DE2809829A1

DE2809829A1 - Giessereibindemittel

Info

Publication number: DE2809829A1
Application number: DE19782809829
Authority: DE
Inventors: John J Gardikes; Richard H Toeniskoetter
Original assignee: Ashland Oil Inc
Current assignee: Ashland LLC
Priority date: 1977-03-07
Filing date: 1978-03-07
Publication date: 1978-09-14
Also published as: US4127157A; ES467643A1; BE864646A; FR2382959B1; ZA781338B; PL109608B1; GB1601402A; AR220123A1; ATA163778A; BR7801346A; SE435296B; SE7802404L; JPS577103B2; AT372888B; IN147972B; IT7820967A0; DD136710A5; AU504930B1; NL7802486A; IT1094176B

Description

Die Erfindung betrifft Gießereibindemittel, enthaltend ein Borhydrogenaluminiumphosphat und Wasser. Die Gießereibindemittel können zusätzlich Erdalkali^?⁹¹ ,jMszw. deren Verbindungen, feste mehrwertige Alkohole und/oder feste organische Carbonsäuren enthalten. Die Härtung der Gießereibindemittel erfolgt durch gasförmiges Ammoniak oder ein gasförmiges Arain. 25

Verschiedene bekannte Bindemittel, einschließlich Gießereibindemittel, enthalten anorganische Stoffe als Hauptkomponenten. Die anorganischen Bindemittel wurden im allgemeinen auf die sogenannten "no-bake"-Verfahren beschränkt, bei denen das Bindemittel, der Härter und der Formstoff gemischt und in einen Kernkasten gebracht werden. Innerhalb einer gewissen Zeit härtete das Gemisch ausreichend aus, so daß es aus der Form entnommen werden konnte, worauf man es weiter härten ließ. Anorganische Bindemittel dieser Art haben eine begrenzte Verarbeitungszeit, da der Härter unmittelbar nach dem Einmischen zu

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Γ "I

ι wirKen beginnt. Obwohl anorganische Bindemittel für das sogenannte "cold-box"-Verfahren erhältlich sind, finden sie nur in beschränktem Umfang Anwendung. Unter Verwendung von Silikat-Kohlendioxid-Systemen hergestellte Kerne weisen im allgemeinen niedrige Festigkeiten und schlechte Ausformeigenschaften auf. Der Ausdruck "cold-box"-Verfahren bezieht sich auf das Herstellen von Gießereikernen und -formen, wobei ein Gemisch aus einem Formstoff und einem Bindemittel in einen Kernkasten gebracht und mit einem gasförmigen Härter behandelt wird. Systeme, die organische Bindemittel, wie Benzyletherharze, enthalten und mit gasförmigen Aminen gehärtet werden, sind in der US-PS 3 HoU 5J9 beschrieben.

Aus der US-PS 3 923 525 sind Erdalkalimetallverbindungen bekannt, die in Gießereibindemitteln verwendet werden können.

In der US-PS 4 001 468 sind Kernbehandlungsmittel beschrieben, mit denen die fertigen Kerne behandelt werden können.

Ziel aer Erfindung ist die Entwicklung eines Gießereibindemittels für das "cold-box"-Verfahren, wobei eine Verbesserung des Ausformens dadurch erreicht wird, daß mit einem Formstoff gemischte anorganische Bindemittel mit einem gasförmigen Härter gehärtet werden, um die Menge an freigesetzten schädlichen Gasen während des Metallgusses zu vermindern. Insbesondere soll ein anorganisches Bindemittel zur Verfügung gestellt werden, das durch Kontakt mit einem gasförmigen Härter bei Umgebungstemperatur härtet. Gleichzeitig soll das anorganische Bindemittel eine verlängerte Verarbeitungszeit aufweisen. Schließlich soll das anorganische Bindemittel dazu führen, daß die damit hergestellte Gießereiform sich leicht vom Metallgießling trennen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes

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1 Gießereibindemittel zur Verfügung zu stellen.

Der Ausdruck "Boraluminiumphosphat" bedeutet nachfolgend "Borhydrogenaluminiumphosphat".
5

Das erfindungsgemäß als Bestandteil des Gießereibindemittels eingesetzte Boraluminiumphosphat enthält Bor in einer Menge von etwa 3 bis etwa 40 Molprozent, bezogen auf die Anzahl der Mole Aluminium. Die bevorzugte Menge Bor beträgt etwa 5 bis etwa 30 Molprozent, die besonders bevorzugte Menge Bor etwa 10 bis etwa 25 Molprozent. Das Boraluminiumphosphat enthält ein Molverhältnis von Phosphor zur Gesamtmenge an Aluminium und Bor von etwa 2 : 1 bis etwa 5 : 1, vorzugsweise von etwa 2,4 ; 1 bis etwa 3,5 t 1 und insbesondere etwa 2,8 : 1 bis etwa 3,2 : I₀

Das Boraluminiumphosphat wird im allgemeinen durch Umsetzen einer Aluminiumoxid enthaltenden Komponente mit einer Phosphorsäure liefernden Komponente und einer Bor liefernden Komponente hergestellt. Vorzugsweise wird eine Herstellungsmethode ange- -tfandt, bei der die das Aluminiumoxid enthaltende Komponente vollständig gelöst wird. Das Boraluminiumphosphat wird vorzugsweise unter Einsatz von Phosphorpentoxid oder konzentrierter Phosphorsäure mit einer HUPO^-Konzentration von etwa 70 bis etwa 86 Gewichtsprozent_s insbesondere etvra 86 Gewichtsprozent, hergestellt. Es können aber auch andere Phosphorquellen_s wie Polyphosphorsäuren, eingesetzt werden«

Im allgemeinen wird das Boraluminiumphosphat aus Borsäure und/ oder Boroxid und/oder Metallboraten, wie Alkalimetallboraten _s beispielsweise Natriumborat (Na₂B₁₁O₇₀IuH₂O), hergestellt. Borsäure wird gegenüber Boroxid bevorzugt, da die Säure wegen ihrer größeren Löslichkeit im Reaktionssystem vorteilhafter ist. Vorzugswelse, aber nicht notwendigerweise, werden zur Herstellung des Boraluminiumphosphats Phosphorsäure oder Phosphor- pentoxid, Aluminiumoxid, wie Aluminiumoxidtrihydrat (Al₂O,.3HpO und Borsäure oder Boroxid miteinander umgesetzt.

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Da die Umsetzung exotherm ist, kann sie im allgemeinen durch reines Mischen der Reaktionspartner erfolgen, wobei man die Temperatur des Reaktionsgemisches durch die freiwerdende Reaktionswärme auf etwa 90 bis 120⁰C steigen läßt. Nach Erreichen diese Temperaturmaximums ist es vorteilhaft, etwa 1/2 bis 2 Stunden von außen Wärme zuzuführen, um die maximale Reaktionstemperatur bei etwa 100 bis 120⁰C zu halten und damit die Vervollständigung dar Umsetzung sicherzustellen. In einigen Fällen ist es auch zweckmäßig, die Umsetzung der Komponenten bereits vor der Bildung von Reaktionswärme durch äußere Wärmezufuhr in Gang zu bringen.

Die Umsetzung wird im allgemeinen bei Umgebungsdruck durchgeführt. Jedoch kann auch höherer oder niedrigerer Druck angewandt v/erden. Die Umsetzung ist im allgemeinen innerhalb etwa 1 bis etwa 4 Stunden, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 3 Stunden, vollständig.

Die Menge an Boraluminiumphosphat im Gießereibindemittel beträgt etwa 50 bis etwa 85 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 65 bis etwa Q5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Boraluminiumphosphat und Wasser.

Das Gemisch aus Boraluminiumphosphat und Wasser kann zusätzlieh eine Erdalkalimetallverbindung, beispielsweise in Form eines einfachen oder komplex gebundenen. Oxids oder Hydroxide i enthalten. Entsprechende geeignete Erdalkalimetallverbindungen sind in der US-PS 3 923 525 beschrieben. Im allgemeinen werden diese Erdalkalimetallverbindungen in Mengen bis zu 30 Gewichts teilen pro 100 Gewichtsteile Boraluminiumphosphat eingesetzt. In Abhängigkeit von der Reaktivität der eingesetzten Erdalkalimetallverbindung kann die Verwendung einer zu großen Menge davon zu einer Verkürzung der Verarbeitungszeit des Gießereibindemittels führen. Beispiele für geeignete Erdalkalimetallverbindungen sind Materialien, die Calciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumsilikat, Calciumaluminat, Calciumaluminiumsilikat, Magne-

L -J

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siumsilikat und/oder Magnesiumaluminat enthalten. Geeignete Materialien in diesem Sinn sind auch Zirkonate, Borate und Titanate der Erdalkalimetalle.

Falls dem Gemisch aus Boraluminiumphosphat und Wasser ein Erdalkalimetallmaterial zugesetzt wird, soll diese Zugabe erst kurz vor der Verwendung des Gießereibindemittels erfolgen. Das Erdalkalimetallmaterial kann in Form einer Dispersion oder Suspension in einem flüssigen Medium zugegeben werden, um die Handhabung zu vereinfachen. Geeignete flüssige Medien sind beispielsweise Alkohole, wie Ethylenglykol und Furfurylalkohol, Ester, wie Ethylenglykolacetat (Cellosolve), Kohlenwasserstoffe, wie Kerosin, geruchloses Lackbenzin, normales Lackbenzin, l4O Solvent (jeweils erhältlich von Ashland Oil, Inc.), Shellflex 131 (Shell Oil) und aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Hi-SoI k-2 und Hi-SoI 10 (Ashland Oil, Inc.). Es können auch Gemische verschiedener Verdünnungsmittel und Suspendiermittel eingesetzt werden. Im allgemeinen wird das Erdalkalimetallmaterial mit dem Verdünnungsmittel in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1 : 3 zu etwa 3:1» vorzugsweise etwa 1 : 2 bis etwa 2:1, gemischt.

Eine weitere erforderliche Komponente des erfindungsgemäßen Bindemittels ist Wasser. Das gesamte Wasser oder ein Teil da-

von kann dem System als Träger für das Boraluminiumphosphat zugegeben werden. Das Wasser kann jedoch auch als gesonderte Komponente zugeführt werden. In jedem Fall kann die gewünschte Menge Wasser teilweise zusammen mit dem Boraluminiumphosphat und teilweise zusammen mit einer anderen Komponente eingeführt werden. Die eingesetzte Menge Wasser beträgt etx^a^ bis etwa 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 20 bis etwa 40 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Boraluminiumphosphat und Wasser.

Das Gemisch aus Boraluminiumphosphat und Wasser weist im allgemeinen eine Viskosität von etwa 100 bis 2000 cP, vorzugsweise

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1 etwa 200 bis 1000 cP, auf.

Die Anwesenheit von Bor in der wäSrigen Lösung des Aluminium-Phosphats führt zu einer größeren Stabilität, verglichen mit borfreien Aluminiumphosphatmaterialien. Diese verbesserte Stabilität wird besonders deutlich bei Einsatz von mindestens 5 Molprozent Bor, bezogen auf die Molzahl von Aluminium.

Obwohl die Gießereibindemittel, die ein Boraluminiumphosphat, V/asser und Ammoniak oder ein Amin als Härter enthalten, zu guten Ergebnissen führen, kann diesen Bindemitteln zusätzlich ein fester mehrwertiger Alkohol (oder sein Keto-Tautomeres) oder eine feste organische Carbonsäure zugesetzt werden. Dabei sind die festen mehrwertigen Alkohole bevorzugt,

Der feste mehrwertige Alkohol muß in der wäßrigen Lösung des Boraluminiumphosphats löslich sein und mindestens zwei benachbarte Kohlenstoffatome enthalten, von denen jedes eine Hydroxylgruppe trägt. Die Menge des mehrwertigen Alkohols und/oder des entsprechenden Keto-Tautomeren beträgt etwa 0,5 bis etwa 25 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Boraluminiumphosphat und mehrwertigem Alkohol und/oder Keto-Tautomerem.

Die erfindungsgemäß einsetzbaren mehrwertigen Alkohole sind bei Umgebungstemperatur fest und enthalten im allgemeinen etwa 2 bis etwa 20 Hydroxylgruppen, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 10 Hydroxylgruppen, sowie im allgemeinen etwa 2 bis etwa 20, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 10» Kohlenstoffatome im Molekül, Die mehrwertigen Alkohole können auch andere Atome oder Atomgruppen enthalten, welche die Punktion des mehrwertigen Alkohols nicht beeinträchtigen. Beispielsweise enthalten viele mehrwertige Alkohole, Vielehe erfindungsgemäß eingesetzt werden können, Ether- und/oder Carboxylgruppen. Die mehrwertigen Alkohole sind im allgemeinen nicht polymer. Beispiele für derartige mehrwertige Alkohole sind Sorbit, Rohrzucker, Invertzucker, D-Glucose, B-Glucose, Dihydroxybernsteinsäure, Gluconsäure

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und 1,2,6-Hexantriol. Sorbit und Dihydroxybernsteinsäure sind als mehrwertige Alkohole bevorzugt.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Menge des mehrwertigen Alkohols beträgt im allgemeinen etvra 0,5 bis etwa 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 15 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Boraluminiumphosphat und mehrwertigem Alkohol.

Zur Herstellung einer üblichen Gießereiform auf der Basis von Sand wird dieser mit einer Teilchengröße eingesetzt, die groß genug ist, um der Gießereiform eine ausreichende Porosität zu verleihen, damit während des Gießens flüchtige Stoffe aus der Form entweichen können. Derartige Gießereiformen werden nachfolgend unter dem Ausdruck "übliche Gießereiformen auf der Basis von Sand" verstanden. Im allgemeinen weisen mindestens 80 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 90 Gewichtsprozent, des Formstoffs eine Teilchengröße von mindestens 0,105 mm auf. Vorzugsweise ist die Teilchengröße 0, ]0*? bis 0,273 wen. Der bevorzugte Formstoff für übliche Gießereiformen auf der Basis von Sand ist Siliciumdioxid, bei dem mindestens 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 35 Gewichtsprozent_s des Sandes Siliciumdioxid ist. Andere geeignete Formstoffe sind beispielsweise Zirkon, Olivin, Aluminosilikatsand und Chromitsand.

Für die Herstellung einer Form zum Präzisionsguß weist der Hauptbestandteil, im allgemeinen mindestens 80 %_t des Formstoffs eine Teilchengröße von höchstens 0,105 mm, vorzugsweise 0,044 bis 0,074 mm, auf. Vorzugsweise mindestens 90 Gewichtsprozent des Formstoffs für Gießereiformen zum Präzisionsguß haben eine Teilchengröße von höchstens 0,105 mm, vorzugsweise 0,044 bis 0,074 mm. Die bevorzugten Formstoffe für den Präzisionsguß sind geschmolzener Quarz, Zirkonsande, Magnesiumsilikatsande, wie Olivin, und Aluminosilikatsande.

Formen für den Präzisionsguß unterscheiden sich von üblichen Gießereiformen auf der Basis von Sand durch die dichtere

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Γ Π

Packung. Deshalb müssen Formen für den Präzisionsguß vor ihrem Einsatz erhitzt werden, um in der Gießereiformmasse vorhandene flüchtige Bestandteile auszutreiben. Werden diese flüchtigen Bestandteile nicht abgetrennt, diffundieren sie *;ährend des Gießens in das geschmolzene Metall, da die Gießereiform eine relativ niedrige Porosität aufweist. Diese Diffusion flüchtiger Bestandteile führt zur Verschlechterung der Glätte der Oberfläche des Präzisionsgießlings.

Pur die Herstellung feuerfester Materialien, wie Keramik, wird ein Formstoff eingesetzt, dessen Hauptmenge, mindestens 80 Gewichtsprozent, eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 0,0/4 mm, vorzugsweise höchstens 0,044 mm, aufweist. Vorzugsweise haben mindestens 90 Gewichtsprozent des Formstoffs zur Herstellung eines feuerfesten Materials eine durchschnittliche Teilchengröße von unter 0,07^ mm, insbesondere höchstens 0,044 mm. Der zur Herstellung feuerfester Materialien eingesetzte Formstoff muß einer Härtungstemperatur von über 8lO°C widerstehen, die zum Sintern erforderlich ist» Beispiele für geeignete Formstoffe zur Herstellung feuerfester Materialien sind feuerfeste Oxide, Carbide, Nitride und Silicide, wie Aluminiumoxid, Bleioxid, Chromoxid, Zirkonoxid, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Titannitrid, Bornitrid, Molybdändisilicid und kohlenstoffhaltige Materialien, xtfie Graphit. Es können auch Gemische verschiedener Formstoffe eingesetzt werden, beispielsweise auch Gemische aus Metallen und anderen feuerfesten Materialien.

Beispiele für Schleifkorn zur Herstellung von Schleifmitteln sind Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Korund, Granat und Schmirgel sowie deren Gemische. Die Korngröße liegt im üblichen Bereich, wie er von "United States Bureau of Standards" angegeben wird. Zusammen mit dem Schleifkorn können noch andere anorganische Füllstoffe eingesetzt werden. Es ist bevorzugt, daß mindestens 85 %, vorzugsweise mindestens 95 %_t des anorganischen Füllstoffs eine mittlere Teilchengröße von höchstens

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0,074 mm aufweisen.. Beispiele für derartige anorganische Füllstoffe sind Kryolit, Fluorit und Siliciumdioxid. Bei Einsatz eines anorganischen Füllstoffs zusammen mit dem Schleifkorn wird der Füllstoff im allgemeinen in einer Menge von etwa·1 bis etwa 30 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Schleifkorn und Füllstoff, eingesetzt.

Obwohl der eingesetzte Formstoff vorzugsweise trocken ist, kann er eine kleine Menge Feuchtigkeit, beispielsweise bis zu etwa 0,3 Gewichtsprozent oder mehr, bezogen auf das Gewicht des Formstoffs, enthalten. Diese Feuchtigkeitsmenge im Formstoff kann durch Änderung der Wassermenge kompensiert werden, die zusammen mit den anderen Komponenten, wie Boraluminiumphosphat und Erdalkalimetallmaterial, zugegeben wird.

In den Gießereiformmassen stellen der Formstoff die Hauptkomponente und das Bindemittel eine Komponente in relativ geringer Menge dar. Bei üblichen Gießereiformen auf der Basis von Sand beträgt die Menge an Bindemittel im allgemeinen höchstens 10 Gewichtsprozent, häufig etwa 0,5 bis etwa 7 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Formstoffs, Sehr häufig beträgt bei derartigen Gießereiformen die Menge des Bindemittels etwa 1 bis etwa 5 Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff,

Bei Gießereiformen und -kernen für den Präzisionsguß beträgt die Menge des Bindemittels im allgemeinen höchstens *J0 Gewichtsprozent, häufig etwa 5 bis etwa 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Formstoffs.

Bei der Herstellung von feuerfesten Materialien beträgt die Menge des Bindemittels im allgemeinen höchstens Ho Gewichtsprozent, häufig etwa 5 bis etwa 20 Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff.

Bei der Herstellung von Schleifmitteln beträgt die Menge des Bindemittels im allgemeinen höchstens 25 Gewichtsprozent,

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häufig etwa 5 bis etwa 15 Gewichtsprozent, bezogen auf das Schleifkorn.

Die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel werden in Form einer wäßrigen Lösung des Boraluminiumphosphats unter Ausschluß von anderen Materialien, wie einer Erdalkalimetallkomponente, eingesetzt und können in dieser Form als Einkomponentensystem verarbeitet werden. Bei zusätzlicher Verwendung einer Erdalkalimetailkomponente soll das Bindemittel in Form eines Zweikomponentensystems formuliert werden. In diesem letzten Fall wird zur Anwendung des Gießereibindemittels der Inhalt der die Erdalkalimetallkomponente enthaltenden Packung im allgemeinen mit dem Formstoff gemischt und dann in das erhaltene Gemisch der In halt der das Boraluminiumphosphat enthaltenden Packung eingearbeitet. Sowohl beim Ein- als auch beim Zweikomponentensystem wird das Bindemittel im Formstoff gleichförmig verteilt, und die erhaltene Gießereiformmasse in die gewünschte Form überführt. Die Methoden zur Verteilung des Bindemittels im Formstoff sind bekannt. Die Gießereiformmasse kann gegebenenfalls weitere Bestandteile, wie Eisenoxid, gemahlene Flachsfasern, Holzmehl, Ton, Teer und pulverförmige feuerfeste Materialien, enthalten.

Die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel ermöglichen die Herstellung von Gießereiformen mit verbesserten Zerfalls- und Ausformeigenschaften beim Gießen relativ hoch schmelzender Eisenmetalle, wie Eisen und Stahl, die bei einer Temperatur von etwa 137O°C vergossen werden. In dieser Hinsicht sind die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel anderen anorganischen Bindemittelsystemen, wie Silikaten, überlegen. Gleichzeitig ermöglichen die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel die Herstellung von Gießereiformen zum Gießen von relativ niedrig schmelzenden Wichteisenmetallen, wie Aluminium, Kupfer und

Kupferlegierungen, wie Messing. 35

In der Vergangenheit war der relativ niedrige Schmelzpunkt von

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Nichteisenmetallen nicht hoch genug, um die Bindefestigkeit des Bindemittels in ausreichendem Maße herabzusetzen, um ausreichende Zerfallseigenschaften der Gießereiform zu erreichen, die ein Ausformen durch einfache Anwendung mechanischer Kräfte in wirtschaftlicher Weise ermöglichen. Dagegen gestatten die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel die Herstellung von Gießereiformen, die leicht zerfallen und ein Ausformen des Gießlings bei relativ niedrig schmelzenden Nichteisenmetallen, insbesondere bei Aluminium, ermöglichen, ohne daß ein Auslaugen mit V/asser erforderlich ist.

Die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel werden durch Behandeln mit Ammoniak oder einem Amin rasch gehärtet. Die aus dem Gießereibindemittel und dem Formstoff sowie gegebenenfalls den anderen Komponenten, wie dem Schleifkorn, bestehende und in die gewünschte Form überführte Gießereiformmasse ist für ein Gas ausreichend durchlässig. Vorzugsweise wird unverdünntes Ammoniakgas durch die geformte Masse geführt, die anschließend mit Luft oder einem anderen inerten Gas gespült wird. Dieses Spülen beseitigt nicht nur die schädlichen Dämpfe vonYTImmoniak , oder " ι Amin ",· aus der Gießereiform sondern auch einen Teil des darin enthaltenen Wassers. Es können übliche Amine, wie primäre, sekundäre und tertiäre Methyl- und Ethylamine als Härter eingesetzt werden, Jedoch ist Ammoniak bevorzugt.

Das Erhitzen des als Härter eingesetzten Ammoniaks oder Amins führt zu dessen rascherer Umsetzung mit dem Boraluminiumphosphat. Von Vorteil ist auch das Erhitzen des Spülgases.

Die Stabilität der geformten Gießereikerne kann durch ein nachträgliches Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 50 bis etwa 200⁰C verbessert werden. Das Erhitzen kann durch irgendeine Methode erfolgen, beispielsweise durch Erhitzen in einem Ofen, durch Mikrowellen oder sonstige Bestrahlung. Die fertigen Gießereikerne können mit einem Kernbehandlungsmittel, wie sie in der US-PS 4 001 468 beschrieben sind, behandelt werden.

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Die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel erfordern eine besonders kurze Härtungszeit bis zu einer ausreichenden Zugfestigkeit, was von besonders großer wirtschaftlicher Bedeutung ist. Die optimalen Härtungszeiten können leicht durch Versuche

5 bestimmt werden.

Wenn die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel zur Herstellung von üblichen Gießerei formen auf der Basis von Sand eingesetzt v/erden, werden folgende Verfahrensschritte angewandt: 10

1, Herstellen einer Gießereiformmasse, welche einen Formstoff,

z. B. Sand,' und die härtbaren Komponenten des Bindemittels

enthält,

15 2. Verformen der Gießereiformmasse und

3. Behandeln der geformten Gießereiformmasse mit Ammoniak oder einem Anin bis zur Härtung des Bindemittels.

Im allgemeinen ist ein vierter Verfahrensschritt vorteilhaft, bei dem überschüssiges Ammoniak oder Amin mit Luft oder einem anderen inerten Gas ausgespült wird.

Die erfindungsgemäßen Gießereibindemittel können auch mit Metallphosphaten, beispielsweise mit Phosphaten des Eisens, Chroms und Magnesiums, modifiziert werden.

Wenn unter Verwendung der erfindungsgemäßen Gießereibindemittel Formteile, wie feuerfeste Formteile, Schleifmittel, wie Schleifscheiben, und andere Formteile hergestellt werden, werden Gießereiformmassen mit folgender Zusammensetzung verwendet:

a) Formstoff als Hauptbestandteil,

b) bis zu etwa 40 Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff, eines erfindungsgemäßen Gießereibindemittels.

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Die vorliegende Erfindung umfaßt neben den Gießereibindemitteln auch die damit hergestellten Gießereiformmassen, das Verfahren zur Herstellung dieser Gießereiformmassen unter Mischen eines Formstoffs mit bis zu etwa 4-0 Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff, eines vorgenannten Bindemittels, die unter Einsatz des erfindungsgemäßen Bindemittels erhaltenen Gießereikerne und -formen sowie ein Verfahren zum Gießen relativ niedrig schmelzender Nichteisenmetalle, bei dem eine Gießereiform aus einem Formstoff als Hauptbestandteil und bis zu etwa HO Gewichtsprozent eines vorgenannten Bindemittels hergestellt wird, das flüssige niedrig schmelzende Nichteisenmetall in die Gießereiform gegossen wird und das Metall abkühlen und verfestigen gelassen wird.

Nachfolgend beziehen sich alle Teile auf das Gewicht, soweit nichts anderes angegeben ist. In allen Beispielen erfolgt das Härten nach dem "cold-box"-Verfahren bei Raumtemperatur, soweit nichts anderes angegeben ist.

Beispiel 1

Durch Umsetzen einer wäßrigen Lösung von Phosphorsäure, Borsäure und hydratisiertem Aluminium und hydratisiertem Aluminiumoxid wird gemäß der US-PS 3 923 525 ein Boraluminiumphosphat hergestellt. Im erhaltenen Produkt beträgt das Molverhältnis von Phosphor zur Gesamtzahl der Mole von Aluminium und Bor 3 : 3» Die Molzahl an Bor beträgt 20 %_t bezogen auf die Mole Aluminium. Das Bindemittel wird mit Wasser bis zu einer Viskosität von 67Ο cSt verdünnt und dann mit Formsand (Port Crescent) in einem Verhältnis von 3 Teilen Bindemittel zu 100 Teilen Sand gemischt.

Die erhaltene Gießerei formmasse wird von Hand gemäß der Standardmethode in AFS-Prüfkörper zur Bestimmung der Zugfestigkeit überführt. Die Prüfkörper werden gehärtet, indem Ammoniakgas

ρ
unter einem Druck von 2,11 kg/cm und mit einer Durchflußmenge

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von 3,5 Liter/min hindurchgedrückt wird. Bei einer Versuchsreihe beträgt die Begasungszeit 15 bis 60 Sekunden, gefolgt von einer Spülung mit Luft während 15 bis 60 Sekunden. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengefaßt.

Tabelle I

	+ ) 2 Gasdruck ', kg/cm	2,11	2	3,16(76)	2,11	2,11	2,11
	Gasmenge, cm /min	3500	4,92(87)	3500	3500	3500
10	Gaszufuhr, see	15	5,98(71)	30	45	60
	Luftspülung, see	15	4,57(74)	30	45	60
	Grünfestigkeit,kg/cm	2+++)	11,6 (79)
	sofort	0,0337	7,73(65)	0,0281	0,0316	0,0337
15	nach 1 Stunde	0,0337	0,0281	0,0316	0,0231
	nach 3 Stunden	0,0337	0,0337	0,0352	0,0316
	nach 5 Stunden	0,0337	0,0352	0,0352	0,0337
	Zugfestigkeit, kg/cm
20	entformt	⁺⁺⁾ 3,52(75)	2,81(74)	3,87(65)
	nach 1 Stunde	7,73(85)	5,62(85)	8,44(85)
	nach 4 Stunden	7,73(83)	6,68(87)	5,62(75)
	nach 24 Stunden	5,98(70)	5,27(70)	5,27(74)
	15 min/177°c"	10,5 (75)	10,2 (82)	6,68(74)
25	30 min/177°C	13,4 (75)	5,62(65)	6,33(65)

Sand: Port Crescent Lake Bindemittel: 3,0 %, bezogen auf Saud, 67Ο cSt Härter: wasserfreies Ammoniak

Ammoniak bei Temperatur der Formmasse
Ritzhärte, bestimmt mit Diefert 674 Kernhärtetester
zeigt Festigkeit ungehärteter Prüfkörper als Funktion
der Zeit

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- yr -

1 . Beispiel 2

Gemäß Beispiel 1 werden Prüfkörper hergestellt, jedoch werden das Bindemittel mit weiterem Wasser verdünnt und jeder Prüfkörper 30 Sekunden mit Ammoniak begast. Die Ergebnisse sind in

der Tabelle II zusammengefaßt:

	, kg/cm	sec	5	Tabelle II	20	25	30
Wasser, %	Gasmenge , cirr /min	Luftspülung, sec	2,11	10	2,11	2,11	2,11
¹⁰ Gasdruck	Gaszufuhr,		3500	2,11	3500	3500	3500
	'30	3500	30	30	30
	20	30	20	20	20
20

Grünfestigkeit,
kg/cm2 ^{+ +}*>

sofort

nach 1 Stunde

nach 3 Stunden

0,0380 0,0274 0,0281 0,0295 0,0239 0,0281

0,0309
0,0246

0,0232 0,0211

0,0316 0,0267

0,0316 0,0316 0,0281

Zugfestigkeit, kg/cm

entformt 1

nach 1 Stunde 6,33(60) 3,52 nach 4 Stunden
nach 24 Stunden

15 min/177°C
30 min/177°C

8,09

1,41 14,4

8,44(

33)

71)

Gk) 13,4 73) 7,73

:55) 1,41

'.7h) 2,46

1) 2,46

:6i) 1,41

\77) 1,76

1,05 70) 1,76 1,41 1,41 2,11

i,4ibo) 0,70

(30) -

(67) 1,05,1 (75) 1,76 (70) 1,41 (63) 2,46

:50) 0,70(50)

Sand: Port Crescent Lake

30 Bindemittel: 3,0 % INOSET R-I, bezogen auf Sand Zusatz: V/asser
Härter: wasserfreies Ammoniak

++)■

siehe Tabelle I

' bezogen auf Bindemittel

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1 Beispiel3

Zwei Bindemittel werden ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt. Im ersten Bindemittel beträgt die Molzahl des Bors 5 %, im zweiten Bindemittel 10 %_t jeweils bezogen auf die Molzahl des AIuminiums. Die Bindemittel werden gemäß den in der nachfolgenden Tabelle III angegebenen Verhältnissen mit Wasser verdünnt und dann mit Formsand in einem Verhältnis von 3 Teilen Bindemittel und Wasser pro 100 Teile üanaü Lae erhaltenen Formmassen werden in AFS-Prüfkörper zur Bestimmung der Zugfestigkeit überführt und mit gasförmigem Ammoniak gehärtet. Wie in Beispiel 1 werden einige der Prüfkörper verschiedene Zeiten auf eine Temperatur von 177°C erhitzt. Die erhaltenen Zugfestigkeiten und Ritzhärten sind in der nachfolgenden Tabelle III zusammengefaßt.

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co
ο

Ui

Ul

Tabelle III

Bindemittel, Mol
Bor pro 100 Mol
Aluminium

Teile Boraluminiumphosphat und Wasser
pro 100 Teile Formsand

Gewichtsverhältnis
Boraluminiumphosphat/V/asser

Zugfestigkeit und
Ritzhärte, kg/cm²

entformt
15 min/177°C
30 min/177°C
45 min/177°C

30 min/177°C, dann
2 Stunden 90$ relative Feuchtigkeit

95/5

90/10

80/20

75/25

ll,ll(8O)⁺⁺⁾12,3(66) 11,2.(71) 7,38(56)

15,72(82)" 15,6(76) 14,1 (58) 12,91(37)

13,57(75) 14,4(63) 15,01(61) 11,06(31)

9,84(33) 8,58(40) 7,59(39) 6,54(31)

50/50

4,57(41)
4,43(14)
2,95(11)

10

95/5

10

90/10

10

80/20

13,50(71) 13,15(72) 9,84(65) 19,84(78) 16,41(66) 17,6(67) 17,46(80) 10,9 (50) 7,87(41;

2,67( 8) 9,00(52) 9,70(45) 5,48(34)

4,43(40) 4,36(37) 4,08(27) 5,06(14) 3,02(8) 5,06(51) 4,01(30) 4,92(13)

siehe Tabelle I

OO O CO OO

CD

-Μ- π

1 Beispiel 4

Dieses Beispiel erläutert den Einsatz erfindungsgemäßer Gießereibindemittel in Kombination mit verschiedenen Zusätzen, nämlich I-Tetallphosphaten, Erdalkalimetallverbindungen und mehr-

5 wertigen Alkoholen.

Es werden Bindemittel ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt und mit 35prozentiger Phosphorsäure verdünnt. Die erhaltenen Gemische vier den mit Ca(H₃POj, )„, Magnesiumcarbonate Kagnesiumsilikat und Sorbit in den in der nachfolgenden Tabelle IV angegebenen Mengen versetzt. Prüfkörper werden gemäß den Beispielen 1 und 3 hergestellt und untersucht. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle IV zusammengefaßt.

^L- 809837/0842

GO

cn

Tabelle IV

Bindemittel, Mol Bor pro 100 Mol Aluminium

Teile Boraluminiumphosphat und Wasser pro 100 Teile Formsand

Gewichts Verhältnis ⁰⁰ Boraluminiumphosphat/

¹^ H PO
co 3 4

oj Zusatz

10

90/10

30/20

75/25

80/20 .

Mg SiO,

10

75/25

80/15 Sorbit

--. Teile pro 100 Teile ο Formsand OO	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	V 0,5 ^	4,78(71)	OO O CD OD
J^ Zugfestigkeit und Ritzhärte, kg/cm²						I		ro CD
entformt	10,2 (43)⁺⁺	12,3 (69)	7,59(73)	6,75(64)	6,61(71)
15 min/177°C	11,69(57)	9,77(69)	12,84(54)	19,49(67)	18,3 (47)
30 min/177°C	15,01(45)	17,11(50)	19,84(52)	9,63(56)	10,6 (55)
45 min/177°C	12,7 (61)	15,1 (46)	10,71(54)	6,12(53)	8,22(39)
30 ητ1η/177^Ο0, dann 2 Stunden 90 % rela tive Feuchtigkeit	3,66(31)	1,05(16)	14,8 (15)	2,81(17)	2,81(36)
siehe Tabelle I

Claims

1- Gießereibindemittel, d a d u r c-h gekenn

zeichnet, daß es 5

(a) ein Borhydrogenaluminiumphosphat mit einem Molverhältnis von Phosphor zu Aluminium von etwa 2:1 bis etwa 5 : 1 und etwa 3 bis etwa 40 Molprozent Bor, bezogen auf die Mole Aluminium,
(b) Wasser und

Cc) Ammoniak oder ein Amin als Härter

wobei die Menge an Wasser etwa 15 bis etv;a 50 Gev/ichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Borhydrogenaluainiutaphosphat und Wasser, ^ beträgt.

2. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat Bor in einer Menge von etwa 5 bis etwa 30 Molprozent, bezogen auf die Mole Aluminium, enthält.

3. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat Bor in einer Menge von et-

wa 10 bis etwa 25 Molprozent, bezogen auf die Mole Aluminium, enthält.

4. . Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat ein Molverhältnis von Phosphor zur Gesamtmenge von Aluminium und Bor von etwa 2,5 :

1 bis etwa 3,5 : 1 enthält.

5. Bindemittel nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat ein Molverhältnis von

Phosphor zur Gesamtmenge an Aluminium und Bor von etwa 2,8 : 1 bis etwa 3,2 : 1 enthält.

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6. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat Bor in einer Menge von etwa 10 bis etwa 25 Molprozent, bezogen auf die Mole Aluminium, und ein Molverhältnis von Phosphor zur Gesamtmenge von Aluminium

5 und Bor von etwa 2,8 : 1 bis etwa 3,2 : 1 enthält.

7. . Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich ein Erdalkalimetallmaterial enthält, in dem ein Erdalkalimetall in Form eines einfachen oder komplex, gebundenen Oxids oder Hydroxids in einer Menge bis zu etwa 30 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Borhydrogenaluminiumphosphat vorliegt.

8. Bindemittel nach Anspüren 7, dadurch gekennzeichnet/ daß das Srdalkalimetallmaterial Calciumoxid, Magnesiumoxid, Calciurcsilikat, Calciumaluminat, Calciumaluminiumsilikat, Magnesiumsilikat und/oder Magnesiumaluminat darstellt.

9. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich einen festen mehrwertigen Alkohol enthält, der in der wäßrigen Lösung des Borhydrogenaluminiumphosphats löslich ist und mindestens zwei benachbarte, jeweils eine Hydroxylgruppe tragende Kohlenstoffatome enthält oder als entsprechendes Keto-Tautomeres vorliegt, wobei der mehrwertige Alkohol im Bindemittel in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 25 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Aluminiumphosphat und Alkohol, enthalten ist.

10. . Bindemittel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrwertige Alkohol Sorbit ist.

11. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich eine feste organische Carbonsäure enthält, die in der wäßrigen Lösung des Borhydrogenaluminiumphosphats loslich ist und mindestens zwei Carboxylgruppen und mindestens eine Hydroxylgruppe oder eine entsprechende Gruppe eines Keto-

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Γ ~l

Tautomeren enthält und im Bindemittel in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 25 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht von Borhydrogenalumlniumphosphat und Carbonsäure, vorliegt.

¹²- Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich ein Metallphosphat enthält.

•¹³- Bindemittel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallphosphat ein Eisen-, Chrom- oder Magnesiumphosphat ist.

14. Gießereiformmasse, dadurch gekennzeichnet, daß sie

(a) einen Formstoff als Hauptbestandteil und

(b) bis zu etwa 40 Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff, eines Bindemittels nach Anspruch 1

enthält.

¹⁵· Formmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat Bor in einer Menge von etwa 10 bis etwa 25 Molprozent, bezogen auf die Mole Aluminium, enthält.

16- . Formmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat ein Molverhältnis von Phosphor zur Gesamtmenge von Aluminium und Bor von etwa 2,5 : 1 bis etwa 3,5 : 1 enthält.

¹⁷- Formmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Borhydrogenaluminiumphosphat Bor in einer Menge von etwa 10 bis etwa 25 Molprozent, bezogen auf die Mole Aluminium, und ein Molverhältnis von Phosphor zur Gesamtmenge von Aluminium und Bor von etwa 2,8 : 1 bis etwa 3,2 : 1 enthält. 35

¹⁸· Formmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, L J

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-ίϊ-

daß sie zusätzlich ein Erdalkalimetallmaterial enthält, in dem das Erdalkalimetall in Form eines einfachen oder komplex gebundenen Oxids oder Hydroxids in einer Menge bis zu etwa 30 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen des Borhydrogenaluminium-

5 phosphats vorliegt.

19. Formmasse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetallmaterial Calciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumsilikat, Calciumaluminat, Calciumaluminiumsilikat, Ma-

10 gnesiumsilikat und/oder Magnesiumaluminat ist,

20. Formmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Bindemittel nach Anspruch 9..enthält.

21. . Formmasse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrwertige Alkohol Sorbit ist,

22. Formmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Bindemittel nach Anspruch 11 enthält.

23. Formmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich ein Metallphosphat enthält,

24. Formmasse nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallphosphat ein Eisen-, Chrom- oder Magnesiumphosphat ist,

25. Verfahren zur Herstellung von Gießereiformen, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) einen Formstoff mit bis zu etwa 4-0 Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff, eines Bindemittels nach Anspruch 1 mischt, wobei man die Menge und die Teilchengröße des Formstoffs so wählt, daß die Gießereiform eine ausreichende Porosität für das Entweichen von während des Gießens sich bildenden flüchtigen Bestandteilen erhält,

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1 (b) die Formmasse in die gewünschte Form überführt,

(c) durch die Gießereiform Ammoniak oder ein Amin als Härter mindestens so lange leitet, daß die Gießereiform selbsttragend wird, und
(d) die Gießereiform entformt,

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die im Verfahrensschritt (d) erhaltene Gießereiform erhitzt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß man Ammoniak als Härter einsetzt.

28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet_p daß man ein primäres, sekundäres oder tertiäres Ethyl- oder

Methylamin als Härter einsetzt.

29. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem gemäß dem Verfahrensschritt (d) erfolgenden Entformen der Gießereiform diese mit einem inerten Spülgas behandelt .

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet,

daß man als inertes Spülgas Luft einsetzt» 25

31- Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß man als inertes Spülgas erhitzte Luft einsetzt»

32. Verfahren zum Gießen von relativ niedrig schmelzen= ^ den Nichteisenmetallen, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem Formstoff als Hauptbestandteil und bis zu etwa ¹JO Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff, eines Bindemittels nach Anspruch 1 eine Gießereiform herstellt, das flüssige, relativ niedrig schmelzende Nichteisenmetall in oder um die Gießereiform gießt, das Nichteisenmetall abkühlen und sich verfestigen läßt und den erhaltenen Gießling entformt.

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33, Verfahren zum Gießen von Eisenmetallen, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem Formstoff als Hauptbestandteil und bis zu etwa ^O Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff, eines Bindemittels nach Anspruch 1 eine Gießereiform her-

5 stellt, flüssiges Eisenmetall in oder um die Gießereiform

gießt, das Eisenmetall abkühlen und sich verfestigen läßt und den erhaltenen Gießling entformt.

34. Druckgußverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem Formstoff als Hauptbestandteil und bis zu etwa 40 Gewichtsprozent, bezogen auf den Formstoff, eines Bindemittels nach Anspruch 1 einen Gießereikern herstellt, den Gießereikern in einer Preßform anordnet, in die Preßform und um den Gießereikern ein geschmolzenes Metall einspritzt, das Metall abkühlen und sich verfestigen läßt und das erhaltene Druckgußstück entformt.

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