-
-
MISCHUNG ZUR HERSTELLUNG VON GIESSEREIKERNEN
-
UND -FORMEN Die Erfindung bezieht sich auf das Gießereiwesen, insbesondere
auf Mischungen mit Kalthärtung zur Herstellung von Gießereikernen und -formen.
-
Die Erfindung kann zur Herstellung von Guß stücken bei Großserien-
und Massenproduktion (bei einem Serien-Jahresausstoß von über 10000 Gußstücke) Anwendung
finden.
-
K althärtende mischungen zur Herstellung von Gießereikernen und -formen,
die als Bindemittel synthetische harze enthalten, finden in der Praxis der modernen
Gießereiindustrie weitgehend Anwendung. Bedingt ist
das,einerseits,
durch die guten physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Kerne und Formen und,
andererseits, durch eine beträchtliche Senkung des Arbeitsaufwandes beim Ausschlagen
und Reinigen der Gußstücke .
-
Unter den in den Gießereien zur Anwendung kommenden synthetischen
Harzen sind vor allem Phenol-Formaldehyd-Resolharze beachtenswert, da sie eine hohe
Wärmebeständigkeit aufweisen und als technische Produkte leicht erhältlich und billig
sind.
-
Die synthetische Harze enthaltenden kischungen werden bei Zimmertemperatur
in Anvesenheit von sauren Katalysatoren, - organische und minerale Säuren, saure
Salze- gehärtet.
-
Bekannt ist unter anderem eine kalthärtende L.ischung zur Herstellung
von Gießereikernen und -formen, bestehend aus einem feuerfesten Füllstoff, z.B.
Quarzsand, einem ßindemittel, Phenol-Formaldehyd-Resolharz, und einem saueren Katalysator
(organische Sulfosäuren, insbesondere niedernolekulare aromatische Sulfosäuren von
Benzol, Toluol, Xylol, Naphthalin ( CH-PS 449857).
-
Die genannten aromatischen Sulfosäuren stellen Kristallhydrate mit
einer veränderlichen enge an chemisch gebundenem Wasser $ArSO3H . nH2O) der und
besitzen bei Zimmertemperatur die Konsistenz eines Feststoffes.
-
Um eine genaue Dosierung und eine gleichmäßige Verteilung des Katalysators
in der mischung bei deren Berstellung
gewährleisten zu können, wird
der katalysator in Form einer zuvor zubereiteten Lösung eingeführt.
-
Üblicherweise wird Wasser als Lösungsmittel ur Lösungen von aromatischen
Sulfosäuren verwendet. Jedoch übt das Wasser auf die physikalisch-mechaaischen Eigenschaften
der Filme des zu härtenden harzes einen negativen Einfluß aus.
-
Die Grenzkonzentrationen der Lösungen von festen aromatischen Sulfosäuren
im Wasser betragen 70 bis 75%, d.h. der Gehalt an wäßrigem Lösungsmittel ist hier
ziemlich hoch (25 bis 30s). Die nach der Geschwindigkeit der Kalthärtung der Sand-Harz-Mischung
bewertete katalytische Akivität der wäßrigen Lösungen der aromatischen Sulfosäuren
reicht jedoch vielfach nicht aus und sie gestattet es nicht, Kerne während so 1
bis 3 min auszuhärten und beschränkt die Möglichkeiten der Verwendung von kalthärtenden
Sand-Harz-ischungen bei einer Großserien- und kassenfertigung von Guß stücken.
-
Bekannt ist unter anderem eine kalthärtende mischung zur Herstellung
von Gießereikernen und -formen, bestehend aus einem feuerfesten Füllstoff, z.B.
Quarzsand, einem Bindemittel, z.B. Furanharz, und einem saueren Katalysator (50%ige
Lösung von Para-Toluol-Sulfosäure in Methylalkohol (Methanol) (s. "Foundry", 1972,
100, Nr. 3, S. 81 bis 64). Das methanol wird in diesem Falle zur Erhöhung der Stabilität
der Säurelösungen bei niedrigen Temperaturen (0 bis 10°C) verwendet.
-
Falls Mischungen mit einem Phenol-Formaldehyd-Bindemittel schnell
kaltgehärtet werden sollen, reicht die katalytische Aktivität der Lösungen der Kristallhydrat-Para-Toluolsulfosäure
nicht aus, ungeachtet der Natur des zu verwendender den Lösungsmittels und der Konzentration
der Säure in Lösung. Deshalb genügt die Geschwindigkeit der salthärtung dieser Mischungen
den bedingungen der iaassenfertigung von Kernen und Gußstücken nicht.
-
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der genannten
Nachteils.
-
liegt Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mischung zu schaffen,
die eine aromatische Sulfonsäure mit einer erhöhten katalytischen Aktivität enthält,
wodurch die Geschwindigkeit der Härtung der Mischung und die Festigkeit dieser mischung
zur Herstellung von Gießereikernen und -formen erhöht werden können Diese Aufgabe
wird dadurch gelöst, daß in einer Mischung zur Herstellung von Gießereikernen und
-formen, bestehend aus einem feuerfesten Füllstoff, einem Sindemittel (Phenol-Formaldehyd-Resolharz,
einen saueren Katalysator (aromatische Sulfosäure in alkoholischer Lösung) erfindungsgemäß
als Säurekatalysator hristallhydrat-Benzolsulfosäure in i'orm von einer 80 Dis 92%igen
Losung in Methylalkohol bei folgendem Verhältnis der Ingredienzen (in Gewichtsteilen
auf 100 Gewichtsteile von feuerfestem Füllstoff) verwendet wird:
,Chenol-Formaldehyd-Resolharz
...... 1,0 bis 3,0 Kristallhydrat-Benzolsulfosäure als eine 80 bis 92%-ige Lösung
in Methylalkohol .................. 0,4 bis 2,0.
-
Durch die Erfindung wurde es möglich, eine Mischung zur Herstellung
von Gießereikernen und -formen mit einem kurzen Zyklus der Kalthärtung (nicht über
1 min) zu erhalten. Im Vergleich zu der benannten Mischung konnte die GeschwindiCkeit
aer k Kalthärtung im Durchschnitt auf das 5fache und die Festigkeit im Anfangsstadium
der Härtung (4 bis 10 min) auf das 1,5 bis 3fache erhöht werden, wodurch es moglich
wurde, die Mischung bei einer Großserien- und Massenfestigung von Gußstücken (bei
Serien-Jahresausstoß von über 10000 Gußstücke) zu verwenden.
-
Weitere 3esonderheiten der Erfindung sind aus der nachfolgenden ausführlichen
beschreibung der mischung zur Herstellung von Gießereikernen und -formen ersichtlich:
Erfindungsgemäß wird eine Mischung zur Herstellung von Gie-Bereikernen und Formen
vorgeschlagen, die aus einem feuerfesten Füllstoff, einem Bindemittel in Form von.Phenol-und
besteht -Formaldehyd-Resolharz einem Säurekatalysator, wobei für letztere Kristallhydrat-Benzolsulfosaure
in dorm einer 80 bis 92%-igen Lösung in Methylalkohol verwendet wird, bei folgenaem
Verhältnis von Ingredienzen (in Gewicht steilen auf 100 Gewichtsteile von feuerfestem
Füllstoff):
Phenol-Formaldehyd-Resolharz ........ 1,0 bis 3,0 ;
Kristallhydrat-Benzolsulfosäure als eine 80 bis 92%-ige Lösung in Methylalkohol
....................... 0,4 bis 2,0.
-
verwendet Als feuerfester Füllstoff ist vorzugsweise Quarzsand mit
einem Gehalt an Siliziumdioxyd von mindestens 96S, an Ton von höchstens 0,5% und
bei einer durchschnittlichen Teilchengröße in den Hauptfrakticnen von 0,2 mm. Falls
es erforderlich ist, kann ein Füllstoff mit einer höheren Feuerfestigkeit, wie Zirkon"
verwendet werden, dessen Gehalt an Zirkoniumsilikat mindestens 98% beträgt und dessen
durchschnittliche Teilchengröße in den Hauptfraktionen 0,1 bis 0,2 mm beträgt.
-
Als Bindemittel ist vorzugsweise Phenol-Formaldehydresolharz zu verwenden,
welches durch die Synthese von Phenol und Formaldehyyd bei einem Ausgangsmolarverhältnis
von 1:1,2 bzw. 1:2,0 in Gegenwart von Katalysatoren der Synthese - Oxyde, Azetate,
Oxalade der Erdalkalimetalle, Zink, Mangan gewonnen worden ist.
-
Falls es erforderlich ist, die Festigkeitskennwerte der erfindungsgemäßen
kischung zu erhöhen, kann das bindemittel durch eine geringe Menge (0,1 bis 0,5%
vom Gewicht des Harzes) an Silan, z.B. Gamma-Aminopropyltriäthoxysilan, modifiriziert
werden.
-
Die Grenzwerte des Gehalts an Bindemittel in der Mischung sind dadurch
bedingt, daß es bei einem Gehalt an Bindemittel von weniger als 1 Gewichtsteil nicht
möglich ist, zufriedenstele
lende physikalisch-mechanische Charakteristiken
für gerne und normen zu erhalten, und bei einem Gehalt an Bindemittel von über 3
ewichtsteilen verscnlechtern sich die sanitär--hygienischen Arbeitsbedingungen intolge
von erhöhten Ausscheidungen von Formaldehyd-, Methanol- und Phenoldämpfen in die
stmosphäre.
-
Die zalthärtung ertolgt unter dem Einfluß von Säurekatalysatoren.
Bei Verwendung von Phenol-Formaldahyd-Bindemittel als Säurekatalysatoren benutzt
man Lösungen der aromatischen Kristallhydrat-Sulfosäuren. Die Benzolsulfosäure ist
in der Reihe der Sulfosäuren von Benzol, Toluol, Xylol, Naphtalin am stärksten.
Als analytische Charakteristik der relativen Stärke von Sulfosäuren in Lösungen
können die Berechnungsgrößen deren Potentiale der Halbneutralisation dienen.
-
Zur Lösung der Aufgabe der Bileines hochaktiven Säurekatalysators
wurde erfindungsgemäß eine Lösung von Kristallhydrat-Benzolsulfosäure mit maximalen
Gehalt an eigentlicher Säure und minimalem Gehalt an Lösungamittel vorgeschlagen.
Dieser bedingung entsprechen en Lösung der Benzolsulfosäure im Methylalkohol (Methanol)
mit einer Gewichtskonzentration von 80 bis 92%. Es wurde festgestellt, daß keines
der sonst üblicherweise verwendeten organischen Lösungsmittel (Alkohole, Ketone,
Äther) es gestattet, eine stabile Lösung der aromatischen Sulfosäure mit einer so
hohen Gewichtskonzentration zu erhalten.
-
Die obere grenze aer Gewichtskonzentration der Kristallhydrat-Bnezolsulfosäure
im Methanol wurde entsprechend den bedingungen der Gevinnung einer gesättigten Lösung
mit äußerst hoher Konzentration angenoomen.
-
Die untere Grenze der Gewichtskonzentration der Kristallhydrat-Benzolsulfosäure
im Methanol wurde entsprechend von den Bedingungen der Gewinnung einer Sand-Harz-Mischung
mit zufriedenstellenden Kennwerten einer schnellen Kalthärtung gewählt.
-
Die Kristallhydrat-Benzolsulfosäure entspricht der chemischen Formel
C6H5SO3H . nH2O, wo "n" eine variable Größe ist, die sich in einem Bereich von 0,5
bis 2 ändert.
-
Das technische Produkt auf der Basis dr genannten Säure stellt eine
kristalline durkelgraue lasse dar, derer. Gehalt an Monosulfosäure des Benzols mindestens
90 Gewichtsprozent, an freier Schwefelsäure höchstens 3,5 Gewichtsprozent, an freiem
Benzol höchstens 0,2 Gewichtsprozent (den Rest bilden die Beimengungen von Sulfonen
und das Kristallhydratwasser) ausmacht.
-
Für die Zubereitung des Katalysators wird die Auegangs--Benzolsulfosäure
mechanisch zerkleinert und dann allnähmlich unter ständigem Bühren eine vorberechnete
säuremenge in Methanol eingeführt, Die Erwärmung von methanol auf 40 bis 500C beschleunigt
den Prozeß der Auflösung.
-
Die Grenzwerte des Gehalts an Katalysator in der Sand--Harz-Mischung
wurden nach folgenden Erwägungen bestimmt.
-
bei einem Gehalt an Satalysator von weniger als 0,4 Gewichtsdie teile
ist es unmöglich, zufriedenstellende Kennwerte für Kalthärtung zu erhalten, und
bei einem Gehalt an Katalysator von über 2,0 Gewichtsteile vermindert sich die allgemeine
Festigkeit und die Festigkeit der Oberflächenschicht von Kernen und Formen.
-
mit Die der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene mischung zur Herstellung,
von Gießereikernen und -formen besitzt eine erhöhte Geschwindigkeit der Kalthärtung
und eine erhöhte auch Festigkeit, wodurch es möglich ist, diese Mischung unter den
Bedingungen einer Großserien- und Massenfertigung von Gußstücken zu verwenden. Die
Geschwindigkeit der Kalthärtung, bewertet nach der Halte zeit der mischung in der
Ausrüstung bis zur Herausnahme des Fertigerzeugnisses (Kern oder Form), beträgt
nicht mehr als 1 min, und die Druckfestigkeit der Mischung im Moment der Entfernung
des Kernes oder der Form aus der Ausrüstung nicht weniger als 60 n/cm2.
-
Die Erfindung kann an folgenden Beispielen erläutert werden.
-
Beispiel 1.
-
Für die Aufbereitung einer Sand-Harz-Mischung, die zur Herstellung
von Kernen und Formen in der Großserien- und Massenfertigung bestimmt ist, werden
die Ingredienzen in folgenden Verhältnissen (in Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile
von Quarzsand) genommen: Bindemittel - Phenol-Formaldehyd-Resolharz . . . . . 0
. . . . . 0 0 2,5
Katalysator der Härtung - 92%-ige Lösung der
ristallhydrat-nenzolsulfosäure im Methylalkohol ..................... 2,0.
-
Die Mischung wird wie folgt aufbereitet.
-
Zuerst führt man in den Sand die Lösung der Säure (Eatalysator) ein
und vermischt sie während 2 Minuten in einem separaten Schaufelmischer, wobei die
Drehzahl der horizontalen Mischwelle 75 U/min beträgt. Die so aufbereitete Sand-Katalysator-Mischung
führt man einem schnellaufenden Schaufelmischer (Drehzahl der horizontalen Mischzelle
beträgt 375 ois 500 U/min) zu, fiigt man eine Portion Harz hinzu, vermischt alles
im Laufe von 6 bis 7 sek, wonach die fertige L'tischung direkt der Arbeitskammer
einer Sandschleudermaschine zugeführt und der Kern bzw. die Form im Sandschleuderverfahren
hergestellt werden kann.
-
r Nach dem beschriebenen Verfahren hegestellte zylindrische Standardmuster
werden einer Druckprüfung nach Verlauf von 1,2,3,4,5,10,30,60,120 min und nach 24
Std. Härtung (s. Tabelle 1) unterzogen. Zum Vergleich sind in der Tabelle 1 die
Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen einer bekannten mischung angeführt (bei
denselben Verhältnissen von Quarzsand und Phenol-Formaldehyd-Resolharz als Bindemittel
und unter Verwendung von 80%iger wäßriger Lösung von Kristallhydrat-Benzolßulfosäure
als Katalysator).
-
Tabelle 1 Druckfestigkeit, n/cm2 nach Verlauf von 1 2 3 4 5 10 30
60 120 24 min min min min min min min min min Std.
-
1. Mischung gemäß der vorliegenden Erfindung 68 83 99 105 146 193
215 225 255 280 2. Mischung der bekannten Zusammensetzung - - - 35 78 164 200 210
335 240 Aus den in der Taoelle 1 angeführten Zahlen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße
Mischung eine minimale haltezeit der Mischung in der Ausrüstung (1 min) gewährleistet
und somit den Bedingungen einer Großserien-und Massentertigung von Gußstücken entspricht.
-
Beispiele 2 und 3.
-
Die Beispiele 2 und 3 zeigen den Einfluß der Gewichtskonzentration
der Lösung der Kristallhydrat-Benzolsulfosäure in Methanols 86% (Beispiel 2) und
8070 (Beispiel 3). Die Zusammensetzungen und das Verfahren zum Aufbereiten der Mischungen
sind den in der Tabelle 1 angeführten ähnlich.
-
Die Ergebnisse der Prüfungen sind in der Tabelle 2 wiedergegeben.
-
Tabelle 2 Gewicnts- Druckfestigkeit, n/cm2 nach Verlaur von konzentration
der 1 2 3 4 5 10 30 60 120 24 Kristall- min min min min min min min min min Std.
-
hydratbenzolsulfosäure in Methanol in % 92 (Beispiel 1) 68 83 99 105
146 193 215 225 255 280 86 (Beispiel 2) 22 69 85 103 150 199 231 254 283 311 80
(Beispiel 3) - 18 60 97 132 178 203 219 243 338 Aus der Tabelle 2 ist ersichtlich,
aaß sich Dei einer Verminderung der Konzentration der Kristallhydrat-Benzolsulfosäure
in Methanol die Geschwindigkeit der Kalthärtung der kischung vermindert, jedoch
ihre Festigkeit im Endstadium der Härtung ansteigt.
-
beispiele 4 und 5.
-
Die beispiele 4 und 5 zeigen den Einfluß des Gehaltes an bindemittel
und Katalysator auf die Kennwerte der Kalthärtung. Die Zusammensetzungen der zu
prürenden Mischungen sind in der Tabelle 3 angeführt.
-
Taoelle 3 Gehalt an Ingredienzen in Gewichtsteilen auf 100 Gewicht
steile von Quarzsand Phenol-Formaldehyd- Säurekatalysator - Löresolharz sung der
Benzolsulfosäure in Methanol mit Gewicht skonzentration von 92% mischung nach Beispiel
1 2,5 2,0 mischung nach Beispiel 1 (enthält mit 0,2% γ-Aminopropyltriäthoxisilan
modirizierte Harz) 2,5 2,0 Mischung nach Beispiel 4 3,0 2,0 Mischung nach Beispiel
5 (enthält mit 0,2% γ -Aminopropyltriäthoxisilan modifizierte Harz) 1,0 0,4
Das Verfahren zur nerstellung der Mischungen ist dem im Beispiel 1 angegebenen ähnlich.
-
Die Ergebnisse der Prüfungen auf Druckfestigkeit sind in der Tabelle
4 angeführt.
-
Taoelle 4 Druckfestigkeit, n/cm nach Verlauf von 1 2 3 4 5 10 30
60 120 24 min min min min min min min min min Std.
-
Mischung nach Beispiel 1 68 83 99 105 146 193 215 225 255 280 Mischung
nach Beispiel 1 (enthält mit 0,2% γ-Aminopropyltriäthoxysilan modifiziertes
Harz) 71 90 111 120 164 218 249 319 287 620 Mischung nach Beispiel 4 50 66 82 104
139 182 205 238 276 323 Mischung nach Beispiel 5 (enthält mit 0,2% γ-Aminopropyltriäthoxisilen
modifiziertes Harz) 35 47 60 69 80 104 145 196 252 356 Aus den in den Tabellen 3
und 4 angeführten Zahlen ist ersichtlich, deß sich bei einer Verminderung des Verbrauchs
an Harz und Katalysator (Mischung nach Beispiel 5), wie auch bei einer Verminderung
des relativen Gehalts an Katalysator (Mischung nach Beispiel 4) die Geschwindigkeit
der
Härtung der kischungen vermindert. Die Lodifizierung des Harzes mit Silan gestattet
eine Steigerung der Festigkeit der mischung in den Abschlußstadien der Härtung.
-
Beispiel 6.
-
Im Beispiel 6 wurde als feuertester Füllstoff körniges Zirkon verwendet.
Die Zusammensetzungen und das Verfahren zur Herstellung von mischungen sind denen
im Beispiel 1 angeführten ähnlich. Die Ergebnisse der Prüfungen sind in der Tabelle
5 angeführt.
-
Tabelle 5 Druckfestigkeit, n/cm2 nach Verlauf von 1 2 3 4 5 10 30
60 120 24 min min min min min min min min min Std.
-
mischung nach Beispiel 1 68 83 99 105 146 193 215 225 255 280 ischung
nach Beispiel 6 d9 114 145 162 190 278 324 389 493 554 Aus der Tabelle 5 ist ersichtlich,
daß das zusetzen von Quarzsand durch Zirkonsand es gestattet, die Festigkeit von
der Mischung in allen Stadien deren Härtung wesentlich zu erhöhen.
-
Beispiel 7.
-
Die Anwendung der als Katalysator vorgeschlagenen hochkonzentrierten
Lösung von Kristallhydrat-benzolsulfosäure in eine Methanol gewährleistet Erhöhung
der Härtungsgeschwindigkeit und der Festigkeit der mischung auch bei der Herstellung
von kernen bzw. Formen nach dem traditionellen No-bracke-Verfahren, Das Beispiel
7 veranschaulicht diese Möglichkeit.
-
Die Ingredienzen für die Mischung nach dem No-Dracke-Verfahren werden
in folgenden Verhältnissen (in Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile Quarzsand) genommen:
Bindemittel - Phenol-Formaldehyd-Resolharz .....................................
2,0 Katalysator der Härtung - 91%-ige Lösung von Kristallhydrat-Benzolsulfosäurein
Methylalkohol .......................... 0,6.
-
Die mischung wird auf folgende Weise hergestellt.
-
Zuerst führt man in den Sand die Lösung der Säure (Katalysator) ein
und vermischt sie während 2 Minuten in einem Arbeitsweise, Schaufelmischer periodischer
wobei die Drehzahl der horizontalen Mischwelle 75 U/min beträgt, Danach führt das
Harz ein und vermischt es noch eine minute lang, wonach die kischuDg gebrauchsfertig
wird.
-
Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten zylindrischen
Standardmuster werden nach Verlauf von 0,5; 1; 2; 4 und 24 Std. Härtung einer Druckprüfung
unterzogen.
Zum Vergleich werden die muster aus einer bekannten
Mischung (bei denselben Verhältnissen von Quarzsand und Phenol-Foraldebyd-Resolharz
als Bindemittel und unter Verweneiner dung 80%igen wäßrigen Lösung von Kristallhydrat-Benzolsulfosäure
als Katalysator) einer Druckfestigkeitsprüfung unterzogen. Die Ergebnisse sind in
der Tabelle 6 angeführt.
-
Tabelle 6 Druckfestigkeit, n/cm2 nach Verflauf von 0,5 Std. 1 Std.
2 Std. 4 Std. 24 Std.
-
Mischung nach Beispiel 6 240 300 390 402 440 Mischung der bekannten
Zusammensetzung 125 180 230 240 250 Aus der Tabelle 6 ist ersichtlich, daß die Härtungsgeschwindigkeit
und die Festigkeit der Mischung nach dem No-bracke-Verfahren wesentlich höher sind,
wenn man den erfindungsgemäßen Katalysator anwendet. Dabei ist der Verbrauch an
Katalysator in der Mischung doperfindungsgemäßem pelt so gering als an dem bekannten.