EP1064112B1 - Verwendung von eisenglimmer bei der herstellung von gussformen - Google Patents

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EP1064112B1
EP1064112B1 EP99909984A EP99909984A EP1064112B1 EP 1064112 B1 EP1064112 B1 EP 1064112B1 EP 99909984 A EP99909984 A EP 99909984A EP 99909984 A EP99909984 A EP 99909984A EP 1064112 B1 EP1064112 B1 EP 1064112B1
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EP
European Patent Office
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mould material
iron oxide
plate
lamellar structure
cast
Prior art date
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EP99909984A
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English (en)
French (fr)
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EP1064112A1 (de
Inventor
Günther POKORNY
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Karntner Montanindustrie GmbH
Original Assignee
Kaerntner Montanindustrie GmbH
KAERNTNER MONTANINDUSTRIE GES
Karntner Montanindustrie GmbH
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds

Definitions

  • the present invention relates to the use of iron mica for the production of molds, especially lost molds, and cores for casting castings from non-ferrous, Cast iron and cast steel alloys as well as molding compounds containing mica.
  • iron mica can also be used as an additive for moldings for molds and cores, used in entire area of the foundry industry, as well as an additive for exothermic Dining aids are used.
  • a lost form means a sand form, solidified through organic or inorganic binders (e.g. clays, Resins) which can only be used once and after Pouring for casting emptying must be destroyed.
  • organic or inorganic binders e.g. clays, Resins
  • Cores have the task of creating cavities or undercuts in the casting To form outer contours. Differentiates according to their usability analogue to mold production, cores for single use (lost cores, sand cores) and permanent cores (metal cores), that are used repeatedly. Sand cores are separated manufactured interior parts. You will be assembling the Mold inserted, inserted or hung into the outer mold parts. Both lost forms and lost cores become mainly because of this in the foundry industry very large percentage used because it is relatively inexpensive can be produced and the molding material after destruction of the shapes reconditioned and to produce new shapes again can be used.
  • Finishing or blackening are refractory Substances used in liquid or pasty form to produce a thin coating on the mold walls or cores (sand cores, Metal cores) are used and heat-insulating, heat-conducting, have a smoothing, separating or blocking effect. Depending on These coatings are used accordingly and appropriately Additives added.
  • Molds are made with molding materials made from binder (organic or inorganic), mold raw material, water and Mold additives exist. These terms are used in explained the following:
  • All molds are used as the mold in the present description to understand the manufacture of castings, such as Sand mold, Chill mold, die casting mold, ceramic investment mold or shell mold. Only as examples are outer and inner mold parts, Box shapes, boxless shapes, core shapes and mask shapes called.
  • Molding material is the collective name for all dry, moist, pasty or liquid substances for the production of casting molds, which compresses, solidifies or by chemical processes be bound, e.g. Form and core sands, flow sands, form slips and ceramic molding compounds. Acting in the form of raw materials it is natural mineral or synthetic granules or sands that are used to manufacture single use serving forms are used.
  • Binder is understood to mean constituents of molding material, and certain Requirements (moistening, swelling, silicate formation, Polymerization etc.) the bond between the individual grains of sand produce.
  • source binders e.g. Bentonites that swell by adding a mixing liquid
  • ceramic binders e.g. alumina, which solidify through drying or sintering in the heat
  • hydraulic binders e.g. Gypsum or cement that react with a mixing liquid and hardening
  • chemically hardening binders e.g. water glass, Ethyl silicate or synthetic resins
  • molding material means an addition to those containing binder Mold or core sand mixes, which are the performance characteristics improve and / or the interaction between molding material and cast metal.
  • examples are glossy carbon formers, Starches, calcined soda, boric acid, as well as wood and Called peat flour.
  • Defects occurring in castings can be caused by the molding material have (mold-related casting defects), or metallurgical (Microporosity, slag inclusions, perspiration pearls, Shrinkage and stress cracks, segregations etc.) or technologically (Offset, cold casting, dimensional inaccuracy, etc.).
  • iron mica mentioned here is in ISO 10601 (first edition 1993-08-15), the sieve residue of max. 0.1% on the However, 105 ⁇ m sieve is expressly excluded. So is under Iron mica - CAS No. 1317-60-8 - also iron oxide (alpha hematite) to understand that has a higher sieve residue.
  • iron oxide (according to ISO / DIS 1248.2) - mostly as iron oxide red - as a molding additive is known and is considered "state of the art". These are powdery, mostly amorphous, iron oxides of high fineness. The usual additional quantities are approx. 0.5-1%.
  • Mica is dark gray in color with a metallic sheen. Mica shows a platelet-shaped, lamellar structure and is therefore different from natural and synthetic iron oxides. The chemical composition with Fe 2 O 3 applies to both products in pure form.
  • iron mica for the production of Molds especially lost molds and cores for casting of castings from non-ferrous, cast iron and cast steel alloys to use, being used to manufacture the molds and cores used molding material mixture 4 to 90% by mass, preferably 4 up to 50% by mass, in particular 4-20% by mass, of iron mica as a molding additive contains.
  • the use of iron mica for the production of Molded material coatings (finishing / blackening) provided, the Proportion of iron mica 0.1 to 10 mass% in the solid mass of the coating should be.
  • the one used for the application Mold coating is liquid or pasty and contains depending correspondingly less of the carriers used Micaceous iron oxide.
  • the iron mica used according to the invention has the negative Properties of iron oxide red do not show up. As the cause of this The main effect is its platelet-shaped, lamellar View structure that also allows the percentage in the respective molding material mixture compared to iron oxide (Iron oxide red) without negatively affecting the Strength properties of the form / core.
  • Typical casting defects, such as leaf veins, mineralization, pinholes, etc. become clear reduced, the surface quality is improved and the microstructure formation, especially with AlSiMg alloys, taking into account a high packing density of the molding material / iron mica mixture is greatly refined. As a result, they are better mechanical Properties, savings in a subsequent heat treatment as well as lower cleaning costs.
  • iron mica is according to the invention Additive provided for exothermic food aids. Due to the surprising, highly insulating effect of iron mica as pure, binder-free material is such a use of Iron mica is particularly beneficial. Suitable additional amounts are about 0.1 to 20% by mass of iron mica.
  • thermocouples used (they consist of two wires different metals which are welded at the ends) generate by heating the welding point of the "thermocouple" Electricity with a sensitive millivoltmeter that in the Conductor circuit is installed, measured and referred to as thermal voltage becomes. This thermal voltage is a measure of the temperature at the measuring point. Depending on the time, this results in Cooling or heating curves.
  • the thermocouple pairs used were made of platinum-platinum-rhodium with a temperature range from 0 to 1300 ° C and a thermal voltage of 10.5 uV / K.
  • the device according to FIG. 1 proved to be optimal.
  • the basic form 1 consisted of water glass / CO 2 hardened quartz sand, in which a copper tube 2 (diameter 30 mm, wall thickness 1.5 mm) was placed exactly in the middle. This copper tube serves as the actual shape for the cast material 3; The material to be measured was then either poured around the copper pipe into region 4 or compacted as a mixture of molding materials. Thermocouples 5 were used at suitable locations.
  • Copper was used because of this material has good thermal conductivity, so the casting heat well on the transferred to investigated granular substances or mixtures of molding materials becomes. At the same time, the thermal stability should be so large that the copper form does not melt and before especially when measuring loose, pure granular substances Dimensional stability until the end of solidification is guaranteed.
  • the proportions are as a result of the computational simulation the mold filling and solidification processes chosen so that both a constant compression (e.g. only by the Bulk density of the pure substances) as well as a sufficiently sensitive Measurement of the temperature gradient is possible.
  • thermophysical parameters in the computer simulation of the materials used are unconditional prerequisites, but these are with iron mica not available and i.a. determined with these studies data from zircon, chromite and quartz sand used.
  • thermocouples 5 are in the thermal center of the Cast material (GG, G-AlSi7Mg) and in the granular material or in the molding material mixture attached 20 mm from the metal / mold interface and constant in all attempts. All measurements were taken until the end of the experiment with a measuring speed of one value per Second recorded.
  • the properties of iron mica additives of the bentonite-bound molding material is not adversely affected. A significant increase in the amount of binder is not necessary.
  • FIG.7 are the cooling curves of G-AlSi7Mg using of mixture I (M10N) and II (M20N) as well as a comparison of one Quartz sand mixture without iron mica additive (Q1N) for normal Compaction (corresponds to a conventional machine molding shop).
  • the heating curves of the molding material mixtures shown in Fig. 8 during solidification show the same tendency as in Fig. 6, however, the curve is due to binder components and Water addition another.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Eisenglimmer zur Herstellung von Gußformen, insbesondere verlorenen Gußformen, und Kernen zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen sowie eisenglimmerhältige Formstoffmischungen. Erfindungsgemäß kann Eisenglimmer auch als Zusatz zu Formstoffüberzügen für Formen und Kerne, eingesetzt im gesamten Gebiet der Gießereiindustrie, sowie als Zusatz für exotherme Speisehilfen verwendet werden.
Unter einer verlorenen Form versteht man eine Sandform, verfestigt durch organische oder anorganische Binder (z.B. Tone, Harze) welche nur einmal verwendet werden kann und nach dem Gießen zur Gußteilentleerung zerstört werden muß. Im Gegensatz dazu stehen Dauerformen, die wiederholt verwendet werden können, z.B. Kokillen oder Druckgießformen.
Kerne haben die Aufgabe, im Gußteil Hohlräume oder unterschnittene Außenkonturen zu bilden. Nach ihrer Verwendbarkeit unterscheidet man analog zur Formherstellung Kerne zum einmaligen Gebrauch (verlorene Kerne, Sandkerne) und Dauerkerne (Metallkerne), die wiederholt Verwendung finden. Sandkerne sind getrennt hergestellte Forminnenteile. Sie werden beim Zusammenbau der Form in die Formaußenteile eingesetzt, eingelegt oder eingehängt. Sowohl verlorene Formen als auch verlorene Kerne werden in der Gießereiindustrie heute hauptsächlich deswegen zu einem sehr großen Prozentsatz eingesetzt, weil sie relativ preisgünstig hergestellt werden können und der Formstoff nach Zerstörung der Formen neu aufbereitet und zur Herstellung neuer Formen wieder verwendet werden kann.
Schlichten oder Schwärzen (Formstoffüberzüge) sind feuerfeste Stoffe, die in flüssiger oder pastöser Form zur Herstellung eines dünnen Überzuges auf den Formwänden oder Kernen (Sandkerne, Metallkerne) verwendet werden und wärmeisolierende, wärmeleitende, glättende, trennende oder sperrende Wirkung haben. Je nach Einsatzgebiet werden diesen Überzügen entsprechende und geeignete Zusätze beigemischt.
Die zur Herstellung von Gußerzeugnissen im Gießverfahren benötigten Formen werden mit Formstoffen gefertigt, welche aus Binder (organisch oder anorganisch), Formgrundstoff, Wasser und Formstoffzusätzen bestehen. Diese verwendeten Begriffe werden im folgenden näher erläutert:
Als Form sind in der vorliegenden Beschreibung alle Gießformen zur Herstellung von Gußerzeugnissen zu verstehen, wie z.B. Sandform, Kokille, Druckgießform, keramische Feingießform oder Schalenform. Lediglich als Beispiele seien Formaußenteile und Forminnenteile, Kastenformen, kastenlose Formen, Kernformen und Maskenformen genannt.
Formstoff ist die Sammelbezeichnung für alle trockenen, feuchten, pastösen oder flüssigen Stoffe zur Herstellung von Gießformen, die verdichtet, verfestigt oder nach chemischen Verfahren gebunden werden, z.B. Form- und Kernsande, Fließsande, Formschlicker und keramische Formmassen. Bei Formgrundstoffen handelt es sich um natürliche mineralische oder synthetische Granulate bzw. Sande, die zur Herstellung von zum einmaligen Gebrauch dienende Formen eingesetzt werden.
Unter Binder versteht man Formstoffbestandteile, die unter bestimmten Voraussetzungen (Anfeuchtung, Quellung, Silicatbildung, Polymerisation usw.) den Verbund zwischen den einzelnen Sandkörnern herstellen. Man unterscheidet zwischen Quellbindern (z.B. Bentonite, die durch Zusatz einer Anmachflüssigkeit aufquellen), keramischen Bindern (z.B. Tonerde, die sich durch Trocknung verfestigen oder in der Hitze sintern), hydraulischen Bindern (z.B. Gips oder Zement, die mit einer Anmachflüssigkeit reagieren und dabei härten) und chemisch härtende Binder (z.B. Wasserglas, Ethylsilicat oder Kunstharze) die während der Härtung verfestigen.
Unter Formstoffzusatz versteht man einen Zusatz zu binderhaltigen Form- oder Kernsandmischungen, welcher die Gebrauchseigenschaften verbessern und/oder die Wechselwirkung zwischen Formstoff und Gießmetall beeinflußt. Beispielhaft seien Glanzkohlenstoffbildner, Stärken, calcinierte Soda, Borsäure, sowie Holzund Torfmehl genannt.
In Gußstücken auftretende Fehler können ihre Ursache im Formstoff haben (formstoffbedingte Gußfehler), oder auch metallurgisch (Mikroporosität, Schlackeneinschlüsse, Schwitzperlen, Schwindungs- und Spannungsrisse, Seigerungen etc.) oder technologisch (Versatz, Kaltguß, Maßungenauigkeit etc.) bedingt sein.
In der Gießerei-Rundschau, 42. Jahrgang, Heft 1/2 vom Februar 1995 bzw. Heft 3/4 vom März/April 1995 wird bereits die Verwendung von Eisenglimmer als Formstoffzusatz zu Formstoffmischungen geoffenbart. Während bei Zusätzen von 2% Eisenglimmer zu Formstoffmischungen gute Ergebnisse erzielt werden können, führt ein Zusatz von 4% zu schlechter Druckfestigkeit der Formstoffmischung, welche erst durch eine Bentoniterhöhung ausgeglichen werden kann. Diese Erhöhung konnte jedoch eine zu geringe Naßzugfestigkeit nicht ausgleichen, weswegen von einem Zusatz von 4% Eisenglimmer und darüber abgeraten wurde.
In Abhängigkeit von der Verdichtungsintensität wurde nun überraschenderweise gefunden, daß auch höhere Zusätze von Eisenglimmer zu Formstoffmischungen zu ausgezeichneten Ergebnissen führen können. Dafür dürfte hier in erster Linie das gute Wärmeleitvermögen von Eisenglimmer in der Formstoffmischung in Verbindung mit einer dichten Packung verantwortlich sein.
Die Verwendung von Eisenglimmer in Formstoffmischungen führt zu:
  • Reduzierung von Blattrippenbildung
  • Reduzierung von Vererzungen
  • Reduzierung von Pinholes
  • Verbessertem Wärmeleitvermögen in Abhängigkeit der Packungsdichte
  • Verbesserter Gefügeausbildung
  • Verbesserten mechanischen Eigenschaften
  • Reduzierung von Nacharbeiten
    • Der hier genannte Eisenglimmer ist in ISO 10601 (first edition 1993-08-15) beschrieben, der Siebrückstand von max. 0,1% auf dem 105 µm Sieb wird jedoch ausdrücklich ausgenommen. So ist unter Eisenglimmer - CAS Nr. 1317-60-8 - auch Eisenoxid (alpha-Hämatit) zu verstehen, der einen höheren Siebrückstand aufweist.
    Der Einsatz von Eisenoxid (entsprechend ISO/DIS 1248.2) - zumeist als Eisenoxidrot - als Formstoffzusatz ist bekannt und gilt als "Stand der Technik". Hierbei handelt es sich um pulverförmige, zumeist amorphe, Eisenoxide von hoher Feinheit. Die bisher üblichen Zusatzmengen liegen bei ca. 0,5-1%.
    Eisenglimmer ist von dunkelgrauer Farbe mit metallischem Glanz. Eisenglimmer zeigt plättchenförmige, lamellare Struktur und unterscheidet sich damit von natürlichen und synthetischen Eisenoxiden. Für beide Produkte gilt in reiner Form die chemische Zusammensetzung mit Fe2O3.
    Durch Zusatz von Eisenoxid (Eisenoxidrot) werden Ausdehnungsfehler des Sandgefüges in der Gießhitze teilweise unterdrückt und die Gußqualität verbessert. Es werden durch diese Zusätze, vor allem bei höheren Zusatzmengen, die Festigkeitseigenschaften der Formen und Kerne teilweise derart negativ beeinflußt, daß keine genügende Formstabilität mehr gewährleistet ist und der Abguß oder teilweise schon das Handling der Formteile bzw. Kerne nicht mehr möglich ist.
    Erfindungsgemäß ist vorgesehen, Eisenglimmer zur Herstellung von Formen, insbesondere von verlorenen Formen und Kernen zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen- und Stahlgußlegierungen zu verwenden, wobei die zur Herstellung der Formen und Kerne verwendete Formstoffmischung 4 bis 90 Masse-%, vorzugsweise 4 bis 50 Masse-%, insbesondere 4-20 Masse-% Eisenglimmer als Formstoffzusatz enthält.
    Desweiteren ist der Einsatz von Eisenglimmer zur Herstellung von Formstoffüberzügen (Schlichten/Schwärzen) vorgesehen, wobei der Anteil an Eisenglimmer 0,1 bis 10 Masse-% in der Feststoffmasse des Überzugs betragen dürfte. Der zur Applikation verwendete Formstoffüberzug ist flüssig bzw. pastös und enthält in Abhängigkeit von den verwendeten Trägermitteln entsprechend weniger Eisenglimmer.
    Der erfindungsgemäß eingesetzte Eisenglimmer weist die negativen Eigenschaften von Eisenoxidrot nicht auf. Als Ursache dieser Wirkung ist in erster Linie seine plättchenförmige, lamellare Struktur anzusehen, die es auch gestattet, den prozentualen Anteil in der jeweiligen Formstoffmischung gegenüber Eisenoxid (Eisenoxidrot) zu erhöhen, ohne negative Auswirkungen auf die Festigkeitseigenschaften der Form/des Kernes. Typische Gußfehler, wie Blattrippen, Vererzungen, Pinholes usw. werden deutlich vermindert, die Oberflächengüte wird verbessert und die Gefügeausbildung, vor allem bei AlSiMg-Legierungen, unter Berücksichtigung einer hohen Packungsdichte des Formstoff/Eisenglimmergemisches wird stark verfeinert. Als Folge sind bessere mechanische Eigenschaften, Einsparungen bei einer anschließenden Wärmebehandlung sowie geringere Putzkosten zu erwarten.
    Bei realen Gießversuchen (Werkstoffe GG, G-AlSi7Mg) unter Einsatz von 10 Masse-% bzw. 20 Masse-% Eisenglimmer als Formstoffzusatz in Formstoffmischungen wurden im Vergleich mit einer Quarzsandmischung ohne Zusatz deutlich kürzere Erstarrungszeiten gemessen. Mit Beginn der aufgezeichneten Erstarrung von ca. 600°C wurde eine Abkühlung auf 450°C nach ca. 250 sec (+ 10 Masse-%) bzw. ca. 370 sec (+ 20 Masse-%) im Vergleich zu 430 sec (Quarzsandmischung ohne Eisenglimmer) festgestellt (Bild 7). Bei erhöhter Verdichtung der Formstoffmischung konnte eine weitere Verringerung der Abkühlzeit auf 200 sec (+ 10 Masse-%) bzw. 210 sec (+ 20 Masse-%) erreicht werden (Bilder 9 und 11). Die Formstoffmischungen bestanden dabei aus:
  • 90 Gewichtsteilen (GT) Quarzsand, 10 GT Eisenglimmer, darauf bezogen 6 % Bentonit und 3,5 % Wasser bzw.
  • 80 Gewichtsteilen (GT) Quarzsand, 20 GT Eisenglimmer, darauf bezogen 8 % Bentonit und 4.0 % Wasser;
    • die Naßzugfestigkeit betrug 0,22 bzw. 0,20 N/cm2, die Druckfestigkeit 16,9 bzw. 19,2 N/cm2. Da die höhere Druckfestigkeit der Mischung mit höherem Eisenglimmeranteil im erhöhten Bentonitgehalt begründet liegt, ist auch bei Eisenglimmeranteilen > 20 % ein höherer Bentonitgehalt empfehlenswert. Grundsätzlich werden durch den Eisenglimmerzusatz die Eigenschaften der Formstoffmischungen aus gießtechnologischer Sicht nicht negativ beeinflußt, die Wärmeentzugsgeschwindigkeit wird jedoch deutlich verbessert, d.h. bei höheren Zusätzen von Eisenglimmer in Verbindung mit einer dichten Packung ist eine schnellere Abkühlung/Erstarrung zu erwarten.
    Weiters ist erfindungsgemäß die Verwendung von Eisenglimmer als Zusatzstoff für exotherme Speisehilfen vorgesehen. Aufgrund der überraschenden stark isolierenden Wirkung von Eisenglimmer als reiner, binderfreier Stoff ist eine derartige Verwendung von Eisenglimmer besonders vorteilhaft. Geeignete Zusatzmengen betragen etwa 0,1 bis 20 Masse-% Eisenglimmer.
    Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figuren und der folgenden Untersuchung näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig.1 den prinzipiellen Aufbau der Versuchseinrichtung,
  • Fig.2 eine rechnerische Simulation der Abkühlung von Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) bei Verwendung verschiedener Formstoffe in reiner, binderfreier Form ohne Zusätze,
  • Fig.3 praktisch gemessene Abkühlungskurven von GG bei Verwendung verschiedener Formstoffe in reiner, binderfreier Form ohne Zusätze,
  • Fig.4 Aufheizkurven der verwendeten Formstoffe aus Fig.3 bei GG,
  • Fig.5 praktisch gemessene Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung verschiedener Formstoffe in reiner, binderfreier Form ohne Zusätze,
  • Fig.6 Aufheizkurven der verwendeten Formstoffe aus Fig.5 bei G-AlSi7Mg,
  • Fig.7 Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung von Formstoffmischungen mit 10 bzw. 20 %-Masse Eisenglimmerzusatz bei normaler Verdichtung (M10N bzw. M20N); als Vergleich Quarzsandmischung ohne Zusatz (Q1N),
  • Fig.8 Aufheizkurven der Sandmischungen aus Fig.7,
  • Fig.9 Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung von Formstoffmischungen mit 10 %-Masse Eisenglimmerzusatz bei normaler Verdichtung (M10N) bzw. bei hoher Verdichtung (M10H); als Vergleich Quarzsandmischung ohne Zusatz (Q1N),
  • Fig.10 Aufheizkurven der Sandmischungen aus Fig.9,
  • Fig.11 Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung von Formstoffmischungen mit 10 bzw. 20 %-Masse Eisenglimmerzusatz bei hoher Verdichtung (M10H bzw. M20H) ; als Vergleich Quarzsandmischung ohne Zusatz (Q1N), und
  • Fig.12 Aufheizkurven der Sandmischungen aus Fig.11.
    • Mit Hilfe der thermischen Analyse und der daraus resultierenden Aufnahme von Erstarrungs- und Abkühlungskurven von Legierungen sowie von Aufheizkurven der zu untersuchenden Stoffe während der Erstarrung, ist es möglich, konkrete Aussagen über die Wärmeableitung von Formstoffen bzw. deren Zusätzen zu treffen.
    Die eingesetzten Thermoelemente (sie bestehen aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle welche an den Enden verschweißt sind) erzeugen durch Erwärmung der Schweißstelle des "Thermopaares" Strom, der mit einem empfindlichen Millivoltmeter, das in den Leiterkreis eingebaut ist, gemessen und als Thermospannung bezeichnet wird. Diese Thermospannung ist ein Maß für die Temperatur an der Meßstelle. In Abhängigkeit der Zeit ergeben sich somit Abkühlungs- bzw. Aufheizkurven. Die verwendeten Thermoelementpaare bestanden aus Platin-Platin-Rhodium mit einem Temperaturbereich von 0 bis 1300°C und einer Thermospannung von 10,5 µV/K.
    Im Ergebnis erwies sich die Einrichtung gemäß Fig.1 als optimal.
    Die Grundform 1 bestand aus Wasserglas/CO2 gehärtetem Quarzsand, in welche genau mittig ein Kupferrohr 2 (Durchmesser 30 mm, Wanddicke 1,5 mm) gestellt war. Dieses Kupferrohr dient als eigentliche Form für den Gußwerkstoff 3; um das Kupferrohr wurde dann der zu messende Stoff in den Bereich 4 entweder geschüttet oder genau definiert als Formstoffmischung verdichtet. Thermoelemente 5 waren an geeigneten Stellen eingesetzt.
    Kupfer wurde deshalb verwendet, weil dieses Material eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, die Gießwärme also gut auf die zu untersuchenden körnigen Stoffe bzw. Formstoffmischungen übertragen wird. Gleichzeitig sollte die thermische Stabilität aber so groß sein, daß die Kupfer-Form nicht aufschmilzt und vor allem bei der Messung der losen, reinen körnigen Stoffe eine Formstabilität bis Erstarrungsende gewährleistet ist.
    Die Größenverhältnisse sind als Ergebnis der rechnerischen Simulation der Formfüllungs- und Erstarrungsvorgänge so gewählt, daß sowohl eine konstante Formverdichtung (z.B. nur durch das Schüttgewicht der reinen Stoffe) als auch eine genügend empfindliche Messung der Temperaturgradienten möglich ist.
    Da bei der rechnerischen Simulation thermophysikalische Kenngrößen der eingesetzten Materialien (Formstoff und Werkstoff) unbedingte Voraussetzung sind, welche jedoch bei Eisenglimmer nicht vorliegen und u.a. mit diesen Untersuchungen ermittelt werden sollten, wurden Daten von Zirkon-, Chromit- und Quarzsand verwendet.
    Die in Fig.2 so rechnerisch simulierten, deutlichen Unterschiede in der Erstarrungszeit des Werkstoffes Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) bei Verwendung von
    Zirkonsand
    = 104 sec.
    Chromitsand
    = 112 sec.
    Quarzsand
    = 138 sec.
    zeigen die notwendige Sensibilität der verwendeten Versuchseinrichtung.
    Kürzere Erstarrungszeiten sind gleichbedeutend mit gutem Wärmeentzugsvermögen des Formstoffes und damit mit guten Gefüge- und Gußstückeigenschaften.
    Die Thermoelemente 5 (Fig.1) sind im thermischen Zentrum des Gußwerkstoffes (GG, G-AlSi7Mg) sowie im körnigen Stoff bzw. in der Formstoffmischung 20 mm von der Grenzfläche Metall/Form angebracht und bei allen Versuchen konstant. Alle Messungen wurden bis Versuchsende mit einer Meßgeschwindigkeit von einem Wert pro Sekunde aufgenommen.
    Die Ergebnisse der Messung der Erstarrungsgeschwindigkeiten von GG in reinen binderfreien, unverdichteten Formgrundstoffen Zirkon, Chromit, Quarz sowie in natürlichem Eisenglimmer zeigt Fig.3.
    Diese realen Versuche zeigen für Zirkon, Chromit und Quarz prinzipiell die gleiche Tendenz wie die Ergebnisse der Simulation. Der Einsatz von Eisenglimmer als Formstoff in reinem binderfreien und unverdichteten Zustand führt aber eindeutig zu extrem langen Erstarrungszeiten, verbunden mit einem Aufschmelzen der Kupferform. Deutlich wird dieser Effekt auch in Fig.4, in dem die Aufheizung des Formstoffes während der Erstarrung dargestellt ist. Der hier deutlich werdende exotherme Effekt in der "Glimmer-Kurve" zwischen 100 und 280 sec. deutet darauf hin, daß in diesem Zeitraum Eisenglimmer derart isolierend wirkt, daß die Kupferform aufschmilzt und sich somit die Erstarrungszeit deutlich verlängert (Fig.3).
    Um dieses Phänomen der isolierenden Wirkung deutlicher nachzuweisen, aber dabei das Aufschmelzen der Kupferform und somit zusätzliche thermische Effekte zu vermeiden, wurde in einer weiteren Versuchsserie der Werkstoff G-AlSi7Mg verwendet. Die Ergebnisse sind in Fig.5 dargestellt. Obwohl bei allen vier untersuchten Stoffen die Erstarrungstemperatur annähernd gleich ist, wird sie bei Verwendung von Eisenglimmer deutlich zu längeren Zeiten verschoben, ein Hinweis für die stark isolierenden Wirkung dieses Stoffes in binderfreier, unverdichteter Form. Diese Eigenschaft begünstigt auch die Verwendung von Eisenglimmer als Zusatz zu exothermen Speisehilfen bei Gießverfahren.
    Die Erstarrungszeiten für G-AlSi7Mg betragen in:
    binderfreiem Zirkonsand
    = 58 sec.
    binderfreiem Chromitsand
    = 67 sec.
    binderfreiem Quarzsand
    = 80 sec.
    binderfreiem Eisenglimmer
    = 139 sec.
    Bei Zirkon, Chromit und Eisenglimmer wird die aufgenommene Wärme entsprechend der Aufheizkurve in Fig.6 offensichtlich schnell an die Umgebung, d.h. in tiefer gelegene Formpartien abgegeben, der Maximalwert für Eisenglimmer von 67,16°C nach 900 sec. liegt unter dem des Quarzsandes.
    Entsprechend des Versuchsplanes wurden dann zwei Formstoffmischungen mit folgender Zusammensetzung hergestellt:
    Mischung I Mischung II
    90 GT Quarzsand 80 GT Quarzsand
    10 GT Eisenglimmer darauf bezogen 20 GT Eisenglimmer
    6 % Bentonit 8 % Bentonit
    3,5 % Wasser 4,0 % Wasser
    Aufbereitungszeit jeweils 10 Minuten im Kollergang.
    Festigkeits- und gießtechnologische Eigenschaften nach DIN 52 401 und VDG-Merkblättern P 31 bis P 43:
    Mischung I Mischung II
    Schüttdichte g/l 755 782
    Feuchtigkeit % 3,5 4,0
    Verdichtbarkeit % 38 32
    Gasdurchlässigkeit 80 68
    Druckfestigkeit N/cm2 16,9 19,2
    Naßzugfestigkeit N/cm2 0,22 0,20
    Diese Werte sind für die praktische Formherstellung, auch aus großtechnischer Sicht, völlig in Ordnung. Die etwas geringere Verdichtbarkeit bei Mischung II trotz höherer Feuchtigkeit resultiert aus der höheren Schüttdichte, diese wiederum aus dem höheren Zusatz an Eisenglimmer. Die höhere Druckfestigkeit bei Mischung II liegt ursächlich im erhöhten Bentonitgehalt begründet, d.h. daß auch höhere Eisenglimmer-Zusätze nicht unmittelbar höhere Bentonitgehalte benötigen, ein Optimum muß gefunden werden.
    Grundsätzlich werden durch Eisenglimmer-Zusätze die Eigenschaften des bentonitgebundenen Formstoffes nicht negativ beeinflußt. Eine deutliche Erhöhung der Bindemittelmenge ist nicht erforderlich.
    Infolge der Ergebnisse der Versuche bei praktischen Messungen der Wärmeentzugsgeschwindigkeit von Formstoffmischungen bei unterschiedlicher Verdichtung wurde ausschließlich die Legierung G-AlSi7Mg verwendet.
    Wird Eisenglimmer als Formstoffzusatz verwendet, zeigt dieser Stoff in Abhängigkeit der Packungsdichte kühlende Wirkung. In Fig.7 werden die Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg unter Verwendung von Mischung I (M10N) und II (M20N) sowie als Vergleich einer Quarzsandmischung ohne Eisenglimmer-Zusatz (Q1N) bei normaler Verdichtung (entspricht einer üblichen Maschinenformerei) gegenübergestellt.
    Die Erstarrungszeiten von G-AlSi7Mg betragen in:
    Mischung I (10 % Eisenglimmer)
    = 83 sec.
    Mischung II (20 % Eisenglimmer)
    = 87 sec.
    Mischung ohne Zusatz
    = 102 sec.
    Eine Erhöhung der Packungsdichte des Kornanteiles ergibt eine Erhöhung des Wärmeleitvermögens. Die isolierende Wirkung der in den Poren befindlichen Luft wird durch Vergrößerung der Anteile der Festkörperleitung vermindert, die Anzahl der Kontaktpunkte im Kornverband wird erhöht. Eine Veränderung der Korn- bzw. Sandart verschiebt das gesamte System zu höheren oder niedrigeren Werten (vgl. Erstarrungszeiten in Fig.5), der prinzipielle Zusammenhang bei Zugabe von Feinanteilen (Eisenglimmer) bleibt aber bestehen.
    Die in Fig.8 dargestellten Aufheizkurven der Formstoffmischungen während der Erstarrung zeigen die gleiche Tendenz wie in Fig.6, der Kurvenverlauf ist jedoch infolge von Binderbestandteilen und Wasserzusatz ein anderer.
    Die eben erläuterten Zusammenhänge werden durch Fig.9 und Fig.10 bestätigt. Hier wurde die Mischung I zum einen normal (M1ON) und zum anderen hoch verdichtet (M1OH) der Quarzsandmischung (Q1N) gegenübergestellt.
    Die dabei gemessenen Erstarrungszeiten der Leichtmetall-Legierung G-AlSi7Mg betragen in:
    Mischung I - M1ON
    = 83 sec.
    Mischung I - M1OH
    = 43 sec.
    Quarzsandmischung - Q1N
    = 102 sec.
    Bei höher verdichteten Formen in Verbindung mit Eisenglimmer-Zusatz haben die einzelnen Sandkörner untereinander eine noch größere Kontaktfläche, die Porenräume sind noch weiter verringert, die Wärmeentzugsgeschwindigkeit wird deutlich größer.
    Bei 20 % Eisenglimmer-Zusatz und hoch verdichteten Formen ist die Erstarrungszeit von G-AlSi7Mg am geringsten (Fig.11). Hier wurde Mischung I hoch verdichtet (M1OH) der Mischung II hoch verdichtet (M20H) und der normalen Quarzsandmischung (Q1N) gegenübergestellt und die Erstarrungsgeschwindigkeiten gemessen. Sie betragen in G-AlSi7Mg für:
    Mischung I - M1OH
    = 43 sec.
    Mischung II - M20H
    = 37 sec.
    Quarzsandmischung - Q1N
    = 102 sec.
    Ein Indiz für die hier offensichtlich sehr gute Packungsdichte ist die höhere Verdichtbarkeit bei einem Zusatz von 20 % Eisenglimmer; eine schnelle Erstarrung wird dadurch in jedem Fall gefördert.

    Claims (10)

    1. Verwendung von plättchenförmigem Eisenglimmer lamellarer Struktur zur Herstellung von Gußformen, insbesondere verlorenen Gußformen und Kernen, sowohl organisch als auch anorganisch gebunden, zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung der Gußformen bzw. Kerne verwendete Formstoffmischung 4 bis 90 Masse-% plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur als Formstoffzusatz enthält.
    2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 50 Masse-% plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur als Formstoffzusatz enthält.
    3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 20 Masse-% plättchenförmigen. Eisenglimmer lamellarer Struktur als Formstoffzusatz enthält.
    4. Verwendung von plättchenförmigem Eisenglimmer lamellarer-Struktur zur Herstellung von Formstoffüberzügen für Kerne und Gußformen, organisch oder anorganisch gebunden, zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung des Formstoffüberzuges verwendete Mischung plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur in einer Menge von 0,1-10 Masse-%, bezogen auf die Feststoffmasse des Überzuges, enthält.
    5. Verwendung von plättchenförmigem Eisenglimmer lamellarer Struktur als Zusatzstoff für exotherme Speisehilfen.
    6. Formstoffmischung zur Herstellung von Kernen und Gußformen zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 90 %-Masse plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur als Formstoffzusatz enthält.
    7. Formstoffmischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 50 %-Masse plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur als Formstoffzusatz enthält.
    8. Formstoffmischung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 20 %-Masse plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur als Formstoffzusatz enthält.
    9. Mischung zur Herstellung von Formstoffüberzügen für Kerne und Gußformen, organisch oder anorganisch gebunden, zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur in einer Menge von 0,1-10 Masse-%, bezogen auf die Feststoffmasse des Überzuges, enthält.
    10. Exotherme Speisehilfe, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1 bis 20 %-Masse plättchenförmigen Eisenglimmer lamellarer Struktur in binderfreier unverdichteter Form als Zusatzstoff enthält.
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