DE102011010548A1

DE102011010548A1 - Anorganisches Bindemittel und Verfahren zur Herstellung von kalthärtenden Formstoffen für den Metallguss und für Faserverbundbauteile

Info

Publication number: DE102011010548A1
Application number: DE201110010548
Authority: DE
Inventors: Bernd Kuhs; Dr. Mauser Johannes
Original assignee: H2K MINERALS GmbH
Current assignee: H2K MINERALS GmbH
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Anorganisches Bindemittel zur Herstellung von Formen und Kerne für den Abguss von flüssigen Metallen und für die Herstellung von Faserverbundbauteilen, bestehend aus einer nicht selbst härtenden, wässrigen Alkalisilikatlösung (Wasserglas), mit einem Gewichtsverhältnis von Siliziumdioxid:Metalloxid von 1,5:1 bis 2,0:1, welche mit einem Luft-Kohlendioxid-Gemisch erhärtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nicht selbst härtendes Bindemittel und ein damit verbundenes Verfahren zur Herstellung von Formen und Kernen, für den Einsatz im Metallguss und für die Herstellung von Faserverbundbauteilen, unter Verwendung von wässrigen Alkalisilikat-Lösungen, welche beim Durchströmen eines Gasgemisches gezielt zur Aushärtung gebracht werden.
Stand der Technik
Wässrige Lösungen von Alkalisilikaten, insbesondere von Natriumsilikat, werden in Gießereien zur Herstellung von Formen und Kernen nach dem CO2-Prozess (Kohlensäure-Erstarrungsprozess) und dem Wasserglashärter-Verfahren (Wasserglas-Ester-Verfahren) bereits verwendet. Auch bei den in letzten Jahren immer beliebter werdenden anorganischen Bindersystemen sind Natriumsilikatlösungen das vorwiegende Bindemittel.
Beim CO2-Prozess wird beispielsweise ein geeigneter Formsand, vorwiegend Quarzsand, mit einer Natriumsilikatlösung (Wasserglas) gemischt und in einen geeigneten Formkasten gegeben, worauf Kohlendioxid durch das Gemisch geleitet wird. Das Kohlendioxid bewirkt, dass das Natriumsilikat erstarrt und den Sand unter Bildung der gewünschten Form abbindet. Die so hergestellte Form kann dann, beispielsweise für den Guss von Metallteilen, oder für das Beschichten mit Kohlefaser- oder Glasfasergeweben bei der Herstellung von Faserverbundteilen, eingesetzt werden.
Die Alkalisilikate in dem bisher bekannten CO2-Verfahren enthalten üblicherweise 40–50% Feststoffe mit Gewichtsverhältnissen von Metalloxid (Me2O):Siliziumdioxid (SiO2) von 1:2,0 bis 1:2,8, man spricht auch von einem Modul von 2,0 bis 2,8. Diese Alkalisilikate werden mit den Formstoffen, d. h. mit den Gießereisanden und gegebenenfalls Zusatzstoffen, in den Mengen von 3,0 bis 5 Gew.-%, bezogen auf den Formstoff, vermischt. Die dabei erhaltenen Formstoffe werden dann beispielsweise mit einer Kernschießmaschine in eine Form eingebracht und durch Einblasen von Kohlendioxid gehärtet.
Der Nachteil dieser Formstoffe besteht darin, dass sie aufgrund der relativ hohen Binderkonzentration von 3,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% eine unzureichende Rieselfähigkeit aufweisen, weshalb komplizierte Formen nicht hergestellt werden können. Diese relativ hohen Binderkonzentrationen sind jedoch notwendig, da die Aushärtung mit Kohlendioxid keine hohen Festigkeiten erzeugt um eine ausreichende Stabilität für die weitere Handhabung und Verarbeitung zu gewährleisten. So werden beispielsweise, beschrieben im Patent DE 28 56 267 A1 , bei einem Einsatz von 3% Bindemittel lediglich eine Sofortfestigkeit von 40 N/cm² und nach 1 Std. eine Festigkeit von 170 N/cm² erreicht.
Ein weiterer Nachteil des bestehenden CO2-Verfahrens ist, dass bei den relativ hohen Konzentrationen an Alkalisilikaten, es durch die Einwirkung der Gießhitze der flüssigen Metalle zur teilweise Verglasung des Formstoffes kommt, was ein Entformen nach der Erstarrung der Metalle sehr schwierig macht. Auch wird eine Wiederaufbereitung der Formsande durch die an den Sandkörnern haftenden Silikate stark erschwert bzw. unmöglich.
Wird jedoch ein Formstoffgemisch, bestehend aus Gießereisand und lediglich 2% Alkalisilikat nicht durch CO2, sondern mit Hilfe eines heißen Formkastens ausgehärtet, wie es beispielsweise im Patent DE 10 2007 045 649 A1 beschrieben wird, so wird eine Sofortfestigkeit von 200 N/cm² und nach einer Stunde eine Festigkeit von 380 N/cm² erreicht. Dies zeigt deutlich, dass eine Aushärtung durch Trocknung mittels eines heißen Kernkastens zu wesentlich höheren Festigkeitswerten führt, als dies durch ein Abbinden mit CO2 erreicht wird. Das bedeutet auch, dass bei einer Abbindung durch Trocknung viel weniger Bindermenge eingesetzt werden muss um eine zufriedenstellende Stabilität der Formen zu erreichen. Bei Alkalisilikatmengen von 2% und weniger, ist auch eine ausreichende Rieselfähigkeit des Formsandes und eine gute Entformbarkeit nach dem Erstarren der Metalle gewährleistet.
Aufgabe dieser Erfindung ist es nun die positiven Aspekte des CO2-Verfahrens, nämlich die Verwendung von kalten, nicht beheizten Formen, mit den positiven Aspekten des heiß aushärtenden, anorganischen Verfahrens zu kombinieren. D. h. eine Formstoffmischung mit einem Anteil von 2% und weniger Alkalisilikat in einem nicht beheizten Formkasten in kurzer Zeit auszuhärten, denn beheizte Formkästen sind wesentlich teurer in der Herstellung als kalte Formkästen, welche auch aus einem Kunststoff gefertigt werden können. Heiße Formkästen benötigen außerdem wesentlich mehr Energiezufuhr und der darüber befindliche Sandvorrat, wie in üblichen Kernschießmaschinen vorhanden, muss vor der abstrahlenden Hitze der heißen Formkästen geschützt werden.
Beschreibung der Erfindung
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass durch eine Herabsetzung des Alkalisilikatmoduls und einer nur partiellen Kohlendioxidbegasung auch bei einer geringen Binderkonzentration ausreichende Festigkeitswerte erreicht werden können. Durch die Herabsetzung des Moduls und durch die lediglich partielle Kohlendioxidbegasung wird eine Sofortfestigkeit erzielt, welche für eine Entnahme aus dem Formkasten ausreichend ist. Gleichzeitig wird eine Trocknungsphase eingeleitet, welche wesentlich höhere Festigkeiten nach 1 Stunde erzeugt, als dies bei dem bisherigen CO2-Verfahren erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird ein Alkalisilikat, vorzugsweise eine Natriumsilikatlösung mit einer Feststoffkonzentration von 40–50% und mit einem Gewichtsverhältnis von Na2O:SiO2 von 1:1,5 bis 1:2,0 verwendet, besonders bevorzugt wird ein Gewichtsverhältnis von Na2O:SiO2 von 1:1,7 bis 1:1,9 verwendet. Die Bindermenge bezogen auf den Formsand beträgt beispielsweise bei Quarzsand 1,5 bis 2,5%. Auch andere bekannte Formsande wie Chromerzsand, Zirkonsand, Olevinsand, Keramiksand oder auch Salz, oder Metallkörner können mit dem Binder vermischt und ausgehärtet werden.
Für die Aushärtung des Formstoffes wird dieser mit 1–5 bar Druckluft aus einem Kompressor durchflutet, erst danach erfolgt eine Begasung mit komprimiertem Kohlendioxid. Alternativ kann auch ein Mischungsverhältnis von Druckluft und Kohlendioxid gewählt werden. Beispielsweise können 90% Druckluft mit 10% Kohlendioxid vorab in einer Mischbatterie gemischt werden, oder aber auch 10% Druckluft mit 90% Kohlendioxid gemischt werden. Alternativ können die Verhältnisse zwischen Durchflussmenge an Luft zu Durchflussmenge an Kohlendioxid während der Begasungszeit kontinuierlich verändert werden. Alternativ können die Druckluft und/oder das Kohlendioxidgas auch erwärmt werden. Die Temperaturen der Druckluft und/oder des Kohlendioxides sollte vorzugsweise zwischen 0°C und 120°C liegen, wenn sie den Formstoff durchströmen. Besonders bevorzugt wird jedoch Raumtemperatur von 10°C bis 40°C.
Beispiel 1:
100 Kg Quarzsand (H32) werden mit 2 Kg Na-Silikatlösung (40%-ig) mit einem Gewichtsverhältnis SiO2:Na2O von 1,8 und 400 g einer amorphen Kieselsäure vermischt und in den Schießkopf einer Kernschießmaschine gegeben. Das Formstoffgemisch wird dann mit 5 bar in einen Kernkasten geschossen, welcher aus einem Kunststoff besteht und die Form eines Wassermantels für den Motorenguss darstellt. Nach dem Einschießen des Formstoffes wird mittels einer Begasungshaube Druckluft mit 2 bar 30 Sekunden durch den Formstoff geleitet. Anschließend wird Kohlendioxidgas mit 1,5 bar 20 Sekunden lang durch den Formstoff geleitet. Die so erzeugte Form eines Wassermantelkerns konnte mühelos aus dem Kernkasten entnommen werden und nach einer Nachbehandlung in einem Durchlaufofen bei 150°C sofort in eine Kokille für den Abguss mit einer Aluminiumlegierung eingelegt werden.
Die gemessene Sofortfestigkeit beträgt 120 N/cm² und die Festigkeit nach 1 Stunde beträgt 350 N/cm².
Beispiel 2
100 Kg Quarzsand (H32) werden mit 2 Kg Na-Silikatlösung (40%-ig) mit einem Gewichtsverhältnis SiO2:Na2O von 1,8, 200 g einer amorphen Kieselsäure und 200 g Graphitpulver vermischt und in den Schießkopf einer Kernschießmaschine gegeben. Das Formstoffgemisch wird dann mit 5 bar in einen Kernkasten geschossen, welcher aus einem Kunststoff besteht und die Form eines Ventilgehäuses darstellt. Nach dem Einschießen des Formstoffes wird eine Luft-Kohlendioxid-Gemisch, welches in einer Mischarmatur auf ein Verhältnis von Luft:Kohlendioxid von 90:5 eingestellt wurde, mit 2 bar durch den Formstoff geleitet. Während der gesamt 40 Sekunden dauernden Begasungszeit wird das Verhältnis kontinuierlich auf ein Verhältnis von Luft:Kohlendioxid auf 10:90 verändert. Der so Hergestellte Kern konnte nach 24 Std. Lagerung an einem trockenen Ort direkt in eine Grünsandform eingelegt werden und mit einer Eisenlegierung (GG) abgegossen werden.
Beispiel 3
100 Kg Quarzsand (F32) werden mit 2 Kg Na-Silikatlösung (40%-ig) mit einem Gewichtsverhältnis SiO2:Na2O von 1,7 und 200 g einer amorphen Kieselsäure in einem Durchlaufmischer vermischt, in eine Holzform gegeben und manuell verdichtet (Handformverfahren). Durch eine Begasungshaube wird zuerst komprimierte, erwärmte Luft mit 2,5 bar durch den Formstoff geleitet und dann Kohlendioxid mit 1,5 bar durchgeleitet. Der so hergestellte Kern wird mit einer Schrumpffolie versiegelt und dann abwechselnd mit mehreren Lagen Kohlefaser- und Glasfasergewebe umwickelt und mit Epoxidharz laminiert. Nach Aushärtung des Faserverbundharzes in einem Ofen bei 120°C wird durch eine Öffnung und mittels Wasser der Kern komplett herausgespült.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2856267 A1 [0005]
DE 102007045649 A1 [0007]

Claims

Anorganisches Bindemittel zur Herstellung von Formen und Kerne für den Abguss von flüssigen Metallen und für die Herstellung von Faserverbundbauteilen, bestehend aus einer nicht selbst härtenden, wässrigen Alkalisilikatlösung (Wasserglas), mit einem Gewichtsverhältnis von Siliziumdioxid:Metalloxid von 1,5:1 bis 2,0:1, welche mit einem Luft-Kohlendioxid-Gemisch erhärtet.
Anorganisches Bindemittel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis bei einer Natriumsilikatlösung von SiO2:Na2O zwischen 1,7:1 bis 1,9:1 liegt.
Anorganisches Bindemittel nach Anspruch 1–2 dadurch gekennzeichnet, dass die Silikatlösung einem Gießereisand zu 1,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Härtung (Abbinden) des Formstoffes durch eine Kombination von Luft- und Kohlendioxid-Durchströmung des Formstoffes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff zuerst mit Luft durchströmt wird und erst danach mit Kohlendioxid durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff mit einem Luft-Kohlendioxid-Gemisch durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlendioxidanteil im Gemisch zwischen 5 Vol.-% bis 90 Vol.-% liegt.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlendioxidanteil im Gemisch zwischen 5 bis 30 Vol.-% liegt.
Verfahren nach Anspruch 4–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxidkonzentration im Luft-Kohlendioxid-Gemisch während des Begasens von 1 Vol.-% bis 100 Vol.-% kontinuierlich angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 4–9 dadurch gekennzeichnet, dass die Luft und/oder das Kohlendioxid und/oder das Gemisch auf 20°C bis 150°C erwärmt wird, bevor es durch den Formstoff geleitet wird.