DE10311606B3

DE10311606B3 - Magnesiumsulfathaltige Formen und Kerne mit Phosphat/boratzusatz und ihre Herstellung und Verwendung

Info

Publication number: DE10311606B3
Application number: DE2003111606
Authority: DE
Inventors: Bernd Kuhs
Original assignee: Laempe & Gies GmbH; LAEMPE and GIES GmbH
Current assignee: Huettenes Albertus Chemische Werke GmbH
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-03-15
Also published as: WO2004080145A8; WO2004080145A3; WO2004080145A2; BRPI0403951A

Abstract

Beschrieben werden dispergierbare Formen oder dispergierbare Kerne, erhältlich aus einer Mischung, die ein Trägermaterial und Binder beinhaltet, wobei der Binder Phosphate und/oder Borate beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ein Sulfat von Magnesium oder eine Vorstufe davon beinhaltet und die Phosphate und/oder Borate als Zusatz zu diesem Sulfat beigefügt sind, wobei, bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials, der Anteil des genannten Sulfates bei 1 bis 10 Gew.-% liegt und der Phosphat- und/oder Boratanteil bei insgesamt 0,01 bis 5 Gew.-% liegt; sowie deren Herstellung und ihre Verwendung in der Gießereitechnik.

Description

Einführung in die Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dispergierbaren Formen oder Kernen für Gießereizwecke, insbesondere den Metallguss, aus einer Mischung, die ein Trägermaterial und Binder beinhaltet, wobei das Trägermaterial und der Binder vermischt und in ein Form- oder Kernwerkzeug eingebracht werden und der Binder anschließend aushärtet und der Form oder dem Kern die nötige Festigkeit verleiht, und wobei der Binder Phosphate und/oder Borate beinhaltet, sowie entsprechende Formen und Kerne und deren Verwendung in der Gießerei.
Hintergrund der Erfindung
Die Verwendung von derartigen (insbesondere wasser-) dispergierbaren Formen und Kernen zur Verwendung bei der Herstellung von Gussstücken oder Spritzlingen sind bekannt.
In der Regel werden Formen und Kerne aus Sand oder anderen feuerfesten körnigen Materialien hergestellt, wobei es erforderlich ist, die erforderlichen Eigenschaften, wie Fließfähigkeit, Abriebfestigkeit und die schließlich erzielte Festigkeit und Beständigkeit, um unter den Bedingungen während des Gießens zu bestehen, zu erzielen, beispielsweise durch geeignete Zusätze. In der Mehrzahl derzeit verwendeter Verfahren werden organische Binder; beispielsweise auf Urethan- oder Phenolharz und Furanbasis, eingesetzt. Diese ergeben eine gute Aushärtung, andererseits kommt es jedoch während des Gießvorgangs zur Bildung von Gasen, die zu einer Lunkerbildung im entstehenden Gusswerkstück führen können. Bei der Zersetzung der organischen Beimengungen kann es zu starken Emissionen und zum Anbrand des Gussstücks kommen. Die Entkernung ist aufwendig. Auch macht die hohe Haftneigung der organischen Binder die Reinigung der Werkzeuge für die Gießereiformen oder – kerne aufwendig.
Alternativ wurde (beispielsweise in WO 92/06808) bei der Herstellung von Formen oder Kernen für Gießereizwecke die Verwendung von Polyphosphatketten und/oder Borationen enthaltenden Bindern vorgeschlagen. Doch zeigte sich, dass hier zur Verbesserung der Fließfähigkeit weitere Zusätze, wie Tenside, erforderlich waren. Die Kerne sind jedoch hygroskopisch, nicht formstabil und benötigen lange Trocknungs- bzw. Aushärtungszeiten. Auch zersetzen sich Phosphate bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise während des Gießvorgangs mit den Formen oder Kernen Verwendung finden, teilweise unter Bildung von Phosphin (Knoblauchgeruch).
Die DE 102 00 927 beschreibt die Herstellung von Formen und Kernen mit in Wasser dispergiertem Magnesiumsulfat als einzigem Binder. Die DE 101 10 687 beschreibt die Herstellung von nicht dispergierbaren gebrannten Keramik-Gusseinbettmassen, wobei Magnesiumoxid, Ammoniumdihydrogenphosphat und ein Zusatz vorzugsweise fester anorganischer Säuren erwähnt werden. Die DE 24 52 232 C2 erwähnt Aluminium-Bor-Phosphate in Kombination mit Erdalkalimetalloxiden oder -hydroxiden als Bindemittel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, neue Formen und/oder Kerne zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile vermeiden und darüber hinaus weitere nützliche Eigenschaften haben.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung von Formen oder Kernen mit den eingangs erwähnten Eigenschaften, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ein Sulfat von Magnesium, oder eine Vorstufe davon, beinhaltet und die Phosphate und/oder Borate (lediglich) als Zusatz zu diesen Sulfaten beigefügt sind, wobei die Mengenverhältnisse wie nachfolgend definiert sind.
Es hat sich gezeigt, dass diese Mischungen überraschende Vorteile aufweisen. So werden einerseits Nachteile, wie sie bei der Verwendung ausschließlich von Magnesiumsulfat auftreten (beispielsweise besteht eine Neigung zur Schülpenbildung und zur Ausbildung rauer Oberflächen, und es bedarf relativ langer Aushärtzeiten der gebildeten Formen oder Kerne), andererseits die oben erwähnten Nachteile der Verwendung nur von Phosphaten und/oder Boraten vermieden und es zeigt sich eine wesentlich bessere Hitzebeständigkeit, Lagerbeständigkeit und Wasserlöslichkeit nach dem Abgießen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft insbesondere eine (insbesondere wasser-) dispergierbare Form oder einen (insbesondere wasserdispergierbaren Kern, erhältlich aus einer Mischung, die ein Trägermaterial und Binder beinhaltet, wobei der Binder Phosphate und/oder Borate beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder Magnesiumsulfat, oder eine Vorstufe davon, beinhaltet und die Phosphate und/oder Borate (lediglich) als Zusatz diesen Sulfaten zugefügt sind, wobei bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials der Anteil des genannten Sulfates bei 1 bis 10 Gew.-% liegt und der Phosphat- und/oder Boratanteil bei insgesamt 0,01 bis 5 Gew.-%.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dispergierbaren Formen oder Kernen für Gießereizwecke, aus einer Mischung wie im letzten Absatz genannt, wobei Trägermaterial und Binder und gegebenenfalls weitere Zusätze vermischt und in ein Form- oder Kernwerkzeug (nachfolgend auch als „Box" bezeichnet) eingebracht werden und der Binder anschließend aushärtet und so der Form oder dem Kern die nötige Festigkeit verleiht.
Noch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung einer dispergierbaren Form oder eines dispergierbaren Kerns, wie im zweitletzten Absatz erwähnt, zum Gießen eines gießfähigen Materials, insbesondere eines Metalls, dadurch gekennzeichnet, dass man eine dispergierbare Form oder einen dispergierbaren Kern wie oben genant mit dem gießfähigen Material, erforderlichenfalls in einer Form, so in Verbindung bringt und aushärten lässt, dass sich das gießfähige Material an die dispergierbare Form oder den dispergierbaren Kern anpassen kann, und anschließend die dispergierbare Form oder den dispergierbaren Kern durch Aufdispergieren, beispielsweise mit einer wässrigen Flüssigkeit, oder durch Herausschütteln oder Herausvibrieren entfernt.
Die vor- und nachstehend verwendeten allgemeinen Bezeichnungen haben vorzugsweise die folgenden Bedeutungen, soweit nichts anderes angegeben ist, wobei in allen Ausführungsformen der Erfindung, auch den als bevorzugt gekennzeichneten, die allgemeineren Ausdrücke einzeln oder zu mehreren oder alle durch jeweils spezifischere Definitionen ersetzt werden können, was jeweils besonders bevorzugte Ausführungsformen ergibt:
Dispergierbar bedeutet, dass die Formen oder Kerne nach der Verwendung in der Gießerei durch Herausschütteln oder Herausvibrieren oder im Falle der Wasserdispergierbarkeit insbesondere durch Zugabe wässriger Flüssigkeiten, jeweils unter Verlust der Bindewirkung des Binders, entfernt werden können. Wasserdispergierbar bedeutet, dass die entsprechende Form oder der entsprechende Kern, beispielsweise nach der Verwendung beim Gießen, durch eine wässrige Flüssigkeit dispergiert und/oder aufgelöst werden kann, Letzteres, soweit er nur lösliche Komponenten beinhaltet.
Als Trägermaterial findet vorzugsweise ein körniges Material, insbesondere aus einem hitzebeständigen Sand wie Gießsand, Siliziumdioxid, Olivin, Chromitsand, Aluminiumoxid, Zirkonsand, Aluminiumsilikat, Schamott, Magnesit, Dolomit, Siliziumcarbid, Mullit, Graphit, Fosterit, synthetischer Keramiksand oder ein weiteres wasserlösliches Salz, beispielsweise Steinsalz, welches auch hinreichend schwerlöslich ist in Wasser, Verwendung, oder (weniger bevorzugt) Gemische von zwei oder mehr davon.
Unter „Phosphate" sind sowohl kristalline als auch amorphe anorganische Phosphate zu verstehen, beispielsweise Erdalkalimetallphosphat-Gläser. Der Begriff umfasst auch Orthophosphate und kondensierte Phosphate.
Orthophosphate sind solche, die eine monomere tetraedrische Ioneneinheit der Formel PO₄ ^3- oder die mono- oder diprotonierten Formen davon enthalten, beispielsweise Mononatriumphosphat, Dinatriumphosphat, oder Trinatriumphosphat, Magnesiumhydrogenphosphat, Kaliumorthophosphate oder Ammoniumorthophosphate.
Kondensierte Phosphate enthalten zwei oder mehr Phosphoratome, die nicht direkt miteinander verbunden sind, sondern von denen jedes an mindestens ein Sauerstoffatom gebunden ist. Hierzu gehören lineare Polyphosphate, Metaphosphate, Pyrophosphate und Ultraphosphate. Beispiele und Definitionen hierfür finden sich in der Patentschrift US 6,139,619 , die hier diesbezüglich durch Bezugnahme inkorporiert wird.
Wasserlösliche Phosphatgläser können beispielsweise „P₂O₅" (beispielsweise 30 bis 80 mol-%) , R₂O (beispielsweise 20 bis 70 mol-%), MO (beispielsweise 0 bis 30 mol-%) und/oder L₂O₃ (beispielsweise 0 bis 15 mol-%) enthalten, wobei R vorzugsweise Na, K oder Li bedeutet, M für Ca, Mg oder Zn steht und L Al, Fe oder B bedeutet. Eine Beschreibung findet sich insbesondere in US 5,573,055 , die hier diesbezüglich durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Der Phosphatzusatz kann auch in Form von „Diphosphorpentoxid" erfolgen, welches dann zugleich als wasserentziehendes Mittel wirken kann.
Borate umfassen vorzugsweise Ionen der Ortho-, Meta- oder insbesondere Polyborsäure (Ortho-, Meta- oder Polyborate), wie auch zyklische Derivate davon. Die abspaltbaren Protonen sind vorzugsweise teilweise oder ganz durch Kationen, wie Metallkationen, insbesondere Erdalkalimertallkationen und/oder Alkalimetallkationen, wie Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ oder Li⁺, ersetzt. Ein bevorzugtes Beispiel ist Natriumborat, insbesondere in Form von Borax (Natriumtetraborat).
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet lediglich Borate, insbesondere Natriumborate, wie Borax, als Zusatz zu den nachfolgend genannten Sulfaten.
Vorstufen von Magnesiumsulfat sind beispielsweise Magnesiumoxid, aus dem durch Mischung mit Schwefelsäure oder einem Salz davon in situ Magnesiumsulfat gebildet werden kann. Ein bevorzugtes Beispiel ist ein Magnesiumsulfathydrat, wie MgSO₄·7H₂O.
Dass die Phosphate und/oder Borate lediglich als Zusatz zu diesen Sulfaten beigefügt sind, bedeutet, dass diese in einem geringeren Gewichtsanteil als die Sulfate vorliegen können. So liegt der Anteil des genannten Magnesiumsulfats bei 1 bis 10 Gew.-% und der Phosphat- und/oder Boratanteil bei insgesamt 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise bei 0,02 bis 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Masse des Trägermaterials.
Weitere optionale Zusätze können Metallcarbonate oder -hydrogencarbonate, insbesondere von Alkalimetallen, wie Natrium (Zusätze von Natriumcarbonat und/oder Natriumhydrogencarbonat zeigen sehr vorteilhafte Eigenschaften und ermöglichen beispielsweise eine bessere Binderwirkung und eine leichtere Entkernbarkeit, beispielsweise durch leichteres Herausvibrieren oder -lösen, wobei das Trägematerial dann besonders gut recyclebar ist) in einem Gewichtsanteil von 0 bis 5 Gew.-% leichtflüchtige Lösungsmittel in einem Gewichtsanteil von 0,1 bis 10 Gew.-%, wasserunlösliche Partikel mit Teilchengrößen von kleiner als 50 μm in einem Gewichtsanteil von 0,1 bis 10 Gew.-%, Wasser in einem Gewichtsanteil von 0,1 bis 10 Gew.-% und/oder wasserbindende Komponenten in Pulverform in einem Gewichtsanteil von 1 bis 20 Gew.-% sein, welche vorzugsweise wie unten bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung definiert sind und in den dort genannten Anteilen vorliegen können, und gewünschtenfalls andere, dem Fachmann bekannte Zusätze, wie Tenside oder katalytisch wirksame Verbindungen, die in üblichen Anteilen zugesetzt werden. Die genannten Gewichtanteile beziehen sich dabei auf die Masse des Trägermaterials.
Als gießfähiges Material für die Verwendung der erfindungsgemäßen Formen oder Kerne kommen insbesondere Metalle in Betracht, beispielsweise Gusseisen, Messing, Bronze, Zinn, Blei, Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder andere gießbare Metalle. Die erfindungsgemäßen Formen oder Kerne können auch sehr hohen Temperaturen standhalten, beispielsweise rund 1600 °C bei Stahlguss (hierbei kann aus Magnesiumsulfat Magnesiumoxid entstehen, welches eine gute Entfernbarkeit der Formen oder Kerne gewährleistet).
Ein Nachbehandeln (beispielsweise Aufbacken) der Grünkörper der erfindungsgemäßen Formen oder Kerne ist nicht erforderlich.
Als wässrige Flüssigkeit zum Entfernen von Formen oder Kernen nach dem Gießen kommen in dem Fall, dass die Mischung für die erfindungsgemäßen Kerne oder Formen Carbonate enthält, beispielsweise auch saure Lösungen, beispielsweise mit einem pH-Wert zwischen 1 und kleiner als 7, in Betracht, ansonsten gängige wasserhaltige Ausspüllösungen.
Daneben ist eine Entfernung der Kerne auch ohne Wasserzugabe, beispielsweise durch Herausvibrieren oder Ausschütteln, möglich.
Als Binder wird diejenige Komponente der Mischung für die erfindungsgemäßen Formen oder Kerne bezeichnet, die für das Verbinden der Trägermaterialien in den Formen oder Kernen verantwortlich ist und wenigstens soweit wasserlöslich ist, dass beim Behandeln mit wässrigen Ausspüllösungen Entfernung der Formen oder Kerne möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Wo nachstehend „eingangs" erwähnte Absätze in Bezug genommen werden, bezieht sich dies auf die Absätze der Einleitung, insbesondere jedoch die korrespondierenden Absätze unter „Detaillierte Beschreibung der Erfindung".
Besonders bevorzugt ist eine dispergierbare Form oder ein dispergierbarer Kern wie eingangs definiert, erhältlich aus einer Mischung beinhaltend ein Trägermaterial und einen Binder, worin bezogen auf die Masse des Trägermaterials der Anteil des genannten Magnesiumsulfates bei 1 bis 10 Gew.-% liegt und der Phosphat- und/oder Boratanteil bei insgesamt 0,02 bis 1 Gew.-%, liegt, wobei in einer sehr bevorzugten Variante kein Phosphat, sondern nur Borationen vorhanden sind.
Ganz bevorzugt ist eine dispergierbare Form oder ein dispergierbarer Kern wie eingangs erwähnt oder nach dem letzten Absatz, erhältlich aus einer Mischung beinhaltend ein Trägermaterial und einen Binder, worin bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung der Anteil an Phosphat bei von und mit 0,02 bis und mit 0,3 Gew-% bezogen auf die Masse des Trägermaterials liegen kann, sofern Phosphat alleine oder zusammen mit Boraten anwesend ist.
Die Anteile von Binder liegen, bezogen auf die Masse des Trägermaterials, bei vorzugsweise 0,5 bis 25 Gew.-%, beispielsweise 5 bis 10 %. Falls vorhanden, können weitere Zusätze in einem Gesamt-Gewichtsanteil von insgesamt 0,1 bis 25, insbesondere 0,2 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Masse des Trägermaterials, vorliegen.
Noch stärker bevorzugt ist eine dispergierbare Form oder ein dispergierbarer Kern wie eingangs oder in einem der letzten zwei Absätze erwähnt, worin das Trägermaterial ein körniges Material, vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Sand wie Gießsand, Siliziumdioxid, Olivin, Chromitsand, Aluminiumoxid, Zirkonsand, Aluminiumsilikat, Schamott, Magnesit, Dolomit, Siliziumcarbid, Mullit, Graphit, Fosterit, synthetischer Keramiksand oder ein weiteres wasserlösliches Salz, wie Steinsalz, oder ein Gemisch von zwei oder mehr davon, darstellt.
Noch stärker bevorzugt ist eine wasserdispergierbare Form oder ein wasserdispergierbarer Kern wie eingangs oder in einem der drei letzten Absätze erwähnt, erhältlich aus einer darin genannten Mischung, zusätzlich beinhaltend einen Zusatz an wasserunlöslichen Partikeln mit einer Teilchengröße von kleiner als 50 μM, vorzugsweise ausgewählt aus Tonen, Kaolinen, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Quarzmehl, Zirkonmehl, Schamottmehl, Kieselgur, Mikrosilica, Calciumsilikat, Talkum, Flussspatmehl und Feldspatmehl, oder Gemischen von zwei oder mehr dieser Komponenten, wobei der Anteil dieser Komponenten insgesamt bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials in einer möglichen bevorzugten Ausführungsform zwischen von und mit 0,1 und bis und mit 10 Gew.-% liegen kann.
Ganz besonders bevorzugt, da hierdurch die Schießfähigkeit des Gemisches verbessert wird, ist eine dispergierbare Form oder ein dispergierbarer Kern wie eingangs oder in einem der vier letzten Absätze erwähnt, erhältlich aus einer darin genannten Mischung, zusätzlich beinhaltend einen Zusatz eines leicht flüchtigen Lösungsmittels, vorzugsweise an Ethanol, Propanol, Isopropanol, Aceton, Essigester, Propylacetat, Isopropylacetat oder Butylacetat, oder Gemische von zwei oder mehr solcher Lösungsmittel, wobei der Anteil dieser Komponenten insgesamt bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials in einer denkbaren bevorzugten Ausführungsform zwischen von und mit 0,01 und bis und mit 10 Gew-% liegen kann, z.B. bei 0,1 – 2 Gew.-%.
Eine spezielle Ausführungsform betrifft auch eine dispergierbare Form oder einen dispergierbaren Kern wie eingangs oder in einem der letzten fünf Absätze erwähnt, erhältlich aus einer darin genannten Mischung, zusätzlich beinhaltend einen Zusatz eines Metallcarbonats und/oder -hydrogencarbonats, insbesondere eines Erdalkalimetallcarbonates und/oder -hydrogencarbonates, wie insbesondere Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat, oder eines Erdalkalimetallcarbonats und/oder -hydrogencabonats, wie Kalzium- oder Magnesium(hydrogen)carbonat, oder ein Gemisch von zwei oder mehr dieser (Hydrogen-)Carbonate. Der Anteil, bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials, liegt vorzugsweise bei 0,01 bis 5 Gew.-%, insbesondere bei 0,1 bis 2 Gew.-%.
Eine bevorzugte Variante des eingangs genannten Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formen oder Kerne ist dadurch gekennzeichnet, dass die Form oder der Kern hergestellt wird, indem man den Binder zuvor mindestens teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) in Wasser (vorzugsweise in einem Anteil von 10 Gew.-% oder weniger, insbesondere zwischen 0,1 und 10 Gew.-%, vor allem zwischen 2 und 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials, löst und anschließend das Trägermaterial zugibt.
Eine andere Variante des Verfahrens besteht darin, dass man den Binderkomponenten das Trägermaterial in Pulverform ohne Flüssigkeitszusatz zugibt.
Bei allen vor- und nachstehend genannten Verfahrensvarianten können auch Komponenten (beispielsweise Phosphat, Borat, Carbonate, Aluminiumsulfat oder weitere Salze, letztere beispielsweise in einem Anteil von 0,1 bis 20, wie insbesondere 0,2 bis 10 Gew.-% bezogen auf das Trägermaterial) mit Kristallwasser eingesetzt werden, oder Gemische von zwei oder mehr dieser Komponenten, um das nötige Wasser zuzuführen, das beispielsweise durch Erhitzen abgespalten wird. Entsprechende Borate sind beispielweise Borax, Phosphate z.B. Dinatriumhydrogenphosphat, oder sonstige Salze beispielsweise Natriumsulfat oder die Carbonatkomponente Soda, jeweils mit Kristallwasser, oder jeweils Mischungen von zwei oder mehr solcher Komponenten.
In den Fällen der beiden letzten Absätze wird in einer stärker bevorzugten Variante das Trägermaterial mit dem Binder beschichtet, insbesondere indem man die Binderkomponenten und eine gewisse (beispielsweise 0,1 bis 10 Gew.-%, wie 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Masse des Trägermaterials) Menge Wasser dem Trägermaterial zusetzt und danach unter Rühren, Erwärmen, Lüften und/oder unter Vakuum (diese Varianten sind kombinierbar nur soweit, wie dem Fachmann geläufig) das Wasser zumindest teilweise wieder entzieht, so dass eine rieselfähige und schießfähige Mischung entsteht; oder den Binder schmilzt und nach dem Aufbringen wieder abkühlt; wobei in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dem getrockneten beschichteten Material zusätzlich noch eine wasserbindende Komponente in Pulverform zugegeben wird, wobei hierfür eine Menge von 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere von 0,1 bis 5 Gew.-% bevorzugt sein kann, bezogen auf die Masse des Trägermaterials, und wobei als wasserentziehendes Mittel ein oder mehrere ganz oder teilweise getrocknete Salze, vorzugsweise getrocknetes Magnesiumsulfat, Aluminiumsulfat, Kalziumsulfat, Natriumsulfat, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, oder getrocknete Zemente, wie Portlandzement, Tonerdeschmelzzement, oder Gemische von zwei oder mehr dieser Komponenten beigefügt werden.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie eingangs oder in den letzten drei Absätzen erwähnt, wobei das Träger-Binder-Gemisch mittels eines Schießautomaten mit einem komprimierten Gas in Form gebracht wird, insbesondere mittels einer Box, die eine Temperatur von 20 bis 300 °C hat.
Stark bevorzugt ist ein Verfahren wie eingangs oder in einem der letzten vier Absätze erwähnt, wobei die erforderliche Wärme für die Aushärtung durch Mikrowelle, Zufügen des heißen Trägermaterials, Heißdampf, Hochfrequenz, Heißluft, vorgeheizte oder geheizte Box und/oder Kombinationen von zwei oder mehr dieser Verfahren zugeführt wird, wobei folgende Varianten besonders bevorzugt sind:

a) eine Variante, wobei die Box, in welcher die Form oder der Kern hergestellt werden, auf 40 bis 200 °C erhitzt ist;
b) eine Variante, wobei das Gemisch, welches das Trägermaterial und den Binder beinhaltet, bevor es in die Box eingebracht wird auf 40 bis 200 °C erwärmt wird, was insbesondere unter einem Überdruck von 1 bis 6 bar geschieht.

Ganz besonders bevorzugt ist ein Verfahren wie eingangs oder in einem der letzten fünf Absätze erwähnt, wobei das zur Bindung erforderliche Wasser nach dem Einschießen in Form von Wasserdampf und/oder Sprühnebel in die Box geleitet wird, vorzugsweise durch Einleiten von gesättigtem oder zumindest teilweise gesättigtem Heißdampf mit einer Temperatur von und mit 80 bis und mit 300 °C, wobei insbesondere folgende Varianten ganz besonders bevorzugt sind:

a) auskondensiertes Wasser wird anschließend durch Spülen mit Heißluft mit geringerer relativer Luftfeuchtigkeit aus dem Gemisch entfernt; und/oder
b) überschüssiges Wasser wird mittels Vakuum entfernt.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine dispergierbare Form oder einen dispergierbaren Kern, erhältlich nach einem der eingangs oder in den letzten sechs Absätzen genannten Verfahren.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform für die eingangs genannte Verwendung, wobei als dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern ein solcher verwendet wird, der Carbonate und/oder Hydrogencarbonate von Metallen enthält, bezieht sich auf einen sich an das Gießen anschließenden Spülschritt mit einer wässrigen Flüssigkeit zum Aufdispergieren, die sauer eingestellt sein kann, aber nicht muss. Alternativ kann die Form oder der Kern durch Ausschütteln oder Ausvibrieren entfernt werden, oder diese Verfahren können kombiniert werden.
Die Erfindung betrifft auch die eingangs oder im letzten Absatz genannte Verwendung, wobei in einem weiteren Schritt das nach dem Aufdispergieren, Ausschütteln und/oder Vibration gewonnene Material, welches Trägermaterial und Binder beinhaltet, erforderlichenfalls (d.h. wenn durch die Entfernung des Kerns oder der Form ein Verlust an Binder oder Binderwirkung eintritt) unter Zusatz von Binder, wie oben beschrieben, erneut in ein Form- oder Kernwerkzeug eingebracht wird und der Binder anschließend aushärten gelassen wird und der Form oder dem Kern die nötige Festigkeit verleiht (Recycling). Ein derartiges Recycling kann ohne weiteres mehrere Male durchgeführt werden (beispielsweise 5 bis 15, wie z.B. 10 mal).
Die nachstehenden Beispiele illustrieren die Erfindung, ohne sie einzuschränken (%-Angaben sind jeweils Gew.-%):
Beispiel 1: Herstellung eines Saugrohres für einen 4-Zylinder-Automotor:

Binder: 2 % Magnesiumsulfat (wasserfrei), 0,3 % Polyphosphat (Budit 8H, Warenzeichen von Budenheim, Deutschland), 0,7 % Quarzmehl, 3 % Wasser, 0,2 % Ethylaklohol
Sand: 100 % Quarzsand (F32)
Verfahren: Die Binderkomponenten werden als feines Pulver in das Wasser eingerührt. Der so hergestellte Binder wird mit dem Quarzsand vermischt und ca. 2 min gerührt. Das Sand-Binder-Gemisch wird mittels einer Kernschießmaschine mit 6 bar Schießdruck in eine Teflonform geschossen. Ein Magnetron, welches über einen Hohlleiter mit der Kernbox verbunden ist, erhitzt das Sand-Binder-Gemisch innerhalb von 10 sec auf ca. 110 °C mittels Mikrowelle. Die Mikrowellenleistung beträgt 25 kW mit 2,45 GHz. Schon während der Aufheizphase wird warme Luft (60 °C) durch die Form geleitet und somit ca. 2 % des Wassers aus dem Sand entfernt. Das restliche 1 % Wasser verbleibt als Kristallwasser gebunden im Sandbinder. Der Kern ist erhärtet und kann aus der Teflonform entnommen werden. Er zeigt eine Biegefestigkeit von 240 N/cm² und kann sofort mit einer Aluminiumlegierung abgegossen werden. Beim Abgießen werden keie Emissionen registriert. Nach einer relativ kurzen Kühlzeit von 15 min wird das Gussstück mit enthaltener Kernform in ein Wasserbecken getaucht. Die Temperatur des Gussstücks beträgt 240 °C und die Wassertemperatur 20 °C. Das Wasser löst sofort den Binder und der Sand kann durch Schwenken bzw. durch Wasserstrahldüsen aus dem Gussstück entfernt werden. Das Gussstück kühlt dadurch sehr schnell ab und kann, nachdem es noch durch eine Frischwasserdusche von Salz- und Sandresten befreit wurde, direkt weiterverarbeitet werden. Das Gussstück zeigt eine glatte Oberfläche, ohne Sandanhaftungen. Der Sand und auch der Binder kann aus dem Becken wieder entnommen werden und nach Einstellung des ursprünglichen Binder- und Wassergehalts wieder erneut verwendet werden.

Beispiel 2: Herstellung eines Wasserraumkenrs für einen 4-Zylinder-Motor

Binder: 4 % Bittersalz, 0,5 % Borax, 0,7 % Feldspat, 0,5 % Soda, 0,5 % Wasser
Sand: 100 % Quarzsand (H32)
Verfahren: Die Binderkomponenten werden als feines Pulver dem Quarzsand untergerührt, danach erfolgt die Wasserzugabe unter Rühren. Das Sand-Binder-Gemisch sollte nicht wärmer als 40 °C sein, so dass die Binderkomponenten nicht schmelzen und der Sand gut schießfähig bleibt. Das Sand-Binder-Gemisch wird nun mittels einer Kernschießmaschine in eine Stahlform geschossen, welche auf 140 °C vorgeheizt ist. Die Salze geben jetzt unter Erwärmung teilweise ihr Kristallwasser ab und verschmelzen mit den Sandkörnern. Nun wird heiße Luft (120 °C) durch die Form geleitet, welche überschüssiges Wasser (aus Binder und aus dem Kristallwasser) entfernt. Der Kern ist ausgehärtet und kann sofort abgegossen werden. Der Kern kann, wie in Beispiel 1 beschrieben, mittels Wasser aus dem Gussstück gelöst werden oder trocken durch Vibration aus dem Gussteil geschüttelt werden. Bei trockener Entkernung reicht eine kleine Wasserzugabe von ca. 2,5 % aus, um das Sand-Binder-Gemisch erneut zu verschießen.

Beispiel 3 (Herstellung eines Wasserkernmantelkerns für einen 6-Zylinder-Motor)

Binder: 1 % Magnesiumsulfat (wasserfrei), 0,3 % Ton, 0,2 Talkum, 0,25 % Polyborat, 2 % Wasser, 0,4 % Natriumhydrogencarbonat.
Sand: 100 % Zirkonsand
Verfahren: Magnesiumsulfat, Ton, Talkum, Polyborat und Wasser werden vermischt, Die Mischung erwärmt sich durch Hydratation auf ca. 80 °C und ist eine mittelviskose Flüssigkeit. Diese wird dem vorgewärmten Zirkonsand zugefführt bzw. gemeinsam mit diesem auf 100 °C erhitzt. Durch Zufuhr von trockener Luft bzw. durch Anlegen von Vakuum unter Rühren wird der Mischung soviel Wasser entzogen, bis eine rieselfähige trockene Miscchung entsteht. Die Sandkörner werden auf diese Weise mit dem Binder ummantelt, ohne zu verkleben. Erst jetzt wird das Natriumhydrogencarbonat als feines Pulver (10 mü) zu der Mischung gegeben. Diese Mischung wird im Kernschießautomaten in eine vorgewärmte Form geschossen (120 °C). Durch die Erwärmung setzt das Carbonat Wasser und CO₂ frei, was zu einer kurzen Lösung der Binderhüllen und damit zur Binderbrückenbildung führt. Vorteil bei diesem Verfahren ist eine sehr gute Schießfähigkeit des Sandgemisches und eine schnelle Aushärtung im Kernkasten. Die weitere Verarbeitung kann wie in Beispiel 1 und 2 beschrieben erfolgen.

Beispiel 4: Herstellung einer Bremsscheibe mit Belüftungshohlräumen:

Binder: 3 % Bittersalz, 0,3 % reaktives Phosphatglas, 1 % Ca-Silikat, 0,5 % Wasser
Sand: 100 % Quarzsand (F32)
Verfahren: Es wird zunächst das Wasser dem Sand zugegeben und eine gleichmäßige Benetzung der Sandkörner erreicht. Dann werden die restlichen Bestandteile, welche vorher fein vermahlen wurden (ca. 15 μm) in den feuchten Sand eingerührt. Dadurch ist eine gleichmäßige Verteilung des Binders auf der Sandoberfläche gewährleistet. Die Mischung wird nun in eine Kernschießmaschine eingegeben und mit ca. 6 bar in eine Kunststoffform geschossen. Durch wechselseitiges Einleiten von 120 ° C heißer Luft (5 sec von oben nach unten, dann 5 sec von unten nach oben usw.) wird ca. 1% Wasser ausgetrieben (0,5 Bindewasser + 0,5 % Kristallwasser) und eine Erhärtung des Kerns innerhalb 40 Sek. Erzielt. Die weitere Verarbeitung erfolgt wie in den obigen Beispielen beschrieben.

Beispiel 5: Herstellung einer Bremsscheibe mit Belüftungshohlräumen:
Gleicher Binder und gleiches Verfahren wie in Beispiel 4, jedoch wird das Sand-Bindergemisch in einer speziellen Ausführungsform der Kernmaschine auf 120 °C erhitzt und bei einem Überdruck von 1 bar gehalten, so dass es nicht zu einer Verdampfung des Wassers kommt. Jetzt wird mit einem Druck von 8 bar in eine vorgewärmte (120 °C) Stahlform geschossen und durch kurzes Ausspülen mit Luft der Kern in relativ kurzer Zeit ausgehärtet. Die Aushärtezeit von Beispiel wird dadurch erheblich verkürzt.
Beispiel 6: Herstellung eines Saugrohrs für einen 4-Zylinder-Automotor

Binder: 2 % Magnesiumsulfat (wasserfrei), 0,5 % Borax, 0,7 Ton, 0,5 % Soda, 4 % Wasser
Sand: Synthetisch hergestellter Keramiksand mittlerer Körnung von 0,2 mm
Verfahren: Die Binderkomponenten werden vermischt. Dabei erwärmt sich die Mischung auf ca. 80 °C und ist flüssig, mittelviskos. Diese Mischung wird mit dem Sand vermengt und unter Rühren auf 100 °C erwärmt. Durch Spülen mit trockener Luft wird der Mischung das Wasser teilweise entzogen und es wird eine gleichmäßige Benetzung der Sandkörner erreicht. Es wird soviel Wasser entzogen, dass eine rieselfähige Masse entsteht, die nicht mehr aneinander verkleben kann. Dieser rieselfähige gecoatete Sand wird mittels einer Kernschießmaschine in eine bei Raumtemperatur befindliche Kunststofform geschossen. Jetzt wird teilweise gesättigter Heißdampf durch den Sand geleitet, wodurch es kontinuierlich zu eine Erwärmung des Sands kommt. Durch das kondensierte Wasser und die Erwärmung kommt es zum Verschmelzen der Binderhüllen. Durch exakte Steuerung der Lufttemperatur und der erhaltenen Feuchtigkeit kann die kondensierte Wassermenge bestimmt und eingehalten werden. Durch Zuführen von relativ trockenerer Luft wird überschüssiges Wasser, das lediglich zum Ausbilden der Binderbrücken notwendig war, wieder aus dem Sand entfernt. Die Kerne können auf diese Weise sehr schnell hergestellt werden, zeigen eine sehr glatte Oberfläche und eine Biegefestigkeit von 280 N/cm². Die Kerne werden gleich danach in eine Außenform, die nach dem gleichen Verfahren hergestellt wurde, eingesetzt und mit einer Aluminiumlegierung abgegossen. Bereits nach einer kurzen Abkühlzeit wird das Gussteil inklusive Innenkern und Außenform in ein Wasserbecken gegeben, wodurch es sich sofort weiter abkühlt und der Sand leicht durch Schwenken im Wasser und Vorbeiführen an Wasserstrahldüsen aus dem Gussteil entfernt wird. Der Sand setzt sich am Boden des Beckens ab und wird, nachdem durch Schleudern und Einstellen der exakten Binderbestandteile der Sand wieder aufbereitet ist, direkt wieder der Kernschießmaschine zugeführrt. Aus dem Wasserbecken werden die löslichen Binderbestandteile über eine Kälteschleuse wieder auskristallisiert.

Claims

Dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern erhältlich aus einer Mischung, die ein Trägermaterial und Binder beinhaltet, wobei der Binder Phosphate und/oder Borate beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder Magnesiumsulfat oder eine Vorstufe davon beinhaltet und die Phosphate und/oder Borate als Zusatz zu diesem Sulfat beigefügt sind, wobei bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials der Anteil des genannten Sulfates bei 1 bis 10 Gew.-% liegt und der Phosphat- und/oder Boratanteil bei insgesamt 0,01 bis 5 Gew.-%.
Dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern nach Anspruch 1, welcher keinen Phosphat-, sondern nur ein Boratanteil von 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise von 0,02 bis 1 Gew.-%, aufweist, bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials.
Dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 2, erhältlich aus einer Mischung beinhaltend ein Trägermaterial und einen Binder, worin bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung der Anteil an Phosphat bei von und mit 0,02 bis und mit 0,3 Gew-% liegt.
Dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Trägermaterial ein körniges Material, vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Sand wie Gießsand, Quarzsand, Siliziumdioxid, Olivin, Chromitsand, Aluminiumoxid, Zirkonsand, Aluminiumsilikat, Schamott, Magnesit, Dolomit, Siliziumcarbid, Mullit, Graphit, Fosterit, synthetischer Keramiksand oder ein weiteres wasserlösliches Salz, wie Steinsalz darstellt, oder Gemische von zwei oder mehr davon.
Dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, erhältlich aus einer darin genannten Mischung, zusätzlich beinhaltend einen Zusatz an wasserunlöslichen Partikeln mit einer Teilchengröße von kleiner als 50 μM, vorzugsweise ausgewählt aus Tonen, Kaolinen, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Quarzmehl, Zirkonmehl, Schamottmehl, Kieselgur, Mikrosilica, Talkum, Flussspatmehl und Feldspatmehl, oder Gemischen von zwei oder mehr dieser Komponenten, wobei der Anteil dieser Komponenten insgesamt bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials, vorzugweise zwischen von und mit 0,1 und bis und mit 10 Gew.-% liegen kann.
Dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, erhältlich aus einer darin genannten Mischung, zusätzlich beinhaltend einen Zusatz eines leicht flüchtigen Lösungsmittels, vorzugsweise an Ethanol, Isopropanol, Aceton, Essigester, Propylacetat, Isopropylacetat oder Butylaetat, oder Gemische von zwei oder mehr solcher Lösungsmittel, wobei der Anteil dieser Komponenten insgesamt bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung vorzugsweise zwischen von und mit 0,1 und bis und mit 10 Gew-% liegt.
Wasserdispergierbare Form oder wasserdispergierbarer Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, erhältlich aus einer darin genannten Mischung, zusätzlich beinhaltend einen Zusatz eines Metallcarbonats und/oder – hydrogencarbonats, insbesondere eines Erdalkalimetallcarbonates und/oder -hydrogencarbonates, wie insbesondere Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat, oder eines Erdalkalimetallcarbonats und/oder -hydrogen carbonats, wie Kalzium- oder Magnesium(hydrogen)carbonat, oder ein Gemisch von zwei oder mehr dieser (Hydrogen-)Carbonate, vorzugsweise in einem Anteil von 0,01 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials.
Verfahren zur Herstellung von wasserdispergierbaren Formen oder Kernen für Gießereizwecke, wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 genannt, aus einer Mischung, die mindestens ein Trägermaterial und einen Binder beinhaltet, wobei Trägermaterial und Binder vermischt und in ein Form- oder Kernwerkzeug eingebracht werden und der Binder anschließend aushärten gelassen wird und der Form oder dem Kern die nötige Festigkeit verleiht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Form oder der Kern hergestellt wird, indem man den Binder zuvor mindestens teilweise in Wasser löst und anschließend das Trägermaterial zugibt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei man die Binderkomponenten dem Trägermaterial in Pulverform ohne Flüssigkeitszusatz zugibt.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem man das Trägermaterial mit dem Binder beschichtet.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Beschichtung stattfindet, indem man die Binderkomponenten und einen Anteil insbesondere von 0,1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Trägermaterials, an Wasser dem Trägermaterial zusetzt und danach unter Rühren, Erwärmen, Lüften und/oder unter Vakuum das Wasser zumindest teilweise wieder entzieht, so dass eine rieselfähige und schießfähige Mischung entsteht, oder den Binder schmilzt und nach dem Aufbringen wieder abkühlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Träger-Binder-Gemisch mittels eines Schießautomaten mit einem komprimierten Gas in Form gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die erforderliche Wärme für die Aushärtung durch Mikrowelle, Zufügen des heißen Trägermaterials, Heißdampf, Hochfrequenz, Heißluft, vorgeheizte oder geheizte Box und/oder Kombinationen von zwei oder mehr dieser Verfahren zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Box, in welcher die Form oder der Kern hergestellt werden, auf 40 bis 200 °C erhitzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das Gemisch, welches das Trägermaterial und den Binder beinhaltet, bevor es in die Box eingebracht wird, auf 40 bis 200 °C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei dies unter einem Überdruck von 1 bis 6 bar geschieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, insbesondere 9 bis 11, wobei das zur Bindung erforderliche Wasser nach dem Einschießen in Form von Wasserdampf und/oder Sprühnebel in die Box geleitet wird, vorzugsweise durch Einleiten von gesättigtem oder zumindest teilweise gesättigtem Heißdampf mit einer Temperatur von und mit 80 bis und mit 300 °C.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei auskondensiertes Wasser anschließend durch Spülen mit Heißluft mit geringerer relativer Luftfeuchtigkeit aus dem Gemisch entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 19, wobei überschüssiges Wasser mittels Vakuum entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder insbesondere 11, vorzugsweise nach Anspruch 12, wobei dem getrockneten beschichteten Material zusätzlich noch eine wasserbindende Komponente in Pulverform zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei als wasserentziehendes Mittel ein oder mehrere ganz oder teilweise getrocknete Salze, vorzugsweise getrocknetes Magnesiumsulfat, Aluminiumsulfat, Kalziumsulfat, Natriumsulfat, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, oder getrocknete Zemente, wie Portlandzement, Tonerdeschmelzzement, oder Gemische von zwei oder mehr dieser Komponenten beigefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 20, wobei die Komponenten wie Phosphat, Borat, Sulfat von Mg, oder Carbonate, oder weitere Salze, oder Kombinationen von zwei oder mehr davon, jeweils mit Kristallwasser eingesetzt werden, um allein oder zusätzlich zu zugesetztem Wasser die nötige Menge Wasser zuzuführen, die vorzugsweise durch Erhitzen freigesetzt werden kann.
Dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 22.
Verwendung einer dispergierbaren Form oder eines dispergierbaren Kerns nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 24 zum Gießen eines gießfähigen Materials, insbesondere eines Metalls, dadurch gekennzeichnet, dass man eine dispergierbare Form oder einen dispergierbaren Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 24 mit dem gießfähigen Material, erforderlichenfalls in einer Form, so in Verbindung bringt und aushärten lässt, dass sich das gießfähige Material an die dispergierbare Form oder den dispergierbaren Kern anpassen kann, und anschließend die dispergierbare Form oder den dispergierbaren Kern durch Aufdispergieren mit einer wässrigen Flüssigkeit, Ausschütteln und/oder Vibration entfernt.
Verwendung nach Anspruch 25, wobei als dispergierbare Form oder dispergierbarer Kern ein solcher nach Anspruch 7 verwendet wird und die wässrige Flüssigkeit zum Aufdispergieren sauer eingestellt sein kann.
Verwendung nach einem der Ansprüche 25 oder 26, wobei in einem weiteren Schritt das nach dem Aufdispergieren, Ausschütteln und/oder Vibration gewonnene Material, welches Trägermaterial und Binder beinhaltet, erforderlichenfalls unter Zusatz von Binder erneut in ein Form- oder Kernwerkzeug eingebracht wird und der Binder anschließend aushärten gelassen wird und der Form oder dem Kern die nötige Festigkeit verleiht.