DE2452232C2 - - Google Patents
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Description
Verschiedene in der Technik eingesetzte Bindersysteme, wie Bindemittel
für Gießereiformmassen, enthalten als Hauptbestandteile anorganische
Substanzen. Typische Nachteile dieser Bindemittel, beispielsweise
der zur Herstellung von Formen und Kernen für den
Metallguß vorgeschlagenen silikathaltigen Bindemittel, sind die
schlechte Zerfallseigenschaft der Form und die schlechte Entformbarkeit
des Metallgießlings. Zahlreiche bekannte anorganische
Bindemittel zeigen auch eine ungenügende Bindefestigkeit und/
oder unerwünschte Härtungseigenschaften. Darüber hinaus ergeben
verschiedene anorganische Bindemittel, wie Silikate, Gießformen mit
geringerer Rißbeständigkeit bei der Entnahme, so daß sie über
den eigentlichen Entnahmezeitpunkt hinaus noch mindestens einige
Stunden Lagerung benötigen, um eine genügend hohe Rißbeständigkeit
zu erhalten. Zum Entnahmezeitpunkt lassen sich die
Gießformen daher nur schwierig handhaben und können leicht beschädigt
werden. Auch die Senkbeständigkeit der aus bekannten
Bindemitteln hergestellten Gießformen zum Entnahmezeitpunkt
ist nicht zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im wesentlichen
aus anorganischen Stoffen bestehendes Bindemittel für Gießereiformmassen
mit zufriedenstellenden Festigkeitseigenschaften
und innerhalb gewisser Grenzen einstellbaren Härtungseigenschaften
zur Verfügung zu stellen, wobei die mit dem Bindemittel
hergestellten Gießereiformen relativ gute Zerfalls- und
Entformbarkeitseigenschaften sowie gute Riß- und Senkbeständigkeiten
bei der Entnahme aufweisen.
Die Erfindung betrifft somit Bindemittel für Gießereiformmassen,
bestehend aus
- (a) 50 bis 95 Gew.-% eines Aluminium-Bor-Phosphats mit einem Borgehalt von 3 bis 40 Grammatomprozent, bezogen auf die Grammatome Aluminium, und mit einem Grammatomverhältnis von Phosphor zur Gesamt-Grammatomanzahl von Aluminium und Bor von etwa 2 : 1 bis 4 : 1, das hergestellt wurde durch Umsetzen von Phosphorsäure oder Phosphorpentoxid mit einem Aluminiumoxid sowie Borsäure oder Boroxid,
- (b) 5 bis 50 Gew.-% eines Erdalkalimetalloxids und/oder eines Erdalkalimetallhydroxids mit einer Oberfläche von höchstens 8,5 m²/g, sowie
- (c) 18 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Menge von (a), Wasser.
Sie betrifft auch die Verwendung solcher Bindemittel für
Gießereiformmassen zum Gießen relativ niedrig schmelzender
Nichteisenmetalle.
Die erfindungsgemäßen Bindemittel (nachstehend: "Binder")
eignen sich auch zur Herstellung von Gießereiformmassen für
Formteile, wie feuerfesten Baustoffen, Schleifmaterialien,
wie Schleifscheiben, und sonstigen Formen, wobei
die entsprechende Masse durch
- 1. eine Hauptmenge an Formstoff und
- 2. eine bis zu 40 Gewichtsprozent betragende Menge des vorgenannten erfindungsgemäßen Binders
gekennzeichnet ist.
Die Gießereiformmassen mit den erfindungsgemäßen Bindern werden zum Gießen von relativ
niedrig schmelzenden Nichteisenmetallen verwendet. Dazu werden
Gießformen aus Gießereiformmassen hergestellt, die als
Hauptmenge einen Formstoff und bis zu 40 Gewichtsprozent des
vorgenannten erfindungsgemäßen Binders enthalten. Anschließend wird das geschmolzene
Nichteisenmetall in die Gießform gegossen und dort entsprechend
abgekühlt. Die Gießform wird zur Verminderung der
Festigkeit des Binders während eines ausreichenden Zeitraums
mit einer entsprechenden Menge Wasser behandelt, und anschließend
wird der Gießling entformt.
Das zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Binder eingesetzte Aluminium-Bor-Phosphats enthält
3 bis 40, vorzugsweise 5 bis 30, insbesondere
10 bis 25 Grammatomprozent Bor, bezogen auf die Grammatome
Aluminium. Außerdem weist das Aluminium-Bor-Phosphat ein Verhältnis
der Grammatome von Phosphor zur Summe der Grammatome von
Aluminium und Bor von etwa 2 : 1 bis 4 : 1, vorzugsweise
2,5 : 1 bis 3,5 : 1, insbesondere etwa 2,8 : 1 bis 3,2 : 1, auf.
Das Aluminium-Bor-Phosphat wird im allgemeinen durch Umsetzen
einer Aluminiumoxid enthaltenden Komponente, einer Phosphor enthaltenden
Komponente und einer Bor enthaltenden Komponente hergestellt.
Vorzugsweise wird ein Verfahren angewandt, bei dem
die das Aluminiumoxid enthaltende Komponente vollständig gelöst
ist.
Als Phosphor enthaltende Komponente wird vorzugsweise Diphosphorpentoxid
oder etwa 70- bis etwa 86gewichtsprozentige, insbesondere
etwa 86gewichtsprozentige, Phosphorsäure eingesetzt.
Es können auch andere Phosphor enthaltende Komponenten, wie
Polyphosphorsäuren, eingesetzt werden.
Als borhaltige Komponente wird im allgemeinen Borsäure und/oder
Boroxid und/oder Metallborate, wie Alkalimetallborate, beispielsweise
Natriumborate Na₂B₄O₇ · 10 H₂O, verwendet. Gegenüber
Boroxid ist Borsäure bevorzugt, da die Säure im Vergleich zum
Oxid im allgemeinen leichter erhältlich und im vorliegenden Reaktionssystem
leichter löslich ist.
Das Aluminium-Bor-Phosphat wird vorzugsweise durch Umsetzen von
Phosphorsäure oder Diphosphorpentoxid, Aluminiumoxid, beispielsweise
in Form des Trihydrats Al₂O₃ · 3 H₂O, und Borsäure oder
Boroxid hergestellt.
Da die Umsetzung exotherm verläuft, genügt ein bloßes Vermischen
der Ausgangsverbindungen. Die Reaktion setzt ein, und die
Temperatur des Reaktionsgemisches steigt allmählich auf einen
Maximalwert von etwa 93 bis 110°C an. Nach Erreichen dieses
Werts wird vorzugsweise noch etwa eine halbe bis zwei Stunden
zur Vervollständigung der Reaktion auf eine Temperatur von etwa
105 bis 121°C erhitzt. Manchmal ist es auch zweckmäßig, die
Reaktion durch kurzzeitiges äußeres Erhitzen in Gang zu bringen.
Die Umsetzung erfolgt üblicherweise bei Atmosphärendruck,
jedoch können auch höhere oder niedrigere Drucke angewandt
werden. Die Umsetzung ist üblicherweise innerhalb etwa einer
bis vier Stunden, meist innerhalb etwa zwei bis drei Stunden,
beendet.
Die Menge des im Binder enthaltenen Aluminium-Bor-Phosphats beträgt
50 bis 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise 65 bis
90 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmenge von Aluminium-Bor-Phosphat
und Erdalkalimetallverbindungen. Die Menge der
Erdalkaliverbindungen beträgt 5 bis 50 Gewichtsprozent,
vorzugsweise 10 bis 35 Gewichtsprozent, bezogen auf die
Gesamtmenge des Aluminium-Bor-Phosphats und der Erdalkalimetallverbindungen.
Als Erdalkalimetallverbindung eignen sich erfindungsgemäß beliebige
Stoffe, die ein Erdalkalimetall und ein Oxid enthalten,
das zur Reaktion mit dem Aluminium-Bor-Phosphat befähigt ist.
Vorzugsweise werden freie Erdalkalimetalloxide oder -hydroxide
mit einer spezifischen Oberfläche von höchstens 3,5 m²/g, insbesondere
höchstens 3 m²/g, gemessen nach der BET-Methode, eingesetzt.
Freie Oxide bzw. Hydroxide mit einer spezifischen Oberfläche
von höchstens 8,5 m²/g sind bevorzugt, wenn die Binder
für Formmassen, beispielsweise zur Herstellung von feuerfestem
Baumaterial, Schleifmitteln sowie Kernen und Formen, verwendet
werden. Diese Oxide bzw. Hydroxide mit einer Oberfläche von
höchstens 8,5 m²/g sind deshalb bevorzugt, weil sie ausreichend
lange Verarbeitungszeiten ermöglichen, um in üblichen Mischern
vor dem Einfüllen in die Form bzw. das Modell genügend
vermischt zu werden. Wenn auch diese Oxide bzw. Hydroxide im
allgemeinen für übliche Mischer zu reaktiv sind, so sind sie
doch für schnelle Mischverfahren geeignet, z. B. für kontinuierliche
Mischvorgänge, die nur etwa 20 Sekunden für das Mischen
erfordern, oder sie können in den Fällen eingesetzt werden,
in denen eine rasche Härtung des Binders erwünscht ist
und/oder geduldet werden kann.
Stoffe, die ein Oxid oder Hydroxid und ein Erdalkalimetall in
chemischer oder physikalischer Kombination zusammen mit anderen
Bestandteilen enthalten, sind weniger reaktiv als die freien
Oxide und Hydroxide. Derartige Stoffe sind daher auch bei einer
Oberfläche von oberhalb 8,5 m²/g für Mischverfahren geeignet,
die etwa 2 bis 4 Minuten oder mehr erfordern.
Mit dem Oxid und dem Erdalkalimetall chemisch und/oder physikalisch
kombinierte andere Bestandteile liegen z. B. an der Oberfläche
der Oxidteilchen sorbiert oder in Form eines Überzugs
vor. Durch bloßes Vermischen dieser Stoffe mit einem freien
Oxid bzw. Hydroxid gelingt es dagegen nicht, deren Reaktivität
merklich zu erniedrigen.
Vorzugsweise weisen die eingesetzten Erdalkalimetallverbindungen
eine spezifische Oberfläche von höchstens 8,5 m²/g, insbesondere
höchstens 3 m²/g, auf. Üblicherweise beträgt die spezifische
Oberfläche mindestens 0,01 m²/g. Die spezifische Oberfläche
wird, falls nicht anders angegeben, nach der BET-Methode
(ASTM-D-3037-71T) unter Verwendung von 0,1 bis 0,5 g der
Erdalkalimetallverbindungen bestimmt. Beispiele für Erdalkalimetallverbindungen
sind Calciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumsilikate,
Calciumaluminate, Calciumaluminiumsilikate, Magnesiumsilikate
und Magnesiumaluminate. Ferner eignen sich Zirconate,
Borate und Titanate der Erdalkalimetalle. Vorzugsweise verwendet
man ein freies Erdalkalimetalloxid oder ein Gemisch aus
einem freien Erdalkalimetalloxid und einem Stoff, der das Erdalkalimetall
und das Oxid in Kombination mit einem anderen Bestandteil,
wie einem Calciumaluminat, enthält. Ein bevorzugtes
Erdalkalimetalloxid ist Magnesiumoxid.
Stoffe, die neben dem Oxid bzw. Hydroxid und dem Erdalkalimetall
weitere Komponenten enthalten, können unter Umständen als
Erdalkalimetalloxid liefernde Verbindungen betrachtet werden,
die das Erdalkalimetalloxid in das Bindersystem einbringen.
Als Magnesiumoxid eignen sich z. B. technische Magnesia- und
calcinierte Magnesiumoxidsorten.
Ein besonders bevorzugtes Calciumsilikat ist Wollastonit, ein
hochreines Mineral, das Calciumoxid und Siliciumdioxid in äquimolekularem
Verhältnis enthält. Technische Calciumaluminate
enthalten im allgemeinen etwa 15 bis 40 Gewichtsprozent Calciumoxid
und etwa 35 bis 80 Gewichtsprozent Aluminiumoxid, wobei
die Gesamtmenge von Calciumoxid und Aluminiumoxid mindestens
70 Gewichtsprozent beträgt. Es können auch Calciumaluminate mit
höherem Calciumoxidgehalt eingesetzt werden.
Gemische aus einem freien Erdalkalimetalloxid und einem Stoff,
der neben dem freien Oxid bzw. Hydroxid und dem Erdalkalimetall
andere Bestandteile aufweist, enthalten vorzugsweise etwa 1 bis
10 Gewichtsteile, insbesondere etwa 2 bis 8 Gewichtsteile,
freies Erdalkalimetalloxid pro 1 Gewichtsteil des andere Bestandteile
enthaltenden Stoffes. Vorzugsweise bestehen derartige
Gemische aus Magnesiumoxid und Calciumaluminaten. Das freie
Erdalkalimetalloxid, wie Magnesiumoxid, ist in derartigen Gemischen
in erster Linie für die schnelle Härtungsgeschwindigkeit
verantwortlich, während die andere Komponente, wie das Calciumaluminat,
hauptsächlich die Festigkeitseigenschaften der
hergestellten Form verbessert. Da das freie Metalloxid reaktiver
ist als die das Metalloxid liefernden Stoffe, beeinflussen
diese Stoffe im Gemisch mit dem Erdalkalimetalloxid die Härtungsgeschwindigkeit
nur wenig.
Um die Handhabung zu erleichtern, werden die Erdalkalimetallverbindungen
gegebenenfalls in Form einer Aufschlämmung
oder Suspension in einem flüssigen Verdünnungsmittel eingesetzt.
Beispiele für Verdünnungsmittel sind Alkohole, wie Äthylenglykol
und Furfurylalkohol, Ester, wie Äthylenglykolalkylätheracetate,
Kohlenwasserstoffe, wie Kerosin und geruchsloses
Ligroin, und aromatische Kohlenwasserstoffe sowie Gemische der
genannten Verdünnungsmittel. Gegebenenfalls werden die Aufschlämmungen
mit bis zu etwa 10 Prozent, vorzugsweise bis zu etwa
5 Prozent, eines Suspendiermittels, wie eines Montmorillonit-
Derivats, einer hochdispersen Kieselsäure oder einem hochmolekularen,
eine kolloidale Lösung bildenden Carboxyvinylpolymerisat,
versetzt, um die Aufschlämmung bzw. Suspension zu
stabilisieren.
Die Erdalkalimetallverbindungen und das Verdünnungsmittel werden
im allgemeinen in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1 : 3
bis 3 : 1, vorzugsweise etwa 1 : 2 bis 2 : 1, vermischt. Unpolare
Kohlenwasserstoffe ergeben im Vergleich zu anderen Verdünnungsmitteln
die besten Festigkeitseigenschaften des Binders.
Auch Alkohole, wie Äthylenglykol und Furfurylalkohol, sind vorteilhafte
Verdünnungsmittel, da sie die Verarbeitungszeit der
Gießereiformmasse erhöhen, ohne daß gleichzeitig die Entnahmezeit
entsprechend zunimmt. Bei Verwendung von Alkoholen, wie
Äthylenglykol und Furfurylalkohol, werden die Festigkeitseigenschaften
der Gießform jedoch etwas beeinträchtigt.
Als weitere Komponente enthalten die erfindungsgemäßen Binder
Wasser. Das Wasser kann entweder vollständig oder
teilweise dem Bindersystem als Träger für das Aluminium-Bor-Phosphat
zugeführt werden. Es kann jedoch auch als getrennter
Bestandteil zugesetzt werden. Die gewünschte Wassermenge kann
auch teilweise zusammen mit dem Aluminium-Bor-Phosphat und teilweise
in anderer Kombination zugeführt werden. Die Wassermenge
beträgt 18 bis 100 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 25
bis 67 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Bor-Phosphats.
Das Gemisch von Aluminium-Bor-Phosphat und Wasser weist im allgemeinen
eine Viskosität von etwa 100 bis 2000 cP, vorzugsweise
etwa 200 bis 1000 cP, auf.
Die für die Gießereiformmassen eingesetzten erfindungsgemäßen Binder
ermöglichen die Herstellung von Formkörpern, beispielsweise
Schleifmitteln, wie Schleifscheiben, Formen und feuerfesten
Werkstoffen, wie keramischen Werkstoffen, wobei die erhaltenen
Formkörper im Vergleich zu Formkörpern, die mit Bindern gleicher
Zusammensetzung, jedoch borfreiem Aluminiumphosphat, hergestellt
wurden, verbesserte physikalische Eigenschaften, wie
Zugfestigkeit, aufweisen. Eine Erhöhung der Zugfestigkeit wird
bei einem Borgehalt von 3 Grammatomprozent festgestellt. Zusätzlich
verbessert das Bor die Stabilität des gehärteten Formkörpers.
Die prozentuale Abnahme der Zugfestigkeit ist bei
einem Formkörper, der unter Verwendung des Bor enthaltenden
Aluminiumphosphats gemäß der Erfindung hergestellt wurde, nach
einer Lagerzeit von 48 Stunden im Vergleich zur Zugfestigkeit
nach einer Lagerzeit von 24 Stunden im allgemeinen geringer als
bei entsprechenden Formkörpern, zu deren Herstellung ein borfreies
Aluminiumphosphat eingesetzt wurde. Diese stabilisierende
Wirkung wird besonders dann festgestellt, wenn größere Mengen
Bor, beispielsweise etwa 10 bis 30 Prozent, bezogen auf die
Grammatome Aluminium, eingesetzt werden.
Darüber hinaus ist die Einführung von Bor in das Aluminiumphosphat
von besonderem Vorteil, weil sich dadurch die Reaktivität
des Aluminiumphosphats gegenüber den Erdalkalimetallverbindungen
in Gegenwart großer Mengen des Formstoffs ändert. Mit
zunehmendem Borgehalt im Aluminium-Bor-Phosphat nimmt dessen Reaktionsgeschwindigkeit
mit den Erdalkalimetallverbindungen in
Gegenwart des Formstoffs ab. Dies ist besonders deutlich bei
einem Borgehalt von wenigstens 10 Grammatomprozent, bezogen
auf die Grammatome Aluminium. Auf diese Weise ermöglicht die
Anwesenheit von Bor in Aluminiumphosphat die Härteeigenschaften
des Binders innerhalb gewisser Grenzen auf besondere Erfordernisse
bei bestimmten Anwendungen des Binders einzustellen.
Die Änderung der Härteeigenschaften, insbesondere bei Verwendung
eines freien Erdalkalimetalloxids, wurden jedoch bei Abwesenheit
großer Mengen Formstoff, wie Sand, nicht beobachtet.
Bei Abwesenheit des Formstoffs verläuft die Umsetzung zwischen
dem Aluminium-Bor-Phosphat und den freien Erdalkalimetallverbindungen
so rasch, daß eine mögliche Wirkung des Bors auf den
Härtungsvorgang nicht feststellbar ist bzw. deren Feststellung
keinen praktischen Wert besitzt.
Zusätzlich ermöglicht die Anwesenheit von Bor die Herstellung
von Aluminiumphosphatlösungen in Wasser, die im Vergleich zu
Bor-freien Aluminiumphosphatlösungen eine stark erhöhte Lagerstabilität
aufweisen. Diese erhöhte Lagerstabilität wird bei
einem Borgehalt von mindestens 5 Grammatomprozent, bezogen auf
die Grammatome Aluminium, deutlich festgelegt.
Der Binder kann noch andere Zusätze enthalten, die das Zusammenwirken
zwischen dem Aluminium-Bor-Phosphat den Erdalkalimetallverbindungen
und dem Wasser nicht beeinträchtigen.
Wenn der Binder in Formmassen zur Herstellung von Schleifmitteln,
wie Schleifscheiben, feuerfesten Werkstoffen, wie keramischen
Werkstoffen, normalen Sand enthaltenden Gießformen oder
Präzisionsgießformen verwendet wird, wird gleichzeitig ein entsprechender
Formstoff zugeschlagen.
Bei der Herstellung von normalen Sand enthaltenden Gießformen
weist der verwendete Formstoff eine so große Korngröße auf, daß
eine ausreichende Porosität der Gießform sichergestellt ist,
damit beim Gießvorgang flüchtige Stoffe aus der Gießform entweichen
können. Im allgemeinen weisen etwa 80 Gewichtsprozent,
vorzugsweise etwa 90 Gewichtsprozent, des für derartige Gießformen
verwendeten Formstoffs eine durchschnittliche Korngröße
von mindestens 0,100 mm, vorzugsweise 0,100 bis 0,290 mm, auf.
Als Formstoff für diese Gießformen wird vorzugsweise Sand eingesetzt,
der zu wenigstens 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise
wenigstens 85 Gewichtsprozent, aus Siliciumdioxid besteht. Andere
geeignete Formstoffe sind beispielsweise das Mineral
Zircon, Olivin, Aluminiumsilicatsand und Chromitsand.
Zur Herstellung von Präzisionsgießformen wird ein Formstoff
eingesetzt, dessen Hauptmenge, im allgemeinen mindestens
80 Prozent, vorzugsweise mindestens 90 Prozent, eine durchschnittliche
Korngröße von höchstens 0,100 mm, vorzugsweise
0,044 bis 0,074 mm, aufweist. Bevorzugte Formstoffe zur Herstellung
von Präzisionsgießformen sind geschmolzener Quarz,
Zirconsande, Magnesiumsilicatsande, wie Olivin, und Aluminiumsilicatsande.
Präzisionsgießformen unterscheiden sich von normalen Sand enthaltenden
Gießformen durch die Möglichkeit der dichteren Packung
des Formstoffs. Deshalb müssen Präzisionsgießformen vor
ihrer Verwendung erhitzt werden, um flüchtige Stoffe aus der
Gießform auszutreiben. Falls dies nicht geschieht, diffundieren
die während des Gießvorgangs gebildeten flüchtigen Stoffe
in das geschmolzene Metall, da die Gießform eine relativ niedrige
Porosität aufweist. Diese Diffusion flüchtiger Stoffe beeinträchtigt
die Oberflächenglätte des Gießlings.
Bei der Herstellung von feuerfesten Werkstoffen, wie keramischen
Werkstoffen, weist die Hauptmenge wenigstens 80 Gewichtsprozent,
vorzugsweise wenigstens 90 Gewichtsprozent, des
Formstoffs eine durchschnittliche Korngröße unter 0,074 mm
vorzugsweise von höchstens 0,044 mm, auf. Der zur Herstellung
von feuerfesten Werkstoffen eingesetzte Formstoff muß Härtungstemperaturen
über 815°C widerstehen, da die feuerfesten Werkstoffe
für ihren Einsatzzweck gesintert werden. Für diese Anwendung
geeignete Formstoffe sind beispielsweise schwer schmelzbare
Oxide, Carbide, Nitride und Silicide, wie Aluminium-,
Blei-, Chrom-, Zircon- und Siliciumoxid sowie Siliciumcarbid,
Titannitrid, Bornitrid, Molybdändisilicid und Kohlenstoff enthaltendes
Material, wie Graphit. Es können auch Gemische von
Formstoffen sowie Gemische von Metallen und keramischen Stoffen
eingesetzt werden.
Beispiele für Schleifkorn zur Herstellung von Schleifmitteln
sind beispielsweise Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid,
Korund, Granat und Schmirgel sowie deren Gemische. Die Größe
des Schleifkorns entspricht den üblichen Größen. Die unter Verwendung
des Binders der Erfindung hergestellten Schleifmaterialien
werden für die gleichen Zwecke eingesetzt wie übliche
Schleifmaterialien. Zusammen mit dem Schleifkorn können auch
andere anorganische Füllstoffe bei der Herstellung der Schleifmaterialien
verwendet werden. Vorzugsweise haben mindestens
85 Prozent, insbesondere mindestens 95 Prozent, der eingesetzten
organischen Füllstoffe eine durchschnittliche Korngröße
von höchstens 0,074 mm. Anorganische Füllstoffe sind beispielsweise
Kryolit, Flußspat und Siliciumdioxid. Der anorganische
Füllstoff wird im allgemeinen in Mengen von etwa 1 bis 30 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Gesamtgewicht von Schleifkorn
und anorganischem Füllstoff, eingesetzt.
Der Formstoff wird vorzugsweise in trockener Form zugesetzt,
kann jedoch auch kleine Mengen Feuchtigkeit bis zu etwa 0,3 Gewichtsprozent
oder mehr enthalten, bezogen auf das Gewicht des
Formstoffs. Dieser Feuchtigkeitsgehalt des Formstoffs kann
durch entsprechende Verringerung der Wassermenge ausgeglichen
werden, die im Laufe des Herstellungsverfahrens mit den anderen
Komponenten, wie dem Aluminium-Bor-Phosphat und den Erdalkalimetallverbindungen,
zugegeben wird.
Die Formmassen enthalten vorwiegend Formstoff und
nur zum geringen Teil Binder. In aus den
Gießereiformmassen hergestellten normalen Sand enthaltenden
Gießformen beträgt die Menge des Binders im allgemeinen
höchstens 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 0,5 bis 7 Gewichtsprozent,
insbesondere etwa 1 bis 5 Gewichtsprozent, bezogen
auf das Gewicht des Formstoffs.
In Formen und Kernen für Präzisionsgießverfahren sowie in
feuerfesten Werkstoffen beträgt die Menge des Binders im allgemeinen
höchstens 40 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 5 bis
20 Gewichtsprozent, bezogen auf die Menge des Formstoffs.
In Schleifmaterialien beträgt die Menge des Binders im allgemeinen
höchstens 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 5 bis
15 Gewichtsprozent, bezogen auf das Schleifmaterial oder das
Schleifkorn.
Der in den Gießereiformmassen eingesetzte
Binder wird in einem Zweipackungssystem angewandt, wobei eine
Packung das Aluminium-Bor-Phosphat und das Wasser und die andere
Packung die Erdalkalikomponente enthält. Man vermengt üblicherweise
zunächst den Formstoff mit der Erdalkalikomponente und
mischt dann den Inhalt der Boraluminiumphosphatpackung zu.
Nach gleichförmiger Verteilung des Binders im Formsand wird
die Gießereiformmasse in die gewünschte Form gebracht. Die Formmasse
kann gegebenenfalls weitere Bestandteile, wie Eisenoxid,
gemahlene Flachsfasern, Holzmehl, Ton und feuerfeste Stoffe,
enthalten.
Die Gießereiformmassen mit dem erfindungsgemäßen Binder härten bei Raumtemperatur
in einer chemischen Reaktion ohne äußeres Erhitzen aus. Die
Aushärtung erfolgt beispielsweise nach dem sogenannten "air
cure"- oder "no bake"-Mechanismus. Die Härtungstemperatur liegt
dabei gewöhnlich im Bereich von etwa 10 bis 50°C.
Die mit den Gießereiformmassen hergestellten
Gießformen weisen eine gute Riss- und Senkbeständigkeit zum
Entnahmezeitpunkt auf und lassen sich daher leicht handhaben
und können unmittelbar nach der Entnahme eingesetzt werden.
Außerdem weisen diese Gießformen im Vergleich zu Gießformen,
die andere anorganische Bindersysteme, wie Silikate, enthalten,
verbesserte Zerfalls- und Entformungseigenschaften beim Gießen
von relativ hoch schmelzenden Eisenmetallen, wie Eisen und
Stahl, die bei 1370°C gegossen werden auf. Zusätzlich ermöglicht
der in den Gießereiformmassen eingesetzte
Binder die Herstellung von Gießformen für relativ niedrig
schmelzende Nichteisenmetalle, wie Aluminium, Kupfer und
Kupferlegierungen, beispielsweise Messing. Die Temperaturen,
bei denen diese Metalle gegebenenfalls gegossen werden, reichen
in manchen Fällen nicht aus, um die Festigkeit des in den
Gießereiformmassen eingesetzten Binders so
weit herabzusetzen, daß der Gießling nur durch Anwendung einfacher
mechanischer Kräfte entformt werden kann, was bei üblichen
Anwendungen solcher Gießformen im allgemeinen erwünscht
ist. Jedoch ermöglichen die Gießereiformmassen
die Herstellung von Gießformen zum Gießen dieser Metalle,
vorzugsweise Aluminium, dadurch, daß zum Entformen des Gießlings
die Festigkeit der Gießform durch Auslaugen mit Waser
vermindert werden kann. Die Behandlung der Gießformen mit Wasser
erfolgt beispielsweise durch Tränken oder Besprühen. Es
wurde festgestellt, daß das Aussehen der Oberfläche von Aluminiumgießlingen,
die unter Verwendung von
Gießereiformmassen mit erfindungsgemäßen Bindern hergestellt wurden, sehr gut ist.
Die Gießereiformmassen mit den erfindungsgemäßen Bindern werden im allgemeinen in
folgenden Schritten zu Gießformen verarbeitet:
- (1) Einfüllen der Formmasse in eine Form oder ein Modell;
- (2) Belassen der erhaltenen Grünform bzw. des Grünkerns in der Form bzw. dem Modell bis zum Erlangen der Mindestentnahmefestigkeit (selbsttragend) und
- (3) Entnahme aus der Form bzw. dem Modell und Aushärten bei Raumtemperatur zu einer Gießform.
Die Beispiele erläutern die Erfindung. Alle Teile beziehen sich
auf das Gewicht, falls nichts anderes angegeben ist. In allen
Beispielen werden die Gießproben nach dem "No bake"-Verfahren
bei Raumtemperatur ausgehärtet, falls nichts anderes angegeben
ist.
Ein mit Rührer, Thermometer und Überdruckventil ausgerüstetes
Reaktionsgefäß wird unter Rühren mit etwa 38 000 Teilen einer
80prozentigen wäßrigen Phosphorsäurelösung, etwa 307 Teilen Borsäure
und etwa 7720 Teilen hydratisiertem Aluminiumoxid
beschickt. Das Reaktionsgemisch wird etwa 30 Minuten
auf etwa 49°C erhitzt und hierauf weitere 20 Minuten ohne
äußeres Erhitzen umgesetzt, wobei die Temperatur auf einen Maximalwert
von etwa 82°C steigt. Anschießend wird noch 70 Minuten
auf etwa 113°C erhitzt. Der Druck im Reaktonsgefäß steigt
auf einen Maximalwert von etwa 1,055 atü. Das Reaktionsgemisch
wird dann innerhalb etwa 45 Minuten auf etwa 68°C abgekühlt, wobei
gleichzeitig etwa 5900 Teile Wasser unter Rühren zugegeben
werden. Hierauf kühlt man das Reaktionsgemisch unter einem Druck
von etwa 76 Torr auf 28°C ab, bringt das System auf Normaldruck
und gewinnt so etwa 52 000 Teile eines borierten Aluminiumphosphats
mit einem Feststoffgehalt von 66,6 Prozent, einer Viskosität
von 250 bis 300 cP, einem Grammatomverhältnis von
Phosphor zur Gesamt-Grammatomzahl von Aluminium und Bor von
3 : 1 und einem Borgehalt von etwa 5 Grammatomprozent, bezogen
auf Grammatome Aluminium.
100 Teile Formsand und etwa 0,85 Teile einer Aufschlämmung von
0,4 Teilen Kerosin und 0,45 Teilen Magnesiumoxid mit einer Oberfläche
von etwa 2,3 m²/g werden etwa 2 Minuten vermischt. Der Sand
enthält 99,88 Prozent Siliciumdioxid, 0,02 Prozent Eisenoxid, 0,10
Prozent Aluminiumoxid, 0,15 Prozent Titandioxid, 0,01 Prozent Calciumoxid
und 0,005 Prozent Magnesiumoxid und besitzt folgende Korngrößenverteilung:
0,4 Prozent <420 µ, 11,2 Prozent <297 µ,
35,2 Prozent <210 µ, 37,4 Prozent <149 µ, 10,8 Prozent <105 µ,
4,0 Prozent <74 µ, 0,8 Prozent <63 µ, 0,8 Prozent <53 µ,
0,2 Prozent <44 µ und 66,92 Feingut (AFS). Das Gemisch wird mit
3,2 Teilen des borhaltigen Aluminiumphosphats versetzt und
2 Minuten gerührt.
Die erhaltene Gießereiformmasse wird mit der Hand zu Standard-
AFS-Zugfestigkeitsproben gestampft. Die Zugfestigkeit der
Prüfkörper beträgt bei Raumtemperatur nach 2 Stunden 5,27 kg/cm²,
nach 4 Stunden 7,38 kg/cm², nach 6 Stunden 9,84 kg/cm² und nach
24 Stunden 11,95 kg/cm². Die Verarbeitungszeit der Formmasse
beträgt 10 Minuten und die Entnahmezeit etwa 35 bis 40 Minuten.
Die Rißbeständigkeit zum Entnahmezeitpunkt ist sehr gut, nach
2 Stunden ausgezeichnet.
Das Verfahren von Beispiel 1 wird mit etwa 3,5 Gewichtsprozent,
bezogen auf den Formsand, derselben Binderzusammensetzung wiederholt.
Die erhaltene Gießereiformmasse wird zu Standard-AFS-
Zugfestigkeitsproben geformt, deren Zugfestigkeit bei Raumtemperatur
nach 2 Stunden 5,27 kg/cm², nach 4 Stunden 8,44 kg/cm²,
nach 6 Stunden 10,2 kg/cm² und nach 24 Stunden 11,6 kg/cm² beträgt.
Die Proben besitzen ausgezeichnete Rißbeständigkeiten nach
2 Stunden. Die Verarbeitungszeit der Masse beträgt 10 Minuten,
die Entnahmezeit etwa 40 bis 45 Minuten.
5000 Teile Formsand und 35 Teile eines 2,5 : 1-Gemisches aus
Magnesiumoxid und eines Calciumaluminiuminats mit einem Gehalt an
58 Prozent Aluminiumoxid und 33 Prozent Calciumoxid werden etwa
2 Minuten miteinander vermischt, dann mit 165 Teilen einer
66prozentigen wäßrigen Aluminiumphosphatlösung versetzt, die
gemäß Beispiel 1 hergestellt worden ist, und schließlich 2 Minuten
gerührt.
Die erhaltene Gießereiformmasse wird zu Standard-AFS-Zugfestigkeitsproben
geformt, deren Zugfestigkeit bei Raumtemperatur nach
24 Stunden 11,95 kg/cm² beträgt. Die Verarbeitungszeit der Formmasse
beträgt 10 Minuten, die Entnahmezeit 30 Minuten. Die Rißbeständigkeit
zum Entnahmezeitpunkt ist sehr gut, nach 2 Stunden
ausgezeichnet.
Das Verfahren von Beispiel 3 wird unter Verwendung von 30 Teilen
des Magnesiumoxid-Calciumaluminat-Gemisches wiederholt. Die
erhaltenene Gießereiformmasse wird zu Standard-AFS-Zugfestigkeitsproben
geformt, deren Zugfestigkeit bei Raumtemperatur nach
2 Stunden 5,63 kg/cm², nach 4 Stunden 11,25 kg/cm², nach
6 Stunden 12.55 kg/cm² und nach 24 Stunden 13,8 kg/cm² beträgt.
Die Verarbeitungszeit beträgt 15 Minuten, die Entnahmezeit
45 Minuten.
Die folgenden Beispiele 5 bis 9 erläutern den Einfluß der Oberfläche
bei Verwendung von freien Oxiden als Erdalkalimaterialien.
5000 Teile Quarzsand und 25 Teile Magnesiumoxid mit einer Oberfläche
von etwa 2,3 m²/g werden etwa 2 Minuten vermischt. Hierauf
gibt man 165 Teile einer 66prozentigen Aluminiumphosphatlösung
zu, die gemäß Beispiel 1 hergestellt worden ist, und rührt
das Gemisch 2 Minuten. Die erhaltene Gießereiformmasse besitzt
eine Verarbeitungszeit von 10 bis 20 Minuten.
Das Verfahren von Beispiel 5 wird unter Verwendung eines Magnesiumoxids
mit einer Oberfläche von etwa 1,4 m²/g sowie einem
Aluminiumphosphat mit einem Borgehalt von 10 Grammatomprozent,
bezogen auf Grammatome Aluminium, wiederholt. Die Verarbeitungszeit
der Gießereiformmasse beträgt etwa 15 Minuten.
Das Verfahren von Beispiel 6 wird unter Verwendung eines Magnesiumoxids
mit einer Oberfläche von etwa 35,2 m²/g wiederholt.
Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt weniger als 2 Minuten,
so daß sehr schnell vermischt werden muß.
Das Verfahren von Beispiel 6 wird unter Verwendung eines Magnesiumoxids
mit einer Oberfläche von etwa 61,3 m²/g wiederholt.
Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt weniger als 2 Minuten,
so daß ein relativ schnelles Mischverfahren erforderlich ist.
Das Verfahren von Beispiel 5 wird unter Verwendung eines Magnesiumoxids
mit einer Oberfläche von etwa 8,2 m²/g wiederholt, das
durch 24stündiges Calcinieren von Michigan 1782 bei 1000°C hergestellt
worden ist. Ferner wird ein Aluminiumphosphat mit einem
Borgehalt von 30 Grammatomprozent, bezogen auf Grammatome Aluminium,
eingesetzt. Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt
2 bis 4 Minuten, so daß ein übliches Mischverfahren angewandt
werden kann. Für manche Anwendungsbereiche könnte jedoch die
Verarbeitungszeit etwas knapp bemessen sein.
In Tabelle I ist der Einfluß des Borgehalts auf die Verarbeitungs-
und Entnahmezeit von Gießereiformmassen erläutert. Die
Formmassen werden durch etwa 2minütiges Vermischen von 5000 Teilen
Quarzsand und der in Tabelle I genannten Menge eines
2,5 : 1-Gemisches von Magnesiumoxid und eines Calciumaluminats
mit einem Gehalt an 58 Prozent Aluminiumoxid und 33 Prozent
Calciumoxid hergestellt. Das Gemisch wird dann mit 165 Teilen
der in Tabelle I genannten Aluminiumphosphatlösungen versetzt,
die in einem Grammatomverhältnis von Phosphor zur Gesamt-
Grammatomzahl von Aluminium und Bor von 3 : 1 hergestellt
worden sind.
Bei der Prüfung der Lagerbeständigkeit der verschiedenen Aluminiumphosphatlösungen
zeigt sich, daß sich bei Borgehalten von 0,
1 bzw. 3 Grammatomprozent erst nach 14tägiger Lagerung ein geringer
Niederschlag bildet. Die übrigen Aluminiumphosphatlösungen
bleiben klar.
Die verschiedenen hergestellten Gießereiformmassen werden zu
Standard-AFS-Zugfestigkeitsproben geformt. Die nach 24 bzw.
48 Stunden bei Raumtemperatur erzielten Zugfestigkeitswerte
sind in den Tabellen II und III wiedergegeben. Es zeigt sich,
daß borhaltige Aluminiumphosphate im allgemeinen bessere Zugfestigkeitswerte
ergeben. Ferner wird deutlich, daß die Zugfestigkeit
im allgemeinen mit steigendem Borgehalt zunimmt,
wenn auch einige Werte durch experimentelle Fehler etwas aus der
Reihe fallen.
Aus Tabelle IV geht die durch Zusatz von Bor verbesserte Lagerstabilität hervor.
Die folgenden Beispiele 12 und 13 erläutern die gegenüber bekannten anorganischen Bindern verbesserte Riß- und Senkbeständigkeit
bei der Entnahme der Gießform.
20 000 Teile Formsand und 200 Teile eines Gemisches aus 60 Teilen
Kerosin, 85,6 Teilen Magnesiumoxid und 34,4 Teilen Calciumaluminat
mit einem Gehalt an 58 Prozent Aluminiumoxid und 33 Prozent
Calciumoxid werden etwa 2 Minuten vermischt. Hierauf versetzt man
das Gemisch mit 660 Teilen einer gemäß Beispiel 1 hergestellten
66prozentigen wäßrigen Aluminiumphosphatlösung mit einer Viskosität
von 250 bis 300 cP, einem Grammatomverhältnis von Phosphor
zur Gesamt-Grammatomanzahl von Aluminium und Bor von 3 : 1 und
einem Borgehalt von etwa 10 Grammatomprozent, bezogen auf
Grammatome Aluminium. Das Gemisch wird dann noch 2 Minuten gerührt.
Die erhaltene Gießereiformmasse wird dann zu
10,16 × 10,16 × 45,72-cm-Sandkernen mit einem Gewicht von etwa
8,62 kg geformt. Die Verarbeitungszeit beträgt 10 Minuten, die
Entnahmezeit 45 Minuten. Die Rißbeständigkeit der Kerne zum Entnahmezeitpunkt
beträgt 85 bis 90, nach 1 Stunde 90 bis 95.
Drei Kerne werden nach dem Ausheben horizontal auf die Kante
eines Labortisches gelegt, so daß 15,24 cm über den Tisch hinausragen.
Nach 1stündigem Belassen der Kerne in dieser Stellung
ist lediglich ein Absenken von der Horizontalen von nicht mehr als
1,59 mm meßbar. Weitere Senktests werden so durchgeführt, daß
jeweils drei Kerne entweder an den Kernenden gestützt und in
der Mitte nicht gestützt bzw. in der Mitte gestützt und an den
Enden nicht gestützt sind. Ferner werden senkrecht aufgerichtete
Kerne geprüft, die auf ihrer 10,16 × 10,16 cm großen Grundfläche
stehen. An keinem der Kerne ist eine bemerkenswerte Senkung
festzustellen; auch nach 24stündigem Stehen tritt keine Absackung
auf. Daneben werden 6 Kerne hergestellt, und sofort bei
der Entnahme in Plastiktüten eingeschlagen. Drei Kerne werden
an den Enden horizontal gelagert, während die anderen Kerne horizontal
im Zentrum gelagert werden. Einige Kerne zeigen innerhalb
der ersten Stunde eine geringe Senkung.
Ferner werden zwei 10,16 × 10,16 × 45,72-cm-Kerne hergestellt,
in die 7,62 cm von jedem Ende entfernt in etwa 5,08 cm Tiefe
Haken eingebracht werden. Einer der Kerne wird nach 30 Minuten
ausgehoben und an einem Ende in horizontaler Lage aufgehängt.
Der Kern sackt ab und bricht nach 3 Minuten. Der andere Kern
wird nach 45 Minuten ausgehoben und sofort an beiden Enden in
horizontaler Stellung aufgehängt. Er bleibt ohne sichtbares Absenken
24 Stunden in dieser Stellung.
Ein 18,9 Liter fassendes Gefäß wird mit der Formmasse gefüllt.
Hierauf führt man in das Kernzentrum in 10,16 cm Tiefe einen
Haken ein und hängt das Ganze bei einer Entnahmezeit von 45 Minuten
auf. Das Gesamtgewicht beträgt 33,1 kg. Nach 24 Stunden
ist der Haken nicht aus dem Kern ausgebrochen. Auch bei 5minütigem
Anhängen von weiteren 77,1 kg ist kein Schaden feststellbar.
Schließlich werden Standard-Zugfestigkeitsprüfkörper dadurch
hergestellt, daß man die Formmassen vermischt und die Prüfkörper
5, 10 bzw. 17 Minuten nach dem Vermischen entnimmt. Sofort
nach dem Vermischen hergestellte Prüfkörper besitzen nach 16
bis 18 Stunden eine Zugfestigkeit von 14,45 kg/cm², während die
nach 10 Minuten entnommenen Prüfkörper eine Zugfestigkeit von
11,25 kg/cm² und die nach 17 Minuten hergestellten Prüfkörper
eine Zugfestigkeit von 4,22 kg/cm² besitzen. Der Zugfestigkeitsabfall
nach 5minütigem Mischen zeigt an, daß der Binder etwas zu
schnell reagiert. Außerdem werden die Kerneigenschaften bei der
Lagerung etwas beeinträchtigt. Nach 4 Tagen liegt z. B. die mittlere
Ritzhärte der Kerne bei 70.
10 000 Teile Formsand und 42 Teile eines organischen Esterhärters
werden etwa 2 Minuten vermischt, dann mit 350 Teilen eines
Natriumsilikatbinders mit einem Verhältnis von Siliciumdioxid
zu Natriumoxid von 2,4 : 1 versetzt und schließlich 2 Minuten
gerührt. Die Formmasse besitzt eine Verarbeitungszeit von 20
Minuten und eine Entnahmezeit von 45 Minutzen. Die Rißbeständigkeit
der Kerne beträgt zum Entnahmezeitpunkt nur 9 bis 10 und nach
3stündiger Lagerung etwa 80 bis 90. Die Formmasse wird zu 10,16 ×
10,16 × 45,72-cm-Sandkeernen mit einem Gewicht von etwa 8,62 kg geformt.
Drei Kerne werden nach der Entnahme horizontal auf die Kante
eines Labortisches gelegt, so daß sie 15,24 cm über den Tisch
hinausragen. Die Kerne sacken 1,27 bis 1,9 cm von der Horizontalen
ab. Weitere Senkungstests werden mit jeweils drei Kernen durchgeführt,
wobei man entweder die Enden oder das Mittelteil auflagert
bzw. die Kerne senkrecht auf ihre 10,16 × 10,16 cm große Grundfläche
stellt. Hierbei zeigt sich, daß die Kerne nach 1 Stunde
mindestens 1,27 cm von der Horizontalen absacken und in einem
Fall der Kern vollständig zerbricht. Der senkrecht aufgerichtete
Kern setzt sich etwas, wobei sich in der Mittel eine leichte Ausbeulung
bildet. Die Rißbeständigkeit der Kerne beträgt nach 1
Stunde 30 bis 40. Ferner werden drei Kerne hergestellt, sofort
nach der Entnahme in Plastiktüten eingeschlagen und horizontal
sowohl an den Enden als auch im Zentrum aufgelagert. Die Senkung
beträgt etwa 0,635 bis 1,9 cm, d. h. weit mehr als bei der Formmasse
aus Beispiel 12.
Ein Vergleich der Beispiele 12 und 13 zeigt, daß die erfindungsgemäßen
Binder gegenüber bekannten anorganischen Bindern verbesserte
Riß- und Senkbeständigkeit bei der Entnahme ermöglichen.
Außerdem ist die relative Härte der erfindungsgemäß hergestellten
Kerne höher, so daß sie sich leichter handhaben lassen als
z. B. aus Natriumsilikatbindern hergestellte Kerne.
5000 Teile Formsand und 50 Teile eines Sumpfes aus 20 Teilen
eines geruchslosen Schwerbenzins (Flammpunkt 53,3°C, Siedebereich
180 bis 204°C) und 30 Teilen eines Gemisches von Magnesiumoxid
und Calciumaluminat, das 58 Prozent Aluminiumoxid und 33 Prozent
Calciumoxid enthält, wobei Magnesiumoxid und Calciumaluminat
im Verhältnis 5 : 1 vorliegen, werden etwa Minuten gemischt.
Das Gemisch wird mit 165 Teilen einer 67prozentigen wäßrigen Boraluminiumphosphatlösung
mit einem Verhältnis der Grammatome von
Phosphor zur Summe der Grammatome von Aluminium und Bor von
3 : 1 und einem Borgehalt von etwa 20 Grammatomen, bezogen auf
die Grammatome Aluminium, versetzt und 2 Minuten gerührt.
Aus der erhaltenen Gießereiformmasse werden auf übliche Weise
AFS-Zugfestigkeitsproben hergestellt. Die Zugfestigkeit der
Prüfkörper beträgt nach 2 Stunden etwa 5,27, nach 24 Stunden
etwa 13,7, nach 48 Stunden etwa 13,2 und nach 120 Stunden etwa
13,0 kg/cm². Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt 17 Minuten
und die Entnahmezeit 66 Minuten. Die Rißbeständigkeit zum
Entmahmezeitpunkt ist sehr gut.
Beispiel 14 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung von 20
Teilen Schwerbenzin mit einem Flammpunkt von 40,6°C und einem
Siedebereich von 157-192°C.
Aus der erhaltenen Gießereiformmasse werden in üblicher Weise
ASF-Zugfestigkeitsproben hergestellt. Die Zugfestigkeit der
Prüfkörper beträgt bei Raumtemperatur nach 2 Stunden etwa 4,92,
nach 24 Stunden etwa 13,2, nach 48 Stunden etwa 13,9 und nach
120 Stunden etwa 11,2 kg/cm². Die Verarbeitungszeit der Formmasse
beträgt 16 Minuten und die Entnahmezeit 62 Minuten. Die
Rißbeständigkeit zum Entnahmezeitpunkt ist sehr gut.
Beispiel 14 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung eines
handelsüblichen Lösungsmittels mit einem Flammpunkt von 149°C
und einem Siedebereich von 299 bis 360°C. Die Zugfestigkeit der
Prüfkörper beträgt bei Raumtempertur nach 2 Stunden etwa 5,27,
nach 12 Stunden etwa 14,3, nach 48 Stunden etwa 14,6 und nach
120 Stunden etwa 10,2 kg/cm². Die Verarbeitungszeit der Formmasse
beträgt 18 Minuten und die Entnahmezeit 64 Minuten. Die Rißbeständigkeit
zum Entnahmezeitpunkt ist sehr gut.
Beispiel 14 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung eines handelsüblichen
Lösungsmittels mit einem Flammpunkt von 60,0°C und
einem Siedebereich von 182 bis 199°C. Die Zugfestigkeit der Prüfkörper
beträgt nach 2 Stunden etwa 6,12, nach 12 Stunden etwa
12,9, nach 48 Stunden etwa 13,9 und nach 120 Stunden etwa 11,5 kg/cm².
Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt 18 Minuten und
die Entnahmezeit 61 Minuten. Die Rißbeständigkeit zum Entnahmezeitpunkt
ist sehr gut.
Beispiel 14 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung von Kerosin
mit einem Flammpunkt von 48,9°C und einem Siedebereich von 171
bis 277°C. Die Zugfestigkeit der Prüfkörper beträgt nach 2 Stunden
etwa 6,54, nach 4 Stunden etwa 11,9, nach 6 Stunden etwa 14,1,
nach 12 Stunden etwa 14,7 und nach 96 Stunden etwa 9,5 kg/cm².
Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt 16 Minuten und die
Entnahmezeit 60 Minuten. Die Rißständigkeit zum Entnahmezeitpunkt
ist sehr gut.
Ein mit einem Rührer, einem Thermometer und einem Rückflußkühler
ausgerüstetes Reaktionsgefäß wird mit 2445 Teilen 85prozentiger
Phosphorsäure beschickt. Dann werden unter Rühren 67 Teile
Natriumborat zugegeben und das Rühren bis zur Bildung einer klaren
Lösung fortgesetzt. Diese Lösung wird unter Rühren mit 540
Teilen hydratisiertem Aluminiumoxid versetzt. Die Umsetzung verläuft
während eines Zeitraums von etwa 40 Minuten, wobei durch
die exotherme Reaktion die Temperatur auf maximal etwa 104°C
steigt. Durch zusätzliches Erwärmen wird die Temperatur auf
117°C erhöht und 2 Stunden auf diesem Wert gehalten, um
einen vollständigen Ablauf
der Umsetzung sicherzustellen. Nach dem Abkühlen des Reaktionsgemisches
auf Raumtemperatur werden 3052 Teile eines Boraluminiumphosphats
mit einem Festkörpergehalt von 75 Prozent, einer Viskosität
von etwa 40 000 cP, einem Verhältnis der Grammatome von
Phosphor zur Summe der Grammatome von Aluminium und Bor von 3 : 1
und einem Borgehalt von etwa 10 Grammatomprozent, bezogen auf
die Grammatome Aluminium, erhalten.
5000 Teile Formsand und 30 Teile eines Gemisches von Magnesiumoxid
und einem Calciumaluminat mit 58 Prozent Aluminiumoxid und
33 Prozent Calciumoxid, wobei Magnesiumoxid und Calciumaluminat
im Verhältnis von 2,5 : 1 vorliegen, werden etwa 2 Minuten gemischt.
Das Gemisch wird mit 165 Teilen einer Lösung (66 Prozent
Festkörper; Viskosität 400 bis 500 cP) von 146,5 Teilen des vorstehend
erhaltenen Boraluminiumphosphats in 18,5 Teilen Wasser
versetzt und dann 2 Minuten gerührt.
Die erhaltene Gießereiformmasse wird mit der Hand zu Standard-
AFS-Zugfestigkeitsproben gestampft. Die Zugfestigkeit der Prüfkörper
beträgt bei Raumtemperatur nach 2 Stunden 8,8, nach 4
Stunden 11,6 nach 6 Stunden 11,2 und nach 24 Stunden 8,4 kg/cm².
Die Kernhärte der Prüfkörper wird auf einem Kernhärte-Prüfgerät
Nr. 674 (Lieferant: H. W. Dietert Co., Detroit, Michigan) gemessen
und beträgt nach 2 Stunden 75, nach 4 Stunden 72, nach 6
Stunden 74 und nach 24 Stunden 65. Die Verarbeitungszeit der
Formmasse beträgt 13 Minuten und die Entnahmezeit 42 Minuten.
Beispiel 19 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung eines nichtborierten
Aluminiumphosphats, das die gleiche Menge Natrium (10
Grammatomprozent, bezogen auf Aluminium) enthält wie das in Beispiel 19
eingesetzte Boraluminiumphosphat. Das Natrium wird dem
Binder der Gießereiformmasse durch Zusatz einer entsprechenden
Menge Trinatriumphosphat bei der Herstellung des Aluminiumphosphats
einverleibt.
Die erhaltene Gießereiformmasse wird mit der Hand zu Standard-
AFS-Zugfestigkeitsproben gestampft. Die Zugfestigkeit der Prüfkörper
beträgt bei Raumtemperatur nach 2 Stunden 9,14, nach 4
Stunden 11,2 und nach 24 Stunden 3,5 kg/cm². Die Kernhärte beträgt
nach 2 Stunden 80, nach 4 Stunden 78 und nach 24 Stunden
52. Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt 9 Minuten und die
Entnahmezeit 28 Minuten.
Beispiel 19 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung eines Boraluminiumphosphats
mit einem Gehalt von je 20 Grammatomprozent
Bor und Natrium, bezogen auf das Aluminium.
Die Zugfestigkeit der Prüfkörper beträgt bei Raumtemperatur nach
2 Stunden etwa 7,0, nach 4 Stunden etwa 10,9, nach 6 Stunden etwa
7,7 und nach 24 Stunden etwa 4,6 kg/cm². Die Kernhärte beträgt
nach 2 Stunden 58, nach 4 Stunden 77, nach 6 Stunden 50 und nach
24 Stunden 32. Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt 15 Minuten
und die Entnahmezeit 38 Minuten.
Beispiel 21 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung eines nichtborierten
Aluminiumphosphats mit dem gleichen Gehalt an Natrium
wie das in Beispiel 21 eingesetzte Boraluminiumphosphat. Das Natrium
wird dem Binder der Formmasse durch Zusatz von Trinatriumphosphat
bei der Herstellung des Aluminiumphosphats einverleibt.
Die Zugfestigkeit der Prüfkörper beträgt bei Raumtemperatur nach
2 Stunden etwa 7,0, nach 4 Stunden etwa 10,5 und nach 24 Stunden
etwa 2,8 kg/cm². Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt 8
Minuten und die Entnahmezeit 22 Minuten. Die Kernhärte beträgt
nach 2 Stunden 74, nach 4 Stunden 70 und nach 24 Stunden 42.
Beispiel 19 wird wiederholt, jedoch unter Verwendung eines
nicht-borierten Aluminiumphosphats, das 3 Grammatome Phosphor
pro Grammatom Aluminium enthält und natriumfrei ist.
Die Zugfestigkeit der Prüfkörper beträgt bei Raumtemperatur nach
2 Stunden etwa 6,7, nach 4 und 6 Stunden jeweils 10,5 und nach
24 Stunden 6,7 kg/cm². Die Verarbeitungszeit der Formmasse beträgt
12 Minuten und die Entnahmezeit 35 Minuten. Die Kernhärte
beträgt nach 2 Stunden 73, nach 4 Stunden 69, nach 6 Stunden 70
und nach 24 Stunden 66.
Ein Vergleich der Beispiele 19 und 20 bzw. 21 und 22 zeigt, daß
die Kernhärte der Gießformen aus Gießereiformmassen mit erfindungsgemäßem Binder im Vergleich
zu den unter Verwendung von nicht-boriertem Aluminiumphosphat
hergestellten Gießformen verbessert ist, was
durch die Werte für die Zugfestigkeit nach 24 Stunden Lagerzeit verdeutlicht
wird. Wie ein Vergleich der Beispiele 20, 22 und 23
zeigt, ist die durch die Anwesenheit von Bor im Aluminiumphosphat
erreichte Verbesserung der Kernhärte nicht so stark ausgeprägt,
wenn der Binder auch Natrium enthält, da das Natrium die
entsprechenden Eigenschaften verschlechtert. Trotzdem ist auch
in natriumhaltigen Formmassen die Anwesenheit von Bor vorteilhaft.
Es kann auch zu einem anderen Zweck, beispielsweise zur
Verbesserung des Verhältnisses von Entnahmezeit und Verarbeitungszeit
der Formmasse, die Anwesenheit von Natrium erwünscht sein.
10 000 Teile Formsand und 70 Teile eines Gemisches aus Magnesiumoxid
und einem Calciumaluminat mit 58 Prozent Aluminiumoxid und
33 Prozent Calciumoxid, wobei Magnesiumoxid und Calciumaluminat
in einem Verhältnis von 2,5 : 1 vorliegen, werden etwa 2 Minuten
gemischt. Das Gemisch wird mit 330 Teilen einer gemäß Beispiel 1
hergestellten Aluminiumphosphatlösung (66 Prozent Festkörper;
Viskosität 250 bis 300 cP) mit einem Verhältnis der Grammatome
von Phosphor zur Summe der Grammatome von Aluminium und Bor von
3 : 1 und etwa 20 Grammatomprozent Bor, bezogen auf die Grammatome
Aluminium, versetzt und dann 2 Minuten gerührt.
Die erhaltene Gießereiformmasse wird zu einem scheibenförmigen
Sandkern mit 17,8 cm Durchmesser und 6,35 cm Dicke geformt. Der
scheibenförmige Sandkern weist beiderseits an seiner Achse Kernmarken
mit je einem Durchmesser von 3,17 cm und einer Dicke von
1,27 cm auf. Der Sandkern wird in eine Sandform mit einem scheibenförmigen
Hohlraum von 20,3 cm Durchmesser, 8,9 cm Höhe, einer
Öffnung von 3,17 cm an den Achsen und einer entsprechenden Öffnung
zum Eingießen des Metalls gebracht. Der Sandkern wird innerhalb
der Form durch die Kernmarken in seiner Lage gehalten. Nach
dem Eingießen von geschmolzenem Aluminium mit einer Temperatur von
816°C läßt man während 24 Stunden das Metall auf Raumtemperatur
abkühlen. Anschließend wird die Form durch etwa 4 Hammerschläge
mechanisch gebrochen, wobei etwa die Hälfte des Sandkerns entfernt
wird. Nachdem die Form etwa eine halbe Stunde bei Raumtemperatur
in Wasser gelegt wurde, wird der Rest des Sandkerns beseitigt.
Man erhält einen hohlen Aluminiumgießling.
Claims (3)
1. Bindemittel für Gießereiformmassen, bestehend aus
- (a) 50 bis 95 Gew.-% eines Aluminium-Bor-Phosphats mit einem Borgehalt von 3 bis 40 Grammatomprozent, bezogen auf die Grammatome Aluminium, und mit einem Grammatomverhältnis von Phosphor zur Gesamt-Grammatomanzahl von Aluminium und Bor von etwa 2 : 1 bis 4 : 1, das hergestellt wurde durch Umsetzen von Phosphorsäure oder Phosphorpentoxid mit einem Aluminiumoxid sowie Borsäure oder Boroxid,
- (b) 5 bis 50 Gew.-% eines Erdalkalimetalloxids und/oder eines Erdalkalimetallhydroxids mit einer Oberfläche von höchstens 8,5 m²/g sowie
- (c) 18 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Menge von (a), Wasser.
2. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetalloxid Magnesiumoxid
ist.
3. Verwendung der Bindemittel nach Anspruch 1 und 2 für Gießereiformmassen
zum Gießen von relativ niedrig schmelzenden
Nichteisenmetallen.
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