DE1164604B - Bindemittel und Masse fuer Giessereiformen und -kerne - Google Patents

Description

• Bindemittel und Masse für Gießereiformen und -kerne Gegenstand des Patentes 1032 896 ist ein Bindemittel für aus einer hitzebeständigen, körnigen siliciumhaltigen Masse, z. B. aus Gießereisand hergestellte Gießformen und Kerne, bestehend aus einem Polymerisat einer Acrylsäure, eines Gemisches oder einem Mischpolymerisat solcher Säuren mit geringen Mengen anderer polymerisierbarer Verbindungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Polymerisat wasserlöslich ist und einen hohen Anteil an nicht umgesetzten Carboxylgruppen oder Ammonium oder Monoaminsalzen des Polymerisats aufweist.
• Die mit wasserlöslichen Polymeren hergestellten Kern- und Formmassen weisen ausgezeichnete Zugfestigkeit nach dem Backen, gute Durchlässigkeit für die während des Backens gebildeten Gase, gute Miscbbarkeit und die Fähigkeit, sich beim Verblasen gut abzusetzen, und gute Nachgiebigkeit bei der Kühlung und Schrumpfung des gegossenen Metalls auf. Vielen bekannten Polymeren mangelt es an einer oder mehreren wichtigen Eigenschaften, nämlich guter Grünfestigkeit, Plastizität und Nichtklebrigkeit der ungebackenen Kerne und Formen und guter Wasserunempfindlichkeit der gebackenen Kerne und Formen.
• Die vorstehend genannten Mängel werden durch die Formmassen gemäß der Erfindung behoben. Sie eignen sich zur Herstellung von Gießereikernen und -formen, die gut gegeneinander ausgewogene physikalische Eigenschaften sowohl im grünen als auch im gebackenen Zustand aufweisen. Die Formmassen sowie die Sandkerne und -formen lassen sich in einfacher Weise herstellen.
• Zum Gießen von Metallen geeignete Sandkerne und -formen mit den genannten Eigenschaften werden erhalten, wenn als Formmasse eine Mischung aus 97 bis 99,85"/, Sand und 3 bis 0,1501" eines synthetischen wasserlöslichen Polymeren in Form des Ammonium-, Amin- oder Aminoalkanolsalzes eines Mischpolymerisats aus 60 bis 80 Gewichtsprozent Acrylnitril und 40 bis 20 Gewichtsprozent Acrylsäure verwendet wird.
• Die als Binder in den Formmassen gemäß der Erfindung geeigneten Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren werden durch Emulsions-, Lösungs- oder Blockpolymerisation mit freie Radikale abspaltenden Katalysatoren, vorzugsweise mit Kaliumpersulfat hergestellt. Die gebildeten Polymeren werden dann mit Ammoniak, einem primären, sekundären oder tertiären wasserlöslichen Alkylamin, wie Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Triäthylamin u. dgl., oder einem Aminoalkanol, z. B. Monoäthanolamin, Diäthanolamin, Triäthanolanlin, Monopropanolamin u. dgl., oder anderen Verbindungen bis zu einem p]N-Wert von etwa 6 bis 9 neutralisiert. Für die Zwecke der Erfindung werden Ammoniak und die Aminoalkanole bevorzugt. Im allgemeinen werden niedrigviskose, neutralisierte Lösungen eines Acrylsäure-Acrylnitril-Mischpolymerisats am einfachsten bei Verwendung eines Aminoalkanols als Neutralisationsmittel erhalten.
• Die Sandkern- und Formmassen gemäß der Erfindung ergeben ohne weitere Zusatzstoffe - außer Feuchtigkeit und nach Belieben einer geringen Menge eines Schmiermittels, wie Kerosin - Kerne und Formen, die außergewöhnlich hohe Grünfestigkeit, Backfestigkeit, Härte, Nachgiebigkeit, Gasdurchlässigkeit aufweisen sowie in ungewöhnlich geringem Maße kleben. Aus dieser Masse hergestellte Kerne und Formen eignen sich zum Gießen von Eisen, Stahl, Gußeisen, Grauguß, Kupfer, Bronze, Aluminium, Magnesium und anderen Metallen und Legierungen. Die Sandkernmasse eignet sich ferner für den sogenannten Schalenguß, bei dem die Sandmasse über ein Metallmodell oder eine Metallform geblasen, gestampft oder gerüttelt und stehengelassen wird, bis eine dünne Schicht der Masse auf dem Modell erhärtet ist. Nach Entfernung des Überschusses bleibt ein hohler Kern bzw. eine hohle Form zurück, die nach weiterem Backen und geeigneter Unterstützung fest genug ist, um das geschmolzene Metall aufzunehmen.
• Jeder Sand kann für die Kern- und Formmassen gemäß der Erfindung verwendet werden. Bevorzugt wird gewöhnlich ein sauberer, gewaschener, runder oder kantiger körniger Sand auf Kieselsäurebasis, wie er allgemein als Gießereisand bekannt ist. Ein solcher Sand ist in einem weiten Bereich von Teilchengrößen von etwa 50 bis 590 p. erhältlich. Diese Sande weisen gewöhnlich eine bestimmte Teilchengrößenverteilung auf und erhalten nach dieser Verteilung eine Feinheitsnummer. Im allgemeinen sind Festigkeit, Durchlässigkeit und Härte nach dem Backen sowie Blasbarkeit um so besser, je gröber die Teilchen des Sandes sind. Mit dem Binder gemäß der Erfindung scheinen Grünfestigkeit und Abbildefähigkeit um so besser zu sein, je feiner der Sand ist. Zuweilen ist es für spezielle Zwecke vorteilhaft, neben dem natürlichen Gießereisand künstlich hergestellte kieselsäurehaltige Stoffe, wie Kieselsäuremehl, und andere Spezialzusätze, wie Holzmehl, Sägemehl, gebrannten Ton, Bentonite, Stroh, Heu und andere Füllstoffe, Borsäure, Eisenoxyd, Schwefelsäure u. a., zu verwenden.
• Die Menge des als Binder zu verwendenden Salzes des Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren kann stark schwanken. Für einige Zwecke werden bereits mit 0, 15 0/" bezogen auf das Gewicht des trockenen Sandes, gute Kern- bzw. Formmassen erhalten, während in anderen Fällen Mengen bis zu 3 % und mehr gebraucht werden können. Im allgemeinen sind 0,2 bis 1,501, für die meisten Zwecke ausreichend, wobei 0,25 bis 1,0 11/0 besonders bevorzugt werden.
• Neben dem Sand und dem Ammonium-, Amin- oder Alkanolaminsalz des Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren ist Wasser der einzige andere Bestandteil, der im Formsand gemäß der Erfindung erforderlich ist. Feuchtigkeit ist im allgemeinen erforderlich, um die Masse formbar zu machen und ausreichende Grünfestigkeit zu entwickeln. Mit den Bindern gemäß der Erfindung nehmen Formbarkeit und Grünfestigkeit mit steigender Menge der Gesamtfeuchtigkeit schnell zu. Gute Grünfestigkeit, Formbarkeit und Oberflächenbeschaffenheit werden bei einem Gesamtfeuchtigkeitsgehalt der Mischung von 1,0 bis 6 0/, erzielt. Die Eigenschaften des Formsand-Binder-Gemisches gemäß der Erfindung nach dem Backen sind jedoch über einen Bereich von 2 bis 6 "/, Feuchtigkeit praktisch konstant, wenn bis zu 1,501, Binder verwendet werden. Da zuviel Gesamtfeuchtigkeit die Backzeit übermäßig verlängert, wird ein Gesamtfeuchtigkeitsgehalt der Mischung von 2,5 bis 5,001, besonders bevorzugt.
• Zur Herstellung der Formmassen gemäß der Erfindung können der trockene Sand und das als Binder verwendete Acrylsäurepolymere in jeder üblichen Weise gemischt werden. Das trockene Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymerisat in feinteiliger Form kann mit trockenem Sand gemischt werden, wobei eine Masse erhalten wird, der vor dem Gebrauch nur noch die richtige Wasser- und Neutralisationsmittelmenge zugesetzt zu werden braucht. Eine solche Trockenmischung kann fast unbegrenzt ohne schädliche Auswirkungen gelagert werden, da das Polymere sehr stabil ist. Die Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren und ihre Ammonium- und Aminsalze der genannten Art sind stark wasserlöslich und werden gewöhnlich als wäßrige Lösungen, die 10 bis etwa 35 Gewichtsprozent Polymerisat enthalten, geliefert. Es wird daher gewöhnlich bevorzugt, den trockenen Sand mit einer neutralisierten, wäßrigen Lösung des Binders zu mischen. Da ferner diese Polymerlösungen ohne Ausfällung verdünnbar sind, kann die Binderlösung bis zur richtigen Konzentration verdünnt werden, um nach Mischung mit dem Sand direkt eine Kern- oder Formmasse mit dem richtigen Gesamtfeuchtigkeitsgehalt zu erhalten.
• Das Mischen des Sandes mit dem neutralisierten Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren kann von Hand, in einem Innenmischer oder Paddelmischer oder in einem beliebigen niedrig- oder hochtourigen Mischer, der üblicherweise zur Herstellung solcher Massen verwendet wird, vorgenommen werden. Besondere Vorschriften hinsichtlich der Reihenfolge der Zugabe der Mischungsbestandteile oder der Dauer und Temperatur des Mischens brauchen nicht beachtet zu werden, da der Binder gemäß der Erfindung außergewöhnlich stabil ist. Die Bestandteile können nacheinander in beliebiger Reihenfolge oder insgesamt gleichzeitig ohne Auswirkung auf die Eigenschaften des Kerns oder der Form in den Mischer gegeben werden. Das letztgenannte Verfahren wird bevorzugt, da es schneller und wirtschaftlicher ist. Ein wirksamer Innenmischer oder Sandmischer ergibt eine homogene Masse der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in sehr kurzer Zeit von 1 bis 2 oder bis zu 5 Minuten oder weniger. Die erhaltene grüne Kern- oder Formmischung kann unbegrenzt gelagert werden und kann ohne Verschlechterung der Grüneigenschaften oder der Eigenschaften nach dem Backen eine wesentliche Entwässerung erfahren, da der Binder gemäß der Erfindung gegenüber Schwankungen des Feuchtigkeitsgehaltes unempfindlich ist. Ein etwaiger Feuchtigkeitsverlust während der Lagerung der Masse kann, falls gewünscht, vor dem Gebrauch leicht ersetzt werden.
• Die erhaltene Sand-Binder-Mischung wird dann geformt, indem sie in einen geeigneten Kern- oder Formkasten, auf ein Modell oder eine andere Formvorrichtung gestampft, gerüttelt oder durch eine Kombination dieser Maßnahmen ein- bzw. aufgebracht oder in eine heiße Form gerüttelt oder geblasen wird. Kerne von schwieriger oder verwickelter Form können in Hälften hergestellt und mit einer Lösung des Binders oder eines anderen Klebstoffs zusammengeklebt werden. Bei Verdichtung bzw. Formung auf die beschriebene Weise läßt sich der Kern bzw. die Form leicht von der Formvorrichtung abnehmen. Die Härte und Grünfestigkeit sind so hoch, daß die Handhabung in den anschließenden Arbeitsgängen leicht als grüner oder ungebackener Kern möglich ist.
• Der Arbeitsgang, in dem der grüne Kern in den harten, trockenen Zustand überführt wird, ist im wesentlichen eine Entwässerung. Der Kern kann bei Raumtemperatur getrocknet werden und weist Eigenschaften auf, die in jedem Fall ebenso pt und in vielen Fällen etwas besser sind als die Eigenschaften eines bei erhöhten Temperaturen (nach der üblichen Gießereipraxis) gebackenen gleichen Kerns oder als die Eigenschaften von Kernen, die mit der gleichen oder einer viel höheren Menge eines anderen Binders hergestellt sind.
• Da Lufttrocknung unerwünscht langsam vonstatten geht, kann der Kern in einem Luftofen oder durch dielektrische Wärme getrocknet bzw. gebacken werden. Besonders bevorzugt wird das letztgenannte Verfahren, keit eines Überbackens ausgeschaltet wird. Einwandfreie Lufttrocknung wird in 5 bis 60 Minuten bei Temperaturen von 38 bis 232'C, vorzugsweise in 10 bis 30 Minuten bei 93 bis 149'C erzielt.
• Nach dem Eingießen und Abkühlen des geschmolzenen Metalls läßt sich der Kern bzw. die Form gemäß der Erfindung leicht durch Bürsten, Blasen, Kippen, Klopfen oder Spülen zerkleinern bzw. ausschütteln. Der auf diese Weise von den gebrauchten Kernen und Formen erhaltene Sand kann für viele Zwecke wiederverwendet werden, indem er einfach wieder angefeuchtet wird und/oder ihm eine geringe Menge der Binderlösung als Ergänzung zugegeben wird. Ein großer Teil des im gebrauchten Sand bleibenden Binders kann durch Waschen entfernt werden. Vollständige Entfernung des Binders ist durch die Brenn-und Waschmethoden möglich, die heute in der Gießereiindustrie bei der Rückgewinnung des Sandes allgemein angewendet werden.
• Die Plastizität einer gegebenen feuchten Sand-Binder-Mischung wird bestimmt, indem eine Handvoll der Mischung genommen und zwischen den Händen gerollt und dabei die Neigung der Rolle, in einem Stück zu bleiben bzw. sich zusammenzuballen, beobachtet wird. Wenn die Mischung keine gute Kohäsion zeigt bzw. sich nicht zusammenballt, wenn sie dem Handtest unterworfen wird, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß die Plastizität schlecht ist.
• Der Grad des Festklebens von Kernen am Kasten muß gering oder vernachlässigbar sein, damit durch Reinigen und Auskratzen der Kästen bedingte kostspielige Verzögerungen vermieden werden. Der Grad des Festklebens des Kerns am Kasten wird bestimmt, indem zehn aufeinanderfolgende Sandkerne in einem vorher gereinigten Kasten geblasen werden und anschließend der nach der Entfernung des zehnten Kerns verbliebene Rückstand isoliert und gewogen wird. Die Sand-Binder-Mischungen gemäß der Erfindung bleiben in äußerst geringem Maße am Kernkasten haften. Dies ist am fast vollständigen Fehlen eines Rückstandes an den Kernkastenwänden in dem vorstehend beschriebenen Test erkennbar. Die Wasserempfindlichkeit eines gebackenen Kerns wird gemessen, indem ein gebackener Standard-Zerreißprüfling in einen Wasserstrom von 20'C gelegt und der Grad der Klebrigkeit, des Quellens und des Zerfalls des gebackenen Prüflings ermittelt werden. Die Formmassen gemäß der Erfindung sind im Vergleich zu anderen gebackenen Sand-Binder-Mischungen ungewöhnlich wasserunempfindlich.
• Die Mengenangaben in den folgenden Beispielen beziehen sich auf das Gewicht, falls nicht anders angegeben. Beispiel 1 Eine Lösung von 231 Teilen Wasser und 0,049 Teilen Kaliumpersulfat wird in einem geschlossenen Gefäß unter Rühren auf etwa 90'C erwärmt. Unter weiterem Rühren wird der erhitzten Lösung über einen Zeitraum von 1 Stunde langsam eine Mischung aus 65 Teilen Wasser, 36 Teilen Acrylsäure, 64 Teilen Acrylnitril und 0,001 Teilen Kaliumpersulfat zugegeben. Nach erfolgter Zugabe der Monomermischung wird eine weitere Stunde erhitzt und gerührt. Hierbei entsteht eine Ernulsion von Polymerisat in Wasser. Die gekühlte Emulsion wird anschließend mit einem Neutralisationsmittel, wie Ammoniak, Hydrazin, Monoäthanolamin, Methylamin u. dgl., auf einen pH-Wert von etwa 7 gebracht, wobei eine Lösung des Salzes des Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren in Wasser entsteht.
• Für die Sandkern- und Formmischungen wurde ein Standard-Ansatz aus 0,25 Teilen polymerern Binder, 2,5 Teilen Gesamtfeuchtigkeit und 100 Teilen Gießereisand »Ottawa Nr. 50« verwendet. Der pE[-Wert jeder Sand-Binder-Mischung sowie die Gründruckfestigkeit, Plastizität, Zugfestigkeit nach dem Backen, Wasserunempfindlichkeit und Grad des Haftens am Kernkasten wurden bestimmt, wobei die in der nachstehenden Tabelle genannten Ergebnisse erhalten wurden. Die ebenfalls genannten Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren wurden auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt. Beispiel 2 Eine Reihe von Mischpolymeren aus Acrylnitril und Acrylsäure wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt. Die Polymeren wurden in ihre Ammoniumsalze umgewandelt und mit Ottawasand Nr. 50 gemischt, wie im Beispiel 1 beschrieben. Die Sand-Binder-Mischungen hatten folgende Eigenschaften:

  Verhältnis Gründruck-

  Acrylnitril zu Acrylsäure pH-Wert festigkeit Plastizität Wasserempfindlichkeit Klebverhalten

  im Binder kg/CM2

  50: 50 6,6 0,042 sehr gut annehmbar schlecht

  68: 32 7,8 0,035 gut gut gut

  77: 23 7,8 0,043 gut gut sehr gut

  88: 15 7,8 0,039 schlecht schlecht schlecht

  Die Monoäthanolaminsalze der vorstehend genannten Acrylnitril-Acrylsäure-Mischpolymeren verliehen den Sandkernen vergleichbare Eigenschaften. Beispiel 3 Ein Mischpolymerisat aus 31 Gewichtsprozent Acrylsäure und 69 Gewichtsprozent Acrylnitril wurde hergestellt, indem eine Lösung von 616 Teilen entmineralisierten Wassers, das 6 Teile Kaliumpersulfat enthielt, gerührt und bei 90'C in einem geschlossenen Gefäß gehalten wurde. Zwei Lösungen (A und B) wurden dann gleichzeitig dem Gefäß zugeführt. Die Lösung A bestand aus einer Mischung von 300 Teilen entmineralisierten Wassers und 7,5 Teilen Kaliumpersulfat. Die Lösung B bestand aus einer Mischung von 72 Teilen Acrylsäure, 159 Teilen Acrylnitril und 30 Teilen Monoäthanolamin. Die Lösung A wurde so eingeführt, daß 120 Minuten für ihre vollständige Zugabe erforderlich waren. Lösung B wurde gleichmäßig über 105 Minuten zugegeben. Nach erfolgter Zugabe der Lösungen A und B wurde die Reaktionstemperatur schnell auf 100'C erhöht und 8 bis 9 Stunden auf dieser Höhe gehalten. Man läßt die Polymerlösung dann auf etwa 45'C abkühlen und stellt den pl,-Wert mit Monoäthanolamin (30 bis 32 Teile) auf 7 bis 8 ein. Die Polymerlösung wird dann schnell auf Raumtemperatur gekühlt. Auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise wird ein Sandkern hergestellt, jedoch wird in diesem Fall ein A. F. S.-Standard-Sand Nr. 50 bis 70 verwendet. Der gebackene Kern hat eine Ritzhärte von 78, eine Gründruckfestigkeit von 0,049 kg/cm2, eine Zerreißfestigkeit von 15,4 kg/cm, gute Wasserunempfindlichkeit und ein sehr gutes Verhalten im Klebtest. Ein Mischpolymerisat aus je 50 % Acrylsäure und Acrylnitril, hergestellt auf die oben beschriebene Weise und neutralisiert mit Monoäthanolamin, ergibt einen gebackenen Sandkern, der eine Zerreißfestigkeit von 13,37 kg/CM2 und eine Ritzhärte von 70 aufweist und stark im Kernkasten klebt. Ein Mischpolymeres aus 20 Gewichtsprozent Acrylsäure und 80 Gewichtsprozent Acrylnitril bildete einen Sandkern, der eine etwas geringere Zerreißfestigkeit hatte, im übrigen aber mit dem eingangs genannten Mischpolymeren aus 31 Gewichtsprozent Acrylsäure und 69 Gewichtsprozent Acrylnitril vergleichbar war.

Claims (2)

1. Patentanspräche: 1. Bindemittel für aus einer hitzebeständigen, körnigen, siliciumhaltigen Masse, z. B. Gießereisand, und einem organischen Bindemittel hergestellte Gießformen und Kerne, letzteres bestehend aus einem Polymerisat einer Acrylsäure oder Mischpolymerisaten derselben mit geringen Mengen anderer polymerisierbarer Verbindungen, wobei das Polymerisat einen hohen Anteil an nicht umgesetzten Carboxylgruppen oder Ammonium-oder Monoaminsalzen des Polymerisats aufweist, nach Patent 1032896, dadurch ge kennz c i c h n e t, daß es aus einem synthetischen wasserlöslichen Mischpolymeren aus 60 bis 80 Gewichtsprozent Acrylnitril und 40 bis 20 Gewichtsprozent Acrylsäure besteht.
2. 2. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischpolymere mit Ammoniak, Aminen oder Aminoalkoholen neutralisiert ist. 3. Masse für Sandformen oder Kerne, gekennzeichnet durch einen Zusatz von 0,15 bis 3 Gewichtsprozent eines Bindemittels nach den Ansprüchen 1 und 2.