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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Kern- und Formsandes für
Gießereizwecke,
wonach ein granularer mineralischer Formgrundstoff, wie beispielsweise Quarzsand,
mit einem Additiv auf Basis einer organischen und anorganischen
Komponente, gegebenenfalls unter Zugabe eines Bindemittels, gemischt
wird.
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Ein
Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird im Rahmen der
DE 196 09 539 A1 offenbart. Hier
geht es um eine Zusammensetzung, enthaltend Gießereisand und ein Additiv,
wobei das Additiv Kryolith umfasst. Ebenso kann als Additiv eine
Mischung von Kryolith mit mindestens einer Komponente aus Mineralien,
Holzmehlen, organischen Fasermaterial, Kohlenhydraten, Kohlenstoff
usw. Verwendung finden.
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Das
bekannte Verfahren versucht ebenso wie vergleichbare Ansätze entsprechend
der
EP 0 891 954 A1 Gießereifehler,
insbesondere sogenannte Sandausdehnungsfehler, zu vermeiden. Diese
lassen sich auf die Ausdehnung von Formstoffen bzw. der Formteile
beim Gießen
und Erstarren zurückführen und
sind als Fehlerscheinungen an Gussstücken bekannt.
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So
verursacht das in die aus dem Gießereiformsand hergestellte
Form einströmende
metallische Material infolge seiner Hitzeeinwirkung durch Strahlung
sowie Wärmeleitung
eine thermisch bedingte Expansion des Formstoffes. Dadurch stellen sich
Temperaturunterschiede in einzelnen Formteilzonen ein, die beträchtliche
Spannungsunterschiede zum Er gebnis haben. Überschreiten die mit den Spannungsunterschieden
einhergehenden mechanisch-thermischen Beanspruchungen die Verformbarkeit
und die Zugfestigkeit des Formteiles im Belastungsquerschnitt und
ist das Gießmaterial
ausreichend fließfähig, so
stellen sich Fehlerscheinungen durch in feine Risse eindringendes
flüssiges
Metall ein. Diese Fehlerscheinungen werden als Schülpen, Furchen,
Blattrippen etc. bezeichnet.
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Dabei
entstehen Blattrippen bevorzugt bei der Verwendung chemisch verfestigter
Formstoffe an den inneren Konturen (Kerne der Gussteile). Solche Blattrippen
sind folglich schwer zugänglich
und erfordern eine zeit- und kostenaufwendige Nachbearbeitung durch
Putzen des hergestellten Gussteils. Manchmal können die Blattrippen auch gar
nicht mehr entfernt werden.
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Aus
diesem Grund hat man in der Vergangenheit die betreffenden Kerne
durch den Vorgang des sogenannten Kernschlichtens mit einem feuerfesten Überzug durch
Sprühen,
Tauchen usw. ausgerüstet.
Dadurch soll das Eindringen des flüssigen Metalls in die beschriebenen
feinen Risse vermieden oder doch zumindest reduziert werden. Allerdings
ist auch das Kernschlichten mit beträchtlichem Aufwand verbunden.
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Diesen
Fehlerscheinungen bzw. der Blattrippenbildung an Gussteilen wird
im Stand der Technik dadurch begegnet, dass dem Quarzsand bzw. dem granularen
mineralischen Formgrundstoff, beispielsweise Holzmehl, Stärke, verschiedene
Eisenoxide usw. zugemischt werden. Diese organischen und anorga nischen
Additive sind zwar in der Lage, die Blattrippenbildung zu reduzieren,
dies wird allerdings mit einer relativ rauen Gussoberfläche erkauft.
Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Gießereiformsandes
so weiter zu entwickeln, dass nicht nur Fehlerscheinungen an Gussstücken reduziert
bzw. gänzlich
unterbunden werden, sondern zudem das hergestellte Gussstück über eine einwandfreie
Oberfläche
verfügt.
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Zur
Lösung
dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes Verfahren
erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass das Additiv vor dem Mischvorgang mit dem mineralischen
Formgrundstoff grobkörnig
gemahlen wird, wobei mehr als 50 % der Körner eine Korngröße von mindestens
ca. 0,05 mm aufweisen. Vorzugsweise besitzen sogar mehr als 80 %,
insbesondere mehr als 90 %, der Körner des Additivs eine Korngröße von mindestens
ca. 0,05 mm. Ganz besonders bewährt
hat sich eine Korngrößenverteilung,
nach welcher mehr als 80 %, insbesondere mehr als 90 % der Körner des
Additivs eine Korngröße von ca.
0,09 mm, meistens sogar mehr als 0,10 mm, besitzen.
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Dabei
macht sich die Erfindung zunächst
einmal zu Nutze, dass das Additiv aus verschiedenen Materialien
aufgebaut ist, nämlich
einer organischen und einer anorganischen Komponente. Dadurch kann
der vom Formteil beim Gießvorgang
ausgehende Expansionsdruck über
einen weiten Temperaturbereich abgepuffert werden.
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So
erfolgt im Niedrigtemperaturbereich bis ca. 500° C hauptsächlich ein Erweichen und Verflüchtigen
der organischen Materialien, die folgerichtig der Expansion des
Formteiles Rechnung tragen. Bei höheren Temperaturen oberhalb
von 500° C
und mehr erweicht zunehmend die anorganische Komponente oder mag
auch mit dem Formstoff reagieren. Dies alles führt dazu, dass mögliche Druckspannungen
durch eine Expansion des Formstoffes, insbesondere im Bereich des
Kernes, abgebaut werden. Dabei meint Formstoff wie üblich im
Rahmen der Erfindung den aufbereiteten und in die (Guss-)Form bzw.
(Gießerei-)Form
gebrachten Werkstoff. Formteil beschreibt einzelne Bestandteile
der Form.
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Es
hat sich gezeigt, dass das Additiv insgesamt grobkörnig in
der beschriebenen Kornverteilung vorliegen muss, damit die spezifische
Oberfläche
im Vergleich zu einer feinen Kornverteilung verkleinert wird. Diese
Verkleinerung der spezifischen Oberfläche des Additivs hat zur Folge,
dass der Binderverbrauch bzw. Verbrauch an Bindemittel bei der Herstellung
der Gießereikerne
bzw. -formen geringer ist als wenn ein feinkörniges Additiv zum Einsatz kommt,
und zwar bei vergleichbaren Festigkeiten des Formteiles.
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Dadurch
dass die Binderzugabe bei gleicher Festigkeit verringert ist, sind
natürlich
auch Probleme vermindert, die sich beim anschließenden Gießvorgang durch das Verflüchtigen
des Binders und dessen teilweises Verbrennen ergeben können. Außerdem sorgt
die organische Komponente des Additives durch die Bildung einer
reduzierenden Gasatmosphäre
dafür,
dass bei diesem Vorgang der Binderzerfall verzögert wird und die Ausdehnung
des Formteiles erst bei höheren
Temperaturen gesteigerte Werte annimmt.
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Das
gilt insbesondere für
den Fall, wenn die organische Komponente des Additivs maximal 60 Gew.-%,
vorzugsweise maximal 50 Gew.-% an flüchtigen Inhaltsstoffen aufweist.
Denn durch diese Bemessungsregel wird sichergestellt, dass die organische
Komponente bei der Erhitzung des jeweiligen Formteils, sprich beim
Gießvorgang,
relativ wenig Gas entwickelt. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten
von Fehlerscheinungen sinkt hierdurch signifikant.
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In
die gleiche Richtung zielen Erfindungsmaßnahmen, wonach der Sauerstoffgehalt
der organischen Komponente weniger als 30 Gew.-%, insbesondere weniger
als 20 Gew.-%, beträgt.
Auch dieser Aspekt trägt
vornehmlich dazu bei, dass der Binderzerfall verzögert wird.
Denn während
des Gießvorganges
führt die
Verflüchtigung
und teilweise Schrumpfung des Binders dazu, dass insbesondere der
Kern schrumpft und sich danach ausdehnt. Dieser Schrumpfungsprozess
und damit einhergehender Binderzerfall wird verzögert, wenn wenig Sauerstoff aus
der organischen Komponente entweicht, welcher den Verbrennungsprozess
begünstigt.
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Es
hat sich bewährt,
wenn die organische Komponente bis zu 90 Gew.-% und die anorganische Komponente
bis zu 80 Gew.-% des Additivs ausmacht, wobei die Summe aus organischer
und anorganischer Komponente selbstverständlich 100 Gew.-% beträgt. Denn
in Verbindung mit der Tatsache, dass die organische Komponente bis
zu 50 bis 98 Gew.-% Kohlenstoff bzw. Kohle oder Kohlenwasserstoffe
beinhaltet, stellt sich ein weiterer Vorteil ein. Dieser liegt darin,
dass bei dem Gießvorgang
und dem damit einhergehenden Verflüchtigungsprozess der organischen
Komponente infolge des hohen Kohlenstoffgehaltes der Kohlenstoff
in der Gasphase vorliegt bzw. in die aus der sich verflüchtigenden
organischen Komponente gebildete Gasphase eingebracht wird. Denn
die organische Komponente bläht teilweise
auf, wird plastisch und gibt ihre flüchtigen Bestandteile nach außen hin
ab, so dass hierdurch Kohlenstoffpartikel frei werden und Glanzkohle
aus der Gasphase bilden können.
Dabei ist die Glanzkohle in der Lage, zwischen Formteil und Metallguss
dafür zu
sorgen, dass die Trennschicht einwandfrei beibehalten wird. Dadurch
lässt sich
die Gussoberfläche verbessern,
so dass auf das eingangs beschriebene Kernschlichten in der Regel
verzichtet werden kann.
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Üblicherweise
kommen als organische Stoffe Kohle, Kohlenwasserstoffharze, Bitumen,
organische Fasermaterialien, eventuell Öle, Naturharze etc. zum Einsatz.
Als anorganische Komponente empfiehlt die Erfindung den Einsatz
von Perliten, Spodumenen, Chromitsanden, Glas, Schaumglas, Colemanit,
Glimmer, Eisenoxid etc.. Dabei beträgt der Wassergehalt des Additivs
regelmäßig weniger als
10 Gew.-%.
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Nach
dem Abguss begünstigt
die organische Komponente im Additiv den Kernzerfall, wobei der Kernsand
mit Additivresten dem übrigen
Formsand für
die äußere Form
zugeschlagen wird. Dieser Formsand weist zumeist Bentonit auf. Das
Additiv wirkt in diesem Fall wie ein Glanzkohlenstoffbildner. Ihm
kommt also eine zweifache Funktion zu.
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Zunächst einmal
sorgt das erfindungsgemäße Additiv
dafür,
dass Fehlerscheinungen im Kern eines Gussteiles vermindert bzw.
gänzlich
unterdrückt werden,
wobei dies insbesondere für
Blattrippen gilt. Außerdem
wird eine im Vergleich zu früher
besonders glatte Oberfläche
erzielt. Darüber
hinaus führt der
nicht unbeträchtliche
und zuvor bereits beschriebene Kohlenstoffanteil in dem betreffenden
Additiv dazu, dass beim Mischen des Kernsandes mit dem übrigen Formsand
der Kohlenstoff als Glanzkohlen(stoff)bildner für das gesamte Gussstück, kernseitig
und formseitig, Wirkung entfalten kann.
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Dieser
Umstand kommt in der beiliegenden 1 zum
Ausdruck, welche die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung
des erfindungsgemäßen Gießereiformsandes
erläutert.
Dabei wird grundsätzlich
unterschieden zwischen einem Formsand für den Kern des herzustellenden
Gussstückes
(Kernsand) und für
die äußere Gestalt
(übriger
Kernsand). Grundsätzlich
können
beide verschiedenen Formsande aber auch nach einem gleichen Ablaufschema produziert
werden.
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Im
Rahmen des Ausführungsbeispiels
wird der Kernsand aus neuem Sand, dem bereits beschriebenen Binder
(beispielsweise Phenolharz, insbesondere PUR bzw. Polyurethan-Harz)
sowie dem grobkörnig
gemahlenen Additiv aus der organischen und anorganische Komponenten
hergestellt. Dagegen kommt als Formsand sogenannter Kreislaufsand,
neuer Sand in Verbindung mit Bentonit und einem Glanzkohlenstoffbildner
zum Einsatz.
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Wie
bereits beschrieben, übernimmt
das erfindungsgemäße Additiv
ganz oder teilweise die Funktion des Glanzkohlenstoffbildners für den Formsand
zur Herstellung der äußeren Form.
Infolge der groben Struktur des erfindungsgemäßen Additives wird die Bindefähigkeit
des Binders bei der Herstellung des Kernsandes nur minimal beeinflusst,
und zwar unter Berücksichtigung
eines reduzierten Bindemittelverbrauchs. Gleichzeitig sorgt das
beschriebene Additiv für
eine verbesserte Gussoberfläche,
so dass das beschriebene Schlichten bzw. Kernschlichten nicht notwendig
ist. Schließlich
wirkt sich das Additiv positiv bei der Vermischung mit dem Formsand auf
den übrigen
Formsand aus, weil es ganz oder teilweise die Funktion des Glankohlenstoffbildners übernehmen
kann.
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Anhand
der 2 wird deutlich,
wie sich die Korngröße des erfindungsgemäßen Additives
auf die erreichten Festigkeiten des Kernsandes auswirkt. Dabei ist
als granularer mineralischer Formgrundstoff Quarzsand in einer mittleren
Korngröße von 0,19
mm bis 0,30 mm zum Einsatz gekommen. Es zeigt sich, dass die Festigkeit
dann am größten ist,
wenn mehr als 90 % der Körner
des Additives eine Größe von 0,09
mm und mehr aufweisen. Das gilt über
die gesamten dargestellten Auswertungszeiten bis zu 24 Stunden.
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Dagegen
führt eine
Korngröße, bei
welcher lediglich 5 % der gemahlenen Körner des Additives größer als
0,09 mm ausgebildet sind dazu, dass die relative Biegefestigkeit
deutlich verringert ist. Bei dem beschriebenen Beispiel ist das
erfindungsgemäße Additiv
zu 3 Gew.-% dem Quarzsand hinzugefügt worden. Der Binder hat einen
Anteil von ca. 0,8 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Kernsandmischung bzw.
den Gießereiformsand
im Ganzen, eingenommen.
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Durch
die erfindungsgemäße Begrenzung der
flüchtigen
Inhaltsstoffe der organischen Komponente des Additives auf maximal
60 Gew.-%, vorzugsweise maximal 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht
der organischen Komponente im Ganzen, lässt sich die Gasentwicklung
im Vergleich zu bisher eingesetzten Additiven, wie Holzmehl und
Stärke
um 60 bis 80 % reduzieren. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass
die organische Komponente des Additives maximal 35 Gew.-% an flüchtigen
Inhaltsstoffen aufweist. Hierdurch lässt sich die emittierte Gasmenge auf
weniger als 400 ml/g beschränken,
wohingegen Holzmehl und Stärke
an dieser Stelle emittierte Gasmengen von mehr als 900 ml/g und
zum Teil sogar mehr als 1000 ml/g aufweisen.
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Hinzu
kommt, dass die Zeit bis zur maximalen Gasentwicklung infolge der
Erhitzung des Formstoffes gegenüber
dem Stand der Technik verlängert ist.
So hat sich herausgestellt, dass die maximale Gasentwicklung bei
dem erfindungsgemäßen Additiv erst
nach mehr als 100 sec., vorzugsweise sogar erst nach einer Zeit
von mehr als 2 Minuten auftritt. Dagegen findet die maximale Gasentwicklung
im Stand der Technik bei Holzmehl bzw. Stärke bereits nach ca. 1 Minute
bzw. 60 bis 70 sec. statt.
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Aufgrund
dieser Tatsache wird insgesamt der Zerfall des Binders bzw. Bindemittels
beim Abguss verzögert,
weil die organische Komponente wenig Sauerstoff enthält und im Übrigen die
Gasentwicklung erst nach einer längeren
Zeit und mithin höheren
Temperatur des Kernsandes im Vergleich zum Stand der Technik startet.
Dadurch wird die gesamte Ausdehnung des Kernsandes und der damit
verbundene Druckspannungsaufbau verzögert, so dass als Folge hiervon
die Entstehung von Fehlerscheinungen im Gussstück abgemindert wird.
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Das
nachfolgende Ausführungsbeispiel
betrifft die Rezeptur für
die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kernsandes:
Dabei
wird Quarzsand des Spezifikation H 33, das heißt mit einer mittleren Korngröße von ca.
0,19 bis 0,30 mm mit den nachfolgenden Komponenten in einem Flügelmischer
gemischt. Zum Einsatz kommt ca. 0,6 Gew.-% eines Phenolharzes sowie
0,6 Gew.-% Isocyanat. Von dem erfindungsgemäßen Additiv wird 3 Gew.-% zu
der Mischung hinzugegeben. Den Rest (95,8 Gew.-%) macht der Quarzsand
aus.
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Dabei
setzt sich das beschriebene Additiv aus 45 Gew.-% Kohle bzw. Kohlenstoff
mit einer mittleren Korngröße von 0,2
mm und flüchtigen
Bestandteilen von 30 Gew.-% und weniger zusammen. Hinzu kommt 10
Gew.-% einer Kohle gleicher Korngröße, die jedoch flüchtige Bestandteile
von 15 Gew.-% und weniger beinhaltet. Weiter tritt ca. 30 Gew.-% eines mineralischen
Anteils mit einer Korngröße von ca. 0,35
mm hinzu, bei dem es sich um ein Lithiummineral, insbesondere Spodumene,
handelt. Ferner findet ein bindender Stoff in Gestalt von ca. 3
Gew.-% Kohlenwasserstoffharz mit einer Korngröße von ca. 0, 06 mm Berücksichtigung.
Schließlich
tritt noch Eisenoxid zu 2 Gew.-% mit einer Korngröße von 0,03
mm hinzu. Den Abschluss bilden 5 Gew.-% modifi ziertes Bitumenharz
mit einer Korngröße von 0,06
mm sowie 5 Gew.-% Perlite mit einer Korngröße von 0,3 mm.
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Aus
dem beschriebenen Additivgemisch lassen sich Biegestäbe und sogenannte
Domkerne herstellen, die keine Blattrippen zeigen und über eine äußerst glatte
Oberfläche
verfügen.