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Formmasse für Schalenformen zum Vergießen von Metallen Zusatz zum
Patent: 1098 677 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formmasse für Schalenformen
zum Vergießen von Metallen, die hauptsächlich aus Wirbelschichtkoks und einem kleineren
Anteil eines Harzbindemittels besteht.
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Im Hauptpatent 1098 677 wurde beschrieben, daß Wirbelschichtkoks
mit weniger als 7 Gewichtsprozent Schwefel als überlegene Formmasse zum Metallgießen
dient und den Sand in Formen und Kernen entweder teilweise oder vollständig ersetzen
kann und daß aus der Verwendung dieses Kokses zum Gießen auf die in diesem Hauptpatent
beschriebenen Weise viele Vorteile erwachsen. Dieser Wirbelschichtkoks wird mit
üblichen Zusätzen und Versatzmitteln zum Herstellen von Gießformen und -kernen gemischt,
wobei wäßrige Bindemittel, die z. B. Öle, Harze enthalten, verwendet werden.
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Es wurde nun gefunden, daß sich mit diesem Wirbelschichtkoks auch
hervorragende Schalenformen oder -kerne herstellen lassen, wenn man die einzelnen
Wirbelschichtkoksteilchen vorher mit einem in der Wärme erhärtenden Harz überzieht.
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Es ist bekannt, daß man den zur Herstellung von Hohlformen verwendeten
Sand vorher mit einem Harzbindemittel überzieht. Das Harzbindemittel besteht aus
einem wärmehärtbaren Material, wie z. B. Phenol-Formaldehydharzen, Harnstoff Formaldehydharzen,
Kondensaten zweibasischer Säuren und mehrwertigen Alkoholen, z. B. Maleinsäureanhydrid
und Pentaerythrit und ähnlichen bekannten Harzen.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formmasse kann das Harzbindemittel
durch übliche Verfahren auf den Wirbelschichtkoks aufgetragen werden. Im allgemeinen
enthält das Bindemittel weniger als 15 Gewichtsprozent des Gemisches.
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Beim Heißüberzugsverfahren wird der Koks mit einem flüssigen Harz
gemischt, das einen Beschleuniger enthalten kann. Das Gemisch wird z. B. durch erwärmte
Luft erhitzt, so daß die Koksteilchen mit dem Harz überzogen werden.
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Beim Kaltüberzugsverfahren wird. der Koks unter . Verwendung eines
flüchtigen Lösungsmittels mit einem Harz überzogen. Insbesondere kann man ein pulverförmiges
Harz mit dem Koks mischen und anschließend einen Alkohol (z. B. Äthylalkohol) als
Lösungsmittel und Wasser beimischen. Das Lösungsmittel verdampft schließlich und
läßt das auf dem Koks abgeschiedene Harz zurück.
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Vor, während oder iäach dem Überziehen der Teilchen kann man der Formzusammensetzung
Zusatzstoffe zugeben. So können z. B. Sand, Mittel zum Lösen aus der Form, wie z.
B. Wachse oder Stearatverbindungen, oder andere Zusatz- oder Modifizierungsmittel
zur Verbesserung der Festigkeit, Flüchtigkeit, Fließbarkeit usw. des nassen Formmaterials,
z. B. Kerosin, Eisenoxyd, Ton usw., zugesetzt worden.
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Durch die Verwendung von Wirbelschichtkoks zur Herstellung von Formmassen
für Schalenformen lassen sich wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit des Wirbelschichtkokses
im Vergleich zu Sand kürzere Arbeitszeiten erzielen. Die Formen sind leichter. Wegen
der höheren Wärmeleitfähigkeit dieser Formen werden bessere. Güsse erzielt. Infolge
der geringeren Wärmeausdehnung des Wirbelschichtkokses besitzen die Formen bessere
Maßgenauigkeit. Die Güsse aus diesen Formen haben eine glattere Oberfläche und werden
weniger durch Maserungen beeinträchtigt, da die Formen vorwiegend aus kohlenstoffhaltigen
Materialien bestehen. Ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlform besteht darin,
daß man den mit Harz überzogenen Wirbelschichtkoks in oder auf ein erhitztes Gußrizödell
mit einer Temperatur von etwa 175 bis 400°C tropft oder bläst. Der Kunststoff
erhärtet in der Wärme teilweise und bildet eine zusammenhängende Wirbelschichtkoksform
am Modell. Die Dicke der Form ist von der Temperatur des Modells, von der Verweilzeit
auf dem Modell und dem Typengemisch abhängig. Die Dicke kann
zwischen
etwa 1,58 und 25,4 mm oder darüber liegen. Das lose Wirbelschichtkoksgemisch läßt
man sodann von der Form abfallen, und die noch auf dem Modell befindliche Form wird
durch Erhitzen weitergehärtet. Danach wird der Überzug von der Form abgenommen.
Zur Erleichterung des Abnehmens des Überzuges kann hier selbstverständlich ein Mittel
zum Lösen von der Form verwendet werden. Gewöhnlich finden Silizium-Formscheidungslösungen
Verwendung. Das gleiche allgemeine Verfahren kann für Kerne Verwendung finden. In
manchen Fällen kann der Kern massiv, ohne Aushöhlung in der Mitte hergestellt werden.
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Beispiel 1 Als Wirbelschichtkoks verwendete man einen im Patent 1098
677 beschriebenen entschwefelten Koks. Zum Vergleich mit dem auf die gleiche Weise
überzogenen Quarzsand wurde der Wirbelschichtkoks nach dem Kaltüberzugsverfahren
mit Harz überzogen. Hierzu verwendete man ein Phenol-Formaldehydharz. Tabelle I
gibt Auskunft über die Zusammensetzung des mit Harz überzogenen Sandes und Wirbelschichtkokses.
Tabelle 1I zeigt in Spalte 1 und 2 die Siebanalyse der Feststoffe.
| Tabelle 1 |
| Gemisch |
| 1 I 2 |
| Wirbelschichtkoks |
| (< 1,58 mm), kg ...... 52,3*) - |
| Sand (A. F. S. Nr. 96), kg - 68*) |
| Harz, kg . . . . . . . . . . . . . . . 2,72 2,72 |
| Methylakohol, ccm ...... 900 750 |
| Wasser, ccm . . . . . . . . . . . . 200 I 200 |
| *) Etwa gleiche Volumina. |
Mischzeit: 40 Sekunden trocken, 31/Z Minuten naß und bis zur Trockne und Freifließigkeit.
Calcinierter Wirbelschichtkoks und gepulvertes Harz wurden in eine Mühle gebracht
und 40 Sekunden lang trocken gemischt, danach wurden Alkohol und Wasser (gemischt)
zugesetzt, und das Mischen wurde etwa 31/2 Minuten lang fortgesetzt, bis das Lösungsmittel
verdampft war und die mit Harz überzogenen Teilchen wieder trocken und frei fließig
waren. Anschließend wurde das Material durch ein Sieb mit 3,15 mm großen Maschen
gegeben, um etwaige Klumpen zu zerkleinern und eine vollständigere Verdampfung des
Lösungsmittels zu erzielen.
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Mit diesen Sand- und Wirbelschichtkoksgemischen wurden nacheinander
auf dem gleichen Modell Schalenformen hergestellt. Die Formgebungsvorrichtung arbeitete
nach dem Kippkastenprinzip. Bei diesen Versuchen stellte man fest, daß die Arbeits-und
Härtungszeit für die mit Harz überzogenen Wirbelschichtkoksformen geringer war.
Da die Härtungszeit in der Schnelligkeit der Formenherstellung gewöhnlich ein einschränkender
Faktor ist, stellt eine Produktionssteigerung von - in diesem Fall -20 °/o infolge
der höheren Wärmeleitfähigkeit des calcinierten Wirbelschichtkokses einen deutlichen
Vorteil dar.
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Die mit Harz überzogenen calcinierten Wirbelschichtkoksformen ließen
sich leichter vom Modell abnehmen, und die Anwendung des siliziumhaltigen Formlösemittels
war wesentlich selterner erforderlich. Die Wirbelschichtkoksform ließ sich erneut
auf das erkaltete Modell aufsetzen, während die Sandform so weit eingeschrumpft
war, daß sie sich nicht mehr über das Modell stülpen ließ. Die Wirbelschichtkoksformen
kommen daher den Modellmaßen näher als Sandformen. Beispiel 2 Bei einem anderen
Vergleichsversuch wurden mit Harz überzogene Wirbelschichtkoks- und mit Harz überzogene
Sandformmassen zur Herstellung von Schalenformen für den Guß von Generatorrotoren
hergestellt. Das Überzugsverfahren wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt.
Die Formen hatten eine Dicke von etwa 9,50 mm. Wegen der geringeren Dichte des Wirbelschichtkokses
verwendete man zur Herstellung des mit Harz überzogenen Wirbelschichtkoksgemisches
eine etwas größere Menge Harz, d. h., die Dichte des Wirbelschichtkokses ergibt
mehr Teilchen pro Gewichtseinheit, so daß ein größerer Harzgehalt auf der Gewichtsbasis
erforderlich wird.
| Tabelle III |
| Gemisch |
| 1 j 2 |
| Wirbelschichtkoks |
| (< 1,58 mm), kg ...... 35 - |
| (s. Tabelle II, Spalte 3) |
| Sand (A. F. S. Nr. 96), kg - 68 |
| Harz, kg . . . . . . . . . . . . . . . 2,27 2,72 |
| Methylakohol, ccm ...... 550 750 |
| Wasser, ccm . . . . . . . . . . . . 133 200 |
Mischzeit: 30 Sekunden trocken, 3 Minuten, 20 Sekunden naß, bis das Gemisch trocken
und frei fließig ist.
In die Versuchsformen wurde geschmolzenes
Gußeisen gegossen, und es zeigte sich, daß die mit der Wirbelschichtkoksform hergestellten
Gußstücke etwas glatter waren und viel weniger Einbruch um die Eingußstelle zeigten
als die in mit Harz überzogenen Sandformen hergestellten Gußstücke. Die BrinellhUte
war bei jedem Gußstück gleich. Es zeigte sich infolgedessen, daß von den calcinierten
Wirbelschichtkoksformen keine Abkühlung und/oder bedeutsame Schwefelzunahme erfolgte.
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Es wurde weiterhin festgestellt, daß der calcinierte Wirbelschichtkoks
in Formverfahren ohne schädliche Wirkung erneut verwendet werden kann. Beispiel
3 Bei diesem Beispiel verwendete man zur Herstellung von Formkernen mit Harz überzogenen
rohen Wirbelschichtkoks. Den Wirbelschichtkoks erhielt man durch Verkokung von schweren
Vakuumdestillationsrückständen aus Elk Basin mit einem Kohlenstoffgehalt nach C
o n r a d s o n von etwa 30 Gewichtsprozent, einem Schwefelgehalt von etwa 4,1 Gewichtsprozent,
einem Anfangssiedepunkt von 495 bis 510°C und einer Dichte von 1,0760 bis 1,0599.
Die Verkokung erfolgte bei etwa 515 bis 525°C bei einer Umwandlung in Koks zwischen
34 und 360/" bezogen auf die frische Beschickung. Der rohe Wirbelschichtkoks
hatte folgende typische Eigenschaften: Kohlenstoff, Gewichtsprozent ...... 89,1
Schwefel, Gewichtsprozent ......... 6,1 Asche bei 950°C, Gewichtsprozent .. 0,11
Flüchtiges Material, etwa 592°C, Gewichtsprozent . . . . . . . . . . . . .... 0,44
Feuchtigkeit, Gewichtsprozent ...... 0,24 Wirkliche Dichte . . . . . . .
. . . . . . . . . . 1,45 Vor der Herstellung der mit Harz überzogenen Formmasse
wurde dieser rohe Wirbelschichtkoks durch ein Sieb mit 1,58 mm großen Maschen gegeben.
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Beim Gießen von zylindrischen Gußstücken, die nach der Entfernung
der Eingußvorrichtung etwa 1 kg wogen, wurden zwischen diesem rohen Wirbelschichtkoks
und Sand Vergleiche angestellt.
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In Tabelle IV sind die zur Herstellung der mit Harz überzogenen Materialien
verwendeten Stoffe sowie das Verfahren zur Herstellung der Formmassen aufgeführt.
Als Harz verwendete man das gleiche wie in den vorhergehenden Beispielen. Es sei
darauf hingewiesen, daß die Gemische 1 und 2 einen gleichen Harzgehalt auf Volumenbasis
besitzen, da roher Wirbelschichtkoks etwa 65 Gewichtsprozent eines gleichen Volumens
Sand wiegt.
| Tabelle IV |
| Gemisch |
| 1 i 2 I 3 |
| Sand (A. F. S. Nr. 70), kg . . . . . . . . . . . . . . 4,5
- - |
| Rohe Wirbelschichtkoks (G 1,58 mm), kg - 2,9 2,9 |
| Harz, Gewichtsprozent *) . . . . . . . . . . . . . . 4,5 4,5
6,92 |
| Denaturierter Äthylalkohol, |
| Gewichtsprozent *) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,33 1,33
2,05 |
| Wasser, Gewichtsprozent) . . . . . . . . . . . . 0,275 0,275
0,52 |
| Mischanlage: |
| üblicher Laboratoriumsmischer ...... bis zur 4 Minuten
7 Minuten |
| Trockene |
| *) Gewichtsprozent in Sand oder Koks. |
| Mischzeit: 1 Minute trocken. |
Anmerkung Nr. 1: Vor dem Mischen wurde der Sand durch ein Sieb Nr.10,4 gegeben.
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Anmerkung Nr. 2: Gemisch 1 wurde nach der Herausnahme aus dem Mischer
einmal durch Sieb Nr. 10,4 gegeben. Gemisch 2 wurde zweimal durch Sieb Nr.14,5 gegeben.
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Gemisch Nr. 3 wurde zweimal durch Sieb Nr. 14,5 gegeben.
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Bei der Herstellung von Kernen wurde die Kernbüchse in einem Laboratoriumsofen
bei 230 bis 245°C auf Gleichgewichtstemperatur erhitzt. In jedem Fall wurde in die
heiße Kernbüchse mit Harz überzogenes Material gegossen, und nach geeigneter Verweilzeit
wurde das überschüssige Material durch Vibration aus der umgekehrten Büchse geschüttelt.
Die Kernbüchse, in deren Innerem sich der umgekehrte Kern befand, wurde zur vollkommenen
Härtung des Harzbindemittels 20 bis 40 Sekunden in den Ofen zurückgestellt. Danach
wurde die Kernbüchse geöffnet und die Form herausgenommen. Die Ritzhärte der Kerne
aus den Gemischen 1 und 3 betrug etwa 100, während die Kerne aus Gemisch 2 eine
Härte von etwa 90 aufwiesen.
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Die Kerne wurden in Naßsandformen eingesetzt und mit Gußeisen ausgegossen.
Beim Schütteln dieser Gußstücke stellte man fest, daß die mit 4,5 Gewichtsprozent
Harz gebundenen rohen Wirbelschichtkokskerne rasch zusammenfielen und die Gußstücke
frei von anhängendem Kernmaterial waren.
Die aus jedem Kern hergestellten
Gußstücke wurden zur Untersuchung der Flächen quer durchschnitten. Die Oberfläche
des mit den Kernen von Gemisch 2 hergestellten Gußstücke war etwas glatter als das
aus den Sandformen erhaltene Gußstück, doch waren beide frei von irgendwelchen Maserungen.
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Diese Beispiele zeigen die Überlegenheit der Wirbelschichtkoksformenmasse,
die durch vorhergehendes Überziehen von Wirbelschichtkoks mit einem Harz hergestellt
wurden. Die Wirbelschichtkoksformmassen entsprechen den Modellmaßen besser als ähnliche
Sandformen und verleihen den Gußstücken eine glattere Oberfläche.