DE2641249A1

DE2641249A1 - Bindemittelzusammensetzungen

Info

Publication number: DE2641249A1
Application number: DE19762641249
Authority: DE
Inventors: Raymond Douglas George; Andries Kraak
Original assignee: Foseco International Ltd; Cooperative Avebe UA
Current assignee: Foseco International Ltd; Cooperative Avebe UA
Priority date: 1975-09-15
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1977-03-31
Also published as: FR2323466A1; US4070196A; ATA683376A; AT346508B; DE2660613C2; BR7606063A; IN148044B; NL183028B; NL7610279A; AU1772176A; AR211782A1; FR2323466B1; IT1068750B; MX143816A; AU502546B2; CA1065103A; DE2641249B2; NL183028C

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

S KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90

Köln, den 3. September 1976 162

Foseco International Limited/ Long Acre, Nechells, Birmingham B7 5JR (Großbritannien)

Co-Operätieve Verkööp-en Productievereniging van Aardappelmeel en Derivaten "Avebe" G.A., Beneden, Oosterdiep 27, Veehdam (Niederlande)

Bindemittelzusammensetzungen

Die vorliegende Erfindung betrifft Alkalisilikat-Bindemittelzusammensetzungen zur Herstellung von Gießformen und -kernen.

Es ist allgemein üblich, wässrige Alkalisilikatlösungen, insbesondere Natriumsilikatlösungen, als Bindemittel für Sand zur Herstellung von Gießformen und -kernen zu verwenden. Die Lösungen enthalten gewöhnlich Ao bis 5o Gew.% Natriumsilikat mit einem SiO-iNa-O-Verhältnis von 2,o:1 bis 3,o:1. Gemäß einer Arbeitsweise wird die Natriumsilikatlösung mit Sand gemischt und aus der resultierenden Mischung eine Form oder ein Kern gebildet. Kohlenstoffdioxidgas wird dann durch die Form oder den Kern geblasen, wobei aufgrund der chemischen Reaktion zwischen dem Natriumsilikat und dem Kohlenstoffdioxid sich eine gebundene Form bzw. Kern ergibt. Gemäß einem anderen Verfahren wird ein sogannter Härter, der beispielsweise aus einer Mischung von Diacetin und Triacetin besteht, mit Natriumsilikat und Sand gemischt und die so gebildete Mischung zu einer Form oder einem Kern geformt, die beim Stehen aufgrund der chemischen Reaktion zwischen dem Härter und dem Natriumsilikat erhärtet.

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Ein Nachteil von beiden Arbeitsweisen besteht darin, daß nach dem Gießen die Formen und Kerne schwierig auszuleeren und von dem verfestigten Gießmetall zu entfernen sind. Dies kann insbesondere im Falle von Kernen mit komplexer Gestalt und dann, wenn die Formen und Kerne zur Herstellung von Gießlingen aus Metallen verwendet werden, die bei hohen Temperaturen vergossen werden, wie beispielsweise Stahlgießlinge, nachteilig sein. Dementsprechend wurden zahlreiche Vorschläge in der Vergangenheit gemacht, um zu der Mischung von Sand und Natriumsilikat Zusätze, sogenannte Zerfallszusätze hinzuzufügen, die die Zerfallsneigung der Sandform oder des Sandkerns nach dem Gießen unterstützen.

Beispiele von Zerfallszusätzen, die verwendet wurden, umfassen Kohlenstaub und Kohlenhydrate wie Zellulosematerialien, beispielsweise Holzmehl, Stärke, Stärkederivate, beispielsweise Stärkehydrolysate und Zucker, beispielsweise Rohrzucker und Dextrose.

Wenn Zerfallszusätze verwendet werden, ist es vorteilhaft, wenn sie mit der Natriumsilikatlösung vermischt oder in dieser gelöst werden können, da dann eine Homogenisierung der Sand-Bindemittel-Mischung schneller erreicht und der Herstellungsvorgang für den Kern oder die Form vereinfacht und weitergehend automatisiert werden kann.

Wenn der Zerfallszusatz in die Natriumsilikatlösung eingearbeitet werden muß, ist es jedoch wünschenswert, daß die Lösung bei der Aufbewahrung vorzugsweise für drei Monate oder mehr beständig bleibt. Unglücklicherweise reagieren bestimmte Kohlenhydratmaterialien, die als Zerfallszusätze verwendet wurden, beispielsweise reduzierende Zucker wie Glycose, mit der hochalkalischen Natriumsilikatlösung und werden in ein schwarzes unlösliches Produkt überführt. Zur gleichen Zeit

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steigt die Viskosität der Lösung und die Lösung wird eventuell fest aufgrund des Verbrauchs von Natriumhydroxid und des daraus folgenden Anstiegs im Siliciumoxid/Natriumoxid-Verhältnis des Natriumsilikats.

Nicht reduzierende Zucker wie Rohrzucker sind wirksame Zerfallszusätze und führen zu beständigen Lösungen, wenn sie zu Natriumsilikatlösungen zugesetzt werden. Jedoch besitzen sie andere Nachteile, da die Formen und Kerne, die aus einem Rohrzucker enthaltenden silikatgebundenen Sand hergestellt sind, hygroskopisch sind. Wenn Formen und Kerne, insbesondere in einer feuchten Atmosphäre aufbewahrt werden, werden sie an ihren Kanten zerstört, werden brüchig und schwach.

Es wurde nun geftmden, daß eine beständige Bindemittellösung, die Formen und Kerne aus Sand mit guten Brucheigenschaften ergibt, die bei der Lagerung nicht zerstört werden, durch Mischen einer Alkalisilikatlösung und eines stabilisierten Stärkehydrolysats mit einem Dextrose-Äquivalent von weniger als 5 hergestellt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine Bindemittelzugamraensetzung vorgeschlagen, die aus einer wässrigen Lösung eines Alkalisilikats und eines Stärkehydrolysats mit einem Dextrose-Äquivalent< 5 besteht.

Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus miteinander verbundenen teilchenförmigen! Material wie eine Gießform oder ein Gießkern vorgeschlagen, daß das einer Mischung aus teilchenförmigen! Material, einem wässrigen Alkalisilikat und einem Stärkehydrolysat, das ein Dextrose-Äquivalente 5 aufweist, in die gewünschte Gestalt und das Bewirken des Aushärtens oder das Ermöglichen des Aushärtens der Mischung umfasst.

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Das Dextrose-Äquivalent wird definiert als die reduzierende Kraft, d.h. der Gehalt an reduzierendem Zucker eines Stärkehydrolysats ausgedrückt als D-Glucose auf einer trockenen Basis. Praktisch wird eine Alkalisilikatlösung, die das Stärkehydrolysat enthält, desto länger beständig bleiben, je geringer das Dextrose-Äquivalent des Stärkehydrolysate ist. Dementsprechend ist es bevorzugt, daß das Stärkehydrolysat ein Dextrose-Äquivalent <: 2, insbesondere <" 0,5 besitzt.

Geeignete Stärkehydrolysate können aus Stärkehydrolysaten mit höherem Dextrose-Äquivalent wahlweise durch Oxydation, Reaktion mit Harnstoff oder Harnstoffderivaten oder Hydrierung hergestellt werden. Die bevorzugte Methode besteht in der katalytischen Hydrierung mit Wasserstoff. Das Dextrose-Äquivalent des Stärkehydrolysats vor der Hydrierung liegt vorzugsweise zwischen 5 und 75, insbesondere zwischen 1o und 4o. Nach der Hydrierung ist das Dextrose-Äquivalent des Stärkehydrolysats auf einen Wert unter 5, vorzugsweise unter 2 und insbesondere unter o,5 erniedrigt. Die stabilisierten Stärkehydrolysate können leicht in Form von wässrigen Sirups gehandhabt werden, die gewöhnlich 4o bis 7o Gew. % Stärkehydrolysat enthalten.

Das bevorzugte Alkalisilikat ist Natriumsilikat. Das SiO~:Na₂O-Verhältnis des Natriumsilikats kann weit, beispielsweise von 2:1 bis 3,5:1, variieren, jedoch werden Natriumsilikate mit einem solchen Verhältnis von 2,o:1 bis etwa 2,5:1 bevorzugt, da die Alkalisilikate mit höherem Verhältnis chemisch reaktionsfähiger sind, so daß Bindemittelzusammensetzungen, die diese enthalten, eine geringere Lagerungsbeständigkeit aufweisen.

Die Zusammensetzung der Bindemittellösung kann ebenfalls in einem weiten Bereich variieren, sie wird jedoch gewöhnlich durch Mischen von 1 bis 5o Gew.% Stärkehydrolysatsirup and

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5o bis 99 Gew.% Natriumsilikatlösung hergestellt. Bevorzugte Zusammensetzungen enthalten 1o bis 3o Gew.% Stärkehydrolysatsirup und 7o bis 9o Gew.% Natriumsilikatlösung.

Beim Gebrauch wird die Bindemittelzusammensetzung gewöhnlich mit Sand in einer Menge von 2 bis 1o Gew.-Teilen der Bindemittelzusammensetzung pro loo Gew.-Teilen Sand vermischt.

Die Mischung kann entweder durch Gasen mit Kohlendioxid oder durch Einarbeiten- /von chemischen Härtemitteln wie Estern von mehrwertigen Alkoholen in bekannter Weise gehärtet werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Eine Bindemittelzusammensetzung wurde hergestellt, die folgende gewichtsmäßige Zusammensetzung aufwies:

Wässrige Natriumsilikatlösung (SiO₂:Na₂O 2,2:1, Natriumsilikatgehalt 46,4 Gew.%) 8o % Hydrierter Stärkehydrolysatsirup (Dextrose-Äquivalent o,oo5; Stärkehydrolysatgehalt 65 Gew.%) 2o %

3,5 Gew.-Teile der Bindemittelzusamraensetzung wurden mit 1oo Gew.-Teilen Quarzsand (AFS-Feinheit Nr. 44) vermischt. Die Sand-Bindemittel-Mischung wurde dann verwendet, um zylindrische Kerne mit einer Höhe von 5o mm und einem Durchmesser von ebenfalls 5o mm gemäß AFS-Standard herzustellen. Die Kerne wurden dann für unterschiedliche Zeitdauern mit Kohlendioxidgas bei 25°C, o,35 kg/cm Leitungsdruck und 5,5 l/min Durchflussleistung gegast.

Die Druckfestigkeit der erzeugten Kerne wurde dann gemessen:

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ja -

(a) an Stücken unmittelbar (d.h. innerhalb 1o see) nach dem Gasen,

(b) an Stücken, die 24 h in einer relativ trockenen Laboratmosphäre aufbewahrt worden sind,

(c) an Stücken, die 24 h unter feuchten Bedingungen (25 bis 27°C, relative Feuchtigkeit 9o %) aufbewahrt worden sind.

Die Ergebnisse ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle:

Druckfestigkeit (kg/cm )

Gasungszeit (see)	Io	3o	12o
(a)	2.4	4.9	12.1
(b)	26.9	22.3	14.9
(c)	14.1	11.5	9.8

Für Vergleichszwecke wurden die Versuche wiederholt, wobei der hydrierte Stärkehydrolysatsirup durch 2o Gew.% einer wässrigen Rohrzuckerlösung enthaltend 65 Gew.% Rohrzucker ersetzt wurde. Die Resultate ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle:

Druckfestigkeit (kg/cm )

1o	3o	12o
2.3	5.6	11.2
17.7	8.6	5.4
8.3	8.7	8.2

Gasungszeit (see)
(a)
(b)

(C)

Diese Resultate zeigen, daß ein Sand, der mit der Bindemittel-Zusammensetzung, die das Stärkehydrolysat enthält, ähnliche Resultate der Festigkeit der Kerne unmittelbar nach dem Gasen wie für einen Sand liefert, der Natriumsilikatlösung und Rohrzucker enthält. Es ist jedoch ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Bindemittelzusammensetzung beträchtlich besser ist, wenn die Kerne entweder in einer relativ trockenen Atmosphäre oder in einer feuchten Atmosphäre aufbewahrt wurden.

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In der Praxis würden Gasungszeiten einer Länge von 12o see für einen Kern von der geringen Größe der Probestücke gemäß AFS-Standard als übermäßig betrachtet, da ein Übergasen und eine Verringerung der Druckfestigkeit auftreten könnte. Der Effekt des Übergasens ist normalerweise bei Kernen am meisten bemerkbar, die in einer trockenen oder relativ trockenen Atmosphäre aufbewahrt wurden, und ein Vergleich der Resultate für die Probestücke, die 12o see gegast wurden, in den obigen Tabellen zeigt, daß die das Stärkehydrolysat enthaltende Sandmischung weniger anfällig in Bezug auf Übergasen als die Rohrzucker enthaltende Sandmischung ist.

Beispiel 2

Eine Bindemittelzusammensetzung mit folgender gewichtsmäßiger Zusammensetzung wurde hergestellt:

Wässrige Natriumsilikatlösung (SiO₃VNa₃O 2,4:1; Natriumsilikatgehalt 46,ο Gew.%) 7o %

hydrierter Stärkehydrolysatsirup (Dextrose-Äquivalent o,oo3; Stärkehydrolysatgehalt 65 Gew.%) 3o %

Diese Zusammensetzung wurde in drei Teile geteilt. Ein Teil wurde sofort untersucht (a), ein weiterer Teil wurde nach einer Aufbewahrungszeit von zwei Monaten (b) und der verbleibende Teil nach einer Aufbewahrungezeit von 3 1/2 Monaten (c) untersucht..

Sand-Bindemittel-Mischungen und Kerne gemäß AFS-Standard wurden entsprechend Beispiel 1 hergestellt und die Druckfestigkeit der Kerne sofort (innerhalb von 1o see) nach dem Gasen gemessen. Die folgenden Resultate wurden erhalten.

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2 Druckfestigkeit (kg/cm )

1o	3o ·	1	2o
4.2	8.7	12	.3
4.2	7.9	11	.3
3.4	6.9	1o	.5

Gasungszeit (see)
(a)
(b)

(C)

Diese Resultate zeigen, daß die Bindemittelzusammensetzung der Erfindung während der Aufbewahrung nur sehr geringfügig altert.

Beispiel 3

Der ungelagerte Anteil der Bindemittelzusammensetzung von Beispiel 2 wurde verwendet, um die Brucheigenschaften des mit dieser Zusammensetzung gebundenen Sandes zu ermitteln.

Wie in Beispiel 1 wurden Sandkerne hergestellt und gegast und auf einer empirischen Basis die Gasungszeit, die erforderlich ist, um eine Druckfestigkeit des Kerns von etwa

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7 kg/cm zu erzeugen^ bestimmt (etwa 25 see). Eine Anzahl von Kernen wurde dann für diese Zeitdauer, d.h. bis zu ei-

ner Festigkeit von etwa 7 kg/cm , gegast. Diese Kerne wurden dann 24 h im Labor aufbewahrt, nach welcher Zeit sie erneut 5 min in einem Ofen auf Temperaturen im Bereich von 2oo bis 12oo C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Die Druckfestigkeit der Kerne wurde gemessen, wobei sich folgende Resultate ergaben;

2 Temperatur Druckfestigkeit (kg/cm )

2oo 61.2

4oo 12.3

6oo 2.5

8oo o.6

1ooo O

12oo O

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Die Ergebnisse zeigen, daß das Stärkehydrolysat ein wirksamer Zerfallszusatz ist.

Beispiel 4

1oo Gew.-Teile einer wässrigen Natriurasilikatlösung (SiO₉: Na₂O-Verhältnis 2,4:1, 46 Gew.% Feststoffe) wurden mit 43 Gew.-Teilen eines hydrierten Stärkehydrolysatsirups (65 Gew.% Feststoff) gemischt. Der Sirup wurde durch katalytische Hydrierung eines Stärkehydrolysats mit einem Dextrose-Äquivalent von 3o hergestellt und besaß ein Dextrose-Äquivalent von o,ol .

3,5 Teile dieser vorgemischten Bindemittelzusammensetzung wurde mit loo Teilen Sand (AFS-Feinheit 5o bis 55) gemischt, der zur Herstellung von Gießformen und -kernen verwendet wird (AFS = American Foundrymans Society). Diese Sandzusammensetzung wurde in 5o mm χ 5o mm AFS-Standard Testkernprobestücke gestampft und mit Kohlendioxid gegast (25 C; o,35 kg/cm Leitungsdruck; 5,5 l/min Durchflussleistung), und zwar für eine Zeitdauer von 3o see, wobei sich eine unmittelbare Druck-

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festigkeit von 9,9 kg/cm ergab.

Schnell nach dem Gasen wurde ein identisch vorbereitetes Probestück 72 h lang feuchten Bedingungen ausgesetzt (25°C; 9o % relative Feuchtigkeit). Nach dieser Behandlung wurde die Druckfestigkeit gemessen und betrug lo,6 kg/cm . Somit zeigte der Probekörper eine ausgezeichnete Stabilität unter diesen Bedingungen.

Die vorgemischte Bindemittelzusammensetzung war im wesentlichen während einer Zeitdauer von drei Monaten in Bezug auf ihre Bindungseigenschaften beständig.

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Claims

Patentansprüche

. Bindemittelzusainmensetzung mit einer wässrigen Lösung eines Alkalisilikats, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Stärkehydrolysat enthält, das ein Dextrose-Äquivalent -£- 5 aufweist.
2. Bindemittelzusainraensetzung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Dextrose-Äquivalent des Stärkehydrolysats <· 2 ist.
3. Bindemittelzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dextrose-Äquivalent des Stärkehydrolysats -^- o,5 ist.
4. Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalisilikat ein Natriumsilikat mit„einem SiO-rNauO-Verhältnis von 2:3,5 ist.
5. Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Alkalisilikat zu Stärkehydrolysat in einem Bereich liegt, der einer Mischung von 1 bis 5o Gew.% eines Stärkehydrolysatsirups enthaltend O bis 7o Gew.% Feststoffeund 5o bis 99 Gew.% einer wässrigen Alkalisilikatlösung enthaltend4o bis 5o Gew.% Feststoffe, entspricht.
6. Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Alkalisilikat zu Stärkehydrolysat in dem Bereich liegt, der einer Mischung von 1o bis 3o Gew.% Stärkehydrolysatsirups enthaltend 4o bis 7o Gew. % Feststoffe und 7o bis 9o Gew.% einer wässrigen Alkalisilikatlösung, enthaltend 4o bis 5o Gew.% Feststoffe, entspricht.

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7. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus gebundenem teilchenförmigen! Material, wobei eine das' teilchenförraige Material und eine Bindemxttelzusainmensetzung aufweisende Mischung in die gewünschte Gestalt gebracht und das Aushärten der Mischung bewirkt oder ermöglicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittelzusammensetzung eine solche gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material Sand und der Gegenstand eine Gießform oder ein Gießkern ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 1o Gew.-Teile der Bindemittelzusammensetzung pro loo Gew.-Teile teilchenförmigen! Material verwendet werden.
1 O.Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung durch Gasen mit Kohlendioxid gehärtet wird.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung durch Einarbeiten eines chemichen Härtemittels gehärtet wird.

2.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als chemisches Härtemittel wenigstens ein Ester eines mehrwertigen Alkohols verwendet wird.

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