DE19632293A1

DE19632293A1 - Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gießereitechnik

Info

Publication number: DE19632293A1
Application number: DE19632293A
Authority: DE
Inventors: Thomas Prof Dr In Steinhaeuser
Original assignee: Individual
Current assignee: LKAB Minerals GmbH
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2016-08-10
Also published as: WO1998006522A2; EP0917499B1; DE19632293C2; HUP0001766A2; ATE197683T1; DK0917499T3; DE59702665D1; EP0917499A2; ES2153677T3; WO1998006522A3; HUP0001766A3; HU222658B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gießereitechnik mit den Merkmalen des Hauptanspruches.

Zum Ausbilden von Hohlräumen in Gußteilen werden im Stand der Technik in der Regel Kerne eingesetzt. Diese Kerne bestehen au einem feuerfestem Grundstoff, in der Regel ein anorganisches Inertmaterial wie Quarzsand, und einer Binderphase, die flüssig mit dem anorganischen Grundstoff vermischt wird. Die Mischung wird dann, in der Regel unter Druck, in eine Herstellungsform für den Kern eingefüllt, wobei der in der Form befindliche Hohlraum dem im Gußteil auszubildenden Hohlraum entspricht, und nach dem Einfüllen thermisch und/oder chemisch ausgehärtet.

Die so hergestellten Kerne müssen zur ausreichenden Handhabbarkeit nach Entnahme aus dem Formwerkzeug, dem sogenannten Kernkasten, und während des Abgusses ausreichend stabil sein, jedoch nach dem Abguß möglichst leicht aus dem Gußteil zu entfernen sein, um das Entkernen zu erleichtern.

Bei den heutzutage im Einsatz befindlichen Bindemittelphasen handelt es sich im wesentlichen um Bindemittel auf Kunstharzbasis. Ca. 80 bis 85% der heute im Einsatz befindlichen Kernbindemittel sind Kunstharzbinder. Den größten Anteil davon mit ca. 60% hat das sogenannte "Cold-Box-Verfahren". Bei diesem Verfahren wird ein Bindemittel auf Polyurethanbasis, das katalytisch kalt aushärtet, eingesetzt. Daneben sind Verfahren unter Verwendung von Bindemitteln auf Furan-, Phenol-, Harnstoff- und Alkydharz-Basis in Gebrauch.

Bei den Verfahren unter Verwendung von Bindemitteln auf Kunstharzbasis zeigen die in der Kernherstellung eingesetzten Mischungen sehr gute Verarbeitungseigenschaften. Die daraus hergestellten Kern weisen eine hohe Kernfestigkeit auf. Teilweise ergeben sich auch durch Pyrolyse des Polymers während des Abgießens gute Zerfallseigenschaften des Kerns nach Entnahme des Gußteils aus der Gußform. Ein entscheidender Nachteil der Kunstharzbindemittel-Verfahren liegt jedoch darin, daß während des Abgießens durch die hohen Temperaturen von ca. 650 bis 1400°C die verwendeten Harzpolymere pyrolysieren und eine Reihe von organischen Kohlenwasserstoffen wie Phenole, Formaldehyd, Lösungsmittel, Katalysatoren und weitere Verbindungen, die zu einer erheblichen Umweltbelastung führen emittieren. Entsprechend sind bei Verwendung derartiger Bindemittel-Systeme spezielle Absaug- und Entsorgungs einrichtungen notwendig, die die Kosten zusätzlich zu den ohnehin teureren Polymergrundstoffen erhöhen.

Als Alternative sind im Stand der Technik Verfahren entwickelt worden, bei denen lediglich aus anorganischen Bestandteilen bestehende Bindemittel zum Einsatz kommen. Bei dem gebräuchlichen "Wasserglas/Kohlendioxid-Verfahren" zur Kernherstellung wird dabei der feuerfeste Grundstoff Quarzsand mit dem Bindemittel Natriumwasserglas Na₂O × SiO₂ × nH₂O in einem Gewichtsanteil von 3,5 bis 5% vermischt und unter Druck in die Form zur Kernherstellung gepreßt. Nach Beendigung des Preßvorgangs wird noch in dieser Form eine Begasung mit Kohlendioxid durchgeführt, wodurch über die Bildung von Natriumcarbonat Natriumoxid ausgefällt wird, was zu einer starken Verfestigung des Kieselgels und damit zur Bindung und Verfestigung des Kernes führt.

Zwar ergeben sich bei Durchführung dieses Verfahrens vorteilhafterweise keine Emissionen bei der Formstoff- und Kernherstellung und beim Gießen, jedoch steigen durch den hohen Bindemittelbedarf die Kosten. Hinzu kommen als weitere Nachteile das aufgrund des verwendeten Natriumwasserglases schlechte Fließvermögen der Mischung, die niedrige Festigkeit der gebildeten Kerne und ein schlechtes Lagerverhalten der hergestellten Kerne, sowie ein schlechtes Zerfallsverhalten des Kerns beim Abguß in der Gußform. Darüber hinaus ist der Kernaltsand nur bedingt regenerierbar, da während der bereits oben angesprochenen hohen Temperaturen während des Gießvorganges zwischen 650-1400°C über die gebildete Soda bei 850 bis 900°C eine Glasphase ausgebildet wird, die zu einer stärkeren Verfestigung im Randbereich des Kernes führt und somit dem gewünschten späteren Zerfall entgegenwirkt. Neben den verschlechterten Zerfallseigenschaften des Kernes nach dem Abguß ist der Kernaltsand aufgrund von Verklumpungen der gebildeten Glasphase nur bedingt regenerierbar.

Die Aufgabe der Erfindung bestand nun darin, ein Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen bereitzustellen, bei dem ein preiswertes Bindemittel eingesetzt wird und das zu Kernen mit erhöhter Festigkeit führt, die beim Abguß emissionsfrei und ohne Ausbildung von Glasphasen eingesetzt werden können.

Seitens des Erfinders wurde nun überraschenderweise gefunden, daß entsprechende Kerne dadurch erhältlich sind, daß ein Bindemittel auf Wasserglasbasis, insbesondere Natriumwasserglas mit einem feuerfesten anorganischen Grundstoff wie Quarzsand vermischt wird und die Kerne ohne Begasung mit Kohlendioxid ausschließlich durch Entzug des in der Mischung enthaltenen Wassers auf physikalischen Wege ausgehärtet werden.

Seitens des Erfinders wurde erkannt, daß die Begasung mit Kohlendioxid zu einer irreversiblen Bildung von Natriumoxid im System über die Bildung von Natriumcarbonat und anschließender Zersetzung zu Natriumoxid führt. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bildung von Natriumcarbonat, das zur Bildung der Glasphase bei Temperaturen um 800°C führt, vermieden.

Die Aufgabe der Erfindung wird daher gelöst durch Bereitstellung eines Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gießereitechnik, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Herstellen einer Mischung aus einem anorganischen feuerfesten Formsand und einem anorganischen Bindemittel auf Wasserglasbasis;
b) Einfüllen der Mischung in den Kernkasten;
c) Entziehen zumindest einer Teilmenge des in der als Kernvorformling im Kernkasten vorliegenden Mischung enthaltenen Wassers auf physikalischem Weg durch Erwärmen des Kernkastens, durch Anlegen eines Unterdruckes an den Kernkasten oder durch Beaufschlagung des Kernkasten mit Mikrowellen oder Kombinationen der vorgenannten Maßnahmen ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid; und
d) Entnehmen des Kernformlings aus dem Kernkasten. Überraschenderweise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Kernformlinge bereitzustellen, die eine hervorragende Festigkeit aufweisen und während des Gießvorganges keinerlei schädliche Emission verursachen, sowie nach Entnahme des Gußstückes aus diesem leicht durch Zugabe von Wasser entfernt werden können.

Zur Herstellung der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Mischung aus feuerfesten Formsand und anorganischen Bindemittel wird ein üblicherweise in der Gießereitechnik verwendeter Formsand, vorzugsweise Quarzsand verwendet, der mit einem anorganischen Bindemittel auf Wasserglasbasis, vorzugsweise Natriumwasserglas aus Kostengründen, vermischt wird. Vorzugsweise wird Natriumwasserglas der allgemeinen Formel aNa₂O × bSiO₂ × nH₂O mit einem Verhältnis von a/b von 1/(2,0-3,5), bevorzugt 2,0- 3,0 in einer Menge von 1,5-3,0 Gew.-% mit einem Feststoffanteil von max. 50 Gew.-%, bevorzugt 30% Gew.-%, bezogen auf die Menge an Quarzsand, verwendet. Auf die Verwendung von mit organischen Resten substituierten Wassergläsern, die im Stand der Technik Verwendung finden, kann erfindungsgemäß verzichtet werden.

Erfindungsgemäß ist es möglich, im Gegensatz zum Stand der Technik relativ dünnflüssige Mischungen aus Formsand und Bindemittel mit einem höheren Wassergehalt zu verwenden. Das gegebenenfalls im Überschuß vorhandene Wasser wird während des Trocknungsvorganges entfernt, ohne daß die Mischung oder die Festigkeit des Kernformlinges darunter leiden.

Infolge der Dünnflüssigkeit läßt sich die Mischung in den Kernkasten hervorragend einfüllen, wobei eine handelsübliche Vorrichtung zur Befüllung verwendet werden kann. Dabei wird die Mischung in der Regel unter einem Druck von mehreren Bar in den Kernkasten eingeschossen und verdichtet.

Im nächsten Verfahrensschritt wird der Mischung, die im Kernkasten als Kernvorformling vorliegt, das Wasser entzogen und eine erhöhte Festigkeit erzielt. Der Wasserentzug kann auf verschiedene Weise geschehen. In einfachsten Fall kann der Kernkasten erwärmt werden, wodurch das Wasser aus der Mischung durch die Einfüllöffnung oder gegebenenfalls im Kernkasten vorhandene weitere Öffnungen ausgetrieben werden kann.

Alternativ oder ergänzend dazu kann ein Unterdruck am Kernkasten angelegt werden, der das Abdampfen des Wassers aus dem Kernformling ermöglicht oder beschleunigt.

Der üblicherweise aus einem metallischem Werkstoff hergestellte Kernkasten kann für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. Das ermöglicht, daß der Kernvorformling noch im Kernkasten befindlich mit Mikrowellen beaufschlagt wird und das Wasser in Dampfform durch die Einfüllöffnung ausgetrieben wird.

Selbstverständlich läßt sich die Beaufschlagung mit Mikrowellen auch mit den beiden zuvor erwähnten Verfahren zum Entziehen des Wassers auf physikalischem Wege durchführen.

Entscheidend ist bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß der entsprechende Wasserentzug ohne Begasung mit Kohlendioxid, wie im Stand der Technik bekannt, durchgeführt wird, um die Reaktion von Kohlendioxid mit dem Natriumwasserglas zur Bildung von Natriumcarbonat zu vermeiden.

Dazu kann die in den Kernkasten eingeschossene Mischung direkt nach Abtrennung von der Einschießdüse erwärmt werden.

Nachdem zumindest ein Teil des Wassers, bevorzugt nahezu die gesamte Menge des im Formling enthaltenen Wassers, auf physikalischem Wege entzogen wurde, kann der Kernkasten geöffnet und der Kernformling aus dem Kernkasten entnommen werden. Die Festigkeitswerte des auf diese Weise hergestellten Kernformlings sind um ein Vielfaches besser als die nach dem Stand der Technik aus den anorganischen Materialien erhältlichen Kernformlinge.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der in den Kernkasten eingefüllten Mischung durch Erhitzen des Kernkastens nur ein Teil des Wassers entzogen, der zur Handhabung ausreichende Festigkeitswerte aufweisende Kernformling aus dem Kernkasten entnommen und dann einem weiteren Trocknungsschritt, bevorzugt in einem Mikrowellenofen, unterzogen, um die Taktzeiten zur Herstellung des Kernformlings zu verringern und den Durchsatz in der Vorrichtung zu erhöhen.

Die vorliegende Erfindung wird durch das einzige Ausführungsbeispiel weiter erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

Eine Mischung aus Quarzsand mit einem Natriumwasserglas- Bindemittelanteil von drei Gewichtsprozent mit einem Feststoffanteil von 30% im Wasserglas wird in einen Kernkasten bei einem Schießdruck von 6 bar eingeschossen. Die Kernkastentemperatur beträgt 110 bis 160°C. Es wird ein Unterdruck an den Kernkasten von 0,6 bar angelegt und der Kern in dem warmen Kernkasten über 20-30 Sekunden ausgehärtet.

Bei dieser Ausführungsform des neuen anorganischen Warmbox- Kernsandbindesystem (AWB) wird die Randschicht des Kernformlings in dem warmen Kernkasten ausgehärtet, der mit einer ausreichenden Festigkeit versehene Kern dann aus dem Kernkasten entnommen und in einem Mikrowellenofen bei einer Leistung von 600 Watt je nach Art und Form des des Kernformlings über 30 bis 60 Sekunden ausgehärtet.

Ein entsprechend diesem Verfahren hergestellter Biegestab weist eine Kernbiegefestigkeit von mehr als 300 N/cm² auf, während bei konventionellen mit Kohlendioxid begasten Systemen ein entsprechender Biegestabe eine Kernbiegefestigkeit von weniger als 100 N/cm² aufweist. Durch die geringe Aushärtezeit im Kernkasten läßt sich ein hoher Durchsatz ermöglichen, da die entsprechend vorgehärteten Kernformlinge nach dieser Zeit eine ausreichende Festigkeit zur Entnahme aufweisen und dann beispielsweise im Mikrowellenofen ausgehärtet werden können.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß außer dem enthaltenen Wasser keine Gasbildner vorhanden sind, so daß im Guß Gasblasen vermieden werden. Ferner sind die Kerne schadstofffrei, so daß bei Herstellung oder Abguß keinerlei Absaugung von Emissionen notwendig ist. Durch die niedrigeren Temperaturen im Kernkasten läßt sich zum einen eine erhebliche Energieeinsparung erzielen, zum anderen ist der Einsatz von Silikondichtungen möglich und das Entgraten der Kerne kann weitgehend entfallen. In Problembereichen läßt sich dieses Entkernen mit warmen Wasser einfach durchführen, und das Regenerat kann nach Zerkleinerung und Sichtung wieder eingesetzt werden. Da die Reststoffe aus der Kernherstellung schadstoffrei sind, ist keine besondere Entsorgung erforderlich. Im Hinblick auf die verwendeten anorganischen Komponenten ist die Herstellung der Kernsandmischung sehr kostengünstig.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gießereitechnik, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Herstellen einer Mischung aus einem anorganischen feuerfesten Formsand und einem anorganischen Bindemittel auf Wasserglasbasis;
b) Einfüllen der Mischung in den Kernkasten;
c) Entziehen zumindest einer Teilmenge des in der als Kernvorformling im Kernkasten vorliegenden Mischung enthaltenen Wassers auf physikalischem Weg durch Erwärmen des Kernkastens, durch Anlegen eines Unterdruckes an den Kernkasten oder durch Beaufschlagung des Kernkasten mit Mikrowellen oder Kombinationen der vorgenannten Maßnahmen ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid; und
d) Entnehmen des Kernformlings aus dem Kernkasten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den zuätzlichen Verfahrensschritt:

e) Trocknen des Kernformlings in einem Ofen, vorzugsweise durch Beaufschlagung mit Mikrowellen in einem Mikrowellenofen, ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der in Schritt a) eingesetzte Formsand Quarzsand ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das in Schritt a) eingesetzte Bindemittel ein Natriumwasserglas der allgemeinen Formel aNa₂O × bSiO₂ × nH₂O mit einem Verhältnis von a/b von 1/(2,0-3,5), bevorzugt 2,0-3,0 ist und in einer Menge von 1,5-3,0 Gew.-% mit einem Feststoffanteil von max. 50 Gew.-%, bevorzugt 30% Gew.-%, bezogen auf die Menge an Formsand eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den folgenden Schritten:

a) Herstellen einer Mischung aus einem anorganischen feuerfesten Quarzsand und Natriumwasserglas der allgemeinen Formel aNa₂O x bSiO₂ × nH₂O mit einem Verhältnis von a/b von 1/(2,0-3,5), bevorzugt 2,0-3,0 in einer Menge von 1,5-3,0 Gew.-% mit einem Feststoffanteil von max. 50 Gew.-%, bevorzugt 30% Gew.-%, bezogen auf die Menge an Quarzsand;
b) Einfüllen der Mischung unter Druck in den Kernkasten;
c) Erhitzen der Kernkastens auf eine Temperatur im Bereich von 100-200°C und Belassen bei dieser Temperatur für maximal 30, bevorzugt 20 Sekunden, ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid; und
d) Entnehmen des Kernformlings aus dem Kernkasten;
e) Trocknen des Kernformlings durch Beaufschlagung des Kernformlings mit Mikrowellen in einem Mikrowellenofen, ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid.