flüssigem Zustand zu erhalten.
Bisher werden beim industriell durchgeführten Aluminiumguss daher nur Naturspeiser eingesetzt, d. h. Speiser, die keine exothermen Eigenschaften aufweisen und lediglich durch ihre isolierende Wirkung die Erstarrung des Aluminiums im Ausgleichsbehälter hinauszögern. Um die Ausbildung des Lunkers zuverlässig in das Ausgleichsvolumen des Speisers zu verlegen bzw. um sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge an flüssigem Aluminium in den Formhohlraum der Gießform zurückfließen kann, müssen diese Speiser sehr groß ausgeführt werden. Beim Abguss erstarrt dann das im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltene flüssige Aluminium von der Wand des Ausgleichshohlraums her langsam in Richtung auf das Zentrum des Ausgleichshohlraums hin. Die Stelle, an welcher sich durch das Nachfließen des flüssigen Aluminiums aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum der Gießform ein Lunker ausbildet, ist dabei wenig kontrollierbar. Der Lunker kann sich im ungünstigsten Fall auch nahe oder in der Verbindung zwischen Ausgleichshohlraum und Formhohlraum ausbilden, wodurch das Gussstück unbrauchbar wird.
Durch das große Volumen des im Speiser angeordneten Ausgleichshohlraums müssen beim Abguss sehr große Mengen an flüssigem Aluminium in die Gießform eingefüllt werden. Nach dem Guss verbleibt daher eine große Menge an Aluminium im Ausgleichshohlraum des Speisers. Im ungünstigen Fall kann das Volumen des Speiserrestes größer sein als das Volumen des Gussstücks. Beim Guss wird dann die überwiegende Menge des flüssigen Aluminium dazu verwendet, den Ausgleichshohlraum des Speisers zu füllen. Nach Entfernen der Gießform bzw. des Speisers verbleibt daher ein relativ großer Speiserrest am Gussstück, der entfernt und dann zur erneuten Verwendung wieder eingeschmolzen werden muss. Dazu ist eine relativ hohe Energiemenge notwendig.
Der Erfindung lag daher als Aufgabe zugrunde, eine Formstoffmischung zur Herstellung von Speisern zur Verfügung zu stellen, aus welcher Speiser hergestellt werden können, die insbesondere beim Aluminiumguss eine zuverlässige Speisung eines Gussstücks ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Formstoffmischung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Überraschend wurde gefunden, dass durch Zugabe und sorgfältige Justierung der Menge eines Zündmittels für die Oxidation des oxidierbaren Metalls sowie eine überproportionale Verringerung der Menge des Oxidationsmittels die Menge an oxidierbarem Metall soweit abgesenkt werden kann, dass nach Zünden des Speisers die Oxidation des oxidierbaren Metalls und damit die Wärmeentwicklung kontrollierbar auf sehr niedrigem Niveau geführt werden kann, wobei dennoch eine kontrollierte Zündung des Speisers und ein kontrolliertes Abbrennen erreicht wird. Dadurch erreicht der Speiser eine Maximaltemperatur, die unter 1250°C, bevorzugt unter 1150°C, weiter bevorzugt unter 1050°C gehalten werden kann. Bei einer derartigen Temperatur muss nicht befürchtet werden, dass Aluminium über seinen Siedepunkt erhitzt wird und damit Gaseinschlüsse und Gefügefehler im Gussstück verursacht werden. Die Temperatur im Inneren des Speisers lässt sich beispielsweise mit einem Thermoelement bestimmen, welches im Zentrum des Ausgleichshohlraums des Speisers platziert wird. Wird der Speiser an Luft gezündet, ergeben sich im Vergleich zu einem Speiser, welcher in einer Gießform integriert ist, also von Sand umgeben ist, etwas höhere Temperaturen. Die Erfinder nehmen an, dass dies auf den besseren Luftzutritt zurückzuführen ist. Die gemessene Temperatur beim Abbrand an Luft ist etwa 50 bis 100°C höher als bei einem Speiser, welcher in einer Gießform integriert ist. Auch bei einem Abbrand an Luft bleibt die gemessene Maximaltemperatur jedoch im angegebenen Bereich.
Die Oxidation des Metalls gleicht durch die im Unterschuss zugegebene Menge des Oxidationsmittels mehr einem Verglimmen denn einem Verbrennen. Dennoch kann der Speiser reproduzierbar gezündet werden und die Oxidation des Speisers verläuft gleichmäßig durch den Korpus des Speisers, ohne dass die Oxidation vorzeitig erlischt bzw. sich einzelne lokale Temperaturmaxima innerhalb des Speiserkorpus ausbilden.
Durch die Verwendung eines Zündmittels erfolgt eine Aktivierung des oxidierbaren Metalls. Das oxidierbare Metall wird durch eine dünne Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche ausbildet, passiviert. Durch das Zündmittel kann die Oxidschicht beispielsweise zumindest teilweise geätzt und damit zerstört werden, sodass das blanke Metall an der Oberfläche freigelegt wird. Dieses blanke Metall lässt sich sehr leicht oxidieren, sodass die Oxidation des oxidierbaren Metalls startet und der Speiser zündet. Als Zündmittel kann jedoch auch ein Stoff verwendet werden, der unter den Bedingungen des Metallabgusses sehr leicht zündet und dabei Hitze abgibt, durch die wiederum das oxidierbare Metall gezündet werden kann. Das Zündmittel zündet dabei also zunächst selbst und initiiert dadurch die Oxidation des oxidierbaren Metalls.
Durch die gleichmäßige Wärmeerzeugung des Speisers auf einem relativ niedrigen, für den Aluminiumguss geeigneten Temperaturniveau kann das Aluminium im Ausgleichshohlraum des Speisers lange in flüssigem Zustand gehalten werden. Das Aluminium kann daher aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform nachfließen, während das Aluminium im Formhohlraum erstarrt. Dadurch erfolgt die Ausbildung des Lunkers beim Erstarren des Aluminiums im Ausgleichshohlraum kontrolliert an einer zur Verbindung zwischen Ausgleichshohlraum und Formhohlraum entfernten Stelle, sodass Gussfehler zuverlässig vermieden werden können. Durch die Exothermie der Oxidation und die daraus folgende Möglichkeit, das Aluminium im Ausgleichshohlraum in flüssigem Zustand zu erhalten, kann der Speiser bzw. der Ausgleichshohlraum im Vergleich zu den bisher üblichen Naturspeisern deutlich verringert werden. Der nach dem Guss am Gussstück verbleibende Speiserrest fällt daher wesentlich kleiner aus, weshalb auch die Energiemenge, die bei der Wiederverwendung zum Schmelzen des Speiserrests erforderlich ist, geringer ist als bei den bisher üblichen Verfahren.
Erfindungsgemäß wird daher eine exotherme Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss zur Verfügung gestellt, welche zumindest enthält:

– einen feuerfesten Formgrundstoff;
– ein Bindemittel;
– bezogen auf die Formstoffmischung einen Anteil eines oxidierbaren Metalls von 5 bis 18 Gew.-%;
– ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50%; und
– ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls, von 1 bis 50 Gew.-%.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung werden an sich Materialien verwendet, wie sie bereits für die Herstellung von Speisern bekannt sind. Die Materialien werden jedoch in einem in besonderer Weise abgestimmten Anteil eingesetzt, sodass die Oxidation bzw. Wärmeentwicklung kontrolliert und beständig auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden kann.
So umfasst die Formstoffmischung zunächst einen feuerfesten Formgrundstoff. Der feuerfeste Formgrundstoff weist einen Schmelzpunkt auf, der deutlich oberhalb der Temperatur liegt, welche ein aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung hergestellte Speiser nach dem Zünden erreicht. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt des feuerfesten Formgrundstoffs bevorzugt zumindest 200°C, bevorzugt zumindest 500°C über der Maximaltemperatur des Speisers. Bevorzugt weist der feuerfeste Formgrundstoff einen Schmelzpunkt von mindestens 1300°C, bevorzugt zumindest 1500°C auf. Gemäß einer Ausführungsform wird eine feuerfester Formgrundstoff verwendet, welcher einen Schmelzpunkt von weniger als 3000°C, gemäß einer weiteren Ausführungsform von weniger als 2700°C aufweist. Geeignete feuerfeste Formgrundstoffe sind beispielsweise Quarz, Aluminiumsilikate oder Zirkonoxidsand. Ferner können auch synthetisch hergestellte feuerfeste Füllstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Mullit (Al₂SiO₅). In der Auswahl des feuerfesten Formgrundstoffs bestehen zunächst an sich keine Beschränkungen. Der feuerfeste Formgrundstoff sollte eine ausreichende Partikelgröße aufweisen, so dass ein aus der Formstoffmischung hergestellter Speiser eine ausreichend hohe Porosität aufweist, um ein Entweichen flüchtiger Verbindungen während des Gießvorgangs zu ermöglichen. Bevorzugt weisen mindestens 70 Gew.-%, insbesondere bevorzugt mindestens 80 Gew.-% des feuerfesten Formgrundstoffs eine Partikelgröße ≥ 100 μm auf. Die durchschnittliche Partikelgröße D₅₀ des feuerfesten Formgrundstoffs soll vorzugsweise zwischen 100 und 350 μm betragen. Die Partikelgröße lässt sich beispielsweise durch Siebanalyse ermitteln.
Der Anteil des feuerfesten Formgrundstoffs an der Formstoffmischung wird vorzugsweise im Bereich von 10 bis 75 Gew.-%, bevorzugt 40 bis 70 Gew.-% gewählt.
Weiter umfasst die erfindungemäße Formstoffmischung ein Bindemittel, mit welchem die Formstoffmischung nach der Formgebung verfestigt werden kann, indem ein fester Zusammenhalt zwischen den Körnern des feuerfesten Formgrundstoffs hergestellt wird. Die Menge des Bindemittels wird ausreichend hoch gewählt, um eine ausreichende Formstabilität eines aus der Formstoffmischung hergestellten Speisers gewährleisten zu können. Dabei können an sich alle Bindemittel verwendet werden, die bei der Herstellung von Speisern üblich sind.
So können in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung sowohl organische als auch anorganische Bindemittel eingesetzt werden, deren Aushärtung durch kalte oder heiße Verfahren erfolgen kann. Als kalte Verfahren bezeichnet man dabei Verfahren, welche im Wesentlichen bei Raumtemperatur ohne Erhitzen der Formstoffmischung durchgeführt werden. Die Aushärtung erfolgt dabei meist durch eine chemische Reaktion, die beispielsweise dadurch ausgelöst werden kann, dass ein gasförmiger Katalysator durch die zu härtende Formstoffmischung geleitet wird, oder indem der Formstoffmischung ein flüssiger Katalysator zugesetzt wird. Bei heißen Verfahren wird die Formstoffmischung nach der Formgebung auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, um beispielsweise das im Bindemittel enthaltene Lösungsmittel auszutreiben, oder um eine chemische Reaktion zu initiieren, durch welche das Bindemittel durch Vernetzen ausgehärtet wird.
Bei Verwendung eines Cold-Box-Bindemittels, also eines Bindemittels, welches durch kalte Verfahren durch Zugabe eines Katalysators ausgehärtet wird, ist dieses bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von Phenol-Urethan-Harzen, welche durch Amine aktiviert werden, Epoxy-Acryl-Harzen, welche durch SO₂ aktiviert werden können, alkalischen Phenolharzen, welche durch CO₂ oder Methylformiat aktiviert werden können, sowie Wasserglas, welches durch CO₂ aktiviert werden kann. Dem Fachmann sind an sich derartige Cold-Box-Bindemittel bekannt. Solche Bindemittelsysteme sind beispielsweise in der US 3,409,579 oder der US 4,526,219 beschrieben. Es können aber auch andere Bindemittel verwendet werden, beispielsweise Dextrin, Sulfitablauge oder Salzbinder.
Bindemittel auf der Basis von Polyurethanen sind im Allgemeinen aus zwei Komponenten aufgebaut, wobei eine erste Komponente ein Phenolharz und eine zweite Komponente ein Polyisocyanat enthält.
Diese beiden Komponenten werden mit dem feuerfesten Formgrundstoff gemischt und die Formstoffmischung durch Rammen, Blasen, Schießen oder ein anderes Verfahren in eine Form gebracht, verdichtet und anschließend ausgehärtet. Je nach dem Verfahren, mit welchem der Katalysator in die Formstoffmischung eingebracht wird, unterscheidet man zwischen dem ”Polyurethan-No-Bake-Verfahren” und dem ”Polyurethan-Cold-Box-Verfahren”.
Beim Polyurethan-No-Bake-Verfahren wird ein flüssiger Katalysator, im Allgemeinen ein flüssiges tertiäres Amin, in die Formstoffmischung eingebracht, ehe diese in eine Form gebracht und ausgehärtet wird. Für die Herstellung der Formstoffmischung werden Phenolharz, Polyisocyanat und Aushärtungskatalysator mit dem feuerfesten Formgrundstoff gemischt. Dabei kann beispielsweise in der Weise vorgegangen werden, dass der feuerfeste Formgrundstoff zunächst mit einer Komponente des Bindemittels umhüllt wird, und dann die andere Komponente zugegeben wird. Der Aushärtungskatalysator wird dabei einer der Komponenten zugegeben. Die fertig zubereitete Formstoffmischung muss eine ausreichend lange Verarbeitungszeit aufweisen, sodass die Formstoffmischung ausreichend lange plastisch verformt und zu einem Speiser verarbeitet werden kann. Die Polymerisation muss dazu entsprechend langsam verlaufen, so dass nicht bereits in den Vorratsbehältern oder Zuführungsleitungen eine Aushärtung der Formstoffmischung erfolgt. Andererseits darf die Aushärtung nicht zu langsam erfolgen, um einen ausreichend hohen Durchsatz bei der Herstellung von Speisern zu erreichen. Die Verarbeitungszeit kann beispielsweise durch Zugabe von Verzögerern beeinflusst werden, welche die Aushärtung der Formstoffmischung verlangsamen. Ein geeigneter Verzögerer ist beispielsweise Phosphoroxychlorid.
Beim Polyurethan-Cold-Box-Verfahren wird die aus feuerfestem Formgrundstoff, Polyolkomponente, Polyisocyanatkomponente und ggf. Additiven hergestellte Formstoffmischung zunächst ohne Ka talysator in eine Form gebracht. Durch die zu einem Speiser geformte Formstoffmischung wird anschließend ein gasförmiges tertiäres Amin geleitet, welches gegebenenfalls mit einem inerten Trägergas versetzt sein kann. Bei Kontakt mit dem gasförmigen Katalysator bindet das Bindemittel sehr schnell ab, so dass ein hoher Durchsatz bei der Herstellung von Speisern erzielt wird.
Bevorzugt werden anorganische Bindemittel in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in der exothermen Formstoffmischung Wasserglas als Bindemittel eingesetzt. Die Verwendung von Wasserglas als Bindemittel hat den Vorteil, dass beim Abbrand des Speisers eine geringere Rauchentwicklung auftritt als bei Verwendung organischer Bindemittel. Dadurch sinkt die Belastung an gesundheitsschädlichen Verbindungen, die beim Abguss freigesetzt werden, sowie die Geruchsbelästigung. Als Wasserglas können dabei übliche Wassergläser verwendet werden, wie sie bereits als Bindemittel in Formstoffmischungen für die Gießereiindustrie verwendet werden. Diese Wassergläser enthalten gelöste Natrium- bzw. Kaliumsilikate und können durch Lösen von glasartigen Kalium- und Natriumsilikaten in Wasser hergestellt werden. Das Wasserglas weist vorzugsweise ein Modul M₂O/SiO₂ im Bereich von 2,0 bis 3,5 auf, wobei M für Natrium und/oder Kalium steht. Die Wassergläser weisen vorzugsweise einen Feststoffanteil im Bereich von 20 bis 50 Gew.-% auf. Ferner kann für die Herstellung des Speisers auch festes Wasserglas verwendet werden. Für die Anteile an der Formmasse für die Herstellung des Speisers werden jeweils nur die Feststoffanteile des Wasserglases berücksichtigt.
Der Anteil des Bindemittels, berechnet in trockenem Zustand, d. h. ohne Berücksichtigung von Lösungsmitteln zum Verdünnen des Bindemittels, und bezogen auf die trockene Formstoffmischung, wird bevorzugt zwischen 5 und 50 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 8 und 40 Gew.-% und insbesondere bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 Gew.-% gewählt.
Als weiteren Bestandteil umfasst die erfindungsgemäße Formstoffmischung ein oxidierbares Metall. Auch hier können an sich alle oxidierbaren Metalle verwendet werden, wie sie bereits bisher für die Herstellung von exothermen Speisern verwendet werden. Die Metalle sollten eine ausreichende Reaktivität gegenüber einer Reaktion mit einem Oxidationsmittel aufweisen, sodass der Speiser beim Kontakt mit flüssigem Aluminium zuverlässig entzündet werden kann.
Erfindungsgemäß wird der Anteil des oxidierbaren Metalls an der Formstoffmischung relativ gering gehalten, sodass im Vergleich zu Speisern für den Eisen- und Stahlguss nur eine relativ geringe Wärmeentwicklung erfolgt und sich ein aus der Formstoffmischung hergestellter Speiser nur bis zu einer Temperatur von bevorzugt weniger als 1250°C erhitzt. Der Anteil des oxidierbaren Metalls an der Formstoffmischung beträgt lediglich 5 bis 18 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 9 bis 14 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Formstoffmischung. Dies ist im Vergleich zu Speisern für den Eisen- und Stahlguss sehr niedrig. Derartige Speiser für den Eisen- und Stahlguss weisen einen Gehalt an oxidierbarem Metall im Bereich von 20 bis 33 Gew.-% auf. Die prozentualen Angaben beziehen sich auf die Formstoffmischung ohne Anteile von Lösungsmittel, die beispielsweise über das Lösungsmittel des Bindemittels in die Formstoffmischung eingebracht werden.
Weiter enthält die Formstoffmischung ein Oxidationsmittel, mit welchem das oxidierbare Metall nach Zünden des Speisers oxidiert wird. Als Oxidationsmittel kann beispielsweise Eisenoxid und/oder ein Alkalinitrat, wie Natrium- oder Kaliumnitrat verwendet werden.
In der erfindungsgemäßen Formstoffmischung wird das Oxidationsmittel in starkem Unterschuss eingesetzt. Dadurch wird die Oxidation des oxidierbaren Metalls stark verlangsamt, da zusätzlich Luftsauerstoff zum oxidierbaren Metall transportiert werden muss, um die Oxidation vollständig ablaufen zu lassen. Die bei der Oxidation auftretende Wärmeentwicklung wird daher weit zurückgedrängt. Der Anteil des Oxidationsmittels wird, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls bezogene Menge des Oxidationsmittels, in einem Bereich von 10 bis 50%, vorzugsweise 15 bis 35%, besonders bevorzugt 20 bis 30% gewählt.
Bezogen auf das Gewicht der Formstoffmischung ist der Anteil abhängig vom verwendeten Oxidationsmittel. Bevorzugt wird der Anteil des Oxidationsmittels an der Formstoffmischung im Bereich von 3 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 18 Gew.-%, besonders bevorzugt 7 bis 15 Gew.-% gewählt.
Weiter enthält die erfindungsgemäße Formstoffmischung ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls. Bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung sind die Erfinder von der Vorstellung ausgegangen, dass die Körner des oxidierbaren Metalls durch eine dünne Oxidschicht passiviert sind. Als Zündmittel ist also jedes Material geeignet, das die Passivierung überwinden kann, die das oxidierbare Metall durch die auf seiner Oberfläche ausgebildete Oxidschicht erfährt. Das Zündmittel bewirkt also ein Durchbrechen der passivierenden Oxidschicht, sodass das blanke oxidierbare Metall freigelegt wird. Dazu kann das Zündmittel mit der dünnen Oxidschicht reagieren, wobei diese beispielsweise reduziert oder in eine Verbindung überführt wird, die keine durchgehende Passivierung des oxidierbaren Metalls bewirkt bzw. die für das Oxidationsmittel besser durchlässig ist. Durch ein solches Zündmittel kann also die auf dem oxidierbaren Metall vorhandene Passivierungsschicht angeätzt werden. Ein solches Zündmittel kann beispielsweise ein Halogen sein, wie Brom oder Jod, welches mit der passivierenden Schicht des oxidierbaren Metalls, beispielsweise Aluminium, reagiert. Das Zündmittel kann aber auch ein Material sein, das leichter oxidiert wird als das oxidierbare Metall und bei der Oxidation eine ausreichend hohe Wärmeentwicklung zeigt, sodass das oxidierbare Metall zumindest in Abschnitten geschmolzen wird, wodurch die passivierende Schicht aufgerissen werden kann.
Bezogen auf die Menge des eingesetzten oxidierbaren Metalls wird das Zündmittel in einem Anteil von 15 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 35 Gew.-% eingesetzt.
Bezogen auf das Gewicht der Formstoffmischung wird der Anteil des Zündmittels bevorzugt größer als 1 Gew.-%, vorzugsweise größer als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt größer als 3 Gew.-% und gemäß einer weiteren Ausführungsform größer als 4 Gew.-% gewählt. Um eine Aktivierung des oxidierbaren Metalls zu erreichen, ist es gemäß einer Ausführungsform ausreichend, wenn der Anteil des Zündmittels kleiner als 15 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 12 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 9 Gew.-% gewählt wird.
Durch die besondere Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung können Speiser hergestellt werden, die reproduzierbar nach der Zündung ein Temperaturprofil erzeugen, das eine Maximaltemperatur von bevorzugt weniger als 1250°C, weiter bevorzugt weniger als 1150°C aufweist, wobei der Abbrand gleichmäßig und kontrolliert abläuft. Andererseits erreicht der Speiser beim Abbrand eine Temperatur von vorzugsweise mehr als 600°C, bevorzugt mehr als 700°C, so dass das Aluminium im Speiserhohlraum in der flüssigen Phase gehalten wird, bis das Aluminium im Formhohlraum einer zugeordneten Gießform erstarrt ist. Das im Ausgleichshohlraum eines aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung hergestellten Speisers enthaltene Aluminium kann zuverlässig in einem flüssigen Zustand gehalten werden, sodass eine Speisung des Gussstücks unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen erfolgt. Aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung können also Speiser hergestellt werden, die bei gegebenem Speiservolumen einen höheren Modul aufweisen als Naturspeiser oder isolierende Speiser, bzw. die bei vorgegebenem Modul ein geringeres Speiservolumen aufweisen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls ein Ätzmittel, welches die passivierte Oberfläche des oxidierbaren Metalls anätzen kann. Unter einem Ätzmittel wird dabei eine Verbindung verstanden, welche mit der passivierenden Schicht des oxidierbaren Metalls, im Allgemeinen ein Oxidfilm, reagieren kann, sodass die passivierende Schicht aufgebrochen wird und die Reaktionsfähigkeit bzw. Zündfähigkeit des oxidierbaren Metalls erhöht wird.
Bevorzugt wird als Zündmittel ein fluorhaltiges Flussmittel verwendet. Der Anteil des fluorhaltigen Flussmittels wird als Natriumhexafluoroaluminat berechnet.
Es können an sich alle fluorhaltigen Flussmittel eingesetzt werden, die bereits bei der Herstellung von exothermen Speisern verwendet werden. Geeignetes fluorhaltige Flussmittel sind beispielsweise Natriumhexafluoroaluminat, Kaliumhexafluoroaluminat, Natriumfluorid und Kaliumfluorid. Durch den hohen Anteil des fluorhaltigen Flussmittels wird eine niedrige Zündtemperatur sowie ein gleichmäßiger Abbrand der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung erreicht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird als Zündmittel Magnesium eingesetzt. Magnesiummtall lässt sich relativ einfach zünden und zeigt bei der Oxidation eine hohe Wärmeentwicklung. Der Anteil des Magnesiums an der exothermen Formstoffmischung beträgt bezogen auf die Formstoffmischung bevorzugt mindestens 3 Gew.-%, besonders bevorzugt zumindest 5 Gew.-%. Bei einem zu geringen Anteil des Magnesiums ist der Einfluss auf die Entzündbarkeit der Mischung nur gering. Das Magnesiummetall kann an sich in beliebiger Form eingesetzt werden. Bevorzugt wird das Magnesium in Form eines feinen Grießes eingesetzt, da dieser sehr homogen in der Formstoffmischung verteilt werden kann.
Das Magnesiummetall kann in reiner Form eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, das Magnesium in Form einer Legierung einzusetzen, beispielsweise in Form einer Legierung mit dem oxidierbaren Metall, beispielsweise einer Aluminium-Magnesium-Legierung. Durch die feine Verteilung des Magnesiums in der Legierung kann die Zündtemperatur der Legierung herabgesetzt werden, sodass eine kontrollierte Zündung der Formstoffmischung bzw. des daraus hergestellten Speisers beim Einströmen des flüssigen Aluminiums in den Ausgleichshohlraum des Speisers erreicht wird. Der Anteil des Magnesiums an der Legierung wird bevorzugt größer als 30 Gew.-%, bevorzugt größer 40 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 80 Gew.-% gewählt.
Das in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung verwendete oxidierbare Metall ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von Aluminium, Magnesium und Silizium, sowie deren Legierungen. Die genannten Metalle bzw. Legierungen können jeweils allein oder als Mischung eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann also sowohl das oxidierbare Metall als auch das Zündmittel durch Magnesium gebildet werden. Da Magnesium jedoch schwerer zugänglich ist als beispielsweise Aluminium, wird bevorzugt Aluminium als oxidierbares Metall gewählt. Magnesium wird bevorzugt als Zündmittel und weniger bevorzugt als oxidierbares Metall eingesetzt.
Das oxidierbare Metall sollte bevorzugt homogen in der exothermen Formstoffmischung verteilt vorliegen, sodass nach der Zün dung eine gleichmäßige Erwärmung des Speisers erfolgt. Das oxidierbare Metall wird daher bevorzugt in Form eines Pulvers oder feinen Granulats bzw. Grießes in die Formstoffmischung eingearbeitet. Das oxidierbare Metall sollte allerdings auch nicht in einer zu fein verteilten Form vorliegen, da sonst die Metallpartikel eine zu große Reaktivität erhalten können und die Oxidation des oxidierbaren Metalls zu rasch verläuft. Bevorzugt wird die Korngröße des oxidierbaren Metalls größer als 0,05 μm, besonders bevorzugt größer als 0,1 μm gewählt. Andererseits sollte die Korngröße bevorzugt nicht zu groß gewählt werden, da dann eine gleichmäßige Wärmeentwicklung des Speisers über den Gießvorgang hinweg nicht mehr sichergestellt ist. Bevorzugt wird die Korngröße des oxidierbaren Metalls kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,8 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,5 mm gewählt. Die Korngröße des oxidierbaren Metalls lässt sich mit üblichen Mitteln ermitteln, beispielsweise mittels Siebanalyse.
Sofern Magnesium als Zündmittel eingesetzt wird, wird die Korngröße des Magnesiumgrießes in Bereichen gewählt, wie sie oben für das oxidierbare Metall angegeben sind.
Um den Wärmeverlust des Speisers bzw. des im Ausgleichshohlraum enthaltenen flüssigen Aluminiums möglichst gering zu halten, wird der Speiser bevorzugt so ausgeführt, dass die Formstoffmischung wärmeisolierend wirkt. Dazu ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass der feuerfeste Formgrundstoff zumindest teilweise von einem isolierenden Feuerfestmaterial gebildet ist. Unter einem isolierenden Feuerfestmaterial wird ein feuerfester Formgrundstoff verstanden, welcher eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Quarzsand. Geeignete isolierende Feuerfeststoffe sind beispielsweise Bims, Glashohlkugeln, Schamotte, Leichtkugeln, Glimmer, Tone, Flugasche, geschäumte Materialien, offenporige Keramik und vergleichbare Materialien.
Besonders bevorzugt werden in der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung isolierende Feuerfestmaterialien eingesetzt, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Vorzugsweise beträgt die Wärmeleitzahl des isolierenden Feuerfeststoffs 0,04–0,25 W/mK, bevorzugt 0,07 bis 0,2 W/mK. Die Wärmeleitzahl lässt sich mit üblichen Geräten bestimmen, beispielsweise einem TCT 426 Wärmeleitfähigkeitsprüfer gemäß dem T(R)-Verfahren gemäß ASTM-C-1113.
Der feuerfeste Formgrundstoff der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung umfasst daher bevorzugt zumindest einen Anteil eines isolierenden Feuerfestmaterials, welches Hohlräume aufweist und das durch das in den Hohlräumen eingeschlossene Gas stark wärmeisolierend ist. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die exotherme Formstoffmischung als isolierendes Feuerfestmaterial einen Anteil an feuerfesten Mikrohohlkugeln. Diese Mikrohohlkugeln weisen eine durchgehende äußere Hülle auf, die einen gasgefüllten Hohlraum umschließt. Die Hülle ist bevorzugt aus einem Aluminiumsilikat aufgebaut. Die Mikrohohlkugeln weisen einen Durchmesser von vorzugsweise weniger als 3 mm, insbesondere bevorzugt weniger als 1 mm auf. Die Wandstärke der Mikrohohlkugeln beträgt vorzugsweise 5 bis 20% des Durchmessers der Mikrohohlkugeln. Solche Mikrokugeln lassen sich beispielsweise aus Flugasche gewinnen, welche in Industrieanlagen aus Verbrennungsabgasen abgetrennt wird. Die Zusammensetzung der Aluminiumsilikatmikrohohlkugeln kann innerhalb weiter Bereiche variieren. Bevorzugt liegt der Aluminiumanteil, berechnet als Al₂O₃ und bezogen auf das Gewicht der Mikrohohlkugeln, zwischen 20 und 75%, vorzugsweise 25 und 40%. Der Anteil der Mikrohohlkugeln am feuerfesten Formgrundstoff wird vorzugsweise größer als 30%, bevorzugt größer als 40%, besonders bevorzugt im Bereich von 60 bis 95%, insbesondere bevorzugt im Bereich von 65 bis 90 Gew.-% gewählt. Es können auch Glashohlkugeln mit einem Aluminiumgehalt von 0 bis 25% zum Einsatz kommen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Formstoffmischung als isolierenden Feuerfeststoff zumindest anteilig einen porösen Feuerfeststoff mit einer offenporigen Struktur. Durch die offenporige Struktur erhält der Speiser eine sehr gute Gasdurchlässigkeit, sodass die Luft im Ausgleichshohlraum beim Eindringen des flüssigen Aluminiums weitgehend ungehindert entweichen kann bzw. wenn das flüssige Aluminium beim Speisen wieder aus dem Ausgleichshohlraum abfließt, weitgehend ungehindert wieder in den Ausgleichshohlraum nachströmen kann.
Unter einem porösen Feuerfeststoff, welcher eine durchgehend offene Porenstruktur aufweist, wird ein feuerfester Stoff mit einer schwammartigen Struktur verstanden, welche sich durch das gesamte Volumen des Korns erstreckt. Eine solche offenporige Struktur lässt sich beispielsweise an einem Schliffbild eines Korns, ggf. unter mikroskopischer Vergrößerung, erkennen. Während bei den oben erwähnten Mikrohohlkügelchen jeweils eine einzelne ”Pore” von einer weitgehend gasdichten Hülle umgeben wird und daher kein einfacher Gasaustausch zwischen dem Hohlraum des Mikrohohlkügelchens und der Umgebung möglich ist, wird der offenporige poröse Feuerfeststoff von Passagen durchzogen, welche einen Gasaustausch der einzelnen Poren mit der Umgebung ermöglichen. Der Anteil der Poren am gesamten Volumen des porösen offenporigen Stoffes ist bevorzugt sehr hoch. Bevorzugt weist der poröse feuerfeste Stoff ein Porenvolumen von zumindest 50%, vorzugsweise mindestens 60%, insbesondere mindestens 65% auf, bezogen auf das Gesamtvolumen des porösen feuerfesten Stoffs. Das Porenvolumen lässt sich beispielsweise durch Quecksilberintrusion bestimmen.
Geeignete poröse feuerfeste Stoffe sind beispielsweise Bimsstein, Blähschiefer, Perlit, Vermiculit, Kesselsand, Schaumlava, poröse Glaskugeln oder Blähbeton, sowie deren Gemische.
Die gemäß einer Ausführungsform in der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung enthaltenen porösen Feuerfeststoffe mit offenporiger Struktur weisen vorzugsweise eine Dichte von weniger als 0,5 g/ml, vorzugsweise weniger als 0,4 g/ml, insbesondere bevorzugt 0,05 bis 0,4 g/ml auf. Unter Dichte wird hierbei die Schüttdichte verstanden. Die aus der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung hergestellten Speiser, welche einen Anteil eines isolierenden Feuerfeststoffs umfassen, weisen daher vorteilhaft ein geringes Gewicht auf. Die Speiser können beispielsweise auf ein Modell aufgesteckt werden und fallen wegen ihres geringen Gewichtes nicht ab, wenn das Modell bzw. die Form gewendet wird.
Der feuerfeste Formgrundstoff kann vollständig oder teilweise von dem isolierenden Feuerfestmaterial gebildet werden. Auch aus Kostengründen werden bevorzugt Gemische aus isolierendem Feuerfestmaterial und anderen feuerfesten Formgrundstoffen, die eine geringere Isolierwirkung aufweisen, verwendet. Beispielhafte weniger isolierende feuerfeste Formgrundstoffe wurden bereits genannt. Ein Beispiel für einen geeigneten feuerfesten Formgrundstoff, der mit dem isolierenden Feuerfeststoff gemischt werden kann, ist Quarzsand. Vorzugsweise wird der Anteil des isolierenden Feuerfeststoffs an dem feuerfesten Formgrundstoff größer als 20 Gew.-%, bevorzugt größer als 30 Gew.-%, insbesondere größer als 40 Gew.-% gewählt. Eine ausreichende Isolierwirkung wird bereits erzielt, wenn der Anteil des isolierenden Feuerfestmaterials am feuerfesten Formgrundstoff vorzugsweise kleiner als 80 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 70 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner als 60 Gew.-% gewählt wird.
Die erfindungsgemäße exotherme Formstoffmischung weist vorzugsweise eine Gasdurchlässigkeitszahl von mindestens 150, vorzugsweise mehr als 200, insbesondere mehr als 300 auf. Die Gasdurchlässigkeitszahl ist eine in der Gießereiindustrie übliche Kenn größe für die Porosität von Formkörpern oder Formsanden. Sie wird an einem Prüfkörper, der eine bestimmte Form aufweist, mit Geräten der Firma Georg Fischer AG, Schaffhausen, Schweiz, bestimmt. Die Bestimmung der Gasdurchlässigkeit wird bei den Beispielen beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform wird Bimsstein als poröser Feuerfeststoff mit offenporiger Struktur verwendet. Bimsstein ist ein natürlich vorkommendes Gesteinsglas, d. h. er besitzt im Wesentlichen eine amorphe Struktur ohne erkennbare Kristalle. Bimsstein weist ein geringes spezifisches Gewicht von bis zu etwa 0,3 g/cm³ auf. Er besitzt ein sehr hohes Porenvolumen von bis zu 85%. Durch seine hohe Porosität weist der Bimsstein eine sehr hohe Gasdurchlässigkeit auf.
Als Bimsstein wird vorzugsweise ein Material aus einer natürlichen Quelle verwendet, welche auf eine geeignete Korngröße vermahlen ist. Die Korngröße des gemahlenen Bimssteins beträgt vorzugsweise weniger als 1,5 mm, insbesondere bevorzugt weniger als 1 mm. Die Korngröße kann beispielsweise durch Sieben oder Windsichten eingestellt werden.
Ein weiterer geeignetes isolierendes Feuerfestmaterial sind poröse Glaskugeln. Die Korngröße beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1 mm. Die Schüttdichte liegt vorzugsweise im Bereich von 200 bis 500 kg/m³.
Neben dem feuerfesten Formgrundstoff kann die erfindungsgemäße exotherme Formstoffmischung gemäß einer Ausführungsform einen Anteil eines reaktiven Aluminiumoxids enthalten. Das reaktive Aluminiumoxid weist bevorzugt folgende Eigenschaften auf:

Al₂O₃-Gehalt > 90%

Gehalt an OH-Gruppen < 5%

spezifische Oberfläche (BET) 1 bis 10 m²/g

mittlerer Teilchendurchmesser (D₅₀) 0,5 bis 15 μm
Durch den Zusatz eines reaktiven Aluminiumoxids zur Formstoffmischung kann die Festigkeit eines aus der Formstoffmischung hergestellten Speisers verbessert werden.
Das reaktive Aluminiumoxid ist vorzugsweise, bezogen auf das Gewicht der exothermen Formstoffmischung in einem Anteil von mehr als 2 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 5 Gew.-% in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung enthalten.
Wird der feuerfeste Formgrundstoff anteilig aus einem isolierenden Feuerfeststoff gebildet, kann die exotherme Formstoffmischung noch einen feuerfesten Füllstoff umfassen, welcher vorzugsweise einen relativ geringen SiO₂-Anteil aufweist. Vorzugsweise weist der feuerfeste Füllstoff einen SiO₂-Anteil von weniger als 60 Gew.-%, bevorzugt weniger als 50 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 40 Gew.-% auf. Durch den geringen Anteil an SiO₂ wird der Gefahr eines Verglasens entgegengewirkt, wodurch Gussfehler vermieden werden können. Gemäß einer Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße exotherme Formstoffmischung kein SiO₂ als Mischungsbestandteil, ist also frei von beispielsweise Quarzsand. Der in der Formstoffmischung enthaltene SiO₂-Anteil liegt also vorzugsweise in gebundener Form als Aluminiumsilikat vor.
Besonders bevorzugt ist der feuerfeste Füllstoff zumindest anteilig aus Schamotte gebildet. Unter Schamotte wird ein hoch gebrannter (doppelt gebrannter) Ton verstanden, welcher eine Formbeständigkeit bis zu einer Temperatur von etwa 1500°C aufweist. Neben amorphen Anteilen kann Schamotte die kristallinen Phasen Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂) und Cristobalit (SiO₂) enthalten. Die Schamotte ist ebenfalls bevorzugt auf eine Korngröße von weniger als 1,5 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm gemahlen. Durch die Schamotte erhalten die aus der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung hergestellten Speiser eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit.
Bevorzugt ist der Anteil der Schamotte am feuerfesten Füllstoff hoch gewählt. Bevorzugt beträgt der Anteil der Schamotte, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Füllstoffs, zumindest 50 Gew.-%, insbesondere bevorzugt zumindest 60 Gew.-%, und ganz besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-%. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der feuerfeste Füllstoff im Wesentlichen nur aus Schamotte gebildet. Die Schamotte ist bevorzugt in gemahlener Form in der exothermen Formstoffmischung enthalten. Die Korngröße beträgt hierbei bevorzugt weniger als 1,5 mm, insbesondere bevorzugt weniger als 1 mm.
Die Schamotte weist bevorzugt einen hohen Anteil an Aluminiumoxid auf. Bevorzugt enthält die Schamotte mindestens 30 Gew.-% Aluminiumoxid, insbesondere bevorzugt zumindest 35 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zumindest 40 Gew.-%. Das Aluminiumoxid liegt bevorzugt in Form von Aluminiumsilikaten vor.
Der Anteil des feuerfesten Füllstoffs, bezogen auf das Gewicht der exothermen Formstoffmischung beträgt bevorzugt zwischen 5 und 60 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 8 bis 50 Gew.-%. Die Anteile des feuerfesten Füllstoffs schließen die Anteile an Bimsstein und reaktivem Aluminiumoxid nicht ein.
Neben den bereits genannten Bestandteilen kann die erfindungsgemäße Formstoffmischung noch andere Bestandteile in üblichen Mengen enthalten. So kann beispielsweise ein organisches Material enthalten sein, wie z. B. Holzmehl. Vorteilhaft liegt das organische Material in einer Form vor, in der dieses keine flüssigen Bestandteile, wie z. B. Wasserglas, aufsaugt. Bei der Herstellung der exothermen Formstoffmischung kann das Holzmehl dazu beispielsweise zunächst mit einem geeigneten Material, wie Wasserglas, versiegelt werden, sodass die Poren verschlossen sind. Durch die Anwesenheit des organischen Materials wird die Abkühlung des flüssigen Aluminiums beim Erstkontakt mit der Wand des Ausgleichshohlraums weiter herabgesetzt.
Sofern ein organisches Material, wie Holzmehl, in der exothermen Formstoffmischung enthalten ist, ist dieses bezogen auf die exotherme Formstoffmischung vorzugsweise in einem Anteil von 5 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 8 bis 12 Gew.-% enthalten.
Ein Speiser, welcher aus der oben beschriebenen exothermen Formstoffmischung hergestellt worden ist, eignet sich speziell für den Aluminiumguss, da er nach dem Zünden nur eine relativ geringe Wärmeentwicklung zeigt und daher das in einem Ausgleichshohlraum eines derartigen Speisers angeordnete flüssige Aluminium nicht auf eine hohe Temperatur erhitzt, sodass ein Sieden des Aluminiums verhindert wird. Dadurch werden Gaseinschlüsse im Gussstück sowie Störungen im Kristallgefüge des Gussstücks wirksam zurückgedrängt.
Die Erfindung betrifft daher auch einen Speiser für den Aluminiumguss, hergestellt aus einer exothermen Formstoffmischung wie sie oben beschrieben wurde. Der Speiser erreicht beim Abbrand eine Temperatur von weniger als 1250°C, bevorzugt weniger als 1150°C, vorzugsweise weniger als 1050°C. Um das im Ausgleichhohlraum des Speisers enthaltene Aluminium für einen ausreichenden Zeitraum in flüssiger Form zu halten, erreicht der Speiser beim Abbrand vorzugsweise eine Temperatur von mehr als 600°C, bevorzugt mehr als 700°C.
Der erfindungsgemäße exotherme Speiser für den Aluminiumguss umfasst einen Ausgleichshohlraum und eine den Ausgleichshohlraum umgebende Speiserwand, wobei die Speiserwand aus einem Material aufgebaut ist, welches zumindest enthält:

– einen feuerfesten Formgrundstoff;
– ein Bindemittel;
– ein oxidierbares Metall in einem Anteil von 5 bis 18 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Speiserwand;
– ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50%; und
– ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls, von 15 bis 50 Gew.-%.

Der erfindungsgemäße exotherme Speiser für den Aluminiumguss kann an sich jede für Speiser bekannte Form annehmen. So umfasst der Begriff ”Speiser”, wie er hier verwendet wird, beispielsweise auch Speiserhülsen, also annähernd zylinderförmige Röhren, die beidseitig geöffnet sind, Kappen, also näherungsweise zylinderförmige Röhren, die einseitig geschlossen sind, sowie auch Speiser im landläufigen Sinn. Die Speiser können in eine Gießform einsteckbar sein oder auch in die Gießform eingeformt werden. Unter einem Speiser im Sinne der Erfindung wird also ein Formkörper mit einer Speiserwand verstanden, die einen Ausgleichshohlraum umschließt, wobei der Ausgleichshohlraum einseitig oder auch zweiseitig geöffnet sein kann. Der Ausgleichshohlraum nimmt während des Metallgusses flüssiges Metall auf und gibt dieses zumindest teilweise während der Erstarrung des Guss stücks wieder ab. Unter einem Restspeiser wird das erstarrte Metall verstanden, welches nach dem Gießvorgang im Ausgleichshohlraum des Speisers verbleibt und erstarrt und mit dem Gussstück verbunden ist.
Die einzelnen Bestandteile sowie vorteilhafte Ausführungsformen des Speisers wurden bereits bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung erläutert. Auf die entsprechenden Passagen der Beschreibung wird Bezug genommen.
Der erfindungsgemäße exotherme Speiser für den Aluminiumguss kann an sich jede beliebige Form annehmen, wie sie für den Metallguss, beispielsweise den Eisen- oder Stahlguss, bekannt ist. Der Speiser kann ein- oder mehrteilig ausgeführt werden, wobei der gesamte Speiser aus der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung hergestellt worden sein kann, oder lediglich Teile des Speisers. So kann der Speiser einen Speiserkopf umfassen, der aus der exothermen Formstoffmischung hergestellt ist, wobei in den Speiserkopf eine verschiebbare Hülse eingesteckt sein kann, welche die Verbindung zwischen einem im Speiserkopf enthaltenen Ausgleichshohlraum und dem Formhohlraum der Gießform herstellt. Der Speiser kann in einer Form ausgebildet sein, sodass er direkt auf einem Modell aufgesetzt werden kann. Es ist aber auch möglich, eine Aufnahme für einen Federdorn vorzusehen, auf welchen der erfindungsgemäße Speiser dann aufgesteckt wird.
Im Gegensatz zu den bisher im Aluminiumguss verwendeten Speisern kann der erfindungsgemäße exotherme Speiser wesentlich kleiner ausgeführt werden. So kann ein Ausgleichshohlraum im Inneren des Speisers relativ klein ausgeführt werden, da die in ihm aufgenommene Menge an Aluminium durch die exothermen Eigenschaften des Speisers während des Gusses in flüssigem Zustand gehalten wird.
An sich kann der erfindungsgemäße Speiser in jeder Größe und mit jeder Wandstärke ausgeführt werden. Die im Folgenden aufgeführten Maßangaben sind daher beispielhaft.
Das Volumen des Ausgleichshohlraums wird in Abhängigkeit von der Größe des herzustellenden Gussstücks und der Schrumpfung gewählt die das Gussstück während des Erstarrens des Aluminiums erfährt. Gemäß einer Ausführungsform wird das Volumen des Ausgleichshohlraums geringer als 2000 cm³, gemäß einer weiteren Ausführungsform geringer als 1500 cm³, und gemäß einer weiteren Ausführungsform geringer als 500 cm³ gewählt. Es ist aber auch möglich, Speiser mit einem Ausgleichshohlraum bereitzustellen, dessen Volumen größer als 2000 cm³ beträgt. Gemäß einer Ausführungsform wird das Volumen des Ausgleichshohlraums größer als 100 cm³ gewählt.
Auch die Wandstärke des Speisers bzw. das Außenvolumen des Speisers kann geringer als bei den bisher üblichen Speisern für den Aluminiumguss gewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt das Außenvolumen des Speisers, also das Volumen, welches durch die Außenwand des Speisers, bzw. bei mehrteiliger Ausführung des Speiserkopfs, begrenzt wird, weniger als 3000 cm³, gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 2500 cm³, und gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 1000 cm³. Es können jedoch auch erfindungsgemäße Speiser bereitgestellt werden, die ein Außenvolumen von mehr als 3000 cm³ aufweisen. Gemäß einer Ausführungsorm wird das Außenvolumen des Speisers größer als 250 cm³ gewählt.
Die maximale Wandstärke des erfindungsgemäßen Speisers beträgt gemäß einer Ausführungsform weniger als 15 cm, gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 8 cm, und gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 4 cm. Es ist jedoch auch möglich, erfindungsgemäße Speiser bereitzustellen, die eine maximale Wandstärke aufweisen, die mehr als 15 cm beträgt. Gemäß einer Ausführungsform wird die maximale Wandstärke größer als 0,5 cm, gemäß einer weiteren Ausführungsform größer als 1 cm gewählt. Die maximale Wandstärke entspricht der dicksten Stelle der den Ausgleichshohlraum umgebenden Speiserwand, wobei jeweils der kürzeste Abstand zwischen Außen- und Innenwand gemessen wird.
Die Wahl der Größe des Speisers und seiner Abmessungen ist stark vom betrachteten Gussstück abhängig. Der Fachmann kann jedoch auf der Grundlage seines Fachwissens, ggf. unter Einbeziehung von Vorversuchen, einen geeignet dimensionierten Speiser auswählen.
Im Vergleich zu Naturspeisern, d. h. Speisern, die lediglich aus einem üblichen feuerfesten Formgrundstoff, wie Quarzsand, hergestellt sind, lässt sich die Menge des Aluminiums, die sich zum Speisen des Gussstücks im Ausgleichshohlraum des Speisers aufgenommen wird, um bis zu 80% verringern.
Der erfindungsgemäße Speiser wird an sich nach üblichen Verfahren hergestellt. Zunächst wird die oben beschriebene exotherme Formstoffmischung hergestellt. Diese exotherme Formstoffmischung wird zu einem Rohling verarbeitet, indem die exotherme Formstoffmischung beispielsweise in einer Kernschießmaschine mittels Druckluft in eine geeignete Form geschossen wird. Bevorzugte feuerfeste Formgrundstoffe und weitere Bestandteile der exothermen Formstoffmischung wurden bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung erläutert. Geeignete Bindemittel wurden ebenfalls bereits bei der Beschreibung der exothermen Formstoffmischung erläutert. Besonders bevorzugt wird als Bindemittel Wasserglas verwendet.
Wird bei der Herstellung des Speisers Wasserglas als Bindemittel verwendet, erfolgt die Aushärtung der exothermen Formstoffmischung durch übliche Verfahren. Die Aushärtung kann durch Durch leiten von Kohlendioxid durch den Rohling des Speisers erfolgen, wobei die Aushärtung bevorzugt bei Raumtemperatur erfolgt. Es ist aber auch möglich, den Rohling des Speisers zu erhitzen, beispielsweise auf Temperaturen von 120 bis 200°C. Um die Aushärtung zu beschleunigen, kann auch heiße Luft durch den Rohling des Speisers geleitet werden. Die Temperatur der eingeblasenen Luft beträgt vorzugsweise 100°C bis 180°C, insbesondere bevorzugt 120°C bis 150°C. Nach dem ersten Aushärten kann der Speiser noch getrocknet werden, beispielsweise in einem Ofen oder durch Bestrahlen mit Mikrowellen.
Werden andere Bindemittel, beispielsweise organische Bindemittel, verwendet, erfolgt die Aushärtung der exothermen Formstoffmischung nach der Formgebung des Speisers ebenfalls durch gängige Verfahren. So kann bei Verwendung eines Cold-Box-Bindemittels beispielsweise ein gasförmiges tertiäres Amin in üblicher Weise durch die zu einem Speiser geformte exotherme Formstoffmischung geleitet werden.
Nach der Aushärtung kann der Speiser aus dem Formwerkzeug entnommen werden. Die Aushärtung kann vollständig sein oder auch erst teilweise erfolgt sein, sodass nach der Entnahme eine Nachhärtung, beispielsweise durch Wärmeeinwirkung, durchgeführt wird.
Der erfindungsgemäße Speiser eignet sich für den Aluminiumguss. Die Erfindung betrifft daher weiter die Verwendung des oben beschriebenen Speisers für den Aluminiumguss. Der Speiser wird dabei in üblicher Weise an der Gießform angesetzt bzw. in diese eingebracht. Nach Herstellung der Gießform wird der Aluminiumguss in üblicher Weise durchgeführt.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße exotherme Speiser für den Aluminiumguss in der Weise verwendet, dass zunächst eine Gießform mit einem Formhohlraum bereitgestellt wird. Die Gießform umfasst zumindest einen Speiser, wie er oben beschrieben worden ist, und welcher einen Ausgleichshohlraum umfasst.
Anschließend wird flüssiges Aluminium in die Gießform eingefüllt, sodass zumindest der Formhohlraum der Gießform sowie ein Speiservolumen des Speisers mit dem flüssigen Aluminium gefüllt sind. Das Speiservolumen entspricht maximal dem Volumen des Ausgleichshohlraums des Speisers und entspricht der Menge an Aluminium, die zu Beginn des Speisens im Ausgleichshohlraum bereitgestellt ist. Meist wird das Speiservolumen kleiner als das Volumen des Ausgleichshohlraums gewählt, vorzugsweise kleiner als 95%, bevorzugt kleiner als 90% des Volumens des Ausgleichshohlraums. Bevorzugt werden zumindest 50% des Volumens des Ausgleichshohlraums als Speiservolumen genutzt.
Durch das in den Ausgleichshohlraum des Speisers einströmende flüssige Aluminium wird der Speiser gezündet.
Das flüssige Aluminium wird erstarren gelassen, wobei das Aluminium zunächst im Formhohlraum der Gießform erstarrt. Dabei wird zum Ausgleich der beim Erstarren eintretenden Schrumpfung flüssiges Aluminium aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform gesaugt.
Durch die exothermen Eigenschaften des Speisers besitzt dieser ein hohes Modul bzw. kann das Volumen des Ausgleichshohlraums relativ klein gewählt werden, wobei ein hoher Anteil des Speiservolumens zum Speisen genutzt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Speisers werden vorzugsweise zumindest 25%, bevorzugt zumindest 30%, besonders bevorzugt zumindest 40%, insbesondere bevorzugt zumindest 50% des Speiservolumens zum Speisen des Gussstücks genutzt, also die entsprechende Menge an flüssigem Aluminium vom Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform überführt. Meist kann nicht das gesamte Volumen des Ausgleichshohlraums zum Speisen genutzt wer den, sodass am Gussstück ein Restspeiser verbleibt. Gemäß einer Ausführungsform werden weniger als 90% des Speiservolumens zum Speisen genutzt.
Die Erfindung wird im weiteren anhand von Beispielen sowie die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Speiser;
2: einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speisers.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Speiser. Der Speiser 1 weist eine röhrenförmige Gestalt auf. Die Speiserwand 2 ist aus einer feuerfesten Formstoffmischung aufgebaut, welche sich durch einen sehr geringen Anteil eines oxidierbaren Metalls, einen im Vergleich zur Menge des oxidierbaren Metalls gewählten Unterschuss an Oxidationsmittel sowie durch einen vergleichsweise hohen Anteil eines fluorhaltigen Flussmittels auszeichnet. Die Speiserwand 2 umgibt einen Ausgleichshohlraum 3, welcher zu einer Seite durch eine Ausgleichsöffnung 4 zur Umgebung geöffnet ist. Über die Ausgleichsöffnung 4 wird eine Verbindung zu einem Formhohlraum einer Gießform (nicht dargestellt) hergestellt. Am der Ausgleichsöffnung 4 gegenüberliegend angeordneten Ende befindet sich eine Belüftungsöffnung 5. Der Durchmesser der Ausgleichsöffnung 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform des Speisers größer gewählt als der Durchmesser der Belüftungsöffnung 5, so dass der Speiser eine konusförmige Gestalt aufweist. Es ist jedoch auch möglich, den Durchmesser der Ausgleichsöffnung 4 und der Belüftungsöffnung 5 gleich auszuführen, so dass der Speiser die Gestalt einer Röhre annimmt. Der Innendurchmesser eines derartigen Speisers kann beispielsweise 8 cm betragen und die Wandstärke der Speiserwand 3 cm bei einer Höhe des Speisers von 15 cm.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speisers ist in 2 dargestellt. Der Speiser 6 umfasst einen Ausgleichshohlraum 3, welcher von der Speiserwand 7 umgeben wird, so dass der Ausgleichshohlraum 3 nach oben abgeschlossen ist, um Wärmeverluste des flüssigen Aluminiums zu verringern. Der Speiser 6 ist zweiteilig aufgebaut und umfasst einen Speiserboden 8 sowie einen Speiserdeckel 9. Speiserboden 8 und Speiserdeckel 9 bilden gemeinsam eine Speiserwand, welche den Ausgleichshohlraum 3 umgibt. Im Zentrum des Speiserdeckels 9 ist eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme der Spitze eines Federdorns 11 vorgesehen. Im Speiserboden 8 ist eine Ausgleichsöffnung 4 vorgesehen, welche die Verbindung vom Ausgleichshohlraum 3 zu einem nicht dargestellten Formhohlraum einer Gießform hergestellt wird. Sowohl Speiserboden 8 als auch Speiserdeckel 9 sind aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung hergestellt, welche sich durch einen niedrigen Gehalt an oxidierbarem Metall, einen im Vergleich zur vollständigen Oxidation des Metalls erforderlichen Menge im Unterschuss eingesetzten Oxidationsmittel sowie durch einen hohen Anteil eines fluorhaltigen Flussmittels auszeichnet. Der Durchmesser des in 2 dargestellten Speisers beträgt an seiner breitesten Stelle ca. 15 cm. Die Höhe beträgt ca. 20 cm. Die Wandstärke des Speiserdeckels 9 beträgt etwa 2 cm.
Analysenmethoden:
Bestimmung der spezifischen Oberfläche:
Die BET-Oberfläche wird an einem voll automatischen Stickstoffporosimeter der Firma Mikromeritics, Typ ASAP 2010, gemäß DIN 66131 bestimmt.
Porenvolumen:
Das Porenvolumen wird durch Quecksilberporosimetrie nach DIN 66133 ermittelt.
Mittlerer Teilchendurchmesser (d₅₀):
Der mittlere Teilchendurchmesser wurde durch Laserbeugung auf einem Mastersizer S, Firma Malvern Instruments GmbH, Herrenberg, DE nach Herstellerangaben ermittelt.
Elementaranalyse:
Die Analyse beruht auf einem Totalaufschluss der Materialien. Nach dem Auflösen der Feststoffe werden die Einzelkomponenten mit herkömmlich spezifischen Analysenmethoden, wie z. B. ICP analysiert und quantifiziert.
Bestimmung der Schüttdichte:
Das pulverförmige poröse feuerfeste Material wird in einem Zug in einen zuvor gewogenen 1000 ml Glaszylinder eingefüllt, der an der 1000 ml Markierung abgeschnitten wurde. Nachdem der Schüttkegel abgestreift und außen am Zylinder anhängendes Material entfernt wurde, wird der Zylinder erneut gewogen. Die Gewichtszunahme entspricht der Dichte.
Bestimmung der Gasdurchlässigkeit
a) Herstellung eines Prüfkörpers:
Etwa 100 g des zu prüfenden porösen feuerfesten Materials, das auf ein Mittelkorn von etwa 0,3 mm eingestellt wurde, werden in einem Mischer während etwa 2 Minuten mit 20 g Wasserglas (Feststoffgehalt etwa 30%, Modul SiO₂/Na₂O etwa 2,5) vermischt. Das Gemisch wird in eine Hülse eingefüllt, welche einen Innendurchmesser von 50 mm aufweist. Die Hülse ist in einer Georg-Fischer Ramme eingesetzt. Die Mischung wird in der Ramme durch drei Schläge verdichtet. Die Hülse mit der verdichteten Formmasse wird aus der Ramme entnommen und die Formmasse ausgehärtet, indem von den offenen Enden der Hülse her für jeweils etwa 3 Sekunden Kohlendioxid durch die Formmasse geblasen wird. Der aus gehärtete Prüfkörper kann dann aus der Hülse herausgedrückt werden. Nachdem der Prüfkörper herausgedrückt wurde, wird seine Höhe gemessen. Diese sollte 50 mm betragen. Sofern der Prüfkörper nicht die gewünschte Höhe aufweist, muss mit einer angepassten Menge der Formmasse ein weiterer Prüfkörper hergestellt werden. Der Prüfkörper wird anschließend in einem Ofen bei 180°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.
b) Prüfung der Gasdurchlässigkeit
Die Prüfung der Gasdurchlässigkeit erfolgt mit einer Durchlässigkeitsprüfapparatur Typ PDU der Firma Georg Fischer Aktiengesellschaft, 8201 Schaffhausen, Schweiz.
Der wie unter (a) beschrieben hergestellte Prüfkörper wird in das Präzisions-Prüfkörperrohr der Apparatur eingesetzt und der Spalt zwischen Prüfkörper und Prüfkörperrohr abgedichtet. Das Prüfkörperrohr wird in die Prüfapparatur eingesetzt und die Gasdurchlässigkeitszahl Gd bestimmt. Die Gasdurchlässigkeitszahl Gd gibt an, wie viel cm³ Luft bei einem Überdruck von 1 cm Wassersäule in einer Minute durch einen Würfel oder Zylinder mit 1 cm² Querschnitt hindurchgehen. Die Gasdurchlässigkeitszahl wird wie folgt berechnet: Gd = (Q·h)/(F·p·t)wobei bedeutet:

Gd:: Gasdurchlässigkeitszahl
Q:: durchströmendes Luftvolumen (2000 cm³);
h:: Höhe des Prüfkörpers
F:: Querschnittsfläche des Prüfkörpers (19,63 cm³);
p:: Druck in cm Wassersäule;
t:: Durchströmzeit für 2000 cm³ Luft in Minuten.

Komponente		eingesetzte Menge
Aluminiumgrieß		15 Gew.-%
Natriumhexafluoroaluminat		7 Gew.-%
Natriumnitrat		13 Gew.-%
Quarzsand		50 Gew.-%
Wasserglas^**		15 Gew.-%

**: Feststoffgehalt: 50 Gew.-%, Modul: 2,2

Die Formstoffmischungen wurden bei Raumtemperatur in eine Form geschossen und dort für 90 Sekunden durch Durchleiten von Kohlendioxid ausgehärtet. Anschließend wurden die Speiserrohlinge für 5 Stunden in einem Ofen bei 180°C getrocknet. Es wurden rohrförmige Speiser mit einer Länge von 150 mm, einem Außendurchmesser von 59 mm und einem Innendurchmesser von 40 mm erhalten.
Einer der Speiser wurde an seinem unteren Ende gezündet, indem er kurzzeitig auf eine heisse Platte gestellt wurde. Nach dem Zünden wurde der Speiser auf eine Tonplatte gestellt. Die Oxidationsfront bewegte sich gleichmäßig von unten nach oben durch den Speiser. Nachdem die Oxidationsfront durch den Speiser gewandert war, wurde die Temperatur im Innenraum des Ausgleichshohlraums zu etwa 1150°C bestimmt.
Die Speiser wurden jeweils in eine Gießform eingebaut und ein Aluminiumgussstück hergestellt. Als Aluminiumgussstück wurde ein Würfel mit einer Kantenlänge von 15 cm hergestellt. Nach Erkalten des Gussstücks wurde die Gießform entfernt und der Restspeiser abgeschlagen. Die Bruchstelle wurde durch Abschleifen nachbearbeitet. Das Gussstück wurde geröntgt. Dabei wurden keine Lunker im Gussstück ermittelt. Ferner wurde die Einspeisestelle am Gussstück mikroskopisch untersucht. Es wurden keine kristallinen Fehlordnungen bzw. Gusseinschlüsse festgestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0888199 B1 [0013]
- EP 0913215 B1 [0014]
- WO 00/73236 A2 [0015]
- US 3409579 [0032]
- US 4526219 [0032]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ASTM-C-1113 [0059]
- DIN 66131 [0109]
- DIN 66133 [0110]

Claims

Exotherme Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss, zumindest enthaltend: – einen feuerfesten Formgrundstoff; – ein Bindemittel; – bezogen auf die Formstoffmischung einen Anteil eines oxidierbaren Metalls von 5 bis 18 Gew.-%; – ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50%; und – ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil von 15 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls.
Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 1, wobei das Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls ein fluorhaltiges Flussmittel ist.
Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 1, wobei das Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls Magnesiummetall ist.
Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das oxidierbare Metall ausgewählt ist aus der Gruppe von Aluminium, Magnesium und Silizium, sowie deren Legierungen.
Exotherme Formstoffmischung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Magnesium zumindest teilweise in Form einer Legierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, enthalten ist.
Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korngröße des oxidierbaren Metalls größer als 0,05 μm gewählt wird.
Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der feuerfeste Formgrundstoff zumindest teilweise von einem isolierenden Feuerfestmaterial gebildet ist.
Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 7, wobei das isolierende Feuerfestmaterial eine Schüttdichte von weniger als 0,5 kg/l aufweist.
Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das isolierende Feuerfestmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe von Bims, Schaumlava, Vermiculit, Aluminiumsilikat-Mikrohohlkugeln sowie porösen Glaskugeln.
Exotherme Formstoffmischung nach einem Ansprüche 7 bis 9, wobei der Anteil des isolierenden Feuerfestmaterials an dem feuerfesten Formgrundstoff größer als 20 Gew.-% gewählt wird.
Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des Bindemittels, berechnet als Feststoff und bezogen auf die Formstoffmischung, zwischen 5 und 50 Gew.-% gewählt ist.
Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Formstoffmischung einen Anteil eines brennbaren organischen Materials enthält.
Exothermer Speiser für den Aluminiumguss, hergestellt aus einer exothermen Formstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welcher beim Abbrand eine Temperatur von weniger als 1250°C erreicht, mit einem Ausgleichshohlraum und einer den Ausgleichshohlraum umgebenden Speiserwand, wobei die Speiserwand zumindest enthält: – einen feuerfesten Formgrundstoff; – ein Bindemittel; – ein oxidierbares Metall in einem Anteil von 5 bis 18 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Speisers; – ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50%; und – ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls, von 1 bis 50 Gew.-%.
Verwendung eines exothermen Speisers nach einem der Ansprüche 13 oder 14 für den Aluminiumguss.
Verwendung nach Anspruch 14, wobei zum Aluminiumguss – eine Gießform mit einem Formhohlraum bereitgestellt wird, welche zumindest einen Speiser nach Anspruch 13 mit einem Ausgleichshohlraum umfasst, – flüssiges Aluminium in die Gießform eingefüllt wird, wobei der Ausgleichshohlraum des Speisers mit einem Speiservolumen an flüssigem Aluminium gefüllt wird; – das flüssige Aluminium erstarren gelassen wird, wobei flüssiges Aluminium aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum gesaugt wird, – wobei die aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum gesaugte Aluminiummenge zumindest 25% des Speiservolumens entspricht.