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Kernsandbindemittel Die Erfindung betrifft ein Bindemittel zur Herstellung
von Sandkernen für die Metallgießerei.
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Beim Gießen von metallischen, mit Hohlräumen versehenen Gegenständen
ist es notwendig, Kerne in die Gießform einzusetzen, welche während des Eingießens
des geschmolzenen Metalls die herzustellenden Hohlräume ausfüllen. Diese Kerne bestehen
in der Regel aus Sand. Die Sandkörner werden gewöhnlich durch eine organische, bei
der Gießtemperatur des Metalls sich zersetzende Substanz miteinander verbunden.
Derartige organische Bindemittel sind z. B. trocknende Öle, wie Leinöl, oder Mischungen
von Fettpechen mit Mineralölen oder mit Teerölen und gegebenenfalls mit Harzen,
Harzölen oder harzartigen Körpern, ferner Diolefin-Kohlenwasserstoff-Polymerisate
zusammen mit sikkativiertem Leinölfirnis oder Lösungen von in der Wärme härtenden
synthetischen Harzen, wie von härtbaren Harnstoff-Formaldehyd-, Melamin-Formaldehyd-
oder Phenol-Formaldehyd-Kondensaten. Es ist gebräuchlich, das Trocknen des Leinöls
und des künstlichen Harzes durch Einwirkung von Hitze zu beschleunigen. Die Menge
des synthetischen Harzes schwankt in der Regel zwischen i/2 und 3 Teilen (Trockensubstanz
des Harzes) auf 100 Teile trocknenden Sand. Eine Mischung von Sand und Harz besitzt
nur eine geringe Grünstandfestigkeit (Grünstandfestigkeit ist die Festigkeit vor
der Trocknung des Gußkernes durch Erhitzen). Es ist notwendig, Stärke oder ein stärkehaltiges
Bindemittel der Sand-Harz-Mischung hinzuzufügen, die eine größere Grünstandfestigkeit
bewirken.
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In der Regel werden die Bindemittel aus künstlichen Harzen in der
Form wäßriger kolloidaler Lösungen benutz'-. Einige Harze werden auch in Lösungen
niedriger Alkohole, Ketone oder Mischungen dieser mit Wasser verwendet. Diese kolloidalen
Lösungen weisen, sofern sie als Kern-Bindemittel verwendet werden, Nachteile auf,
deren wichtigste sind: a) Eine dem freien Luftzutritt ausgesetzte Mischung von Sand-,
Stärke- und Harzlösung verliert durch Verdampfen schnell ihr Lösungsmittel, z. B.
das Wasser. Dies macht sich besonders dann bemerkbar, wenn die Kerne von Hand geformt
werden, und wird wesentlich, wenn bestimmte Harze bei geringer Luftfeuchtigkeit
zur Verarbeitung kommen. Beim Austrocknen verliert die Sandmischung ihre Plastizität
und ihren inneren Zusammenhalt. Der mangelnde innere Zusammenhalt der ausgetrockneten
Mischung macht es schwierig, dieser eine bestimmte Form zu geben. Die Gestalt des
Kernes wird dann nicht genau. Weiterhin können Kerne aus einer derartigen Sandmischung,
nachdem das Harz ausgetrocknet ist, zerbröckeln.
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b) Die gebräuchliche Mischung mit einem Bindemittel aus synthetischen
Harzen erweist sich als klebrig. Diese Eigenschaft wird durch Zumischen eines Getreidemehl-Bindemittels
noch erhöht. Werden Gußkerne von Hand gefertigt, so zeigt sich, daß klebrige Mischungen
nicht einwandfrei zu handhaben sind und die Produktionsgeschwindigkeit vermindern.
Werden Gußkerne mittels Maschinen hergestellt, so ist die Verwendung von nicht klebendem
Material unerläßlich.
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c) Die Reibungswärme, die während der Mischung des Sandes mit einem
Bindemittel aus künstlichem Harz erzeugt wird, ist größer als bei der Verwendung
von Leinöl-Bindemitteln. Die höhere Temperatur steigert die Verdampfungsgeschwindigkeit
des Wassers und anderer flüchtiger Lösungsmittel.
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d) Werden die Gußkerne von Hand gefertigt, so sind die Kernformer
in manchen Fällen der Gefahr einer Hautentzündung ausgesetzt, da aus der Gußkernmischung
freies Formaldehyd entweicht. Außerdem entwickelt sich aus den Mischungen von Sand
und künstlichem Harz häufig in ungewöhnlich großen Mengen nasen- und augenreizendes,
gasförmiges Formaldehyd, besonders bei Verwendung von Harnstoff-Formaldehyd-Harzen.
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Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß diese vier Nachteile
überwunden werden können, wenn man als Bindemittel eine Harzemulsion benutzt, welche
die hydrophile Komponente als disperse Phase und die hydrophobe Komponente als kontinuierliche
Phase enthält, also eine Wasser-in-Öl-Emulsion. Die Verwendung solcher Bindemittel
ergibt folgende Vorteile: A. Die Verwendung von Öl geringer Flüchtigkeit, statt
Wasser oder anderen hydrophilen Lösungsmitteln, als kontinuierliche Phase vermindert
den Verdampfungsverlust,
da Öl von der Luftfeuchtigkeit nicht beeinflußt
wird und die wäßrige Phase vor der direkten Verbindung mit der Luft abschirmt. Dieser
Schutz reduziert ebenfalls den Verdampfungsverlust an Lösungsmitteln während des
Mischens der Emulsion mit dem Sand.
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B. Die Verwendung emulgierten Harzes bewirkt, daß die Mischung von
Harz, Getreidemehl, Wasser und Sand ölig und im wesentlichen nicht klebrig ist.
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C. Das die kontinuierliche Phase der Emulsion bildende Öl verbessert
das Gleitvermögen zwischen den Sandkörnern während des Mischprozesses. Die Reibungswärme
wird daher vermindert, was ebenfalls einen geringeren Verlust von Lösungsmitteln
durch Verdampfen zur Folge hat.
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D. Der jedes Körnchen der Harzlösung umschließende Ölfilm bildet einen
wirksamen Schutz gegen Hautentzündungen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist also ein Bindemittel für
Sandkerne- zum Metallgießen unter Verwendung von in der Wärme härtenden Kondensaten
aus Formaldehyd und einem mit diesem hartbare Harze bildenden Stoff, wie Harnstoff,
Melamin oder Phenolen, insbesondere Phenol oder Kresol, oder Gemischen solcher Stoffe,
bestehend aus einer Emulsion, welche eine hydrophile Lösung des in der Wärme härtenden
Kondensates als disperse Phase und ein geeignetes hydrophobes Mittel, vorzugsweise
ein Kohlenwasserstofföl, als kontinuierliche Phase enthält.
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Als mit Formaldehyd hartbare Harze bildende Stoffe kommen vorzugsweise
Harnstoff oder Melamin, dann aber auch Phenole, wie Phenol oder Kresole oder Gemische
solcher Stoffe, in Betracht. Es kann überdies ein stärkehaltiges Bindemittel zugefügt
werden.
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Unter dem Ausdruck »hydrophile Lösungen, sind nicht nur Lösungen (echte
oder kolloidale) der Kondensate zu verstehen, sondern auch Dispersionen, welche
beim Erhitzen in solche Lösungen übergehen können.
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Sandkerne, die nach der Erfindung hergestellt werden, also mit einer
Harzemulsion des Wasser-in-Öl-Typus gebunden sind, müssen auf hohe Temperaturen
erhitzt werden, um die Emulsion zum Zerfall zu bringen und die Harze zu trocknen.
Es bildet sich dabei ein harter, fester Körper, der aus Sandkörnern besteht, die
in ein Netz von Harz eingebettet sind.
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Die Herstellung der Emulsion erfolgt nach in der Emulsionstechnik
üblichen Methoden. Eine große Anzahl oberflächenaktiver Agenzien und Stabilisatoren
sind verwendbar; in vielen Fällen hat es sich als überflüssig erwiesen, Kolloidmühlen
oder Homogenisatoren zu verwenden; einfaches Schütteln und Umrühren ist ausreichend.
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Je nach der Temperatur, bei welcher die Sandgußkerne getrocknet werden,
können Kohlenwasserstofföle mit Siedepunkten zwischen 120 und 300° C oder gar darüber
als kontinuierliche Phase zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert, wobei besonders
auf die nachstehenden Tabellen hingewiesen sei. Soweit nichts anderes vermerkt ist,
bedeuten Teile Gewichtsteile und Prozente Gewichtsprozente.
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Harzemulsion 1 (Emulsion von 45 % Harzlösung in Öl) 30 Teile geruchloses
Petroleum (Kerosin), 4 Teile unter der Handelsbezeichnung »Belloid F. R.,. erhältlicher
Alkanolaminester einer höheren Fettsäure, 0,2 Teile unter t der Handelsbezeichnung
iNervan C. S.;, erhältliche Mischung von einem sulfatisierten höheren Alkohol und
einem sulfatisierten Ester einer Ölsäure, 150 Teile Wasser, 150 Teile einer 45%igen
wäßrigen kolloidalen Lösung von Harnstoff-Formaldehyd-Harz. ; Die obengenannten
Stoffe werden in der angegebenen Reihenfolge gemischt und umgerührt, bis sie eine
homogene Emulsion bilden.
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' Harzemulsion 2 (Reaktionsprodukt aus Harnstoff und Formaldehyd,
das im wesentlichen aus einer in Öl emulgierten Lösung von Methylolverbindungen
des Harnstoffes besteht) 191 Teile einer wäßrigen Formaldehydlösung (37%ig), deren
PH auf 8 bis 8,5 eingestellt wurde, 100 Teile Harnstoff, 40 Teile geruchloses Petroleum
(Kerosin), 3 Teile »Belloid F. R.« (vgl. Harzemulsion 1), 1 Teil ölsaures Kalzium,
120 Teile Wasser.
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Der Harnstoff und das Formaldehvd werden auf etwa 900 C erhitzt,
um die Bildung des Methylolharnstoffes zu beschleunigen, und dann auf 50° C abgekühlt.
Die erhaltene Lösung, welche Methylolverbindungen enthält, wird dann unter fortlaufendem
Umrühren bei ungefähr 50° C zu einer Emulsion zugesetzt, welche ihrerseits durch
Rühren des :@Belloid F. R.<,, des ölsauren Kalziums, des Petroleums und des Wassers
bei ungefähr 50° C erhalten würde; das Umrühren erfolgt, bis sich eine homogene
Emulsion gebildet hat, welche Dimethylolharnstoff in feinkristalliner Form enthält.
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Harzemulsion 3 (Stärkehaltiges Bindemittel enthaltende Emulsion eines
im wesentlichen aus einer Lösung von Methylolverbindungen des Harnstoffes bestehenden
Reaktionsproduktes aus Harnstoff und Formaldehyd in Öl) 191 Teile einer wäßrigen
37%igen Formaldehydlösung, deren pH auf 8 bis 8,5 eingestellt wurde, 100 Teile Harnstoff,
40 Teile geruchloses Petroleum (Kerosin), 3 Teile »Belloid F. R.« (vgl. Harzemulsion
1), 1 Teil ölsauress Kalzium.
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Der Harnstoff und das Formaldehyd werden auf ungefähr 90° C erhitzt,
um die Bildung von Methylolharnstoff zu beschleunigen, und dann auf 50° C abgekühlt.
Die erhaltene Lösung, das »Belloid F. R.,<, das ölsaure Kalzium und das Petroleum
werden unter Rühren bei etwa 50° C emulgiert; das Rühren wird fortgesetzt, bis die
Emulsion auf Zimmertemperatur abgekühlt ist. Sie enthält Dimethylolharnstoff in
feinkristalliner Form. 52,5 Teile eines Bindemittels aus Stärkemehl (in Form der
unter der Handelsbezeichnung @>G. B. Kordek;erhältlichen, vorgelatinierten Maisstärke)
werden dann mit 2,5 Teilen geruchlosen Petroleums angefeuchtet und mit 45 Teilen
der Emulsion vermischt. Auf diese Weise wird ein Material erhalten, das etwa einem
feuchten Puder ähnlich ist.
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Dieses Produkt 3 läßt sich bequem handhaben. Unter Zufügung von Wasser
kann man sowohl Grünfestigkeit als auch Trockenfestigkeit mit ihm erzielen.
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Harzemulsion 4 (In Öl emulgiertes, mit Wasser mischbares Phenol-Formaldehyd-Harz)
12,5 Teile geruchloses Petroleum (Kerosin), 5 Teile unter der Handelsbezeichnung
-Prevok" erhältliche Schwermetallseife aus Wollfett, 2,5 Teile ölsaures Kalzium,
45 Teile einer 500;oigen wäßrigen, kolloidalen Lösung eines mittels Hitze hartbaren
Phenol-Formaldehyd-Harzes in Alkali.
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Das Petroleum, -Prev ok, und das ölsaure Kalzium werden unter Umrühren
bis etwa auf 40° C erwärmt. Unter fortgesetztem Rühren wird die ebenfalls auf eine
Temperatur von etwa 40° C erwärmte Harzlösung lang- ."
sarn hinzugegeben,
und dann wird weiter umgerührt, bis eine homogene Emulsion entstanden ist.
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Harzemulsion 5 (Methylol-Melamin-Emulsion) 65 Teile Melamin, 490 Teile
einer wäßrigen 37°/oigen Formaldehydlösung, 5 Teile Natriumborat, 40 Teile geruchloses
Petroleum (Kerosin), 2,5 Teile »Belloid F. R.., (vgl. Harzemulsion 1), 250 Teile
Wasser. Das Melamin, die Formaldehydlösung und das Natriumborat werden 10 Minuten
lang auf 90° C erwärmt und bei dieser Temperatur langsam dem geruchlosen Petroleum,
in dem das »Belloid F .R.« vorher gelöst wurde, zugefügt; das auf 40 bis 50° C erwärmte
Wasser wird gleichzeitig hinzugefügt. Während des Emulgierens, das unter Verwendung
eines rasch laufenden Rührers durchgeführt werden kann, muß die Temperatur auf 65
bis 70° C gehalten werden.
| Tabelle (in Gewichtsteilen) |
| Mischung Mischung Mischung Mischung Mischung Mischung |
| Nr.l Nr.2 Nr.3 Nr.4 Nr.5 Nr.6 |
| Parish's Sand')....................... 100 100 100 100 100
100 |
| Stärkemehl-Bindemittel ............... 2 2 13/4 2 2 - |
| Harzemulsion 1 ....................... 3 - - - - - |
| Harzemulsion 2 ....................... - 2 2 1'/2 2
- |
| Harzemulsion 3 ....................... - - - - - 31/2 |
| Wasser .............................. 13/4 2 2 13/4
1'/2 3'/2 |
| Grünfestigkeit in g/Cm2 ............... 74,5 79 61,4
65,8 70,2 83,4 |
| Trockendruckfestigkeit in kg/Cm2 ...... 90,4 > 119 >
119 101 95 > 119 |
| Trockenzugfestigkeit in kg/cm2 ........ 15,5 17,8 18,1
14,2 16,5 18,3 |
| L Mischung Mischung |
| Mischung |
| Mischung |
| Mischung |
| Mischung |
| Mischung |
| Mischung |
| Nr.7 Nr.8 Nr.9 N r.10 Nr.11 Nr.12 Nr.13 Nr.14 |
| Parish's Sand') .................... - 100 100 - 80
- 100 100 |
| Congleton Sand')................... 40 - - 100 - - - - |
| Chelford Sand (naß)') .............. 60 - - - - - -
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| Mansfield roter Sand') .............. - - - - 20 - -
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| Southport Sand') .................. - - - - - 100 - - |
| G. B. Kerdek2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - -
1,5 1,5 1,5 - 1,5 1,5 |
| G. B. Kordek blend D2) ............ - - - - - 1,75 -
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| Stadex 5652) ...................... 1,0 - - - - - - - |
| Stadex 5802) ...................... - 1,0 - - - - - - |
| Fullbond3) ........................ 0;5 - - - - - - - |
| Harzemulsion 2 .................... 0,8 1,5 1,5 2,0
0,5 1,5 - - |
| Harzemulsion 4 .................... - - - - - - 1,5
- |
| Harzemulsion 5 .................... - - - - - - - 1,5 |
| Wasser ........................... - 3,0 1,5 1,75 3,0 2,5 2,0
2,0 |
| Gründurchdringungsfähigkeit ....... 69 A.F.A.- - - -
- - - - |
| Einheiten |
| Grünfestigkeit in g/cm2 ............. 122,8 65,8 63,6
122,8 210,6 92,1 61,4 65;8 |
| Trockendruckfestigkeit in kg/cm2 .... - 115 100,5 106
53,4 98,4 113,6 96 |
| Trockenzugfestigkeit in kg/cm2 ...... 13,5 21,5 16,2
13;5 8,4 14;9 18,1 16,2 |
| i) Parish's Sand ist natürlicher Sand aus Erith. Congleton,
Chelford, Mansfield und Southport sind wie Erith Herkunfts- |
| bezeichnungen für natürliche Sandsorten, von denen Congletonsand
bis zu etwa 5 % und Mansfieldsand bis zu etwa 10 0/a Tonerde |
| enthält. |
| ') Handelsbezeichnungen für vorgelatinierte Maisstärke; »G.B.
Kordek Blend Dcc und »Stadex 580« quellen in kaltem Wasser |
| mehr als »G. B.Kordek« bzw. »Stadex565«. |
| 3) Handelsbezeichnung für aus einem Gemisch von kolloidalem
Aluminiumsilicat und Magnesiumsilicat bestehende natürliche |
| Tonerde. |