DE2834065A1

DE2834065A1 - Additiv fuer einen formsand

Info

Publication number: DE2834065A1
Application number: DE19782834065
Authority: DE
Inventors: Ronald Ernest Melcher; Frederick William Schaefer
Original assignee: Whitehead Brothers Co
Current assignee: Whitehead Brothers Co
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-08-03
Publication date: 1979-02-22
Also published as: IT1098007B; NL7808229A; FR2399294A1; GB2002396A; IT7826544A0; US4131476A; DE2834065C2; CA1113654A; CH639880A5; FR2399294B1; GB2002396B; JPS5523703B2; BE869558A; JPS5462925A; SE7808408L; SE440861B

Description

WTIITEHEAD BROTHERS COMPANY, Florham Park, N.J., V.St.A.

Additiv für einen Formsand

Die Erfindung bezieht sich auf Zusätze oder Additive für einen grünen Formsand. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Additive zur Verbesserung der physikalischen .eigenschaften von heißem grünen Formsand, d.h. grünem Formsand bei einer Temperatur von ungefähr 110 bis 160 F (43,3 bis 71,1°C).

Auf dem Gebiet des Gießereiwesens ist es bekannt, Metallgegenstände durch Gießverfahren derart auszubilden, daß man geschmolzenes Metall in eine Form gießt und das Metall dort abkühlen und verfestigen läßt. Bei weitem die größte Anzahl von Gußstücken wird durch Verfahren hergestellt, bei denen die Form aus Sand besteht, d.h. unter Verwendung des Sandgußverfahrens. Es gibt mehrere verschiedene Sandgußverfahren, wobei aber eines der am häufigsten verwendeten Verfahren das grünen Formsand verwendende Verfahren ist.

Grüner Formsand ist definiert als eine "plastische Mischung aus Sandkörnern, Ton, Wasser und anderen Materialien, die für Form- und Gießverfahren verwendet werden können. Der Sand wird wegen seines vorhandenen Feuchtegehalts als "grün"

909808/0831

bezeichnet, und zwar im Unterschied zu trockenem Sand." Vgl·. dazu Heine U.A. in "Principies of Metal· Casting", McGraw-Hill· Book Co., Inc., New York (1955}, Seite 22. Grüner Sand wurde auch definiert ais ein "natüriich gebundener Sand oder eine zusammengesetzte Formsandmischung, die mit Wasser behandeit wurde,und zwar zur Verwendung im noch feuchten oder naßen Zustand". Vgl·, dazu "Mk^ding Methods and Materials", I« Ausgabe, The American Foundrymen's Society, Des Plaines (1962). Ein solcher Sand enthäit Wasser oder Feuchtigkeit, und zwar sowohl· während der Formbiidungsstufe al·s auch während der Metallguß— phase. Der hier verwendete Ausdruck "grüner Formsand für Giesserei" bezieht sich auf grüne Formsände der bekannten Art, wie sie vom Fachmann des Gießereiwesens verstanden werden, und ein solcher Sand weist Formsand und Ton getempert mit Wasser auf.

Wie sich aus den obenstehenden Bemerkungen ergibt, sind die wesentlichen Bestandteile eines grünen Formsandes für die Gießerei Formsand, Ton und Wasser. Der Formsand ist üblicherweise ein Siliciumoxidsand (beispieisweise Quarz), kann aber ein Zirkon, Oiivin oder ein anderes feuerfestes Teilchenmaterial sein mit einer Maschengröße im allgemeinen im Bereich von ungefähr 6 bis ungefähr 27o Maschen, wobei dieser Sand hauptsächiich ais ein Füllstoff dient und den Körper der Form vorsieht. Der Ton ist ein feinverteiltes (normalerweise kleiner als ungefähr 2 Mikron besitzendes) Material·, wie beispieisweise Montmorillonit (Bentonit) , Illit, Koalinit, gebrannter Ton und dgl., der im plastischen Zustand mit Wasser ais ein Binder für die Sandkörer dient und die physikaiische Festigkeit erteiit, die notwendig ist, um die Verwendung des grünen Formsandes ais ein Formmaterial· zu ermöglichen. Üblicherweise enthaiten grüne Formsände von ungefähr 5 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent Ton, basierend auf Sand, und hinreichend viel· Wasser, normalerweise nicht mehr als ungefähr 8 Gewichtsprozent, basierend auf Sand, um die gewünschte Plastizität und andere physikaiische Eigenschaften zu erreichen. Die Menge des Temperwassers ist normalerweise größer, wenn natürlich gebundene Sande verwen-

909808/0831

det werden.

als ±m Falle der Verwendung von synthetischen Sänden.

Es gibt eine Anzahl von Eigenschaften, die bei grünen Formsänden für die Gießerei erwünscht sind. Zu den wichtigsten Eigenschaftten gehören die folgenden:

1} Gute Fließfähigkeit oder Kompaktibilität, um zu gestatten, daß sich der Sand gegen das Muster bei Aufbringung von Kompaktmaciiiings- oder Verdichtungskräften bewegt;

2) gute physikalische oder körperliche Festigkeit nach dem Kompaktinachen, um zu gestatten, daß die Form nach Entfernung des i-iusters und während des Gießens ihre Gestalt beibehält;

3) dimensionsmäßige Stabilität während des Gießverfahrens;

4) gute interne Kohäsion der Sandkörner und schlechte Adhäsion der Sandkörner am Gußstück, und

5) gute Zusammenbruchfahigkext nach dem Gießvorgang, um die Entnahme des Gußstücks zu erleichtern. Es gibt natürlich weitere subsidiäre Eigenschaften, die zu diesen genannten Eigenschaften in Beziehung stehen, "und zwar beispielsweise die folgenden: Kompressions- oder Druckfestigkeit, Permeabilität oder Durchlässigkeit, Kompaktmachungsfähigkeit, Formhärte, grüne Scherfestigkeitdeformation, Abschälverhalten und dgl. Im allgemeinen hat ein gründer Formsand typischerweise Eigenschaften innerhalb der folgenden Bereiche::

Grüne Druckfestigkeit Grüne Scherfestigkeit Deformation Permeabilität Trockene Druckfestigkeit Kompaktibilität

4-40 psi 0,5 - IO psi 0,005 - 0,04 Zoll/Zoll

6,5 - 400 50 - 200^H 35 - 65%

psi

Wenn die Deformation oder Kompaktibilität zu niedrig liegt, so ist der grüne Formsand zu spröde und kann seinerHandhabung oder Verarbeitung nicht genügend Widerstand entgegensetzen und auch nicht der Entfernung des Musters; wenn dahingegen die Deformation zu hoch liegt, so kann keine dimensionsmäßige Genauigkeit erhalten werden und die Form, insbesondere eine mit großer Masse von beispielsweise 100 engl. Pfund oder mehr, kann sich infolge ihres

9098ÖS/0831

eigenen Gewichts deformieren.Wenn sowohl die grüne Festigkeit als auch die Deformation zu hoch liegen/ so kann der Sand nicht ohne weiteres mit den vorhandenen Techniken geformt und kompaktgemacht werden. Wenn die Permeabilität kleiner als 6,5 ist, so können sich die während des Gießens erzeugten Dämpfe nicht schnell genug verteilen, und die Form kann durch den Gasdruck brechen und geschmolzenes Metall kann aus den Sprüngen herausspritzen. Wenn andererseits die Permeabilität zu hoch liegt, so wird das geschmolzene Metall nicht in dem Formhohlraum zurückgehalten, sondern dringt in Hohlräume des Sandes ein. Wenn schließlich die Trockenfestigkeit zu niedrig liegt, so kann der Sand der Errosionswirkung des fließenden geschmolzenen Metalls während des Gießens nicht widerstehen, wohingegen dann, wenn die Trockenfestigkeit zu hoch ist, das Gußstück bei Verfestigung springen kann.

Im allgemeinen besitzen grüne Formsände für die Gießerei, die nur aus Sand, Ton und Wasser bestehen, kein optimales Gleichgewicht der Eigenschaften. Aus diesem Grunde wird eine Vielzahl von Additiven verwendet, um die Eigenschaften der giünen Formsände zu verbessern. Typischerweise sind diese Additive organische Materialien, die als Planieragenzien, Expansionssteueragenzien und dgl. verwendet werden. In den meisten Fällen sind diese organischen Additive nur zur Verbesserung einer Eigenschaft des Grünsands zweckmäßig, und es können somit zwei oder mehr Additive erforderlich sein. Darüber hinaus hat ein zur Verbesserung einer Eigenschaft verwendetes Additiv häufig den Nachteil, daß eine andere Eigenschaft der Grünsandform nachteilig beeinflußt wird. Beispielsweise wurde Seekohle oder Braunkohle als ein Planieragens verwendet. Dabei hat sich herausgestellt, daß durch diese Kohle zwar der Aufbrand verhindert wird, aber erhöhte Mengen an Ton und Wasser notwendig sind, um die erwünschten physikalischen Eigenschaften von unmodifiziertem Grünsand wieder herzustellen.

Grüne Formsände können auch als "Weichsände" bezeichnet werden, weil sie plastisch und erneut formbar während des ganzen Formausbildungsverfahrens und teilweise während des Gießvorgangs

909808/0831

bleiben. Derartige Formsände sind recht unterschiedlich gegenüber anderen Formsänden, die als "Hartsände" bezeichnet werden können. Diese "Hartsände" sind zu Beginn des Formausbildungsverfahrens plastisch, werden aber gehärtet und werden starr, bevor der Gußvorgang beginnt. Harte Sande werden beispielsweise bei Investmentformverfahren verwendet und bei der Ausbildung von Kernen und Formen aus harzgebundenen Sänden oder Sänden gebildet aus Natriumsilikat oder Phosphaten oder gebackenen Trockenölsänden. Derartige gehärtete Sande haben höhere Kompressionsfestigkeiten in der Größenordnung von 80 bis 300 psi oder mehr. Im Gegensatz dazu haben grüne Formsände Kompressionsfestigkeiten in der Größenordnung von ungefähr 4 bis ungefähr 40 psi und vorzugsweise ungefähr 12 bis ungefähr 30 psi.

Grüne Formsände können auch von "harten Sänden" unterschieden werden, weil erstere ohne weiteres erneut verwendet werden können, wobei es lediglich notwendig ist, das Temperwasser_% zu ersetzen, und - wenn notwendig - organische oder andere während des Gießvorgangs verlorengegangene Additive. Im Gegensatz dazu können harte Sande nur durch Entfernung sämtlicher Materialien, mit der Ausnahme der feuerfesten Körner, wiedergewonnen werden, und bei vollständiger Ersetzung des Bindematerials. Infolgedessen werden harte Sande im allgemeinen nach einem Gebrauch weggeworfen. .

Wegen der recht unterschiedlichen Zusammensetzung und Gebrauchsart sind die Probleme bei Grünsandgießverfahren stark unterschiedlich von denjenigen bei Hartsandgießverfahren. Ein derartiges Problem besteht in der Steuerung der Menge des Temperwassers, um eine angemessene Verbindungsfestxgkeit während sowohl des Formschritts als auch des Gießschritts zu erreichen. Geringe Änderungen der Wassermenge in einem Grünformsand beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Sandes stark. Insbesondere hängt die Trockenfestigkeit und die Heißfestigkeit eines Grünformsandes von der Feuchtigkeit des Sandes beim Kompak (.machen ab; je niedriger der Feuchtigkeitsgehalt liegt, um so niedriger liegen die Heiß- und Trocken-Festigkeiten des Sandes. Beispielsweise hat eine gegebene Prozentsatzänderung bei der Wassermenge

909808/0831

2834Q65

einen über fünffachen Effekt auf die Sandfestigkeit als eine ähnliche Prozentsatzänderung bei der Menge des Tons oder einem anderen üblicherweise verwendeten Grünsandadditiv.

Das Problem der Steuerung oder Einstellung des Feuchtigkeitsniveaus wird durch einen Zustand erschwert, der als "hot green molding sand" oder heißer grüner Formsand bekannt ist. Offensichtlich wird der Sand während des Gießvorgangs erhitzt, und wenn man nicht hinreichend viel Zeit vergehen läßt, um den Sand vor seiner Wiederverwendung auf Umgebungstemperatur abkühlen zu lassen, so steigt die Temperatur des Sandes an. Wenn die Temperatur des Sandes eine Temperatur von ungefähr 100 bis ungefähr 160 F erreicht, so werden seine physikalischen und Ärbeitseigenschaften materiell geändert, was die Formausbildung schwieriger macht und Gießfehler hervorruft. Auf diese Weise wird bei der Formausbildung der heiße grüne Sand an dem Muster (Modell) ankleben und kann nicht leicht aus tiefen Taschen herausgezogen werden. Ferner besteht die Tendenz derVerstopfung bei Sandzuführungen und Trichtern und es werden nicht homogene Formgebilde infolge von Veränderungen des Feuchtegehalts des grünen Sandes erhalten. Zu den Gießfehlern gehören Schmutz- oder Sandeinschlüsse an der Gußstückoberfläche, Blasen und Nadellöcher, Errosionsschäden und ganz allgemein eine Verschlechterung der Oberfläche des Gußstücks.

Ohne die Erfindung in irgendeiner Weise durch eine spezielle Theorie einschränken zu wollen, wird angenommen, daß die Hauptursache für die beim heißen grünen Sand auftretenden Probleme die schnelle Verdampfung des Wassers aus dem heißen Sand ist, insbesondere aus freiliegenden Sandoberflächen, sowohl beim Sandtransport als auch bei ausgebildeten Formen, und ferner die Unfähigkeit des Betriebspersonals, den Feuchtigkeitsgehalt zu steuern. Änderungen in der Ton-Wasser-Struktur bei erhöhten Temperaturen können zu einem offenen oder GeI-strukturzustand führen, der auch zur Erleichterung des Wasserverlustes beiträgt.

909808/0831

Dieser sciuaelle Wasserverlust aus heißem grünen Sand hat die Feiiclhttigfceitskoiidens ation an kühleren Oberflächen zur Folge, wie beispielsweise an den Oberflächen der Trichter, Zuführungen land Muster. Wenn diese Oberflächen naß werden, so haften die lörner in der Qberflächenlage des Sandes stärker an diesen Oberflächen an als an anderen Sandkörnern. Diese Adhäsion bewirkt das Verkleben in den Trichtern und Zuführungen und die Unmöglichkeit, den Sand aus tieferen taschen der Muster herauszuziehen. Die Adhäsion des Sandes an der Musteroberfläche führt ZJi einer aufgerauhten Formoberfläche mit freiliegenden Sandkörnern, die -unsicher an anderen Sandkörnern anhaften. Da =die Oberflächenlage des Sandes Wasser schneller verliert, ist die Trockenfestigkeit der Verbindung dieser Oberflächenkörner mit den anderen Sandkörnern schwächer als die Verbindungen zwischen den internen Sandkörnern^ Infolgedessen können die- ^e freiliegenden Sandkörner selbst durch leichtes Stoßen gelockert werden und wenn diese gelockerten Sandkörner herabfallen und sich am Boden eines Formhohlraums ansammeln, so können sie Schmutzeinschlüsse in Gußstücken hervorrufen, die in einer solchen Form iiergestellt werden.

.Zur Kompensation der schnellen Verdampfung der Feuchtigkeit muß der Sand bei einem höheren als normalen Feuchtigkeitsniveau hergestellt werden. Wenn dies erfolgt, so daß der an eine Formstation gelieferte Oberflächensand eine angemessene Feuchtigkeit zur Formausbildung enthält, so wurde festgestellt, daß das Innere der Sandmasse einen übermäßigen Feuchtegehalt besitzt, was zu Blasen und Nadellochfehlern führt. Dies liegt daran, daß die überschüssige Feuchtigkeit zur Bildung von überschüssigem Gas führt, wenn die Wärme vom Metall in den Formsand eintritt.

Wegen der großen Differenzen zwischen dem Feuchtegehalt der Oberfläche und dem Innenraum des Sandes i nfolge der Verdampfung, wenn der Sand auf Bändern zur Formstation transportiert wird, ergibt sich eine nichthomogene Sandmasse, wenn die zwei in dem

909808/0331

ΊΟ ~*~ 2834055

Kolben der Form vermischt werden. Dieser nichthomogene Feuchtigkeitszustand hat eine Form mit nichthomogenen physikalischen Eigenschaften zur Folge, die infolge von Gußbeanspruchungen stärker ausfallgefährdet ist.

Es wurden bereits Versuche unternommen, den Feuchtigkeitsverlust bei grünen Formsänden,insbesondere synthetischen Formsänden, zu steuern. Derartige Sande enthalten typischerweise weniger Feuchtigkeit als unter Verwendung von natürlich gebundenem Sand iiergestellten Sänden, und der Feuchtigkeitsverlust ist daher bei diesen noch kritischer. Als diese Sande in den dreissiger Jahren wichtig wurden, untersuchte man verschiedene Materialien zur Verzögerung der Feuchtigkeitsverdampfung. Vergleiche dazu beispielsweise US-PS 1 9Ο2 419 und einen Vortrag mit dem Titel "The Drying Out of Synthetic Sands" auf der "Annual Convention of the American Foundrymen's Association", 20. April l>is 24. April 1942. Die untersuchten Materialien sollten den Dampfdruck des Wassers absenken und dadurch die Verdampfung verzögern oder sie waren hygroskopische Materialien. Halogenide, beispielsweise Chloride, von Alkali- oder Erdalkali-Metallen wurden als besonders zweckmäßig genannt. Obwohl die Verdampfung· des Temperwassers verzögert wurde, beeinflußten diese Materialien nachteilig die physikalischen Eigenschaften des grünen Sandes. Ferner wird während des Gießens das Metallchlorid in ein Metalloxid und Salzsäure umgewandelt- Die erzeugten Salzsäuredämpfe sind dabei eine unerwünschte Gesundheitsgefahr. Darüber hinaus ruft die Verwendung von Chloriden das "Aufbrennen" oder die Adhäsion des Sandes am Gußstück hervor. Obwohl diese Materialien den Feuchtigkeitsverlust verzögern, so wurden sie jedoch nicht eingesetzt, um die oben erwähnten Probleme beim heißen grünen Sand zu überwinden, was sie in der Tat materiell auch nicht tun.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, die physikalischen Eigenschaften von heißem grünen Sand zu verbessern. Die Erfindung bezweckt ferner, ein Additiv für grünen Formsand vorzusehen, welches die physikalischen Eigenschaften des heißen Grünsandes verbessert. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Additiv für Grünformsand vorzusehen, welches dem heißen Grünsand

909808/0831

Bearbeitbarkeit und physikalische Eigenschaften verleiht, die denjenigen von Grünformsand bei Umgebungstemperatur vergleichbar sind.

Diese sowie weitere sich aus der folgenden Beschreibung ergebende Ziele werden erfindungsgemäß erreicht dadurch, daß man dem Grünformsand ein Lithium- oder Magnesium-Salz einer niedrigeren Alkansäure einschließlich Ameisensäure hinzufügt. Solche Säuren sind diejenigen, die von 1 bis 6 Kohlenstoffe enthalten, und zwar einschließlich Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Hexansäure, Isobuttersäure und dgl. Essigsaure Salze werden vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus bevorzugt. Die Magnesium- und Lithiumsalze sind hinsichtlich ihres Einflusses auf die Eigenschaften des Grünsandes vergleichbar, wobei aber Magnesium aus Gründen der Wirtschaftlichkeit bevorzugt wird. Zudem wirken bei stark erhöhten Temperaturen Lithiumsalze als Flußmittel für den Sand. Somit sollten sie nicht bei für Gußstahl vorgesehenen Formen verwendet werden, können aber bei Gußaluminium benutzt werden.

Die Menge an Salzadditiv, die die physikalischen Eigenschaften heißen Grünformsandes verbessert, ist klein und liegt in der Größenordnung von ungefähr 1/4 bis ungefähr 5 Gewichtsprozent, und zwar basierend auf dem Gewicht des trockenen Sandes. Die tatsächliche in einem gegebenen F.all verwendete Menge hängt vom speziellen Anwendungsfall einschließlich der Temperatur des heißen Grünsandes ab und von der Menge und Art des Tonbinders und der Menge und Art anderer Additive. Es wurde jedoch festgestellt, daß Mengen von 0,5 bis ungefähr 1,5 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gewicht des trockenen Sandes, in den meisten Fällen bevorzugt sind.

Das Lithium- und/oder Magnesiumsalz kann mit dem Grünformsand durch irgendein geeignetes Verfahren vermischt werden. Es wird jedoch vorgezogen, daß da Salz als eine wässrige Lösung hinzugefügt wird. Dies stellt die maximale Verteilung durch die Masse des Grünformsandes hinweg sicher. Die Konzentration des

909808/0831

Salzes in der wässrigen Lösung ist in keiner Weise kritisch, vorausgesetzt jedoch, daß die Lösung nicht derart verdünnt ist, daß übermäßig viel Feuchtigkeit dem Sand zugefügt wird, um das gewünschte Salzniveau im Sand zu erhalten. Lösungen, die voie ungefähr 20 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent des Salzes enthalten, sind ohne weiteres zu verwenden.

Die Verwendung der Alkanoatsalze des Lithiums und/oder Magnesiums hat mehrere Vorteile zur Folge, die im Hinblick auf die Aktivität der entsprechenden Halogenidsalze vollständig unerwartet sind. Obwohl die Alkanoatsalze weniger effektiv bei der Reduzierung des Feuchtigkeitsverlustes aus dem heißen Grünsand sind, so bringen sie doch eine stark verbesserte Trockenkompressionsfestigkeit, Grün- oder Heiß-Zugfestigkeit, Grün-Deformation und Zähigkeit, und zwar verglichen mit dem entsprechenden Halogenid (z.B. Chlorid)-Salzen. Ferner pyrolisieren diese Verbindungen wegen ihres organischen Gehalts an der Formoberfläche während des Gießens, wobei ein Kohlenstoffrest zurückgelassen wird, der eine gewisse Planierwirkung zeigt und als eine Sperre gegenüber einer Verschmelzung des Sandes mit dem Gußstück wirkt. Während des Gießvorgangs werden keine giftigen Dämpfe erzeugt. Schließlich sind die Alkanoatsalze weniger hygroskopisch als die Chloride. Infolgedessen werden die Alkanoatsalze enthaltenden Formsände mit geringerer Wahrscheinlichkeit während der Aufbewahrung insbesondere unter Bedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit Feuchtigkeit aufnehmen.

Die Alkanoatsalze können dem Formsand in Verbindung mit anderen Additiven hinzugefügt werden, und zwar einschließlich Planieragenzien, Expansionssteueragenzien und dgl. Wenn das Alkanoatsalz als eine wässrige Lösung hinzugefügt wird, so sollte das andere Additive (Zusatz) mindestens in Wasser disper-.iibel und vorzugsweise wasserlöslich sein. Ein besonders bevorzugtes Additiv zur Verwendung in Mischung mit dem Alkanoatsalzadditiv der Erfindung ist Trihydroxydiphenyl oder Harzmaterialien, welche Trihydroxydiphenyl enthalten, wie beispielsweise RM 441 gemäß US-PS 3 816 145. Das Trihydroxydiphenyl wird in der wässrigen Lösung in einer Menge verwendet, die aus-

909308/0831

reicht, um dem Grünsand Eigenschaften entsprechend der Lehre von US-PS 3 816 145 zu erteilen. In einer derartigen Zusammensetzung ändert sich die Konzentration des Alkanoatsalzes von ungefähr 5 bis ungefähr 4O Gewichtsprozent und die Konzentration des Trihydroxydiphenyls ändert sich von ungefähr 20 bis ungefähr 8O Gewichtsprozent, vorausgesetzt, daß mindestens 15% Wasser in der Zusammensetzung vorgesehen sind.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung. In den Beispielen wurde der Grünformsand hergestellt aus 4475 Gewichtsteilen von Nr. 13O McConnellsville-Sand⁺, 3OO Gewichtsteilen Western Bentonit, 75 Gewichtsteilen Wasser und 150 Gewichtsteilen einer 50%-igen wässrigen Lösung des auszuwertenden Additivs .

Eine typische Analyse ergab folgendes: AFS-Feinheit Nr. 133; 0,2% bei Nr. 40-Maschen; 0,4% bei Nr. 50-Maschen; 2,4% bei Nr.70-Maschen; 12,8% bei Nr. 100-Maschen; 29,2% bei Nr. 140-Maschen; 39,4% bei Nr. 200-Maschen, 9,4% bei Nr. 270-Maschen und 6,8% unterhalb Nr- 270-Maschen.

Wenn das Additiv ein hydratisiertes Salz, beispielsweise Magnesiumazetattetrahydrat/ war, so war die 50%-Konzentration auf der Basis des hydratisierten Salzes und nicht auf der wasserfreien Basis. Somit war die Konzentration des Salzes auf einer wasserfreien Basis niedriger als 50% und betrug im Falle von Ma<juesiumazetat 33/3%. Zudem wurde ein Kontrollsand hergestellt aus 4475 Teilen Sand, 300 Teilen Western Bentonit und 150 Teilen Wasser. Jede Grünformsandzusammensetzung wurde hergestellt unter Zufügung von Wasser und, wo verwendet, der wässrigen Lösung des Additivs, darauf folgte ein Mischen für eine Minute, sodann die Hinzufügung von Western Bentonit und Mischen von 10 Minuten. Zwei Minuten vor dem Ende des Mischens wurde der Feuchtigkeitsgehalt geprüft und, wenn notwendig, wurde der Feuchtigkeitsgehalt auf ungefähr 3% eingestellt. Nach einer über Nacht erfolgten Alterung wurden die physikalischen Eigenschaften des auf diese Weise hergestellten Sandes bei dem auf Umgebungstemperatur befindlichen Sand bestimmt und auch bei dem Sand, nachdem dieser verteilt in einem abgedichteten Behälter gleichförmig auf 135 bis 150°F erhitzt und sodann gleichförmig auf eine Tiefe von einem Zoll auf einer auf 140 F und

909808/0831

freiliegend gegenüber Atmosphäre für bis zu 25 Minuten auf 140 erhitzt wurde, um den heißen Sand zu simulieren.

Grün-Zugfestigkeit, ümgebungstemperatureand und heißer Sand. Bestimmt gemäß "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 8, Seite 6, 1963-Auflage. Werte in psi (engl. Pfund pro Quadratzoll) als Durchschnitt von 3 Tests^

2. Grün-Druckfestigkeit. Nur ümgebungssand.

Bestimmt gemäß "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 8, Seite 2, 1963-Auflage. Angegeben in psi als Mittelwert von 3 Tests.

3. Trocken-Druckfestigkeit. Umgebungssand und heißer Sand^ Bestimmt gemäß "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 8, Seite 4, Auflage 1963. Angegeben in psi als Durchschnitt von drei Tests.

4. Grün-Scherfestigkeit. Nur Ümgebungssand.

Bestimmt gemäß "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 8, Seite 5, 1963-Auflage. Angegeben in psi als Durchschnitt von 3 Tests.

5. Grün-Permeabilität. Nur ümgebungssand.

Bestimmt gemäß "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 7, Seite 9, Auflage 1963. Angegeben als Permeabilitätszahl als Durchschnitt von 3 Tests.

6. Grün-Formhärte. Nur Ümgebungssand.

Bestimmt gemäß "AFSFoundry Sand Handbook", Teil 9, Seite 1, Auflage 1963. Berichtet als Formhärtezahl als Durchschnitt von drei Tests.

7. Grün-Formdeformation. Nur ümgebungssand.

Bestimmt gemäß "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 16, Seite 1, Auflage 1963. Angegeben in Zoll pro Zoll als Durchschnitt von drei Tests.

909308/0831

ompressions- ode festigkeit und Gründeformation χ 1Ο~

8. Zähigkeit. Das Produkt aus Grün-Kompressions- oder Druck

9. Kompaktibilität. Umgebungssand und Heißsand.

Bestimmt gemäß "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 9, Seite 4, (Rev. -73). Angegeben in Prozent.

10. Feuchtigkeit. Umgebungssand und Heißsand.

Bestimmt gemäß dem Kalziumcarbidverfahren "AFS Foundry Sand Handbook", Teil 6, Seite 5, Auflage 1963.

11. Anhafang oder Anklebung. Nur Heißsand.

Sand bei 15O°F (65,6°C) wird durch einen Nr. 6-Sieb in eine Bronze-Ton-Waschbasis geschüttelt mit einem zylindrischen Raum von 3 5/8 Zoll Durchmesser und 1 1/8 Zoll Tiefe bei Umgebungstemperatur (ungefähr 7O°F = 21,1°C). Überschüssiger Sand wird entfernt und man läßt den Sand 3 Minuten stehen, sodann wird die Form umgedreht und viermal dagegengeklopft, damit der Sand herausfallen kann. Das Gewicht des an der Oberfläche des Hohlraums anhaftenden Sandes in Gramm wird in Gramm Gewicht angegeben.

Beispiele 1 und 2

Unter Verwendung der oben angegebenen Verfahren wurde Magnesiumazetat und Lithiumazetat als Grünsandadditive getestet. Die bei diesen zwei Experimenten erhaltenen Daten sind in der unten stehenden Tabelle I zusammengefaßt, und zwar zusammen mit Daten eines Kontrollversuchs ohne Additiv.

909808/0831

Tabelle

Auswertung von Lithium-und Magnesiumazetaten

Additiv

Kontrolive rs uch

Beispiel

Magnesiumazetat ⁺

Lithiumazetat

Konzentration auf
wasserfreier Basis, %

Grünsandeigenschaften

33,2

32,4

(Umgebung)	1,66	1,34	1,24
Zugfestigkeit	11,5	1o,3	9,4
Druckfestigkeit	12,5	18,ο	17,ο
Deformation χ 10	144	185	16o
Zähigkeit	2,7	2,8	2,5
Scherfestigkeit	53,ο	55,8	53,5
Permeabilität	9o,o	88,ο	87,ο
Formhärte	63,5	66,ο	65,ο
KompaktibiIitat
Trocken-Druckfestigkeit	137	278	277
(Umgebung)
Heißsandeigenschaften

Heiß-Kompaktibilität
Aussetzung 0 Minuten Aussetzung 5 Minuten Aussetzung 1o Minuten Aussetzung 15 Minuten Aussetzung 2o Minuten Aussetzung 25 Minuten

Trocken-Druckfestigkeit

Aussetzung 0 Minuten
Aussetzung 5 MinuLen
Aussetzung 1o Minuten Aussetzung 15 Minuten Aussetzung 2o Minuten Aussetzung 25 Minuten

Feuchtigkeit
Anfänglich
am Ende

Heiß-Grünzugfestigkeit
Klebetest

57,5	63,0	62,0
39,ο	57,0	58,5
4o,o	56,5	57,ο
37,ο	55,ο	55,ο
3Γ-,ο	52,ο	54,ο
38,ο	51,ο	5o,o
81,o	2o7	232
37,ο	158	18o
38,ο	15o	164
39,ο	146	16o
31,ο	131	162
37,ο	124	13o
3,1	3,1	3,ο
1,75	1,85	1,95
1,44*	1,1o	o,97
3**	o, 15	o,2

Durchschnitt von 6 Tests

Nach zwei Sätzen von 4 Schlagen Magnesiumazetat als MgAc*4H₂O; Lithiumazetat als

909808/0831

283Λ065

Wie sich aus den vorstehenden Angaben ergibt, verbessern sowohl Magnesiumazetat als auch Lithiumazetat die Heißsandkompakti-Jbilität und die Trockendruckfestigkeit, und sie reduzieren stark die Größe des Sandanhaftens an der Form im Klebetest. Dies wurde erreicht ohne irgendeine materielle Schädigung der Grünsandoder Trockensandeigenschaften bei umgebungstemperatur. In der Tat haben die erfindungsgemäßen Additive die Zähigkeit und die Trockendruckfestigkeit des Grünformsandes materiell erhöht.

Vergleich der Beispiele Ά.-Έ

Die oben beschriebenen Testverfahren wurden unter Verwendung verschiedener Metallchloride als Additive wiederholt. Die Daten -dieser Tests sind in Tabelle II zusammengefaßt, und zwar zusammen mit entsprechenden Daten der Beispiele 1 und 2 zu Vergleichszwecken..

Tabelle II

Vergleich von Lithium- und Magnesium-Azetaten Metallehloriden.

Kon- " . ' ~

troll- Bexsp-Lele

wer- 1 A

Konzentration
auf wasserfreier Basis, 1,66 33,2 23,4 37,S 32,4 50 50 %

Grünsandeigenschaften
{Ungebung)

Zugfestigkeit 1,66 1,34 1,13 o,89 1/24 o,91 o,66 o,94 Kompaktibili-

tät 63,5 66,ο 63,ο 62,o 65,o 55,o 52,5 56,o

Trocken-Druckfestigkeit
(Umgebung) 137 278 9o,o 85,o 277 38,ο 3o,o 75,o

*MgAc = Magnesiumazetat; LiAc = Lithiumazetat ⁺MgCl₂ als MgCl₃ · 6H₃O; CaCl₃ als CaCl₃- 2H₃O

909808/0831

Fortsetzung der Tabelle II

	Kon	1	A	B	2	C	O	64	D	E
	troll-	MgAc	MgCl₂ ⁺	CaCl₂'	LiAc⁺				KCl	NaCl
	ver such						O

Heißsand-						LiCl	O
eigen-
schaften							O
Keißkompakti-
bilität		€3,ο	61,5	57,ο	62,ο		O	41,5	49,ο
Aussetzung
0 Minuten	57,ο	57,ο	58,ο	57,ο	58,5		O	3o,o	37,5
Aussetzung						5o,
5 Minuten	39,ο	56,5	54,ο	56,ο	57,ο			29,5	33,5
Aussetzung						47,
Io Minuten	4o,o	55,ο	58,5	55, ο	55,ο			27,ο	35,-o
Aussetzung						46,
15 Minuten	37,ο	52,ο	57,ο	54,ο	54, ο			26,5	32, ο
Aussetzung						47,
2ο Minuten	38,ο	51,ο	54,ο	51,ο	5o,o			25,ο	28,5
Aussetzung						47.
25 Minuten	38,ο
Trocken-						47,
Druck-
festigkeit		2o7	53	58	232			—	29
Aussetzung
O Minuten	81	158	51	73	18o			32	35
Aussetzung						4o
5 Minuten	37	15o	5o	78	164			33	34
Aussetzung						4o	2,75
1o Minuten	38	146	5o	64	16o			4o	33
Aussetzung						43
15 Minuten	39	131	5o	6o	162		o,	32	33
Aussetzung						42	O
20 Minuten	31	124	48	58	13o			3o	27
Aussetzung						44
2 5 Minuten	37	3,1	3,1	3,1	3,ο		3,1	3,ο
Feuchtigkeit		1,85	2,1	2,1	1,95	43	1,7	1,7
anfangs	3,1
am Ende	1/75					3,1
Heiß-Grün-		1,1o	o,86	o,75	o,97		o,78	o, 98
zugfestig-		o,15	o,1	o,1	o, 2		0,3	o,1
keit	1,44
Klebetest	3,ο

909808/0831

--TT J5

Aus den Daten der Tabelle II erkennt man, daß die erfindungsgemäßen Metallazetatadditive den entsprechenden Metallchloriden oder anderen Alkali- und Erdalkali-Metallchloriden als Additive beim Grünformsand überlegen sind. Die Chloride reduzierten in materieller Weise die Grünzugfestigkeit und die Trockenkompressionsfestigkeit des Grünformsandes. Ferner ergaben die Chloride eine geringe oder keine Verbesserung bei der Trockendruckfestigkeit und reduzierten stark die Grünzugfestigkeit des Heiß-Formsandes. Von besonderem Interesse ist die schlechte Leistungsfähigkeit des Lithiumchlorids trotz der Tatsache, daß es allen anderen Additiven in seiner Fähigkeit, den Feuchtigkeitsverlust zu verzögern, überlegen war.

Vergleich der Beispiele F-K

Unter Verwendung ähnlicher Verfahren wurden die Azetate von anderen Metallen als Lithium und Magnesium getestet. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle III zusammengefaßt, und zwar zusammen mit Ergebnissen der Beispiele 1 und 2 zu Verglei chs zwecken.

909808/0831

Tabelle

III

Vergleich von Lithium- und Magnesiumazetat mit anderen Metallaastaten

oo

Kontroll vers uch

Additive

Konzentration auf wasserfreier Basis, %

Grünsandeigenschaften

Zugfestigkeit Kompatibilität

Trocken-Druckfestigkeit

Heißsandeigenschaften

Heißkompaktibilität Aussetzung O Minuten Aussetzung 5 Minuten Aussetzung 1o Minuten Aussetzung 15 Minuten Aussetzung 2o Minuten Aussetzung 25 Minuten

Trocken-Druckfestigkeit Aussetzung O Minuten Aussetzung S Minuten Aussetzung 1o Minuten Aussetzung 15 Minuten Aussetzung 20 Minuten Aussetzung 25 Minuten

Feuchtigkeit

anfangs

am Ende
Klebetest

CaAc als CaAc^-H₂O; ZnAc als

CaAc⁺ BaAo ZnAc⁺ LiAe KAe

33,2

44,8

5o 41,7 32,4

1,66	1,34	1,6o	1,42	1,46	1,24	0,61	1/1
63,5	66	65	62	62	65	54	63
137	278	277	222	223	277	7o	128
57,5	63,0	59,0	58,ο	61,0	62,ο	51,0	59,0
39,ο	57,o	41,0	39,5	45,0	58,5	46,0	53,0
4o,0	56,5	43,5	37,5	44,5	57,0	44,0	49,0
37,0	55,o	41,0	36,5	45,o	55,o	4o,o	48,0
38,0	52,0	41,0	35,0	44,5	54,0	38,0	52,o
38,ο	51,0	43, ö	33,0	41, ο	5o,o	35,0	38,0
81	2o7	179	146	169	232	59	1o4
37	158	83	95	65	180	56	74
38	150	98	86	77	164	52	71
39	146	86	80	79	16o	46	61
31	131	79¹	71	84	162	5o	59
37	124	8ö	63	89	13o	51	5o
3,1	3,1	3,1	3,15	2,95	3,0	3,1	3,1
1,75	1,85	1*8	1,6	1,95	1,95	2,o	1,6
3·	0,15	0, 4	6,7	0,1	0,2	o,2	0,1
ZnAc 2^0	; MaAc als	NaAC*3H₀O

Aus Tabelle III ersieht man, daß von den verschiedenen untersuchten Azetatsalzen nur diejenigen des Magnesiums und Lithiums die Heißsandeigenschaften materiell erhöhten. Die anderen Azetate hatten nur einen geringen oder keinen vorteilhaften Einfluß auf die Heißsandkompaktibilität oder die Heißsandtrockenkompressionsfestigkeit. Insbesondere hatte Kaliumazetat, welches von Dunbeck als ein Feuchtigkeitszurückhaltungsadditiv für synthetische Sande ausgewertet wurde und welches als weniger gut als Lithium berichtet wurde, keinen signifkanten Wert, mit Ausnahme im Klebetest.

In den vorstehenden Beispielen wurden nur einzelne Verbindungen beschrieben. Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch die Verwendung von Mischungen aus zwei oder mehr Lithium- oder Calciumsalzen; es wird jedoch kein besonderer Vorteil durch die Verwendung solcher Mischungen erhalten. Magnesiumazetat wird besonders bevorzugt. Dieses Material hat bei Auflösung im Wasser die Tendenz, eine Haut oder Kruste an der Oberfläche der Lösung beim Aussetzen gegenüber der Atmosphäre zu bilden. Diese Haut hat die Tendenz, die Verdampfung des Wassers aus der unter der Haut befindlichen Lösung zu verzögern. Es ist möglich, daß diese Eigenschaft der Grund für die hervorragende Überlegenheit des Magnesiumazetats als ein Additiv für heißen Grunformsand ist.

Zusammenfassend sieht die Erfindung vor, daß Salze des Lithiums oder Magnesiums und einer organischen Carbonsäure, insbesondere Lithiumazetat und/odei Magnesiumazetat dem Grünformsand hinzugefügt werden,' um die Eigenschaften des heißen Grünformsandes bei 110 bis 160°F (43,3 bis 71,1°C) zu verbessern. Magnesiumazetat wird dabei bevorzugt, und zwar insbesondere in Grünformsänden zur Herstellung von Gußstahl.

Maschen = Maschen/Inch

909808/0831

Claims

Patentansprüche

IU Verfahren zur Erteilung von verbesserten Heißsandeigenschaftein einem Grünformsand mit Sand, Ton als Bindemittel -und Feuchtigkeit, dadurch gekennzeichn e t, daß dem Sand,Ton und der Feuchtigkeit mindestens ein Salz aus der Gruppe hinzugefügt wird, die aus einem Lithiumsalz oder einem Magnesiumsalz einer niederen Alkansäure besteht, und zwar in einer Menge hinreichend, um dem Grünformsand verbesserte Heißsandeigenschaften zu erteilen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß das Salz ein Azetat ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Salzes im Bereich von ungefähr 1/4 bis ungefähr 5 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gewicht des Sandes, liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz Lithiumazetat ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz Magnesiumazetät ist.
6. Grünformsand bestehend aus Sand, Ton als Bindemittel und Feuchtigkeit, gekennzeichnet durch mindestens ein Salz ausgewählt aus der Gruppe, die aus einem Lithium- oder Magnesiumsalz einer niederen Alkansäure besteht, und zwar in einer Menge ausreichend, um dem Grünformsand verbesserte Heiß^ sandeigenschaften zu erteilen.
7. Sand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz ein Azetat ist.
8. Sand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Salzmenge im Bereich von ungefähr 1/4 bis ungefähr 5 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gewicht des Sandes, liegt.

909808/0831

2834085
9. Sand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz Lithiumazetat ist.
1Q. Sand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, daß das Salz Magnesiumazetat ist.
11. Zusammensetzung zur Verbesserung der Eigenschaften von Grünformsand, gekennzeichnet durch eine wässrige Lösung von mindestens einem Salz ausgewählt aus der Gruppe, die aus einem Lithium- oder einem Magnesiumsalz einer niederen Alkansäure besteht, und einem zweiten in Wasser dispersiblen oder in Wasser löslichen Grünformsandadditiv.
12. -Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz Lithiumazetat und/oder Magnesiumazetat ist.
13. Zusammensetzung nach Anspruch Mj dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Additiv Trihydroxydxphenyl ist.
14. Zusammensetzung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz in einer Menge von ungeiähr 5 bis ungefähr 40 Gewichtsprozent vorhanden ist und daß das Trihydroxydxphenyl in einer Menge von ungefähr 20 bis ungefähr 80 Gewichtsprozent vorhanden ist, vorausgesetzt, daß mindestens 15 Gewichtsprozent Wasser in der Zusammensetzung vorgesehen sind.
15. Zusammensetzung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz Lithiumazetat ist.
16. Zusammensetzung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz Magnesiumazetat ist.

9098ÖÖ/0831