DE4331697A1

DE4331697A1 - Bindemittel für Gießereiformsand

Info

Publication number: DE4331697A1
Application number: DE19934331697
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Haehn; Norbert Dr Schall; Rolf Jaeger
Original assignee: Sued Chemie AG
Current assignee: Sued Chemie AG
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1995-03-23
Also published as: EP0644006A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bindemittel für Gießereiformsand, auf der Basis von alkalisch aktivierten Erdalkali-Smektiten.

Als Bindemittel für Gießereiformsand werden gewöhnlich smekti tische Tonminerale, insbesondere natürlicher Natriumbentonit, sowie Calciumbentonit, der durch Umsetzung mit Alkalisalzen, insbesondere Natriumsalzen, wie Natriumcarbonat, in die Al kaliform übergeführt und dadurch quellfähig gemacht worden ist, verwendet.

Diese Bindemittel werden bei der Herstellung von Gießformen üblicherweise in Mengen von etwa 5 bis 12 Gew.-% mit Quarzsand und anschließend mit etwa 2 bis 8 Gew.-% Wasser versetzt, und die Mischung wird in einem Sandmischer vermischt.

Das so erhaltene Sand-Bindemittel-Gemisch wird in einem Form kasten oder in eine Füllkammer (bei kastenlosem Arbeiten in Formmaschinen) gefüllt und mit einem Formaggregat zur Gießform verdichtet.

Es ist jedoch bekannt, daß die Temperaturbeständigkeit derar tiger Formsandbinder nicht allen Ansprüchen genügt, insbeson dere, wenn die Gießform hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Hierbei wird an der Grenzfläche Formstoff/Metall das in der Sandform enthaltene Bindemittel durch die hohe Temperatur beim Gießvorgang thermisch geschädigt, während es außerhalb der Hochtemperaturzone weitgehend ungeschädigt erhalten bleibt.

Nach dem Erkalten des Gußstücks wird der Formstoff vom Guß stück in der Regel auf mechanischem Wege abgetrennt, zerklei nert und anschließend wieder zur Herstellung von neuen Gieß formen verwendet.

Durch die partielle thermische Schädigung des Bindemittels entstehen vor allem zwei Problemfelder, die anhand des ge bräuchlichsten Bindemittels, nämlich Bentonit, erläutert werden.

1. Auffrischen des Sandes mit frischem Bentonit

Der im Umlauf befindliche Sand muß regelmäßig auf seine Ge brauchseigenschaften untersucht werden. Erforderlichenfalls wird der Sand mit frischem Bentonit aufgefrischt. Hierbei ist es erwünscht, die Menge des zur Auffrischung verwendeten Ben tonits dadurch zu beschränken, daß Bentonit mit einer mög lichst hohen Temperaturbeständigkeit verwendet wird.

2. Altsandregenerierung

Nach einer bestimmten Umlaufzeit des Gießereialtsandes ist die Oberfläche des Sandkorns durch das Aufsintern von temperatur geschädigtem Bentonit (Schamotte, Hartbentonit) geschädigt, weshalb der Gießereialtsand regeniert oder deponiert werden muß. Bei Verwendung eines temperaturbeständigeren Bentonits wird weniger Bentonit aufgesintert, welcher sich bei der Rege nerierung auch leichter abtrennen läßt. Auch unter diesem Aspekt sollte die Temperaturbeständigkeit des Bindemittels ge zielt verbessert werden.

Hinsichtlich Temperaturbeständigkeit des Bindemittels und Re generierbarkeit der Formsandmischung nimmt man an (D. Boehnisch, C. Gärnter-Kaufmann, Gießerei W9 (1992) 20, 826-838), daß die spezifische Leitfähigkeit und der pH-Wert einer Suspension des verwendeten Bentonits möglichst niedrig sein sollten.

Wäßrige Suspensionen von natürlichem Natriumbentonit und mit Soda in die Natriumform übergeführten Calcium- oder Calcium- Magnesium-Bentonit zeigen eine höhere spezifische Leitfähig keit und einen höheren pH-Wert als Suspensionen natürlicher Calcium- oder Calcium-Magnesium-Bentonite, woraus eine schlechtere thermische Beständigkeit resultiert. Andererseits muß der Bentonit in der Natriumform eingesetzt werden, weil er in dieser Form ein erheblich höheres Quellvermögen aufweist, wodurch geringere Einsatzmengen bei der Formsandherstellung möglich sind.

Aufgabe der Erfindung war somit die gezielte Verbesserung der Temperaturbeständigkeit von Bindemitteln für Gießereiformsand auf der Basis von alkalisch aktivierten Erdalkali-Smektiten unter weitgehender Beibehaltung des Bindevermögens.

Diese Aufgabe wird überraschenderweise dadurch gelöst, daß der Erdalkali-Smektit durch einen anorganischen Ionenaustauscher in der Alkaliform aktiviert ist.

Der auf diese Weise alkalisch aktivierte Smektit verfügt über Quelleigenschaften, welche den Anforderungen an Gießereiben tonit hinsichtlich Druckfestigkeit und Naßzugfestigkeit der Formsandmischung genügen.

Als Erdalkali-Smektit wird vorzugsweise Calcium- oder Calcium- Magnesium-Bentonit verwendet. Das Bindemittel enthält vorzugs weise etwa 70 bis 90, insbesondere etwa 80 bis 85 Gew.-% alkalisch aktivierten Smektit.

Der maximale Anteil des anorganischen Ionenaustauschers ist die Menge der Alkaliionen bestimmt, die für den Ein tausch in den Erdalkali-Smektit notwendig sind. Beim Eintausch der Alkaliionen aus dem anorganischen Ionenaustauscher in den Erdalkali-Smektit wird dieser unter Erhöhung seiner Quellfä higkeit aktiviert. Die Erdalkaliionen aus dem Erdalkali- Smektit werden im Ionenaustauscher gebunden, so daß kein überschüssiger Ionenaustauscher in der Alkaliform mehr vorliegt.

Der anorganische Ionenaustauscher liegt vorzugsweise in einer Menge von etwa 3 bis 30, insbesondere von 5 bis 15 Gew.-% vor.

Vorzugsweise stellt der anorganische Ionenaustauscher ein Natrium-Aluminium-Silicat, insbesondere einen Zeolith in der Natriumform dar. Zeolithe haben den Vorteil, daß sie bei den üblichen Gießtemperaturen beständiger sind als z. B. mit Na triumcarbonat aktivierte Calciumbentonite. Diese neigen bei den üblichen Gießtemperaturen dazu, mit dem Sand glasartige Krusten zu bilden, insbesondere, wenn überschüssiges Natrium carbonat vorliegt.

Ein besonders geeigneter Zeolith ist das Handelsprodukt "Wessalith P" (Degussa) ein synthetisches Natrium-Aluminium- Silicat vom Typ Zeolith A.

Außer den genannten Zeolithen können auch andere anorganische Ionenaustauscher in der Alkaliform verwendet werden, z. B. Permutite sowie synthetische kristalline Alkalischichtsili cate. Hierzu zählen beispielsweise Phyllosilicate der Formel

Me₂Si_xO_2x+1×yH₂O,

worin Me ein Alkalimetallion, vorzugsweise ein Natriumion, x eine Zahl < 7, insbesondere 7,5 bis 23, und y eine Zahl < 7x bedeuten. Typische kristalline Schichtsilicate aus dieser Gruppe sind in der DE-A-35 21 227 beschrieben. Sie sind unter der Bezeichnung SKS 6 (Firma Hoechst AG) im Handel.

Der Erdalkali-Smetkit kann zusätzlich zu dem anorganischen Ionenaustauscher durch bis zu 3 Gew.-% Natriumcarbonat aktiviert sein, ohne daß die durch den anorganischen Ionenaus tauscher bedingten Vorteile verloren gehen.

Das erfindungsgemäße Bindemittel wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man den anorganischen Ionenaustauscher in der Alkaliform, gegebenenfalls mit bis zu 3 Gew.-% Natriumcarbo nat, in den Erdalkali-Smektit einknetet. Im allgemeinen wird hierbei ein Erdalkali-Smektit mit einem Wassergehalt von etwa 25 bis 45 Gew.-% mit dem anorganischen Ionenaustauscher ver knetet, getrocknet und vermahlt.

Insbesondere wird Calcium-Bentonit oder Calcium-Magnesium- Bentonit in grubenfeuchtem Zustand mit dem anorganischen Kationenaustauscher in der Natriumform, (bevorzugt Zeolith A) geknetet. Hierbei werden die im Kationenaustauscher enthal tenen Natriumionen in den Bentonit eingetauscht, während die Calcium- bzw. Magnesiumionen durch den Zeolith gebunden wer den. Die erhaltene Mischung wird üblicherweise auf eine Rest feuchte von etwa 4 bis 12 Gew.-% getrocknet und vermahlen. Al ternativ kann auch eine Mischung von bis zu 3 Gew.-% Natrium carbonat (berechnet als wasserfreie Substanz) und etwa 3 bis 15 Gew.-% Zeolith A zur Behandlung des Erdalkalibentonits ein gesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Gießereiformstoff (Formsandmischung), der einen üblichen Gießereisand und ein Bindemittel, wie es vorstehend beschrieben ist, enthält. Das Bindemittel kann auch erst bei der Herstellung des Gießerei formstoffs gebildet werden, indem der Erdalkalismektit und der anorganische Ionenaustauscher in der Alkaliform unter Zufuhr mechanischer Energie zusammen mit dem Formsand vermischt wer den. Der Gießereiformstoff kann auch noch andere übliche Zu sätze, wie Glanzkohlenstoffbildner, Graphit bzw. Kohlenstoff quellen, die beim Erhitzen flüchtige Kohlenwasserstoffe abge ben, enthalten.

Die Erfindung ist durch die nachstehenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1 (Vergleich)

893 g bayerische Calciumbentonit mit einem Montmorillonitge halt von 81% und einem Wassergehalt von 32,8% (entsprechend 600g Trockenprodukt) wurden in einem Zwangsmischer (Extruder) innig mit 30 g Soda verknetet. Der Na₂CO₃-Gehalt (bezogen auf Trockensubstanz) betrug 5 Gew.-%. Bei diesem Gehalt wird das Optimum bezüglich Druckfestigkeit und Naßzugfestigkeit er reicht. Diese Eigenschaften verschlechtern sich bei höheren bzw. niedrigeren Na₂CO₃-Gehalten.

Die erhaltene Mischung wurde bis auf einen Wassergehalt von etwa 8 Gew.-% getrocknet und in einer Turbomühle mit Siebein satz (0,3 mm) gemahlen.

Unter Verwendung dieses Bindemittels wurden in der nachstehend erläuterten Weise Formsandmischungen hergestellt.

Beispiel 2 (Erfindung)

893 g bayerischer Calciumbentonit mit einem Montmorillonit gehalt von 81% und einem Wassergehalt von 32,8 Gew.-% (entsprechend 600 g Trockenprodukt) wurden in einem Zwangs mischer (Extruder) innig mit 15 Gew.-% (bezogen auf Trocken gewicht) Na-Zeolith (Wessalith P) verknetet. Die erhaltene Mischung wurde wie die Mischung von Beispiel 1 getrocknet und gemahlen. Es wurde der gesamte Natriumgehalt des Zeoliths in den Calciumbentonit eingetauscht. Der Zeolith lag anschließend in der Calciumform vor.

Das so erhaltene Bindemittel wurde, wie es nachgebend angege ben ist, zur Herstellung einer Formsandmischung verwendet.

Beispiel 3 (Erfindung)

Die Arbeitsweise vom Beispiel 2 wurde mit der Abweichung wie derholt, daß zur Aktivierung des Calciumbentonits ein Gemisch aus 2 Gew.-% Natriumcarbonat (wasserfrei) und 10 Gew.-% eines kristallinen Natriumschichtsilicats mit der vorstehend ange gebenen Formel (SKS 6 der Firma Hoechst AG) verwendet wurde.

Zur Herstellung der Formsandmischungen wurden nach dem VDG- Merkblatt P69 100 Gewichtsteile Quarzsandsand F32 und 5 Ge wichtsteile (bezogen auf Trockensubstanz) der Bindemittel nach den Beispielen 1 bis 3 mit der zur Einstellung einer Verdicht barkeit von 45% (VDG-Merkblatt P 69) benötigten Wassermenge 6 Minuten in einem Laborkollergang gemischt. Die Eigenschaften der so erhaltenen Formsandmischungen wurden wie folgt er mittelt:

Spezifische Leitfähigkeit

10 g Formsandmischung wurden in 100 ml Wasser dispergiert; es wurden die spezifische Leitfähigkeit (in µS) bestimmt.

pH-Wert

10 g Formsandmischung wurden in 100 ml Wasser dispergiert; der pH-Wert der Dispersion wurde mit Hilfe einer Glaselektrode be stimmt.

Gründruckfestigkeit

Die Gründruckfestigkeit wurde nach dem VDG-Merkblatt P38 unter Verwendung eines +GF+-Festigkeitsprüfapparats Typ PFG (eine hydraulische Presse mit Handantrieb bis 32,6 N/cm² Druckfe stigkeit) bestimmt. Hierbei wurde der mit 3 Rammschlägen ver dichtete Formsand-Normprüfkörper (Durchmesser 50 mm, Höhe 50 mm) auf seinen Stirnflächen bis zum Bruch belastet. Die hier für erforderliche Kraft, bezogen auf die Querschnittsfläche des Prüfkörpers, wird als Gründruckfestigkeit (Dimension N/cm²) bezeichnet.

Naßzugfestigkeit

Die Naßzugfestigkeit wurde nach dem VDG-Merkblatt P 38 unter Verwendung der +GF+-Naßzugfestigkeitsprüfapparatur Typ PNZ bestimmt. Hierbei wird durch Erhitzen der Stirnfläche des zylindrischen Normprüfkörpers (Durchmesser 50 mm, Höhe 50 mm) mit einer elektrischen Heizplatte im Prüfkörper ein Tempera turgefälle erzeugt. Dadurch entsteht wenige Millimeter von der Stirnfläche entfernt durch Kondensation eine überfeuchte Sand schicht mit verringerter Festigkeit. Durch Aufbringen einer Zugkraft wird die Probe dieser Sandschicht zerrissen. Die Naßzugfestigkeit als Quotient aus Zugkraft und Probenquer schnitt hat die Dimension N/cm².

Temperaturbeständigkeit

Das Bindemittel nach den Beispielen 1 bis 3 mit einer Rest feuchte von jeweils 10 Gew.-% wird bei 550°C in einer Porzel lanschale 30 min. erhitzt. Mit dem so behandelten Bindemittel wird nach der vorstehend beschriebenen Weise eine Formsandmi schung hergestellt, deren Leitfähigkeit, pH-Wert, Gründruck festigkeit und Naßzugfestigkeit in der vorstehend beschrie benen Weise bestimmt werden. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Tabelle

Gießereitechnische Eigenschaften

Die Tabelle zeigt, daß die gießereitechnischen Eigenschaften der frischen Formsandmischungen (Druckfestigkeit, Naßzug festigkeit) in etwa miteinander vergleichbar sind. Die spezifische Leitfähigkeit ist bei den erfindungsgemäßen Beispielen 2 und 3 höher als nach den Vergleichsbeispiel 1, während der pH-Wert niedriger ist.

Nach der thermischen Behandlung des aktivierten Bentonits bei 550°C findet man bei den erfindungsgemäßen Formsandmischungen nach den Beispielen 2 und 3 gegenüber dem Vergleichsbeispiel 1 höhere Gründruck- und Naßzugfestigkeiten, eine niedrigere spezifischere Leitfähigkeit und einen niedrigeren pH-Wert.

Claims

1. Bindemittel für Gießereiformsand, auf der Basis von alka lisch aktivierten Erdalkali-Smektiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Erdalkali-Smektit durch einen anorganischen Ionenaus tauscher in der Alkaliform aktiviert ist.

2. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erdalkali-Smektit Calcium- oder Calcium-Magnesium-Bentonit darstellt.

3. Bindemittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß es etwa 70 bis 90, vorzugsweise etwa 80 bis 85 Gew.-% alkalisch aktivierten Smektit enthält.

4. Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der maximale Anteil des anorganischen Ionenaustauschers durch die Menge der Alkaliionen bestimmt ist, die für den Eintausch in den Erdalkali-Smektit notwendig sind.

5. Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der anorganische Ionenaustauscher in einer Menge von etwa 3 bis 30, vorzugsweise von etwa 5 bis 15 Gew.-% vorliegt.

6. Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der anorganische Ionenaustauscher ein Natrium-Aluminium-Silicat, vorzugsweise einen Zeolith in der Na-Form, oder ein Alkali-Phyllosilicat, darstellt.

7. Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Erdalkali-Smektit zusätzlich durch bis zu 3 Gew.-% umgesetztes Natrumcarbonat aktiviert ist

8. Verfahren zu Herstellung eines Bindemittels nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den anorganischen Ionenaustauscher, gegebenenfalls mit bis zu 3 Gew.-% Natriumcarbonat, in den Erdalkali-Smektit einknetet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Erdalkali-Smektit mit einem Wassergehalt von etwa 25 bis 45 Gew.-% mit dem anorganischen Ionenaustauscher, gegebenen falls zusammen mit Natriumcarbonat, verknetet, trocknet und vermahlt.

10. Gießereiformstoff, enthaltend Sand und ein Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7.