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Gießereiform- oder -kernmasse Die Erfindung bezieht sich auf Gießereiform-
oder -kernmassen bestehend aus einem Gemisch von größtenteils Sand oder einem anderen
feuerfesten Stoff, Bindemittel und Härtemittel oder selbsthärtendem Bindemittel,
ferner Schäummittel und Wasser.
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Es ist bereits ein Formgemisch vorgeschlagen worden, das strömungsfahig
ist, so daß es mittels der üblichen Vorrichtungen zur Beförderung von Flüssigkeiten
hoher Viskosität transportiert werden kann, beispielsweise durch Leitungen hindurch,
und demzufolge llnmrttelbar in Kernkasten oder um die Matrizen in Formkäs-ten herum
gegossen werden kann. Die Flüssigkeit füllt die Höhlungen des Kernkastens oder der
Matrizen aus, ohne daß das übliche Stampfen, Rütteln oder Pressen vorgenommen werden
müßte. Die flüssige Mischung liegt in der Form eines stabilen Schaumes vor und enthält
Bindemittel, so daß sie nach einer gewissen Zeit zu einer festen porösen Masse aushärtet
und eine starre Form oder einen starren Kern ergibt, der zur Verwendung bei der
Herstellung von GieBereiprodukten geeignet ist.
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Ein derartiges Gemisch ist Gegenstand der britischen Patentschrift
Er. 1 085 651. Als Schäummittel ist darin ein sulfoniertes öl vorgeschlagen, hergestellt
durch Neutralisation einer Sulfonsäure. Weiterhin ist vorgeschlagn, daß ein schaumstabilisierendes
Mittel eingebaut werden kann, um diejenige Zeitdauer zu verlängern, während der
das Gemisch flüssig bzw. strömungsfahig bleibt. Zur Abkürzung dieser Zeitdauer ist
ferner an den Einsatz eines schaumzerstörenden Mittels gedacht, wie beispielsweise
Butylalkohol. Zur Bindung des Gemisches bzw. zu seiner Aushärtung werden bekannte
Natrium- oder Kaliumsilikat-Bindemittel verwendet, und zwar in Verbindung mit einem
Härtemittel, beispielsweise Bikalziumsilikat, Gips oder Zement. Stattdessen ist
auch die Verwendung eines selbsthärtenden Bindemittels in Form eines schnellhärtenden
Zements allein in Vorschlag gebracht. Ein weiteres derartiges geschäumtes und gießfähiges
Sandgernisch ist Gegenstand der britischen Patentschrift Nr. 1 162 448, wobei das
Schäummittel beispielsweise eiD Alkylamin oder Alkylamid ist und als Bindemittel
wiederum Natriumsilikat in Betracht gezogen ist, das durch Silizium, ein Silizid
oder Ferrosilizium ausgehärtet wird.
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Ein Entschäumungsmittel, wie beispielsweise ein Alkohol oder Benzol,
kann wiederum zugesetzt sein.
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Jedes andere geeignete selbsthärtende Bindemittel oder jede andere
Kombination eines Bindemittels mit einem Härtemittel kann mit ähnlichem Ergebnis
verwendet werden, wenn nur die Aushärtung zu einer starren Form in einer vernünftigen
Zeitspanne geschieht. Ein Nachteil dieser bekannten Vorschläge beruht jedoch darin,
daß die Gemische auf Grund ihres Schaumcharakters gasundurchlässig sind. Demzufolge
ist die Verwenv dung von Bindemitteln, welche beim Aushärten Gase abgeben, mit Schwierigkeiten
verbunden. Weiterhin ist der Einsatz eines Gases als Härtemittel ausgeschlossen
oder doch zumindest erschwert, das die Masse durchströmen muß.
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Aufgabe der Erfindung ist die Vermittlung eines Gemisches, bei dem
das Schäummittel eine besondere StrömungsfBhigkeit und leichte Gießbarkeit gewährleistet
und zusätzlich den Einsatz von Bindemitteln ermöglicht, welche das Gemisch in verhältnismäßig
kurzer Zeit zu einer festen Masse hoher Festigkeit aushärten lassen. Weiterhin soll
der Schaum nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen und nach einer bestimmten, bekannten
Zeitspanne sich auflösen bzw. zerfallen, ohne daß ein besonderes Entschäumungsmittel
zugesetzt werden müßte.
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Dies ist mit einer Gießereiform- oder -kernmasse der eingangs angegebenen
Art erreicht, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schäummittel
ein anionisches Alkylsulfat ist. Diese Massen ergeben einen Schaum nur begrenzter
Lebensdauer, und es kann dafür Vorsorge getroffen werden, daß bei Verwendung eines
mit einem Härtemittel reagierenden Bindemittels oder eines selbstaushärtenden Bindemittels
die Lebensdauer des Schaumes der Aushärtungsgeschwindigkeit des Bindemittels angepaßt
ist, so daß der Schaum zwar wahren des Gießens bestehen bleibt, jedoch vor dem Aushärten
zusammenfällt. Nach dem Zusammenfallen des Schaumes ist das Gemisch nicht mehr gasundurchlässig
und ermöglicht das Entweichen aller derjenigen Gase, welche bei der Härtungsreaktion
entstehen.
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Weiterhin ist die Verwendung eines gasförmigen Rärtemittels, beispielsweise
Kohlendioxid, anstelle eines flüssigen oder festen Härtemittels ermöglicht, das
zur Aushärtung des Gemisches durch die Gemischmasse hindurchgeleitet wird, sobald
der Schaum zusammengefallen ist.
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Vorzugsweise weist das Alkylsulfat eine Alkylgruppe mit wenigstens
6 C-Atomen auf. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung eines Alkylsulfats
mit einer Alkylgruppe von höchstens 10 C-Atomen. Die besten Ergebnisse werden erzielt
mit einem Alkylsulfat, dessen Alkylgruppe 8 C-Atome besitzt,
nämlich
mit Oktylsulfat. Ein solches ist der unter dem Handelsnamen t'Pentrone ON" bekannte
Stoff, der entweder allein oder in Mischung mit einem anderen Schäummittel angewendet
werden kann, beispielsweise einem anionischen Alkylarylsulfonat, das unter dem Handelsnamen
"Teepol 514" bekannt ist und die Stabilität des Schaumes steigert. Gruhisätzlich
können die erfindungsgemäßen Massen einen zusätzlichen geringen Anteil eines zweiten
Schäummittels oder eines Schaumpromotors aufweisen.
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Statt Oktylsulfat ist auch noch Decylsulfat bevorzugt eingesetzt.
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Die Lebensdauer des Schaumes kann über die Menge oder den Anteil
des zweiten Schäummittels an die Reaktions- oder Aushärtungszeit des Bindemittels
angepaßt werden, oder aber bei der Verwendung von Natriumsilikat als Bindemittel
durch Einstellung des Mengenverhältnisses von Natriumsilikat und verwendetem Wasser.
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Die nachstehenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.
Alle Mengenangaben sind als Gewichtsteile zu verstehen.
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Beispiel I 100 Teilen von sauberem, gewaschenem "Leightón-Buzzard-21"-Silikasand
werden 3 Teile Wasser, 6 Teile einer Natriumsilikatlösung mit einem spezifischen
Gewicht von 1,375 und einem Molverhältnis von 3,0 sowie 0,1 Teile des acht Eohlenstoffatome
aufweisenden, anionischen Alkylsulfats zugegeben, das unter dem Handelsnamen t'Pentrone
ON" erhältlich ist. Diesem Gemisch wird Luft zugeführt, und zwar mittels eines geeigneten
Misch- oder Rührverfährens, um eine gießfähige, strömende Brühe zu erzeugen. Dieser
Brühe werden dann 3 Teile eines fein zerkleinerten bzw. gemahlten (200 Maschen)
Härtemittels
zugegeben, vorzugsweise Kalziumsilizid. Dann wird die
Mischung sofort in einen Form oder Kernkasten gegossen. Nach zwei bis drei Minuten
bricht der Schaum zusammen und beginnt eine exotherme Reaktion zwischen dem Natriumsilikat
und Kalziumsilizid, wobei große Volumina an Wasserstoffgas sich entwickeln. Mit
dem Zusammenbrechen des Schaumes verliert die Brühe ihre Strömungsfähigkeit, während
gleichzeitig die Sandmasse durchlässig wird, so daß das Wasserstoffgas in die Atmosphäre
entweichen kann. Bei normaler Temperatur ist die Reaktion nach 30 Minuten im wesentlichen
abgeschlossen. Die Sandmasse ist vollständig gebunden und bildet einen harten Körper.
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Die Wasserkonzentration im Sandgemisch ist wichtig, da sie Einfluß
auf den Zeitpunkt hat, zu dem die exotherme Reaktion beginnt, ferner die Größe des
Temperaturanstiegs während der Reaktionen beeinflußt. In der beigefügten Zeichnung
ist die gegenseitige Abhangigkeit zwischen der Temperatur des Sandgemisches und
der Zeit seit der Gemischbildung graphisch wiedergegeben, und zwar für vier verschiedene
Wasserkonzentrationen. Das Gemisch enthält 6 Teile Natri1lmsilikatlösung des spezifischen
Gewichts 1,375 und des Molverhältnisses 3, 3 Teile Kalziumsilizid und 1 (Kurve A)
bzw. 3 (Xurve B) bzw. 4 (Kurve C) bzw. 6 (Kurve D) Teile Wasser. Aus der graphischen
Darstellung ist ersichtlich, daß die exotherme Reaktion bei niedrigen Wasserkonzentrationen
(Kurve A, 1 Teil Wasser) eher beginnt, jedoch in Gegenwart von 3 bis 6 Teilen Wasser
bei der exothermen Reaktion höhere Temperaturen und eine stärkere Bindung erreicht
werden. Bei den meisten Gemischen vermittelt der Zusatz von 3 Teilen Wasser eine
zufriedenstellende Reaktionsgeschwindigkeit.
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Kalziumsilizid ist als Särte- oder sekundäres Bindemittel bevorzugt.
Die Aktivität dieses Stoffes bei der Reaktion mit Natriumsilikat wird über die Feinheit
der Mahlung
und das Maß der Alterung gesteuert. Eine feine Mahlung
erhöht die Aktivität. Die Substanz sollte durch ein 200 -Maschen-Sieb hindurchgehen.
Gerade gemahlenes Material ist sehr reaktionsfreudig. Gemahlenes Ealziumsilizid
sollte man 48 h in Berührung mit Luft altern lassen, bevor es als Härtemittel eingesetzt
wird. Es kann auch in Verbindung mit Dikalziumsilikat als Härtemittel für natriumsilikathaltige
Sandgemische verwendet werden, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit vom gegenseitigen
Mengenverhältnis der mehr und weniger reaktionsfreudigen Ingredienzen abhängt.
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Metallurgische Schlacken und Rückstände von basischen Kupolofenarbeiten,
basischen Offenherdöfen, von der Ferrochromherst ellung oder vom "Pidgeon"-Verfahren
zur Herstellung von Magnesium liefern beispielsweise das gewünschte Dikalziumsilikat.
Portland-Zement und Hochofenschlacke-Zement enthalten dieses Mineral auch und können
in Verbindung mit Ealziumsilizid erfindungsgemäß je nach der gewünschten Reaktionsgeschwindigkeit
eingesetzt werden.
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Beispiel II Die Verwendung eines Gemisches von Dikalziumsilikat und
Kalziumsilizid vermittelt den Vorteil, daß Kalziumsilizid gespart wird. Jedoch wird
die Härtungsreaktion verzögert.
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100 Teilen von sauberem, gewaschenem "Leighton-Buzzard-21"-Sand werden
3 Teile Wasser, 6 Teile Natriumsilikatlösung des spezifischen Gewichts 1,375 und
des Molverhältnisses 3,0 sowie 0,1 Teile des unter dem Handelsnamen "Pentrone ON"
bekannten Stoffes zugegeben. In diese Sandmasse wird Luft eingemischt, so daß man
eine strömungsfähige Brühe erhält.
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5 Teile gemahlenes Dikalziumsilikat, welches ein 200-Maschen-Sieb
durchläuft, und 1 Teil gemahlenes Kalziumsilizid, welches
gleichfalls
200-Maschen-Sieb passiert, werden miteinander und dann mit der Brühe zu einer gleichmäßigen
Dispersion vermischt.
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Das Gemisch wird in eine Kasten- oder Kornform gegossen. Der Luft/Wasser-Schaum
ist nach etwa zwei Minuten aufgelöst. Die anschließende Reaktion zwischen dem Natriumsilikat-Bindemittel
und dem Dikalziumsilikat-Härtemittel führt zu einer festgebundenen Sandmasse, die
sich in etwa neunzig Minuten ergibt.
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Bei mit Natriumsilikat gebundenen Sandgemischen der beschriebenen
Art hängt die Lebensdauer eines stabilen Luft/ Wasser-Schaumes von den vorhandenen
Anteilen an Natriumsilikatlösung und Wasser ab.
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Durch Veränderung der Anteile von Natriumsilikatlösung und Wasser,
d. h. durch Veränderung des Natriumsilikatlösung/ Wasser-Verhältnisses kann das
Zusammenfallen des Schaumes gesteuert werden, so daß gewährleistet ist, daß es vor
Beginn der chemischen Härtungsreaktionen stattfindet. Beispielsweise fallen Buft/Wasser-Schäume,
welche unter Zusatz des unter dem Handelsnamen "Pentrone ON" bekannten Stoffes zu
Sandgemischen erhalten worden sind, in den folgenden Zeiträumen zusammen:
| Gemisch gehalt an Schaumverschwinden |
| Natriumsili- |
| katlösung Wasser durch Gemischbildung |
| 6 Gew.-Teile 4 Gew.-Teile 2 min 20 sec |
| 6 - " - 2 - " - 8 -"- |
| 6 - " - 1 - " - 13 -"- |
Ein anderes Verfahren zur Steuerung des Zusammenfalls bzw. Verschwindens
des Luft/Wasser-Schaums besteht in der Verwendung von Gemischen verträglicher Schäumungsmittel
zur Schaumerzeugung. Beispielsweise steigert der Zusatz von anionischen Alkyl/Aryl-Sulfonaten
der unter dem Handelsnamen "Teepol 514" bekannten Art zu dem unter dem Handelsnamen
"Pentrone ON" bekannten Stoff die Stabilität des Schaumes.
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Die nachstehende Tabelle zeigt die Lebensdauerverlängerung des Luft/Wasser-Schaumes
durch den Zusatz von "Ueepol 514" zu Gemischen, welche 6 Teile Natriumsilikatlösung
des spezifischen Gewichts 1,375 und des Molverhältnisses 3,0, 2 Teile Wasser und
0,1 Teile "Pentrone ON" enthalten.
| Pentrone ON Teepol 514 Schaum- |
| Zusatz Zusatz lebensdauer |
| 0,1 Gew.-Teile 0,0025 Gew.-Teile 20 min |
| 0,1 - " - 0,005 - " - 24 -"- |
| 0,1 - " - 0,010 - " - über 30 -"- |
Die Verwendung eines anderen sekundären Schaumstabilisators anstelle von "Teepol
514", nämlich eines Diäthanolamids, bekannt unter dem Handelsnamen "Trisophone PK",
zeigt die folgenden Ergebnisse:
| Pentrone ON Trisophone PK Schaum- |
| Zusatz Zusatz lebensdauer |
| 0,1 Gew.-eile 0,005 Gew.-Ueile 7,5 min |
| 0,1 - " - 0,010 - " - 20 -"- |
| 0,1 - " - 0,020 - " - über 30 -"- |
Wie an sich bekannt, kann Silizium allein als Hartemittel für das Natriumsilikat
verwendet werden, beispielsweise in Form von fein gemahlenem Ferrosilizium oder
Siliziummetall oder als Silizid. Diese Reaktion ist mit der Bildung von großen Mengen
an Wasserstoffgas verbunden, das so lange nicht frei entweichen kann, wie der Luft/Wasser-Schaum
nicht nach dem Gießen und vor Beginn der Reaktion in der Sandmasse vollkommen dispergiert
bzw. aufgelöst ist.
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Beispiel III Dieses Beispiel zeigt die Anwendung des Kohlendioxidhärtens,
die deswegen möglich ist, weil die begrenzte Lebensdauer des Schaumes eine Begasung
des Gemisches nach dem Giessen ermöglicht. 100 Teile von "Leighton-Buzzard-21"-Silikasand
werden mit 6 Teilen einer Natriumsilikatlösung des spezifischen Gewichts 1,375 und
des Molverhältnisses 3,0 sowie mit 2 Teilen Wasser und 0,1 Teilen des unter dem
Handelsnamen "Pentrone ON" bekannten Schaummittels vermischt. Dann wird Luft in
das Gemisch eingerührt und die so erhaltene strömungsfähige Brühe in einen Gießereigießformkasten
gegossen. Der Schaum fällt nach drei Minuten zusammen.
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Dann wird Kohlendioxidgas durch den soerhaltenen gasdurchlässigen
Körper hindurchströmen gelassen. Das Sandgemisch weist dabei ein Volumen von 1 1
auf, durch das 8 1 Gas in 1 min hindurchgeleitet werden. Die Druckfestigkeit der
Masse beträgt unmittelbar nach der Gasbehandlung 6,2 kg/ cm². Diese schnelle Festigkeitsentwicklung
erlaubt das sofortige Entnehmen der Matrizen, um welche die erwähnte Brühe herumgegossen
worden ist, welche Matrizen sofort weiterverwendet werden können. Weiterhin steht
die Form in kürzester Zeit für das Gießen von Metall zur Verfügung.
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Beispiel IV In diesem Beispiel ist ein schnell härtender Portland-Zement
anstelle von Natriumsilikat als Bindemittel verwendet, wobei das Aushärten durch
Begasen mit Kohlendioxid geschieht.
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Die Verwendung von Zement ist an sich bekannt, jedoch ist das Härten
dabei über die normale Zement/Wa3ser-Reaktion erfolgt, was für die Verwendung in
industriellem Maßstab in Gießereien zu lange dauert. Durch die Verwendung eines
Schäuuungsmittels, das eine schaumbegrenzte Lebensdauer liefert, ist eine Begasung
möglich. Die Begasung von Zement läßt diesen sehr schnell aushärten.
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100 Teile "Leighton-Buzzard-21$'-Silikasand werden mit 10 Teilen
eines schnell härtenden Portland-Zements mit einer spezifischen Oberfläche von 7,500
cm²/gm, 6 Teilen Wasser und 0,1 Teilen Schäummittel (Gemisch mit 80 06"Pentrone
ON" und 20 % eines unter dem Handelsnamen 'gEmpilan NP9" bekannten Nonylphenol-Äthoxylats)
vermischt.
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Das Gemisch wird in einen Kernkasten zur Bildung eines Kernes mit
einem Gewicht von 36 kg gegossen. Der Schaum dispergierte nach 1 h, worauf 0,12
m3 gasförmiges Kohlendioxid
durch die Masse hindurchgeleitet werden,
die innerhalb zwei Minuten aushärtet. Die Temperatur im Kern steigt um 25 0 an.
Die entstandene Festigkeit reicht aus, den Kern unmittelbar dem Kasten zu entnehmen.
Nach einem 24 h langen Härten bei Raumtemperatur weist der Kern eine Druckfestigkeit
von 0,11 kg/mm² auf. Der Kern wird bei der Herstellung eines Eisengießlings mit
einem Gewicht von 354 kg verwendet, wobei die Gießtemperatur 1300 °C beträgt. Abgekühlt
zerbricht der Eiern leicht.
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Mit einem ähnlichen Sand/Zement/Wasser-Gemisch ohne Behandlung mit
gasförmigen C02 hergestellte Kerne entwickeln unter ähnlichen Bedingungen eine Festigkeit
von nur 0,076 kg/ mm2. Wegen der längeren Aushärtungszeit können diese Kerne erst
nach mindestens 4 h aus ihren Formkästen entnommen werden.
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Beispiel V Dieses Beispiel verdeutlicht die Verwendung eines anderen
anionischen Alkylsulfats als Schäummittel, wobei das Alkylradikal zehn Kohlenstoffatome
aufweist. 100 Teile "Leighton Buzzard-21t'-Silikasand werden mit 10 Teilen schnell
aushärtendem Portland-Zement mit einer spezifischen Oberfläche 2 von 7,500 cm2/gm,
6 Teilen Wasser und 0,1 Teilen Schäumungsmittel vermischt. Bei letzterem handelt
es sich um das Natriumsalz von Decylsulfat, welches unter dem Handelsnamen "Pentrone
DN11 bekannt ist. Eine vollständige Dispersion bzw. Auflösung des Schaumes ist zwei
Minuten nach dem Vergießen des Gemisches in einen Kernkasten gegeben. Danach wird
der Kern auf die in Beispiel IV beschriebene Art und Weise durch Hindurchleiten
von gasförmigem Kohlendioxid gehärtet.
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Bei jedem der vorstehenden funf Beispiele ist ein Schäummittel verwendet,
das ausschließlich oder zum größten Teil aus einem anionischen Alkylsulfat besteht9
dessen Alkylgruppe wenigstens 6 und vorzugsweise 8 C-Atome aufweist.
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Dieser Stoff vermittelt dem gebildeten Schaum eine begrenzte Lebensdauer,
ohne daß irgend welche Schaumzerstörungsmittel zugegeben werden müßten, so daß das
Material in kurzer Zeit nach dem Gießen aushärten kanns wobei die Form oder der
Kern vor dem Aushärten des Bindemittels unter Gasbildung oder unter Verwendung von
Gas durchlässig wird.