DE19632293C2 - Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gießereitechnik - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gießereitechnik, wobei eine Mischung aus einem anorganischen feuerfesten Formsand und einem anorgani­ schen Bindemittel auf Wasserglasbasis in einen Kernkasten einge­ füllt wird.

Zum Ausbilden von Hohlräumen in Gußteilen werden im Stand der Technik in der Regel Kerne eingesetzt. Diese Kerne bestehen aus 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 Hohl­ raum dem im Gußteil auszubildenden Hohlraum entspricht, und nach dem Einfüllen thermisch und/oder chemisch ausgehärtet.

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

Aus dem Buch von Flemming, Eckart und Tilch, Werner: "Formstoffe und Formverfahren", 1. Auflage, Leipzig Stuttgart 1993, Seite 78 -84 und 272-274 ist es bekannt, daß eine Verfestigung wasser­ glasgebundener Formstoffe über ein Dehydratation in Verbindung mit der Bildung fester Phasen erfolgt. Dabei bestimmt die Dehydratationsgeschwindigkeit in Verbindung mit dem ange­ wandten Härtungsprinzip die Struktur und Zusammensetzung der abgeschiedenen festen Phasen und damit die erzielbare Festigkeit im Formstoffgemisch. Als optimal werden chemische Zusätze mit Härterzusatz und zerfallsfördernden Zusätzen empfohlen, um das Ablösen von Binderhüllen, bestehend aus dehydratisiertem Natri­ umsilikat bzw. über eine chemische Umsetzung gebildeter Gelpha­ sen zu ermöglichen.

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

Bei den Verfahren unter Verwendung von Bindemitteln auf Kunst­ harzbasis zeigen die in der Kernherstellung eingesetzten Mi­ schungen sehr gute Verarbeitungseigenschaften. Die daraus her­ gestellten Kerne weisen eine hohe Kernfestigkeit auf. Teilweise ergeben sich auch durch Pyrolyse des Polymers während des Abgie­ ßens gute Zerfallseigenschaften des Kerns nach Entnahme des Gußteils aus der Gußform. Ein entscheidender Nachteil der Kunst­ harzbindemittel-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, Lö­ sungsmittel, Katalysatoren und weitere Verbindungen, die zu einer erheblichen Umweltbelastung führen emittieren. Entspre­ chend sind bei Verwendung derartiger Bindemittel-Systeme spe­ zielle Absaug- und Entsorgungseinrichtungen notwendig, die die Kosten zusätzlich zu den ohnehin teureren Polymergrundstoffen erhöhen.

Aus der Veröffentlichung von Cole, G. S.: "Effects of Mikrowave Heating and Core Processing" in: AFS Transactions Band 86 (1978), Seite 227-236 ist es bekannt, daß man die Trocknungs­ zeit von Bindersystemen durch die Anwendung von Mikrowellen­ energie wesentlich verkürzen kann. Neben den Kosten für die Bindemittel sind auch die Installationskosten und die Energie­ kosten für die Mikrowellenbehandlung zu beachten. Ein weiteres Problem besteht darin, für den Kernkasten geeignete dielektri­ sche Materialien zu finden, die ausreichend stabil sind, um der oft rauhen Handhabungspraxis in den Gießereibetrieben stand­ zuhalten.

Als Alternative sind im Stand der Technik Verfahren entwickelt worden, bei denen lediglich aus anorganischen Bestandteilen bestehende Bindemittel zum Einsatz kommen. Bei dem gebräuchli­ chen "Wasserglas/Kohlendioxid-Verfahren" zur Kernherstellung wird dabei der feuerfeste Grundstoff Quarzsand mit dem Binde­ mittel Natriumwasserglas Na₂O × SiO₂ × nH₂O in einem Gewichts­ anteil 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 ausge­ fällt wird, was zu einer starken Verfestigung des Kieselgels und damit zur Bindung und Verfestigung des Kernes führt.

Zwar ergeben sich bei Durchführung dieses Verfahrens vorteilhaf­ terweise keine Emissionen bei der Formstoff- und Kernherstellung und beim Gießen, jedoch steigen durch den hohen Bindemittelbe­ darf 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 Guß­ form. Darüber hinaus ist der Kernaltsand nur bedingt regenerier­ bar, da während der bereits oben angesprochenen hohen Temperatu­ ren 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 ent­ gegenwirkt. Neben den verschlechterten Zerfallseigenschaften des Kernes nach dem Abguß ist der Kernaltsand aufgrund von Verklum­ pungen der gebildeten Glasphase nur bedingt regenerierbar.

Diese Probleme werden auch in der Veröffentlichung von Jones, R. A. und Kondic, R.: "Dehydration Hardening of sodium Silicate Bonded Moulds" in: Foundry Trade Journal, 3. Mai 1962, Seite 537 -544 beschrieben. Dort wird die Anwendung einer Vakuumbehand­ lung empfohlen, um eine vollständige Durchhärtung durch Dehydra­ tation der wasserglasgebundenen Kernformlinge und Kerne zu er­ reichen.

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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß Kernformlinge ohne Begasung mit Kohlen­ dioxid in einem mehrstufigen Verfahren ausschließlich durch Entzug des in der Mischung enthaltenen Wassers auf physikali­ schem Wege so ausgehärtet werden können, daß sie mit warmen Wasser leicht zu entkernen sind. Das Regenerat kann dann durch einfache Zerkleinerung und Sichtung wieder eingesetzt werden.

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

Zur Herstellung der in dem erfindungsgemäßen Verfahren einge­ setzten Mischung aus feuerfesten Formsand und anorganischen Bindemittel wird ein üblicherweise in der Gießereitechnik ver­ wendeter Formsand, vorzugsweise Quarzsand verwendet, der mit einem anorganischen Bindemittel auf Wasserglasbasis, vorzugs­ weise Natriumwasserglas aus Kostengründen, vermischt wird. Vor­ zugsweise 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 Wasser­ gläsern, die im Stand der Technik Verwendung finden, kann erfin­ dungsgemäß verzichtet werden.

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

Infolge der Dünnflüssigkeit läßt sich die Mischung in den Kern­ kasten hervorragend einfüllen, wobei eine handelsübliche Vor­ richtung 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 Kernka­ sten als Kernvorformling vorliegt, das Wasser entzogen und eine erhöhte Festigkeit erzielt. Der Wasserentzug kann auf verschie­ dene Weise geschehen. Im 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 Kernform­ ling ermöglicht oder beschleunigt.

Der üblicherweise aus einem metallischem Werkstoff hergestellte Kernkasten kann für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens auch aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. Das ermöglicht, daß der Kernvorformling noch im Kernkasten befind­ lich mit Mikrowellen beaufschlagt wird und das Wasser in Dampf­ form 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 physika­ lischem 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.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der in den Kernkasten eingefüllten Mischung durch Erhitzen des Kernkastens nur ein Teil des Wassers entzogen, der zur Handhabung ausreichende Fe­ stigkeitswerte aufweisende Kernformling aus dem Kernkasten ent­ nommen und dann in einem weiteren Trocknungsschritt, bevorzugt in einem Mikrowellenofen unterzogen, um die Taktzeiten zur Her­ stellung des Kernformlings zu verringern und den Durchsatz in der Vorrichtung zu erhöhen.

Die vorliegende Erfindung wird durch das einzige Ausführungsbei­ spiel weiter erläutert.

Ausführungsbeispiel 1.

Eine Mischung aus Quarzsand mit einem Natriumwasserglas-Binde­ mittelanteil 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-Kern­ sandbindesystem (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 Kernformlings über 30 bis 60 Sekunden ausgehär­ tet.

Ein entsprechend diesem Verfahren hergestellter Biegestab weist eine Kernbiegefestigkeit von mehr als 300 N/cm² auf, während bei konventionellen mit Kohlendioxid begasten Systemen ein entspre­ chender Biegestab 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 schadstoffrei, 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 weit­ gehend 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 verwende­ ten anorganischen Komponenten ist die Herstellung der Kernsand­ mischung sehr kostengünstig.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gieße­ reitechnik, wobei eine Mischung aus einem anorganischen feuerfesten Formsand und einem anorganischen Bindemittel auf Wasserglasbasis in einen Kernkasten eingefüllt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Teilmenge des in der als Kernformling im Kernka­ sten vorliegenden Mischung enthaltenen Wassers auf physika­ lischem Wege durch Erwärmen des Kernkastens, durch Anlegen eines Unterdruckes an den Kernkasten oder durch Beaufschla­ gung des Kernkastens mit Mikrowellen oder durch Kombinatio­ nen der vorgenannten Maßnahmen ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid erfolgt,
daß der Kernformling mit einer für die Handhabung ausrei­ chenden Festigkeit aus dem Kernkasten entnommen und in einem Ofen durch Beaufschlagung mit Mikrowellen ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eingesetzte Formsand Quarzsand ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eingesetzte Bindemittel ein Natriumwasserglas der all­ gemeinen 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.

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

• a) Herstellen einer Mischung aus einem anorganischen feuerfesten Quarzsand und Natriumwasserglas der all­ gemeinen Formel aNa₂O × bSiO₂ × nH₂O mit einem Verhält­ nis 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 Feststoff­ anteil von max. 50 Gew.-%, bevorzugt 30 Gew.-%, bezo­ gen auf die Menge an Quarzsand;
• b) Einfüllen der Mischung unter Druck in den Kernkasten;
• c) Erhitzen des Kernkastens auf eine Temperatur im Be­ reich von 100-200°C und Belassen bei dieser Tempe­ ratur 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 Mikrowellen­ ofen, ohne gleichzeitige Begasung mit Kohlendioxid.