EP1728571B1 - Isolierender Speiser und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP1728571B1
EP1728571B1 EP06114893A EP06114893A EP1728571B1 EP 1728571 B1 EP1728571 B1 EP 1728571B1 EP 06114893 A EP06114893 A EP 06114893A EP 06114893 A EP06114893 A EP 06114893A EP 1728571 B1 EP1728571 B1 EP 1728571B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
feeder
hollow spheres
insulating
glass
range
Prior art date
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EP06114893A
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English (en)
French (fr)
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EP1728571A1 (de
Inventor
Rolf STÖCKLEIN
Eckhard Mekus
Ulrich Lanver
Carsten Kuhlgatz
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Chemex GmbH
Original Assignee
Chemex GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
    • B22C9/082—Sprues, pouring cups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/06—Ingot moulds or their manufacture
    • B22D7/10—Hot tops therefor
    • B22D7/102—Hot tops therefor from refractorial material only

Definitions

  • the present invention relates to insulating feeders and to processes for their preparation.
  • feeder includes both feeder shells, feeder inserts and feeder caps, and heating pads.
  • liquid metal is poured into a casting mold and solidifies there.
  • the solidification process is associated with a reduction in the volume of metal and it is therefore regularly feeder, ie open or closed spaces used in or on the mold to equalize the volume deficit in the solidification of the casting and so prevent voids formation in the casting.
  • Feeders are connected to the casting or vulnerable casting area and are usually located above and / or on the side of the mold cavity.
  • Insulating feeders are made from moldable insulating compositions and are distinguished from exothermic feeders made from exothermic masses that self-heat by an aluminothermic reaction. Insulating feeders first absorb heat from the molten metal as the mold is poured, until temperature equalization occurs; From this point on, they will protect the liquid casting metal against further heat loss for a certain period of time. Insulating feeders thus delay the Cleararruhgsbeginn and promote the density feed. Isolating feeders are for example from the DE 100 65 270 A1 known.
  • insulating feeders are feeders comprising less than 1% by weight of oxidisable metals.
  • insulating feeders according to the invention do not comprise any oxidizable metal.
  • insulating feeders within the meaning of the above definition z. B. undergo an exothermic reaction due to the presence of organic materials in the foundry.
  • the insulating feeder according to the invention also has a particularly good insulating effect, which is probably due to the particularly low bulk density of the glass hollow spheres to be used according to the invention and in significantly increased solidification times (for filled cast metal) in comparison with feeders containing only ceramic hollow spheres.
  • a bulk density of less than 0.3 g / cm 3 is lower than the bulk density of the ceramic hollow spheres usually used so far in insulating feeders.
  • the glass hollow spheres used in the insulating feeders according to the invention preferably have a bulk density of less than 0.2 g / cm 3 , preferably even a bulk density of less than 0.15 g / cm 3 . Glass hollow spheres with such bulk densities are commercially available, e.g. B. Glass hollow spheres with the trade name Q-CEL ® (supplier: Omega Minerals).
  • the ceramic hollow spheres used in the insulating feeders according to the invention have an insulating effect, and they stabilize - due to their high temperature stability - the structure of an insulating feeder according to the invention during the casting.
  • the ceramic hollow spheres optionally together with additional further filling materials, alleviate a disadvantage which may be associated with the use of glass hollow spheres in the feeders according to the invention: Glass hollow spheres allow, due to their transparency, heat transport due to heat radiation; However, ceramic hollow spheres are comparatively non-transparent and therefore reduce this effect.
  • isolating feeders according to the invention which were embedded in the foundry for casting in foundry sand, could be separated from the foundry sand particularly easily and at least substantially without residue after casting.
  • This observation is probably directly related to the increased strength of the feeder, which - as stated above - is probably due to the proportion of glass hollow spheres used.
  • the molding sand may be bound in the usual way, e.g. with resin or bentonite as binder.
  • fibrous material in insulating feeders according to the invention is often advantageous for effecting additional reinforcement of the feeder.
  • preferred fiber materials to be used see below.
  • a feeder according to the invention therefore holds the aforementioned ratio.
  • the range of 2: 1 to 6: 1 is particularly preferred.
  • the glass hollow spheres to be used in insulating feeders according to the invention preferably have a grain size, ie minimum and maximum diameters, in the range from 30 to 170 ⁇ m, and the ceramic hollow spheres to be used preferably have a grain size in the range from 2 to 500 ⁇ m, wherein a grain size in the range of 20-150 microns is particularly preferred.
  • the granulation of glass hollow spheres and ceramic hollow spheres in insulating feeders according to the invention is thus advantageously quite similar.
  • the ratio of the average hollow sphere diameter of glass hollow spheres and ceramic hollow spheres is preferably in the range from 1: 5 to 5: 1.
  • the total amount of glass hollow spheres and ceramic hollow spheres is in the range from 40 to 80% by weight, preferably in the range from 40 to 60% by weight, based on the total mass of the feeder.
  • an insulating feeder according to the invention is in some cases undesirably reduced.
  • the insulating effect of the feeder according to the invention is in some cases undesirably reduced.
  • the amount of cured binder is preferably in the range of 15-35 wt%, again based on the total mass of the feeder.
  • the relative binder content of the feeder according to the invention is thus quite high; However, this does not involve an unacceptably high absolute amount of binder, because an inventive insulating feeder is very light due to the high proportion of glass hollow spheres and ceramic hollow spheres.
  • the preferred inventive insulating feeders with the stated (total) amounts of glass hollow spheres, ceramic hollow spheres and cured binder not only have a particularly high strength, but also a particularly high hot strength.
  • An insulating feeder according to the invention preferably comprises organic fiber material and / or no inorganic fiber materials.
  • organic fiber materials is preferred, the use of inorganic fiber materials should be avoided.
  • Such a waiver of inorganic fiber materials leads to safer methods for the production of inventive insulating feeders, since no respirable particles of inorganic fiber materials can break off.
  • the fiber length of the cellulose fibers used is preferably in the range of 30-800 ⁇ m.
  • An insulating feeder according to the invention comprises cured binder.
  • this cured binder is the curing product of a binder which is selected from the group consisting of: Duroplast brieflyner, silicate and starch, preferably from the group consisting of: Resitchanner, nanocomposite binder (preparation of partially hydrolyzed silicic acid esters and silanes) water glass, starch.
  • Starch is preferably used as a binder if the green state or slurry process (filter slurry process) is to be used to produce the insulating feeder according to the invention.
  • filter slurry process the use of starch promotes the floating behavior, thus counteracts segregation, in the green state process, the use of starch leads to the required green state stability.
  • digested native and modified starches can be used.
  • Phenol resins can also be used as binder component.
  • Preferred phenolic resins are milled with hexamethylenetetramine phenol novolaks like those of the type Resital ® (product of Wilsontenes-Albertus) and Supraplast novolaks (product of South-West-Chemie).
  • binder component is melamine.
  • melamine and formaldehyde together with other aldehyde-reactive compounds such as phenols. It then form melamine-phenol-formaldehyde resins (MPF resins).
  • MPF resins melamine-phenol-formaldehyde resins
  • z melamine-phenol-formaldehyde resins
  • Example the use of a mixture of a ground with hexamethylenetetramine phenolic novolac and melamine.
  • Nanocomposite binders are particularly preferred for the preparation of an insulating feeder according to the invention. Preparations of partially hydrolyzed silicic acid esters and silanes can be used in particular as nanocomposite binders. It is also possible to use the nanocomposite binders as described in US Pat DE 196 47 369 A1 such as WO 98/22241 are described. Under the name DYNASIL ® (Degussa) are available as nanocomposite binders suitable Kieselklareester commercially, see. Examples 4 and 5 below.
  • An insulating feeder according to the invention comprises, in addition to hollow glass spheres, ceramic hollow spheres and, if appropriate, fibrous material, in some cases further materials which may be referred to as filler material.
  • filler material It is advantageous z. B. when using a nanocomposite binder, the presence of biogenic silica, the z. Can, in the form of rice husk ash are present (eg. As sold under the name Silimat ® G the company Refratechnik).
  • Silimat ® G the company Refratechnik
  • As well as kaolin, sand, chamotte and / or coke, and finely dispersed, inert metal oxides such as those of titanium, aluminum or silicon are used.
  • this biogenic silica is a preferred substrate for nanocomposite binders is characterized by a very low weight and inert to the other components during the feeder production and pouring.
  • the ceramic hollow spheres have a bulk density of less than 0.5 g / cm 3 .
  • the density of insulating feeders according to the invention is preferably less than 0.6 g / cm 3 .
  • the step of molding is preferably carried out by the slurry process or the green state process.
  • Example 1 (fiber-free green mass):
  • the moldable insulating was formed by the green state method to a feeder cap and the binder (phenolic resin) cured.
  • the insulating feeder cap was used when pouring a cast iron piece. It was obtained a high quality casting.
  • the density of the insulating feeder cap was 0.55 g / cm 3 .
  • the mouldable insulating compound was formed into a feeder cap by the slurry process and the binder (phenolic resin) was cured.
  • the insulating feeder cap was used when pouring a cast iron piece. It was obtained a high quality casting.
  • the density of the insulating feeder cap was 0.4 g / cm 3 .
  • the mouldable insulating compound was formed into a feeder cap by the slurry process and the binder (phenolic resin) was cured.
  • the insulating feeder cap was used when pouring a cast iron piece. It was obtained a high quality casting.
  • the density of the insulating feeder cap was 0.3 g / cm 3 .
  • the moldable insulating was formed by the green state method to a feeder cap and the binder (phenolic resin) cured.
  • the insulating feeder cap was used when pouring a cast iron piece. It was obtained a high quality casting.
  • the density of the insulating feeder cap was 0.3 g / cm 3 .
  • the mouldable insulating compound was formed into a feeder cap by the slurry process and the binder (phenolic resin) was cured.
  • the insulating feeder cap was used when pouring a cast iron piece. It was obtained a high quality casting.
  • the density of the insulating feeder cap was 0.3 g / cm 3 .
  • a total of four insulating compounds mixtures were prepared (mixtures 1, 2, 3 and 4) and used for the production of feeder caps.
  • the mixtures 1 and 2 were produced by the slurry process, and the mixtures 3 and 4 by the green state process.
  • the mixtures 1 and 3 are provided for producing feeders according to the invention, in particular they contain glass hollow spheres with a layer density of less than 0.3 g / cm 3 .
  • the mixtures 2 and 4 are intended for the production of comparative feeders; they do not contain glass bubbles.
  • the feeder caps based on the mixtures 1 and 2 were prepared by the slurry process.
  • the water was placed in a vessel and stirred homogeneously with the kaolin, the phenolic resin and melamine. Subsequently, the other components of the insulating materials were added in portions with continued stirring until a uniform slip mass was present. This slip mass was sucked off in a tool.
  • the feeder caps thus prepared were then dried at 180 ° C.
  • the formulations of the insulating compositions for the production of feeder caps according to the green state method can be found in the following Table 2.
  • feeder caps were produced by the green state method. For this purpose, a largely homogeneous powder mixture was prepared from all components except water. The water was then added in a laboratory mixer. After a mixing time of about 2 minutes, a ready-to-use mixture was present, from which feeders were mashed and then dried at 180.degree.
  • FIGS. 1 and 2 show the solidification curves included in the attached FIGS. 1 and 2 are reproduced.
  • Fig. 1 shows the solidification curves for the feeder caps based on the mixtures 1 and 2
  • Fig. 2 shows the solidification curves for the feeder caps based on mixtures 3 and 4.
  • the feeder caps based on the mixtures 1 and 3 according to the invention have a longer solidification time in comparison with the non-inventive feeder caps based on the mixtures 2 and 4.
  • feeder caps according to the invention are superior to feeder caps, which do not comprise glass hollow spheres.
  • minor adjustments had to be made in the formulas with respect to phenolic resin, melamine and water components in order to produce stable feeder caps. These minor deviations are not responsible for the different solidification times of non-inventive and inventive feeder caps.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft isolierende Speiser sowie Verfahren zu deren Herstellung.
  • Der Begriff "Speiser" umfasst dabei im Rahmen der vorliegenden Unterlagen sowohl Speiserumhüllungen, Speisereinsätze und Speiserkappen als auch Heizkissen.
  • Bei der Herstellung von metallischen Formteilen in der Gießerei wird flüssiges Metall in eine Gießform eingefüllt und erstarrt dort. Der Erstarrungsvorgang ist mit einer Verringerung des Metallvolumens verbunden und es werden deshalb regelmäßig Speiser, d. h. offene oder geschlossene Räume in oder an der Gießform eingesetzt, um das Volumendefizit bei der Erstarrung des Gussstücks anzugleichen und so eine Lunkerbildung im Gussstück zu verhindern. Speiser sind mit dem Gussstück bzw. mit dem gefährdeten Gussstückbereich verbunden und befinden sich für gewöhnlich oberhalb und/oder an der Seite des Formhohlraums.
  • Isolierende Speiser werden aus formbaren isolierenden Zusammensetzungen (Isoliermassen) hergestellt und sind zu unterscheiden von exothermen Speisern, welche aus exothermen Massen hergestellt sind, die sich durch eine aluminothermische Reaktion selbst erwärmen. Isolierende Speiser nehmen beim Abgießen der Form zuerst Wärme aus dem flüssigen Metall auf, bis sich ein Temperaturausgleich einstellt; von diesem Zeitpunkt an schützen sie das flüssige Gießmetall eine gewisse Zeit gegen weitere Wärmeverluste. Isolierende Speiser verzögern somit den Erstarruhgsbeginn und fördern die Dichtspeisung. Isolierende Speiser sind beispielsweise aus der DE 100 65 270 A1 bekannt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Unterlagen sind isolierende Speiser solche Speiser, die weniger als 1 Gew.-% oxidierbare Metalle umfassen. Vorzugsweise umfassen erfindungsgemäße isolierende Speiser (wie unten im Detail definiert) gar kein oxidierbares Metall. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass isolierende Speiser im Sinne der vorstehenden Definition z. B. aufgrund der Anwesenheit organischer Materialien im Gießereibetrieb eine exotherme Reaktion durchlaufen.
  • Es war die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen isolierenden Speiser anzugeben, der eine hohe Festigkeit besitzt, bei geringem Gewicht eine gute isolierende Wirkung besitzt und sich zudem vorzugsweise nach dem Abgießen leicht und zumindest im Wesentlichen rückstandsfrei wieder von dem Formsand trennen lässt, in den er während des Gießereibetriebs eingebettet wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen isolierenden Speiser zur Verwendung in der Gießereiindustrie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ein solcher Speiser umfasst:
    • keramische Hohlkugeln,
    • Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte von weniger als 0,3 g/cm3,
    • ausgehärtetes Bindemittel,
    • gegebenenfalls Fasermaterial.
  • Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die gleichzeitige Anwesenheit von (a) keramischen Hohlkugeln und (b) Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte von weniger als -0,3g/cm3 in dem erfindungsgemäßen isolierenden Speiser im Gießbetrieb (d. h. beim Abgießen, wobei Temperaturen von bis zu 1400°C auf den isolierenden Speiser einwirken) eine erhöhte Festigkeit des Speisers erreichbar ist, die auch nach dem Abgießen noch zu beobachten ist. Diese erhöhte Festigkeit ist vermutlich auf die Anwesenheit der Glas-Hohlkugeln zurückzuführen.
  • Der erfindungsgemäße isolierende Speiser besitzt zudem eine besonders gute isolierende Wirkung, die vermutlich auf die besonders geringe Schüttdichte der erfindungsgemäß einzusetzenden Glas-Hohlkugeln zurückzuführen ist und sich in deutlich erhöhten Erstarrungszeiten (für eingefülltes Gießmetall) im Vergleich mit Speisern zeigt, die lediglich keramische Hohlkugeln enthalten. Eine Schüttdichte von weniger als 0,3 g/cm3, wie sie für die erfindungsgemäß einzusetzenden Glas-Hohlkugeln vorgesehen ist, ist geringer als die Schüttdichte der üblicherweise in isolierenden Speisern bislang eingesetzten keramischen Hohlkugeln. Vorzugsweise besitzen die in erfindungsgemäßen isolierenden Speisern eingesetzten Glas-Hohlkugeln eine Schüttdichte von weniger als 0,2g/cm3, bevorzugt sogar eine Schüttdichte von weniger als 0,15 g/cm3. Glas-Hohlkugeln mit solchen Schüttdichten sind im Handel erhältlich, z. B. Glas-Hohlkugeln mit dem Handelsnamen Q-CEL® (Lieferant: Omega Minerals).
  • Die in den erfindungsgemäßen isolierenden Speisern eingesetzten keramischen Hohlkugeln wirken isolierend, und sie stabilisieren - aufgrund ihrer hohen Temperaturstabilität - die Struktur eines erfindungsgemäßen isolierenden Speisers während des Abgießens. Zudem lindern die keramischen Hohlkugeln, gegebenenfalls gemeinsam mit zusätzlichen weiteren Füllmaterialien, einen Nachteil, der mit dem Einsatz von Glas-Hohlkugeln in den erfindungsgemäßen Speisern verbunden sein dürfte: Glas-Hohlkugeln ermöglichen nämlich aufgrund ihrer Transparenz einen Wärmetransport aufgrund von Wärmestrahlung; keramische Hohlkugeln sind aber vergleichsweise intransparent und reduzieren deshalb diesen Effekt.
  • Überraschenderweise hat sich zudem gezeigt, dass sich erfindungsgemäße isolierende Speiser, die zum Gussbetrieb in Formsand eingebettet wurden, nach dem Abguss besonders leicht und zumindest im Wesentlichen rückstandsfrei wieder von dem Formsand trennen ließen. Diese Beobachtung steht vermutlich in direktem Zusammenhang mit der erhöhten Festigkeit des Speisers, welche - wie oben ausgeführt - wohl auf den Anteil eingesetzter Glas-Hohlkugeln zurückzuführen ist. Der Formsand kann dabei auf übliche Weise gebunden sein, z.B. mit Harz oder Bentonit als Bindemittel.
  • Die Anwesenheit von Fasermaterial in erfindungsgemäßen isolierenden Speisern ist oft vorteilhaft, um eine zusätzliche Armierung des Speiser zu bewirken. Hinsichtlich bevorzugter einzusetzender Fasermaterialien siehe weiter unten.
  • Zum Erreichen besonders hoher Festigkeiten und Isolierwirkungen ist es vorteilhaft, das Gewichtsverhältnis von keramischen Hohlkugeln zu Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte von weniger als 0,3 g/cm3 im Bereich von 1:1 - 10:1 zu wählen. Ein erfindungsgemäßer Speiser hält deshalb das vorgenannte Verhältnis ein. Der Bereich von 2:1 bis 6:1 ist besonders bevorzugt.
  • Bei höheren Anteilen an Glas-Hohlkugeln in einem erfindungsgemäßen Speiser wächst die Gefahr, dass der jeweilige Speiser im Einzelfall eine für den Gießereibetrieb zu geringe Stabilität besitzt.
  • Bei niedrigeren Anteilen an Glas-Hohlkugeln in einem erfindungsgemäßen Speiser werden in manchen Fällen keine sehr hohen Festigkeiten mehr erreicht, die Ablösbarkeit vom Formsand nach dem Abgießen ist in manchen Fällen nicht mehr optimal, und die isolierende Wirkung des Speisers ist in manchen Fällen nicht mehr so hoch wie erwünscht.
  • Die in erfindungsgemäßen isolierenden Speisern einzusetzenden Glas-Hohlkugeln besitzen vorzugsweise eine Körnung, d. h. minimale und maximale Durchmesser, im Bereich von 30 - 170 µm, und die einzusetzenden keramischen Hohlkugeln besitzen vorzugsweise eine Körnung im Bereich von 2 - 500 µm, wobei eine Körnung im Bereich von 20 - 150 µm besonders bevorzugt ist. Die Körnung von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln in erfindungsgemäßen isolierenden Speisern ist somit vorteilhafterweise recht ähnlich. Das Verhältnis der mittleren Hohlkugeldurchmesser von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln liegt vorzugsweise im Bereich von 1:5 bis 5:1.
  • In erfindungsgemäßen isolierenden Speisern liegt die Gesamtmenge von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln im Bereich von 40 - 80 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 40 - 60 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Speisers.
  • Bei höheren Gesamtmengen von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln ist die Stabilität eines erfindungsgemäßen isolierenden Speisers in manchen Fällen in unerwünschter Weise reduziert.
  • Bei niedrigeren Gesamtmengen von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln ist die Isolierwirkung des erfindungsgemäßen Speisers in manchen Fällen in unerwünschter Weise reduziert.
  • Liegt die Gesamtmenge von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln an einem erfindungsgemäßen isolierenden Speiser in dem bevorzugten Bereich von 40 - 60 Gew.-%, so liegt die Menge an ausgehärtetem Bindemittel vorzugsweise im Bereich von 15 - 35 Gew.-%, wiederum bezogen auf die Gesamtmasse des Speisers. Der relative Bindemittelanteil an dem erfindungsgemäßen Speiser ist somit recht hoch; damit ist jedoch keine inakzeptabel hohe Absolutmenge an Bindemittel verbunden, denn ein erfindungsgemäßer isolierenden Speiser ist aufgrund des hohen Anteils an Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln sehr leicht. Die bevorzugten erfindungsgemäßen isolierenden Speiser mit den genannten (Gesamt)Mengen an Glas-Hohlkugeln, keramischen Hohlkugeln und ausgehärtetem Bindemittel besitzen nicht nur eine besonders hohe Festigkeit, sondern auch eine besonders hohe Heißfestigkeit.
  • Ein erfindungsgemäßer isolierender Speiser umfasst vorzugsweise organisches Fasermaterial und/oder keine anorganischen Fasermaterialien. Während also die Anwesenheit organischer Fasermaterialien bevorzugt ist, sollte auf den Einsatz anorganischer Fasermaterialien verzichtet werden. Ein solcher Verzicht auf anorganische Fasermaterialien führt zu gesundheitlich unbedenklicheren Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer isolierender Speiser, da keine lungengängigen Partikel aus anorganischen Fasermaterialien abbrechen können.
  • Der Einsatz organischer Fasermaterialien bewirkt, wie oben bereits erwähnt, eine zusätzliche Armierung des erfindungsgemäßen isolierenden Speisers, die in vielen Fällen gewünscht ist. Vorzugsweise werden in erfindungsgemäßen isolierenden Speisern Cellulosefasern eingesetzt; diese zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht aus.
  • Vorzugsweise liegt die Faserlänge der eingesetzten Cellulosefasern dabei im Bereich von 30 - 800 µm.
  • Ein erfindungsgemäßer isolierender Speiser umfasst ausgehärtetes Bindemittel. Vorzugsweise ist dieses ausgehärtete Bindemittel das Aushärtungsprodukt eines Bindemittels, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Duroplastbildner, Silikatbildner und Stärke, vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus: Resitbildner, Nanokomposit-Binder (Zubereitung aus teilweise hydrolysierten Kieselsäureestern und Silanen) Wasserglas, Stärke.
  • Stärke wird als Bindemittel vorzugsweise dann eingesetzt, wenn zur Herstellung des erfindungsgemäßen isolierenden Speisers das Grünstand- oder das Slurry-verfahren (Filterschlickerverfahren) eingesetzt werden soll. Im Slurry-Verfahren fördert der Einsatz von Stärke das Schwebeverhalten, wirkt also einer Entmischung entgegen, im Grünstandverfahren führt der Einsatz von Stärke zu der erforderlichen Grünstandfestigkeit. Es können insbesondere aufgeschlossene native sowie modifizierte Stärken eingesetzt werden.
  • Als Bindemittel-Komponente können bevorzugt auch Phenolharze eingesetzt werden. Bevorzugte Phenolharze sind mit Hexamethylentetramin vermahlene Phenolnovolake wie die des Typs Resital® (Produkt von Hüttenes-Albertus) und Supraplast-Novolake (Produkt von Süd-West-Chemie).
  • Als Bindemittel-Komponente ebenfalls bevorzugt ist Melamin. Insbesondere ist es bevorzugt, Melamin und Formaldehyd gemeinsam mit anderen gegenüber Aldehyden reaktiven Verbindungen wie Phenolen einzusetzen. Es bilden sich dann Melamin-Phenol-Formaldehyd-Harze (MPF-Harze). Bevorzugt ist z. B. der Einsatz einer Mischung aus einem mit Hexamethylentetramin vermahlenen Phenolnovolak und Melamin.
  • Nanokomposit-Binder sind zur Herstellung eines erfindungsgemäßen isolierenden Speisers besonders bevorzugt. Als Nanokomposit-Bindemittel können insbesondere Zubereitungen aus teilweise hydrolysierten Kieselsäureestern und Silanen eingesetzt werden. Ebenfalls eingesetzt werden können die NanokompositBindemittel, wie sie in der DE 196 47 369 A1 sowie WO 98/22241 beschrieben sind. Unter der Bezeichnung DYNASIL® (Degussa) sind als Nanokomposit-Binder geeignete Kieselsäureester im Handel erhältlich, vgl. die Beispiele 4 und 5, unten.
  • Ein erfindungsgemäßer isolierender Speiser umfasst neben Glashohlkugeln, keramischen Hohlkugeln und gegebenenfalls Fasermaterial in manchen Fällen noch weitere Materialien, die sich als Füllmaterial bezeichnen lassen. Vorteilhaft ist z. B. bei Einsatz eines Nanokomposit-Binders die Anwesenheit biogener Kieselsäure, die z. B. in Form von Reisschalenasche vorliegen kann (z. B. erhältlich unter der Bezeichnung Silimat®G der Firma Refratechnik). Als sonstige Füllmaterialien können aber z. B. auch Kaolin, Sand, Schamotte und/oder Koksgrieß sowie feindisperse, inerte Metalloxide wie die des Titan, Aluminium oder Silizium eingesetzt werden.
  • Hinsichtlich der bevorzugten Verwendung von Reisschalenasche sei darauf hingewiesen, dass diese biogene Kieselsäure ein bevorzugtes Substrat für Nanokomposit-Binder ist, sich durch ein sehr niedriges Gewicht auszeichnet und sich gegenüber den weiteren Komponenten während der Speiser-Herstellung und des Abgießens inert verhält.
  • In bevorzugten erfindungsgemäßen isolierenden Speisern besitzen die keramischen Hohlkugeln eine Schüttdichte von weniger als 0,5 g/cm3. Die Dichte erfindungsgemäßer isolierender Speiser ist vorzugsweise kleiner als 0,6 g/cm3.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Speisers (vorzugsweise in einer seiner bevorzugten Ausgestaltungen). Ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • Mischen von keramischen Hohlkugeln, Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte kleiner 0,3 g/cm3, Bindemittel, Wasser sowie gegebenenfalls Fasermaterial und/oder sonstiges Füllmaterial,
    • Formen der Mischung zu einem Speiser,
    • Aushärten des geformten Speisers.
  • Der Schritt des Formens erfolgt dabei vorzugsweise nach dem Slurry-Verfahren oder dem Grünstandverfahren.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:
  • Dabei gilt in den Beispielen:
    "Keramische Hohlkugeln": Schüttdichte: ca. 400 g/l
    Körnung: 20 - 250 µm
    "Glashohlkugeln": Schüttdichte: ca. 120 g/l
    Körnung: 20 - 170 µm
    "Dynasil XAR": laut Herstellerangaben eine Zubereitung aus:
    Kieselsäure, Tetraethylester, hydrolysiert,
    2-Propanol;
    Tetraethylsilikat
    "Phenolharz": Resital® CR 41, Produkt von Hüttenes-Albertus
    • Beispiel 1 (faserfreie Grünstandsmasse):
  • Es wurde eine formbare Isoliermasse hergestellt aus
    Kaolin 6 GT
    Stärkebinder 6 GT
    Keramische Hohlkugeln 54 GT
    Glashohlkugeln 19 GT
    Phenolharz 15 GT
    Wasser 35 GT
    (GT bedeutet dabei hier und nachfolgend Gewichtsteile.)
  • Die formbare Isoliermasse wurde nach dem Grünstandverfahren zu einer Speiserkappe geformt und das Bindemittel (Phenolharz) ausgehärtet. Die isolierende Speiserkappe wurde beim Abgießen eines Gusstücks aus Eisen eingesetzt. Es wurde ein qualitativ hochwertiges Gussstück erhalten.
  • Die Dichte der isolierenden Speiserkappe betrug 0,55 g/cm3.
    • Beispiel 2 (Slurry-Masse):
  • Kaolin 16 GT
    Cellulosefaser 6 GT
    Keramische Hohlkugeln 37 GT
    Glashohlkugeln 6 GT
    Reisschalenasche 15 GT
    Phenolharz 15 GT
    Melamin 5 GT
    Wasser 180 GT
  • Die formbare Isoliermasse wurde nach dem Slurry-Verfahren zu einer Speiserkappe geformt und das Bindemittel (Phenolharz) ausgehärtet. Die isolierende Speiserkappe wurde beim Abgießen eines Gusstücks aus Eisen eingesetzt. Es wurde ein qualitativ hochwertiges Gussstück erhalten.
  • Die Dichte der isolierenden Speiserkappe betrug 0,4 g/cm3.
    • Beispiel 3 (Slurry-Masse):
  • Kaolin 5 GT
    Cellulosefaser 5 GT
    Keramische Hohlkugeln 35 GT
    Glashohlkugeln 20 GT
    Reisschalenasche 5 GT
    Phenolharz 25 GT
    Melamin 5 GT
    Wasser 200 GT
  • Die formbare Isoliermasse wurde nach dem Slurry-Verfahren zu einer Speiserkappe geformt und das Bindemittel (Phenolharz) ausgehärtet. Die isolierende Speiserkappe wurde beim Abgießen eines Gusstücks aus Eisen eingesetzt. Es wurde ein qualitativ hochwertiges Gussstück erhalten.
  • Die Dichte der isolierenden Speiserkappe betrug 0,3 g/cm3.
    • Beispiel 4 (Grünstandsmasse):
  • Kaolin 5 GT
    Cellulosefaser 5 GT
    Keramische Hohlkugeln 35 GT
    Glashohlkugeln 20 GT
    Reisschalenasche 5 GT
    Nanokomposit-Binder (Dynasil XAR, Degussa) 85 GT
    Wasser 0 GT
  • Die formbare Isoliermasse wurde nach dem Grünstandverfahren zu einer Speiserkappe geformt und das Bindemittel (Phenolharz) ausgehärtet. Die isolierende Speiserkappe wurde beim Abgießen eines Gusstücks aus Eisen eingesetzt. Es wurde ein qualitativ hochwertiges Gussstück erhalten.
  • Die Dichte der isolierenden Speiserkappe betrug 0,3 g/cm3.
    • Beispiel 5 (Filterschlickermasse):
  • Kaolin 5 GT
    Cellulosefaser 5 GT
    Keramische Hohlkugeln 35 GT
    Glashohlkugeln 20 GT
    Reisschalenasche 5 GT
    Nanokomposit-Binder (Dynasil XAR, Degussa) 85 GT
    Wasser 100 GT
  • Die formbare Isoliermasse wurde nach dem Slurry-Verfahren zu einer Speiserkappe geformt und das Bindemittel (Phenolharz) ausgehärtet. Die isolierende Speiserkappe wurde beim Abgießen eines Gusstücks aus Eisen eingesetzt. Es wurde ein qualitativ hochwertiges Gussstück erhalten.
  • Die Dichte der isolierenden Speiserkappe betrug 0,3 g/cm3.
    • Beispiel 6: Untersuchungen zum Erstarrungsverhalten:
  • Es wurden insgesamt vier Isoliermassen-Mischungen hergestellt (Mischungen 1, 2, 3 und 4) und zur Herstellung von Speiserkappen eingesetzt. Die Mischungen 1 und 2 wurden dabei nach dem Slurry-Verfahren hergestellt, die Mischungen 3 und 4 nach dem Grünstand-Verfahren. Die Mischungen 1 und 3 sind dabei zur Herstellung erfindungsgemäßer Speiser vorgesehen, insbesondere enthalten sie Glashohlkugeln mit einer Schichtdichte von weniger als 0,3 g/cm3. Die Mischungen 2 und 4 sind zur Herstellung von Vergleichsspeisern vorgesehen; sie enthalten keine Glashohlkugeln.
  • Die Rezepturen der Isoliermassen zur Herstellung von Speiserkappen nach dem Slurry-Verfahren lassen sich der nachfolgenden Tabelle 1 entnehmen.
    Mischung 1 (erf.-gem.) Mischung 2 (Vergleich)
    Kaolin 5 GT 5 GT
    Cellulosefasern 5 GT 5 GT
    Keramische Hohlkugeln 42 GT 67 GT
    Glashohlkugeln 25 GT -----
    Reisschalenasche 5 GT 5 GT
    Phenolharz 15 GT 11 GT
    Melamin 3 GT 2 GT
    Wasser 185 GT 150 GT
  • Die Speiserkappen auf Basis der Mischungen 1 und 2 wurden nach dem Slurry-Verfahren hergestellt. Hierzu wurde das Wasser in einem Gefäß vorgelegt und mit dem Kaolin, dem Phenolharz und Melamin homogen verrührt. Anschließend wurden die weiteren Komponenten der Isoliermassen unter fortgesetztem Rühren portionsweise zugegeben, bis eine gleichmäßige Schlickermasse vorlag. Diese Schlickermasse wurde in einem Werkzeug abgesaugt. Die so hergestellten Speiserkappen wurden anschließend bei 180° C getrocknet.
  • Die Rezepturen der Isoliermassen zur Herstellung von Speiserkappen nach dem Grünstand-Verfahren lassen sich der nachfolgenden Tabelle 2 entnehmen.
    Mischung 3 (erf.-gem.) Mischung 4 (Vergleich)
    Kaolin 5 GT 5 GT
    Stärkebinder 5 GT 5 GT
    Keramische Hohlkugeln 42 GT 67 GT
    Glashohlkugeln 25 GT -----
    Reisschalenasche 5 GT 5 GT
    Phenolharz 15 GT 11 GT
    Melamin 3 GT 2 GT
    Wasser 35 GT 25 GT
  • Aus den Mischungen 3 und 4 wurden nach dem Grünstand-Verfahren Speiserkappen hergestellt. Hierzu wurde aus allen Komponenten außer Wasser eine weitgehend homogene Pulvermischung hergestellt. In einem Labormischer wurde anschließend das Wasser zugegeben. Nach etwa 2 Minuten Mischzeit lag eine gebrauchsfertige Mischung vor, aus der Speiserkappen gestampft und anschließend bei 180°C getrocknet wurden.
  • Die auf Basis der Mischungen 1, 2, 3 und 4 hergestellten Speiserkappen wurden anschließend mit einer Standardlegierung des Typs AI Si10Mg bei einer Abgießtemperatur von ca. 850°C abgegossen. Es wurden Erstarrungskurven aufgenommen, die in den beigefügten Figuren 1 und 2 wiedergegeben sind. Fig. 1 zeigt die Erstarrungskurven für die Speiserkappen auf Basis der Mischungen 1 und 2, Fig. 2 zeigt die Erstarrungskurven für die Speiserkappen auf Basis der Mischungen 3 und 4. In beiden Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, dass die Speiserkappen auf Basis der erfindungsgemäßen Mischungen 1 bzw. 3 eine längere Erstarrungszeit im Vergleich mit den nicht-erfindungsgemäßen Speiserkappen auf Basis der Mischungen 2 und 4 besitzen.
  • Die durchgeführten Untersuchungen zeigen somit, dass die erfindungsgemäßen Speiserkappen gegenüber Speiserkappen, welche keine Glashohlkugeln umfassen, überlegen sind. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass auf Grund der Abwesenheit von Glashohlkugeln in den Mischungen 2 und 4 geringfügige Anpassungen in den Rezepturen hinsichtlich der Komponenten Phenolharz, Melamin und Wasser vorgenommen werden mussten, um stabile Speiserkappen herstellen zu können. Diese geringfügigen Abweichungen sind nicht verantwortlich für die unterschiedlichen Erstarrungszeiten nichterfindungsgemäßer und erfindungsgemäßer Speiserkappen.

Claims (8)

  1. Isolierender Speiser zur Verwendung in der Gießereiindustrie, umfassend
    - keramische Hohlkugeln,
    - Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte von weniger als 0,3 g/cm3 zum lsolieren,
    - ausgehärtetes Bindemittel,
    - gegebenenfalls Fasermaterial,
    wobei das Gewichtsverhältnis von keramischen Hohlkugeln zu Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte von weniger als 0,3 g/cm3 im Bereich von 1:1 bis 10:1 liegt, vorzugsweise im Bereich von 2:1 bis 6:1 und
    wobei die Gesamtmenge von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln im Bereich von 40 bis 80 Gew.-% liegt, vorzugsweise im Bereich von 40 bis 60 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Speisers.
  2. Speiser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gesamtmenge von Glas-Hohlkugeln und keramischen Hohlkugeln an dem Speiser im Bereich von 40 bis 60 Gew.-% und die Menge an ausgehärtetem Bindemittel vorzugsweise im Bereich von 15 bis 35 Gew.-% liegt, bezogen auf die Gesamtmasse des Speisers.
  3. Speiser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Speiserkappe organisches Fasermaterial und/oder keine anorganischen Fasermaterialien umfasst.
  4. Speiser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das ausgehärtete Bindemittel das Aushärtungsprodukt eines Bindemittels ist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Duroplastbildner, Silikatbildner, Stärke, vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus: Resitbildner, Nanokomposit-Binder (Zubereitung aus teilweise hydrolysierten Kieselsäureestern und Silanen), Wasserglas, Stärke.
  5. Speiser nach einem der vorangehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend ein oder mehrere sonstige Füllmaterialien, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: biogene Kieselsäure (z.B. Reisschalenasche), Kaolin, Sand, Schamotte und Koksgrieß.
  6. Speiser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die keramischen Hohlkugeln eine Schüttdichte von weniger als 0,5 g/cm3 besitzen.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Speisers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit folgenden Schritten:
    - Mischen von keramischen Hohlkugeln, Glas-Hohlkugeln mit einer Schüttdichte kleiner 0,3 g/cm3, Bindemittel, Wasser sowie gegebenenfalls Fasermaterial und/oder sonstiges Füllmaterial,
    - Formen der Mischung zu einem Speiser,
    - Aushärten des geformten Speisers.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Formens nach dem Slurry-Verfahren oder dem Grünstandverfahren erfolgt.
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