DE2708265A1

DE2708265A1 - Verfahren zur herstellung einer selbsthaertenden und wasserloeslichen form

Info

Publication number: DE2708265A1
Application number: DE19772708265
Authority: DE
Inventors: Hyojiro Kurabe; Toshisada Makiguchi; Akira Muramatsu
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Research Institute for Metals
Priority date: 1976-07-26
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1978-02-02
Also published as: GB1568550A; DE2708265C3; FR2359660A1; JPS5413407B2; FR2359660B1; DE2708265B2; JPS5314120A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer selbsthärtenden und wasserlöslichen Form, die zur Anwendung beim Guß von Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Gußeisen und Gußstählen brauchbar ist.

Mit "selbsthärtender Form" wird eine Form bezeichnet, die härtet, wenn sie lediglich an der offenen Atmosphäre stehengelassen wird und deren Härtung durch eine chemische Umsetzung, welche während des Stehenlassens stattfindet, fortschreitet.

Mit "wasserlöslicher Form" wird eine Form bezeichnet, die leicht zum Zerfall gebracht werden kann, indem sie in Wasser nach dem Guß eines geschmolzenen Metalls darin eingetaucht wird, oder eine Form, welche durch einen geringen Schlag

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zum Zerfall gebracht werden kann.

Verschiedene Arten von Formen werden in der Gußindustrie verwendet. Sämtliche Formen werden durch Vermischen feuerfester Teilchen mit etwa 1,5 bis 6% eines anorganischen oder organischen Binders und Formung des Gemisches hergestellt. Die Form wird dann verstärkt und geschmolzene Metalle werden eingegossen, um Gußstücke zu erzeugen. Von diesen Formen gewannen grüne Sandformen die weiteste Anwendung aufgrund ihrer niedrigen Kosten und überlegenen Formbarkeit. Mit "grüner Sandform" wird eine Form bezeichnet, die durch Zusatz einer geringen Menge von Wasser zu einem Gemisch aus einem Aggregat, wie Kieselsäuresand und einem Binder, wie Bentonit,und Formung des Gemisches durch eine mechanische Preßkraft hergestellt wurde. Die Formfestigkeit wird durch die physikalische Zusammenhaltkraft des Bentonits erreicht. Da die grüne Sandform keine ausreichende Festigkeit erreichen kann, wenn sie lediglich an der offenen Atmosphäre nach der Formung stehengelassen wird, ist es notwendig, sie durch Anwendung einer mechanischen Kraft zu verfestigen. Selbst die Anwendung eines derartigen Arbeitsganges kann Jedoch die Festigkeit des grünen Sandform nicht Jenseits eines so niedrigen Wertes, wie etwa 0,3 bis 1,5 kg/cm , angegeben als Preßfestigkeit, erhöhen und infolgedessen sind die grünen Sandformen für die Herstellung großer Gußstücke äußerst unzufriedenstellend. Ferner besitzen sie einen weiteren Fehler. Wenn beispielsweise geschmolzenes Gußeisen in eine grüne Sandform gegossen wird, wird derjenige Teil der Form, der mit dem geschmolzenen Gußeisen von hoher Temperatur kontaktiert wurde,oder dessen Umgebung auf eine Temperatur in einer Höhe von 800 bis 1100⁰C erhitzt. Infolge* dessen werden Kieselsäuresand und Bentonit am erhitzten Teil gesintert und werden glasartig und das verglaste Material fließt fest mit dem erhaltenen Gußstück zusammen.

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Es ist deshalb wesentlich, den Guß beispielsweise durch Sandstrahlverblasen fertig zu verarbeiten, um dadurch die glasartige Substanz hiervon zu entfernen. Bei diesem FertigarbeLtsgang treten starke Vibration, Geräusche und Staub auf, die die Arbeitsumgebung verschlechtern.

Deshalb sind Formen von hoher Festigkeit erwünscht, um den Fehler zu vermeiden, daß große Gußstücke schwierig durch grüne Sandformen herzustellen sind. Die letzten Uhtersuchungen zur Vermeidung dieses Fehlers ergaben die rasche Entwicklung von selbsthärtenden Formen und verschiedene andere Verfahren sind gleichfalls in Untersuchung.

Im allgemeinen besteht die "selbsthärtende Form" aus einer Form, die durch Zusatz eines Binders und einer geringen Menge eines Härtungsmittels zu feuerfesten Teilchen als Aggregat und Formung des Gemisches hergestellt wurde und welche spontan härtet, indem sie nach der Formung stehengelassen wird. Die zur Herstellung selbsthärtender Formen verwendeten anorganischen Binder werden grob in die folgenden Arten unterteilt:

(1) Ein Gemisch aus Natriumsilikat als Hauptbinder und einer geringen Menge aus Fe-Si, Al, Zr, Al^C,, CaO, SiOp,

CaO, SiO₂, Schlacke oder ein Phosphorsäuresalζ des HSrtungsmittels,

(2) ein Gemisch aus saurem Aluminiumphosphat als Hauptbinder mit einer geringen Menge eines Al-Pulvers als Härtungsmittel und

(3) ein Gemisch aus verblasener Ofenschlacke als Hauptbinder mit einer geringen Menge NaOH, KOH oder Ca(OH)₂ als Härtungsmittel.

Selbsthärtende Formen, die den vorstehend unter (1) aufgeführten Binder vom Natriumsilikattyp enthalten, werden zurzeit am stärksten verwendet.

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Diese selbsthärtenden Formen haben im allgemeinen eine Preßfestigkeit von 1 bis 10 kg/cm nach Verlauf einer Stunde und: von 10 bis 30 kg/cm nach Verlauf von 24 Std. und härten zu einer ziemlichen steifen Struktur. Da eine Preßfestigkeit von mindestens etwa 20 kg/cm üblicherweise als ausreichend für zur Herstellung großer Gußstücke angewandte Formen betrachtet wird, können diese selbsthärtenden Formen zur Herstellung großer Gußstücke verwendet werden. Jedoch sind sämtliche der üblichen selbsthärtenden Formen unlöslich und deshalb muß eine Formfreigabe, die als "knock-out" bekannt ist, nach dem Guß durch ein mechanisches Verfahren der Anwendung eines starken Schlages ausgeführt werden. Dies ergibt eine schwere Vibration, Geräusche und Staub, die die Arbeitsumgebung verschlechtern und gleichfalls die Kosten der Herstellung erhöhen.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in einem Verfahren zur Herstellung einer wasserlöslichen selbsthärten Form, die leicht durch Eintauchen in Wasser nach dem Guß zur Auflösung des Binders in Wasser zerteilt werden kann. Das Verfahren betrifft die Wasserlöslichmachung von selbsthärtenden Formen der üblichen Arten, sodaß das vorstehende Problem gelöst wird, welches zum Zeitpunkt des knock-out besteht.

Allgemein betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer selbsthärtenden und wasserlöslichen Form, wobei eine geeignete Menge Wasser mit einem Gemisch aus (A) 100 Gewichtsteilen feuerfester,aus Aluminiumoxid aufgebauten Teilchen, (B) 1 bis 5 Gewichtsteilen mindestens eines Alkaliphosphates aus der Gruppe von Kaliumphosphat und Natriumphosphat und (C) 0,2 bis 3 GewichtsteilenAluminiumpulver, Formung des erhaltenen Geraisches zu einer Form der gewünschten Gestalt und anschließende spontane

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Härtung der Form umfaßt.

Der hier angewandte Ausdruck "Form" umfaßt sowohl eine Form zur Herstellung von hohlraumfreien Gußstücken als auch einen Kern zur Herstellung von hohlraumhaltigen Gußstücken.

Ein wichtiges Erfordernis des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Anwendung feuerfester Aluminiumoxidteilchen als Aggregat (Komponente A), Kaliumphosphat und/oder Natriumphosphat als Binder (Komponente B) und einem Aluminiumpulver als Härtungsmittel (Komponente C). Es wird angenommen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren eine exotherme Reaktion zwischen dem Aluminiumpulver und dem Phosphat Aluminiumphosphat ergibt und infolgedessen die Härtungsreaktion abläuft.

Die Anwendung von Aluminiumoxid als Aggregat ist von äußerster Bedeutung beim erflndungsgeraäßen Verfahren, um die Form leicht lediglich durch Eintauchen derselben in Wasser zum Zerfall zu bringen, nachdem ein geschmolzenes Metall eingegossen und ein Gußstück hieraus produziert wurde. Die Anwendung der Jetzt üblicherweise angewandten Kieselsäure anstelle von Aluminiumoxid führt zum Verlust der Wasserlöslichkeit der Form nach dem Guß aufgrund des Kontaktes mit dem geschmolzenen Metall bei hohen Temperaturen (beispielsweise wird eine Kupferlegierung auf etwa 95OT und ein Gußeisen auf etwa 1100¹C erhitzt), obwohl vor dem Guß die Form wasserlöslich ist. Im Gegensatz hierzu behält eine Aluminiumoxid als Aggregat gemäß der Erfindung enthaltende Form ihre Wasserlöslichkeit bei, selbst nachdem sie an Hitze beim Guß ausgesetzt wurde. Dadurch wird es mögHch, die Aufgaben der Erfindung zur Freigabe der Form von den Gußstücken lediglich durch Eintauchen derselben in Wasser zu erzielen, ohne daß irgendein mechanisches Verfahren, welches Vibration,Geräusche und Staub erzeugt,

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erforderlich ist. Vorzugsweise wird der Arbeitsgang des Eintauchens der Form in Wasser anstelle von knock-out durchgeführt, nachdem das Gußstück auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt ist, da die Qualität des Gußstückes geschädigt würde, falls die Form in Wasser eingetaucht wird, während das Gußstück noch bei einer zu hohen Temperatur liegt. Es ist jedoch nicht notwendig, das Gußstück auf Raumtemperatur abzukühlen, sondern es reicht eine Kühlung desselben auf eine Temperatur aus, die die Qualität des Gußstückes während der Wassereintauchung nicht schädigt. Im Fall beispielsweise von Gußeisen reicht es aus, die Form auf etwa 70O³C abzukühlen.

Die Teilchengröße der als Komponente (A) eingesetzten Aluminiumoxidteilchen ist nicht besonders kritisch und Aluminiumoxidteilchen mit den üblicherweise in der Gußindustrie eingesetzten Größen, beispielsweise entsprechend einer Sieböffnung von 0,2 bis 0,1 mm (75 bis 150 mesh) können günstigerweise verwendet werden. Das als Komponente (C) verwendete Aluminium muß pulverförmig sein, um eine gute Reaktionsfähigkeit sicherzustellen, und dessen geeignete Teilchengröße ist kleiner als etwa 0,075 mm (200 mesh). Die zu dem Gemisch aus den Komponenten (A), (B) und (C) zuzusetzende Wassermenge ist nicht besonders kritisch und die geeignete Menge beträgt üblicherweise 1 bis 10 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile der Komponente (A). Das nach der Vermischung mit Wasser erhaltene Gemisch wird zu einer Form nach irgendeinem bekannten Verfahren geformt und dann gehärtet, indem es an der offenen Atmosphäre stehengelassen wird.

Die Festigkeit der nach dem vorstehend geschilderten Verfahren erhaltenen Form hängt im allgemeinen von den Mengen der Komponenten (B) und (C) ab und wird höher, Je größer die Mengen der Komponenten (B) und (C) werden.

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Es ist deshalb möglich, Gußstücke mit Preßfestigkeiten von mehr als 20 kg/cm herzustellen, falls die Mengen der Komponenten (B)jund (C) groß sind. Falls die Mengen der Komponenten (B) und (C) klein sind, hat die erhaltene Form keine ausreichende Festigkeit zur Herstellung großer Gußstücke, kann jedoch zufriedenstellend verwendet werden, falls eine zu hohe Festigkeit nicht erforderlich ist.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergibt sich ein Verfahren zur Herstellung einer selbsthärtenden und wasserlöslichen Form, wobei ein Gemisch aus den angegebenen Mengen der Komponenten (A), (B) und (C) und zusätzlich der folgenden Komponenten (D) und/ oder (E) hergestellt wird, einegeeignete Wassermenge zu dem Gemisch zugegeben wird, das Gemisch zu eine·Form von der gewünschten Gestalt geformt wird und dann die Form der spontanen Härtung überlassen wird: Komponente (D)

1 bis 5 Gewichtsteile mindestens eines Alkalialuminates aus der Gruppe von Kaliumaluminat und Natriumaluminat. Komponente (E)

1 bis 5 Gewichtsteile mindestens eines Alkalicarbonate aus der Gruppe von Kaliumcarbonat und Natriumcarbonat.

Das Aluminat als gegebenenfalls zuzusetzende"Komponente (D) dürfte eine exothermeReaktion mit dem Aluminiumpulver einleiten, sodaß ein Aluminiumoxidgel erhalten wird, das die Härtungsreaktion fördert. Im allgemeinen wird durch die Anwendung von Aluminatsalzen die Festigkeit der erhaltenen Form beträchtlich erhöht.

Das Carbonat als gegebenenfalls zuzusetzende Komponente (E) trägt ebenfalls zu einer Erhöhung der Festigkeit der Formen bei, wenn auch nicht zu hohem Ausmaß, wie er durch die Aluminate erzielt wird. Der wichtigste durch Zusatz der Komponente (E) erhaltene Effekt besteht in der

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Verringerung der Feuchtigkeitsneigung der Form. Die nach solchen Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Komponente (E) nicht verwendet wurde, erhaltenen Formen, d.h., bei dem Verfahren unter Anwendung der Komponenten (A), (B) und (C) und bei dem Verfahren unter Anwendung der Komponenten (A), (B), (C) und (D), haben eine bestimmte Hygroskopizität und beim Stehen an der offenen Atmosphäre während eines langen Zeitraumes von beispielsweise mehreren Tagen können sie an ihren Oberflächen erweichen und die Formfestigkeit kann niedriger werden.

Dies ergibt bisweilen Störungen, wenn das Gießen des Metalls in die Form nicht unmittelbar nach der Formung, sondern nach einigen Tagen seit der Formgebung erfolgt. Die Anwendung der Komponente (E) ist zur Vermeidung dieser Störung günstig.

Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich die spontane Härtung der Formen nach der Formgebung in Betracht zieht, ist es möglich, die Oberfläche der Formen lokal zu erhitzen, um die Hgrtungsreaktion zu beschleunigen. Insbesondere,wenn die Form von kleiner Größe ist, nimmt der Wärmestreuungsbereich der Form je Einheitsvolumen zu und die vorstehend aufgeführte exotherme Reaktion beginnt zu versagen. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Härtungsreaktion verzögert. In einem derartigen Fall ist es vorteilhaft, das vorstehend angegebene Verfahren des lokalen Erhitzens anzuwenden.

Die wasserlöslichen selbsthärtenden Formen gemäß der Erfindung sind besonders zur Herstellung von Gußstücken aus Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Gußeisen und Gußstählen geeignet. Trotz der Tatsache, daß die Formen gemäß der Erfindung selbsthärtend sind, sind sie wasserlöslich und zerfallen leicht in V/asser sowohl nach der Härtung als auch nach dem Gießen der geschmolzenen Metalle.

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Das Zerschlagen der Formen bei der Herstellung der Gußstücke wird deshalb vereinfacht und ein technischer Fortschritt wird beim Gießverfahren erzielt. Da weiterhin der Zerschlagungsarbeitsgang einfach wird, ergibt sich eine Verringerung der Kosten der Herstellung und die Arbeitsumgebung kann markant verbessert werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung im einzelnen.

Beispiel 1

100 Gewichtsteile Aluminiuraoxidteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,2 bis 0,1 mm (75 bis 150 mesh) wurden als feuerfeste Teilchen (Komponente A) mit den in der folgenden Tabelle I aufgeführten Komponenten in den angegebenen Mengen vermischt. 3 Gewichtsteile Wasser wurden mit Jedem erhaltenen Gemisch vermischt und aus Jedem der erhaltenen Gemische wurden zylindrische Testproben mit einem Durchmesser von 50 cm und einer Höhe von 50 cm hergestellt. Um die Härtung zu beschleunigen, wurde eine Endoberfläche jeder der zylindrischen Testproben während 5 min auf eine auf 13O⁰C erhitzte Eisenplatte gestellt. Dann wurden die Proben jeweils mit der Oberseite nach abwärts gedreht und das andere Ende der Oberfläche auf die Eisenplatte während 5 min gesetzt. Die Versuchsproben wurden dann von der Elsenplatte abgenommen und an der offenen Atmosphäre stehengelassen. Die Härtungsreaktion schritt während dieses Zeitraumes fort, änderte/jeaoch innerhalb einer Stunde nach dem Stehenlassen. Die Testproben, die 1 Std. stehengelassen worden waren, wurden auf Preßfestigkeit und Wasserlöslichkeit untersucht.

Um weiterhin das Erhitzen der Formen beim Eingießen der geschmolzenen Metalle zu simulieren, wurden die Testproben, die 1 Std. stehengelassen worden waren, in bei einer

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Temperatur von 950 bzw. 11OC⁵C gehaltene öfen gesetzt. Nachdem der Mittelteil jeder Probe die Heiztemperatur erreicht hatte, wurden die Proben darin weitere 10 Std. gelassen. Dann wurden die Proben aus den öfen abgenommen, auf Raumtemperatur abgekühlt und euf Wasserlöslichkeit untersucht.

Die Ergebnisse der Versuche sind in Tabelle I aufgeführt.

Die in Tabelle I aufgeführten Ergebnisse zeigen, daß, falls Aluminiumoxid als Aggregat verwendet wurde, sowohl die unerhitzten gehärteten Proben, als auch die erhitzten gehärteten Proben eine gute Wasserlöslichkeit zeigten und daß, falls Kieselsäure als Aggregat verwendet wurde, die erhitzten gehärteten Proben eine markant verringerte Wasserlöslichkeit zeigten, obwohl die unerhitzten gehärteten Proben eine gute Wasserlöslichkeit besaßen.

Die Versuche 11 und 12 der Tabelle I sind Vergleichsversuche, worin das Aluminiumpulver als Komponente (C)nicht verwendet wurde. Es ist in diesem Fall ersichtlich, daß die Festigkeiten der Formen für die Praxis zu niedrig waren.

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Tabelle I

Versuch
Nr.

Menge in Gewichtsteilen der Komponenten

3PO₄

Aluminium lver

mesh 0,2

0,5

1,5

0,5

0,2

K₂Al₂O₄

K₂CO₃

Aggregat

Preßfestigkeit (kg/cm*)

12

21

18

16 13

wasserldslichkeit

1 Std. nach der Härtung

erhitzt

auf

95O«C

erhitzt

auf

11000c

Tabelle I (Fortsetzung)

verssuch Nr.

Menge in Gevichtsteilen der Komponenten

Aggregat

K₃PO₄

Qumilium-Dulver '0,04mm; 575 mesh'

K₂Al₂O₄

K₂CO₃ Preßfestigkeit (kg/cm²)

wasserloslichkeit

Std. nach der Härtung

erhitzt

auf

950PC

erhitzt auf

0,5

1,5

28

24

31

27

0,5

0,6

0,8

* A bezeichnet den Fall der Anwendung von Aluminiumoxid und S bezeichnet den Fall der Anwendung von Kieselsäure

-ο ο

OO

cn

Beispiel 2

In Beispiel 1 wurden die Kaliumsalze als Phosphate (Komponente B), Aluminate (Komponente D) und Carbonate (Komponente E) verwendet. In Beispiel 2 wurden hingegen die Natriumsalze und ein Gemisch von Natrium- und Kaliumsalzen als Komponenten verwendet, wie aus Tabelle II ersichtlich, während sonst die angewandten Bedingungen gleich wie in Beispiel 1 waren.

Die Ergebnisse der Versuche sind aus Tabelle II ersichtlich. Es ist ersichtlich, daß beim Beispiel 2 praktisch die gleichen Ergebnisse wie in Beispiel 1 erhalten wurden.

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Tabelle II

crt a»

Versuch Nr.

Menge in Gewichtsteilen der Komponenten

Na₃PO₄,

Al-Pulver

0,5 0,5 0,2

1,5

Na₂Al₂O₄

Na₂CO₃

Aggregat

Preßfestigkeit (kg/cm^z)

10

jj 3,5 2.5

26 20

JLZ

2%

Wasserlöslichkeit

1 Std. nach der Härtung

erhitzt auf

erhitzt

auf 1100³C

JL

IO

O OO K)

cn

Beispiel 5

Gemäß dem in Versuch 5 von Beispiel 1 in Tabelle I aufgeführten Ansatz wurde eine Form für ein Differentialgetriebegehäuse eines Kraftfahrzeuges mit einem Gewicht von *twa 2 kg hergestellt und gehärtet, indem es an der offenen Atmosphäre stehengelassen wurde. Die Härtung war in etwa 1 Std. beendet. Nach dem Eingießen von geschmolzenem Gußeisen in diese Form wurde sie an der offenen Atmosphäre während 1 Std. stehengelassen, um sie auf eine Temperatur von etwa 90(K abzukühlen. Wenn sie allmählich in Wasser eingetaucht wurde, zerfiel die Form leicht und es wurde ein vollständiges Gußstück frei von irgendeiner Anhaftung der Form erhalten.

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Claims

Patentansprüche

M ., Verfahren zur Herstellung einer selbsthärtenden und wersserlcslichen Form, dadurch gekennzeichnet, daß eine geeignete Wassennenge mit einem Gemisch aus (A) 100 Gewichtsteilen feuerfester, aus Aluminiumoxid aufgebauten Sandteilchen, (B) 1 bis 5 Gewichtsteilen mindestens eines der Alkaliphosphate Natriuiaphosphat und Kaliumphosphat und (C) 0,2 bis 3 GewichtsteilenAluminiumpulver vermischt wird, das erhaltene Gemisch zu einer Form der gewünschten Gestalt verformt wird und dann die Form zur spontanen Härtung stehengelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch weiterhin (D) 1 bis 5 Gewichtsteile mindestens eines der Alkalialuminate Kaliumaluminat oder Natriumaluminat enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch weiterhin (E) 1 bis 5 Gewichtsteile mindestens eines der Alkalicarbonate Kaliumcarbonat oder Natriumcarbonat enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch weiterhin (D) 1 bis 5 Gewichtsteile mindestens eines der Alkalialuminate Kaliumaluminat und Natriumaluminat und (E) 1 bis 5 Gewichtsteile mindestens eines der Alkalicarbonate Kaliumcarbonat oder Natriumcarbonat enthält.

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