EP2014392B1 - Formstoffmischung, Formling für Giessereizwecke und Verfahren zur Herstellung eines Formlings - Google Patents

Formstoffmischung, Formling für Giessereizwecke und Verfahren zur Herstellung eines Formlings Download PDF

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EP2014392B1
EP2014392B1 EP08007906A EP08007906A EP2014392B1 EP 2014392 B1 EP2014392 B1 EP 2014392B1 EP 08007906 A EP08007906 A EP 08007906A EP 08007906 A EP08007906 A EP 08007906A EP 2014392 B1 EP2014392 B1 EP 2014392B1
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EP
European Patent Office
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binding agent
grain size
sio
material mixture
particles
Prior art date
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EP08007906A
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EP2014392A2 (de
EP2014392A3 (de
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Bettina Wehren
Ralf-Joachim Gerlach
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Imerys Metalcasting Germany GmbH
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Minelco GmbH
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Priority to SI200830356T priority patent/SI2014392T1/sl
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Publication of EP2014392A3 publication Critical patent/EP2014392A3/de
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    • B22C1/186—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents contaming ammonium or metal silicates, silica sols
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening

Definitions

  • the invention relates to a molding material mixture for foundry purposes, consisting of molding sand, caustic soda, alkali-silicate-based binders and aggregates and a molding for foundry purposes, prepared using the molding material mixture.
  • the invention also relates to a method for producing a molded article.
  • Formstoffmischept of the type mentioned are for example from the DE 102004042535 A1 (AS LÜNGEN GmbH) known.
  • the binder used is an alkali water glass in combination with a particulate metal oxide, for example silica, alumina, titania or zinc oxide, in order to improve the strength of casting molds both immediately after shaping and curing and after storage and increased air humidity.
  • the particle size of the metal oxides is preferably less than 300 microns, according to the examples, the sieve residue on a sieve with a mesh size of 63 microns less than 10% by weight, preferably less than 8% by weight.
  • U.S. Pat US 5,641,015 Another method for producing molding mixtures which is intended to achieve high strength in combination with a polyphosphate or borate binder is disclosed in U.S. Pat US 5,641,015 described.
  • column 4, line 39 of the US patent the release of water is mentioned as a result of the drying of polyphosphate and borate-containing binders, which is to be absorbed by the addition of ultrafine silica.
  • the ultrafine silica consists of porous primary particles produced by a precipitation process with grain sizes between 10 and 60 nm, which agglomerate to secondary particles with a particle size of several ⁇ m (column 3, lines 64-66 of the US patent).
  • An inorganic binder system for molding materials is in the EP 1095719B1 described.
  • the flowability can be improved by adding 8-10% by weight of silicone oil with respect to the binder. This improvement was accompanied by a higher moisture content of the core sand.
  • Another important parameter is the progress of curing and the reduction of sensitivity to humidity.
  • the main quality feature is the surface quality of the casting achievable with the molding material mixture.
  • the known processes are not sufficiently stable under the conditions prevailing in mass production, so that again and again high reject rates and unacceptable additional costs result from reworking.
  • As a yardstick for the assessment of the surface quality the determination of the area fraction of sand deposits on the cast part has proven itself.
  • the drying process has an outstanding influence on the formation of the roughness on the surfaces of the moldings.
  • it is necessary to influence the distribution of the mountain and valley structure in such a way that a relief structure arises which has a height-depth difference ratio of at most 300 nm.
  • both thermal drying and microwave drying into consideration, with very good storage capabilities, especially without microwave drying were achieved even under extreme storage conditions at humidities above 78% and storage temperatures of more than 33 ° C.
  • the binder layer present on the particles in the molding material mixture shrinks to form a substructure of mountains and valleys.
  • a morphology of the substructure is formed, which is characterized by a height-depth difference of max. 300 nm, caused by cracking during the two-stage shrinking process.
  • energy is introduced directly into the moist binder shell.
  • the resulting hardening of the binder cover (surface) leads by the subsequent thermal drying to crack formation in the nano range (substructure).
  • the fluidity is given as GF-flowability, the determination was carried out according to Brunhuber, 16th edition, page 352/353.
  • test specimens standard test specimens measuring 22.5 ⁇ 22.5 ⁇ 180 mm were produced and subjected to the respective experimental conditions.
  • a quartz sand-based molding material mixture could be produced, which far exceeds the properties of the known products in terms of flowability, flexural strength and curing, if used as aggregate the two particle size classifications mentioned in claim 1 become.
  • the micrometer-sized, amorphous SiO 2 spheres are intended to allow the individual molding sand grains to be spaced apart from each other and to allow them to slide off relative to one another in a facilitated manner.
  • This "skating effect" was confirmed by flowability measurements, for example by the drastically sinking stirring resistance during the introduction of the suspension composed of two different grain classifications according to the invention in a wing mixer.
  • the power consumption of the wing mixer decreased by more than 50%, while the effect without surcharge was below 10%, based on the current consumption before addition.
  • the dosing order of the individual components and their mixing time must be taken into account.
  • the dosing order is: 1.
  • the quartz sand is mixed with caustic soda.
  • An alkali silicate binder is added.
  • the addition of suspension according to the invention with NanoSiO 2 and MikroSiO 2 plus water is added to the basic mixture.
  • the mixing time depends on the type of mixing unit used and should be determined experimentally. In this case, the minimum required duration for the mixture is the respectively desired state (homogenization / uniform distribution).
  • masterbatch indicates a mixture of foundry sand, NaOH and alkali silicate binder in varying composition.
  • Basic mixture of a classic binder system Halterner molding sand, determined according to Brunhuber p. 400 NaOH 0.20% Alkali silicate binder 1.80% GF flowability 73% additive: - GF flowability determined according to Brunhuber p.
  • FIG. 1 graphically reproduces the listed results. The comparison of the test results clearly shows that the suspension causes an improvement in flowability. In addition, it becomes clear that the addition of the equivalent amount of water from the suspension has no influence on the flowability.
  • FIG. 7 illustrates that the flowability (after GF) of the core sand increases by the inventive addition of present in 2 grain classifications SiO 2 balls.
  • the microSiO 2 spheres are kept at a distance by the NanoSiO 2 spheres and allow the so-called “roller skate effect", ie a rolling of the sand grains through the MikroSiO 2 spheres arranged between them
  • the determined bending strengths are in Fig. 2 graphically illustrated.
  • the comparison of the flexural strength of a core sand base mixture without additive C and the flexural strength of a core sand base mixture containing the additive C clearly shows that with a surcharge according to the invention a 3 increased flexural strength.
  • this time difference also does not matter, i. the strength of all three test bars are approximately equal.
  • test bars provided with the additive C are examined, it is found that the bending strength increases steadily during the test procedure (from the first to the second test bar).
  • the molding material mixtures were transferred into the storage bunker of a hot box core shooter of the company Rölperwerk foundry machines, the mold was heated to 180 ° C.
  • the molding material mixtures were introduced into the mold by means of compressed air (5 bar) and remained in the mold for a further 35 seconds.
  • the mold was opened and the molding was removed. In order to achieve the maximum strength, the molding is post-dried in the microwave. Subsequently, the casting was poured off in open hand casting.
  • the molding was removed and the casting surface was evaluated for the type and amount of sand buildup.
  • FIG. 8 illustrates the molding used to make the casting used here.
  • the percentages of the sand adhesions relate to the outer surface in the region of the bulged casting region R, which is formed as a continuously curved bulge R in the molding.
  • FIG. 6 gives the test results graphically.
  • a significantly improved casting surface is achieved in comparison to the base mixture according to Ex. A) 1, according to US '015 (amorphous SiO 2 spheres constructed from nanoparticles) and according to DE' 535 (amorphous, synthetic silicic acid in spherical form).

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Formstoffmischung für Gießereizwecke, bestehend aus Formsand, Natronlauge, Binder auf Alkali-Silikat-Basis und Zuschläge sowie einen Formling für Gießereizwecke, hergestellt unter Verwendung der Formstoffmischung. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Formlings.
  • Formstoffmischungen der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der DE 102004042535 A1 (AS LÜNGEN GmbH) bekannt. Dabei wird als Bindemittel ein AlkaliWasserglas in Verbindung mit einem teilchenförmigen Metalloxid verwendet, beispielsweise Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zinkoxid, um die Festigkeit von Gießformen sowohl unmittelbar nach der Formgebung und Aushärtung als auch nach einer Lagerung und erhöhter Luftfeuchtigkeit zu verbessern. Die Teilchengröße der Metalloxide beträgt vorzugsweise weniger als 300 µm, nach den Beispielen beträgt der Siebrückstand auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 63 µm weniger als 10 Gew%, vorzugsweise weniger als 8 Gew%.
  • Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Formstoffmischungen, die eine hohe Festigkeit in Kombination mit einem polyphosphat- oder borathaltigen Binder erreichen soll, ist in US 5,641,015 beschrieben. In Spalte 4, Zeile 39 des US-Patents wird als Folge der Trocknung von polyphosphat- und borathaltigen Bindern die Freisetzung von Wasser genannt, welches durch den Zusatz von feinstteiligem Siliziumdioxid absorbiert werden soll. Das feinstteilige Siliziumdioxid besteht aus porösen, durch einen Fällungsprozess hergestellten Primärpartikeln mit Korngrößen zwischen 10 und 60 nm, die zu Sekundärteilchen mit einer Partikelgröße von mehreren µm agglomerieren (Spalte 3, Zeilen 64 - 66 des US-Patents).
  • Ein anorganisches Bindemittelsystem für Formstoffe ist in der EP 1095719B1 beschrieben. Gemäß der EP 1095719B1 kann bei einem Binder auf Alkalisilikat-Basis mit Natronlauge-Zusatz die Fliessfähigkeit durch Zusatz von 8-10 Masse% Silikonöl in Bezug auf den Binder verbessert werden. Diese Verbesserung ging einher mit einem höheren Feuchtigkeitsgehalt des Kernsandes.
  • Neben den bekannten Maßnahmen zur Verbesserung der Festigkeit, insbesondere der Biegefestigkeit von Formlingen sind noch weitere Einflussgrößen zu berücksichtigen, die die Qualität einer Formstoffmischung bestimmen:
    • Hier ist an erster Stelle die Fließfähigkeit zu nennen, die als wichtiger Parameter für die Eignung des Formstoffes beim Verschießen in einer Kernschießmaschine bekannt ist.
  • Ein anderer wichtiger Parameter ist der Verlauf der Aushärtung sowie die Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber Luftfeuchte.
  • Als Hauptqualitätsrnerkmal ist jedoch die mit der Formstoffmischung erzielbare Oberflächengüte des Gussteils anzusehen. Leider sind hier die bekannten Verfahren unter den in einer Massenproduktion herrschenden Bedingungen nicht ausreichend stabil, sodass es immer wieder zu hohen Ausschussquoten und unakzeptablen Zusatzkosten durch Nachbearbeitung kommt. Als Maßstab für die Beurteilung der Oberflächengüte hat sich die Bestimmung des Flächenanteils von Sandanhaftungen am Gussteil bewährt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue Formstoffmischung für Gießereizwecke und einen durch einfachen Trocknungsprozess herstellbaren Formling bereitzustellen, bei der die oben genannten Kriterien, also gute Fließfähigkeit, hohe Biegefestigkeit und eine hohe Aushärtegeschwindigkeit erreicht werden und gleichzeitig die Oberflächengüte, gemessen durch den Flächenanteil an Sandanhaftungen erheblich verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale erreicht.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung eines Zuschlages aus amorphem, sphärisch geformtem Sililziumdioxid die erwünschten Vorteile bringt, wenn die feinstteiligen Siliziumdioxidkörner in zwei engen Kornspektren zu etwa gleichen Volumenanteilen in Form einer Suspension eingesetzt werden, wobei eine entscheidende Maßnahme darin besteht, diese Suspension gleichförmig in der Formstoffmischung zu verteilen und durch die nachfolgende Trocknung eine spezifisch ausgebildete Substruktur zu erzielen.
  • Die Maßnahmen der Verteilung und Trocknung sind in den Verfahrensansprüchen dargestellt, wobei noch weitere Maßnahmen als bevorzugte Verfahrensschritte aus den abhängigen Ansprüchen entnehmbar sind. Insbesondere ist darauf zu achten, dass keine Agglomeration der feinstteiligen Partikel während des Mischens auftritt, sondern dass vielmehr in der jeweiligen Kornklassierung eine gleichmäßige Verteilung der Partikel erfolgt. Hierzu haben sich insbesondere Fluidmischer und darunter speziell die Flügelmischer im Dauerbetrieb bewährt.
  • Bei der Ausbildung der Substruktur hat das Trocknungsverfahren einen herausragenden Einfluss auf die Ausbildung der Rauigkeiten an den Oberflächen der Formlinge. Hier gilt es insbesondere die Verteilung der Berg- und Talstruktur so zu beeinflussen, dass eine Relief-Struktur entsteht, die ein Höhen-Tiefen-Differenzverhältnis von maximal 300 nm aufweist. Als Trocknungsverfahren kommen sowohl thermisches Trocknen als auch Mikrowellentrocknung in Betracht, wobei auch unter extremen Lagerbedingungen bei Luftfeuchten über 78 % und Lagertemperaturen von mehr als 33°C sehr gute Lagerfähigkeiten, insbesondere ohne Mikrowellentrocknung erreicht wurden.
  • Während der Trocknung schrumpft die im Formstoffgemisch auf den Partikeln vorhandene Binderschicht unter Ausbildung einer Substruktur von Bergen und Tälern auf. Durch sukzessives Anschrumpfen und Restschrumpfen wird eine Morphologie der Substruktur ausgebildet, die durch eine Höhen-Tiefen-Differenz von max. 300 nm gekennzeichnet ist, entstanden durch Rissbildung während des zweistufigen Schrumpfvorgangs. Bei der in der 1. Stufe verwendeten physikalischen Trocknung, beispielsweise durch Mikrowelle, wird Energie direkt in die feuchte Binderhülle eingebracht. Die sich dabei einstellende Verfestigung der Binderhülle (Oberfläche) führt durch die anschließende thermische Trocknung zur Rissbildung im Nanobereich (Substruktur).
  • In den nachfolgenden Beispielen ist die Erfindung im Vergleich zu anderen Formstoffmischungen und den daraus hergestellten Formlingen beschrieben. Zur Standardisierung wurden jeweils gleiche Grundmischungen aus Halterner Formsand mit einer mittleren Korngröße von 0,32 mm verwendet. Die Korngrößenbestimmung erfolgte nach Brunhuber, 16. Auflage, Seite 400. Als Additiv wurde die erfindungsgemäße Suspension, enthaltend 25 Vol% NanoSiO2 und 25 Vol% MikroSiO2 sowie 50 Vol% Wasser, verwendet.
  • Die Fließfähigkeit wird als GF-Fließfähigkeit angegeben, die Bestimmung erfolgte nach Brunhuber, 16. Auflage, Seite 352/353.
  • Als Prüfkörper wurden Normprüfkörper der Abmessung 22,5 x 22,5 x 180 mm hergestellt und den jeweiligen Versuchsbedingungen unterworfen.
  • Zusammenfassend ergeben sich in überzeugender Form die Verbesserungen der erfindungsgemäß zusammengesetzten Formstoffmischungen hinsichtlich der Fließfähigkeit sowie der verringerten Benetzbarkeit gegenüber flüssigem Aluminium. Da flüssiges Aluminium im Gießprozess gegenüber Siliziumdioxid stark benetzende Eigenschaften aufweist und insbesondere dazu neigt, SiO2-Partikel vollständig zu benetzen und die Zwischenräume zu penetrieren, war es in hohem Maße überraschend, dass mit dem erfindungsgemäß eingestellten Formling nur geringe sandanhaftende Oberflächenbereiche von weniger als 10 % erreicht wurden.
  • In Kombination mit einem Alkaliwasserglasbinder, der gleichmäßig auf den Formsandpartikeln verteilt ist, konnte ein Formstoffgemisch auf Quarzsandbasis hergestellt werden, das in seiner Fließfähigkeit, Biegefestigkeit und seinem Aushärtungsverlauf die Eigenschaften der bekannten Produkte weit übertrifft, sofern als Zuschlag die in Anspruch 1 genannten zwei Korngrößenklassierungen verwendet werden.
  • In der eingestellten Formstoffmischung sollen die mikrometergroßen, amorphen SiO2-Kugeln die einzelnen Formsandkörner gegeneinander beabstanden und erleichtert gegeneinander abgleiten lassen. Dieser "Rollschuheffekt" wurde durch Fließfähigkeitsmessungen bestätigt, beispielsweise durch den drastisch absinkenden Rührwiderstand während des Einbringens der erfindungsgemäß zusammengesetzten Suspension aus zwei unterschiedlichen Kornklassierungen in einem Flügelmischer. Dabei sank die Stromaufnahme des Flügelmischers um mehr als 50 %, während der Effekt ohne Zuschlag unterhalb von 10 %, bezogen auf die Stromaufnahme vor Zugabe lag.
  • Für den Mischvorgang ist insbesondere die Dosierreihenfolge der einzelnen Komponenten und ihre Mischdauer zu beachten. Die Dosierreihenfolge ist: 1. Der Quarzsand wird mit Natronlauge vermischt. 2. Ein Alkalisilikatbinder wird hinzugefügt. 3. Der erfindungsgemäße Zuschlag aus Suspension mit NanoSiO2 und MikroSiO2 plus Wasser wird zur Grundmischung ergänzt.
  • Die Mischdauer ist von der Art des verwendeten Mischaggregates abhängig und experimentell festzulegen. Hierbei ist als Mindestdauer für die Mischung der jeweils angestrebte Zustand (Homogenisierung/gleichmäßige Verteilung) festzulegen.
    • Ausführungsbeispiele:
    • Bei den Versuchen wurde als Grundmischung Halterner Formsand verwendet. Die experimentelle Vorgehensweise wird nachfolgend anhand eines Vergleiches mit einem klassischen Bindemittelsystem erläutert:
    a) Verbesserung der Fliessfähigkeit
  • Zur Verdeutlichung der verbesserten Fließfähigkeit, durch die kombinierte Zugabe von NanoSiO2 (0,01-0,05 µm) und MikroSiO2 (1-5 µm) wurden folgende Versuchsergebnisse gegenübergestellt.
    1. 1. die Grundmischung ohne erfindungsgemäße Suspension, nachfolgend auch als Additiv C bezeichnet,
    2. 2. die Grundmischung mit Suspension, welche sich zusammensetzt aus einer Suspension aus 25% NanoSiO2 25% MikroSiO2 und 50% Wasser, und
    3. 3. die Grundmischung mit der äquivalenten Wassermenge und Formsand aus der Suspension.
  • Der Begriff "Grundmischung" gibt eine Mischung aus Formsand, NaOH und Alkalisilikat-Binder in wechselnder Zusammensetzung an.
    1. Grundmischung eines klassischen Bindemittelsystems
    Halterner Formsand, bestimmt nach Brunhuber S. 400
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat-Binder 1,80% GF-Fließfähigkeit 73%
    Additiv: -
    GF-Fließfähigkeit bestimmt nach Brunhuber S. 352/353; F = [(h1-h)/(h1-h2)]*100%
    2. Grundmischung + Suspension
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat-Binder 1,80% GF-Fließfähigkeit 87%
    Additiv C* 1,00%
    (Additiv C: Suspension aus 25% NanoSiO2, 25% MikroSiO2 und 50% Wasser, wobei die NanoSiO2-Kugeln einen mittleren Durchmesser von 0,03 µm und die MikroSiO2-Kugeln einen mittleren Durchmesser von 3 µm aufweisen.)
    3. Grundmischung und äquivalente Wassermenge und Formsand aus der Suspension
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat Binder 1,80% GF-Fließfähigkeit 73%
    Wasser + Formsand 0,50%
  • Figur 1 gibt die aufgeführten Ergebnisse graphisch wieder. Bei der Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse zeigt sich deutlich, dass die Suspension eine Verbesserung der Fliessfähigkeit bewirkt. Außerdem wird deutlich, dass die Zugabe der äquivalenten Wassermenge aus der Suspension keinen Einfluss auf die Fließfähigkeit besitzt.
  • Zum Vergleich mit bekannten Verfahren wurden Formstoffmischungen, wie sie in der DE '535 des AS Luengen sowie in der EP '719 beschrieben sind, mit der gleichen Grundmischung hergestellt und wie vorbeschrieben untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 graphisch wiedergegeben, wobei die Vergleichsbeispiele gemäß Fig. 6 ausgewählt wurden.
    Mischung Grundmischung Fliessfähigkeit
    Bindesystem gemäß EP'719 73%
    Formstoffgemisch gemäß DE '535 80%
    Grundmischung + Additiv C 87%
  • Figur 7 veranschaulicht, dass durch die erfindungsgemäße Zugabe von in 2 Kornklassifizierungen vorliegenden SiO2-Kugeln die Fliessfähigkeit (nach GF) des Kernsands ansteigt. Dabei werden die MikroSiO2-Kugeln durch die NanoSiO2-Kugeln auf Abstand gehalten und ermöglichen den sog. "Rollschuh-Effekt", d.h. ein Abrollen der Sandkörner durch die zwischen ihnen angeordneten MikroSiO2-Kugeln
    • b) Steigerung der Biegefestigkeit:
  • 1. Grundmischung
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat- Binder 1,40%
    Additiv: -
    Biegefestigkeit
    Entnahmefestigkeit: 289 N/cm2
    Kernlagerzeit 1 h: 284 N/cm2
    Kernlagerzeit 3h: 281 N/cm2
    Kernlagerzeit 24h: 287 N/cm2
    2. Grundmischung + Additiv C
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat- Binder 1,40%
    Additiv C* 1,00%
    (Additiv C: Suspension aus 25% NanoSiO2, 25% Mikro-SiO2 und 50% Wasser)
    Biegefestigkeit
    Entnahmefestigkeit: 475 N/cm2
    Kernlagerzeit 1 h: 483 N/cm2
    Kernlagerzeit 3h: 476 N/cm2
    Kernlagerzeit 24h: 475 N/cm2
  • Die ermittelten Biegefestigkeiten sind in Fig. 2 graphisch veranschaulicht. Der Vergleich der Biegefestigkeit einer Kernsandgrundmischung ohne Additiv C und der Biegefestigkeit einer Kernsandgrundmischung, welche das Additiv C (Suspension aus 25% NanoSiO2 + 25% MikroSiO2 und 50% Wasser) enthält, zeigt deutlich, dass man mit erfindungsgemäßem Zuschlag eine um 2/3 gesteigerte Biegefestigkeit erhält.
    • c) Steigerung der Aushärtungsgeschwindigkeit:
  • 1. Grundmischung
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat-Binder 1,40%
    Additiv: -
    Entnahmefestigkeit Entnahmefestigkeit Entnahmefestigkeit
    1. Prüfriegel (nach 25 sec) 64 N/cm2 65 N/cm2 65 N/cm2
    2. Prüfriegel (nach 50 sec) 62 N/cm2 65 N/cm2 64 N/cm2
    3. Prüfriegel (nach 75 sec) 63 N/cm2 64 N/cm2 65 N/cm2
    2. Grundmischung + Additiv C
    NaOH 0,20%
    AWB-AL Binder 1,40%
    Additiv C* 1,00%
    (Additiv C: Suspension aus 25% NanoSiO2, 25 MikroSiO2 und 50% Wasser)
    Entnahmefestigkeit Entnahmefestigkeit Entnahmefestigkeit
    1. Prüfriegel (nach 25 sec) 81 N/cm2 84 N/cm2 80 N/cm2
    2. Prüfriegel (nach 50 sec) 95 N/cm2 92 N/cm2 95 N/cm2
    3. Prüfriegel (nach 75 sec) 109 N/cm2 102 N/cm2 105 N/cm2
  • Die Ergebnisse der Versuche sind in Figur 3 graphisch dargestellt. Bedingt durch den vorliegenden Versuchsaufbau kommt es dazu, dass die drei gleichzeitig hergestellten Prüfriegel, nur einzeln und mit Abstand von ca. 25 sec. geprüft werden können.
  • Bei der Bestimmung der Biegefestigkeit der Grundmischung fällt diese Zeitdifferenz auch nicht ins Gewicht, d.h. die Festigkeit aller drei Prüfriegel sind annähernd gleich.
  • Prüft man hingegen die Prüfriegel, welche mit dem Additiv C versehen sind, stellt man fest, dass die Biegefestigkeit im Verlauf des Prüfvorgangs (vom ersten zum zweiten Prüfriegel) stetig steigt.
    • d) Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber Luftfeuchte:
  • 1. Grundmischung
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat- Binder 2,40%
    Silikonöl: 0,10%
    Grundmischung
    Kernlagerzeit [h] (Lagerung im Feuchteschrank) Biegefestigkeit mit Mikrowelletrocknung Biegefestigkeit ohne Mikrowelletrocknung
    0 289 N/cm2 57 N/cm2
    1 240 N/cm2 86 N/cm2
    3 200 N/cm2 50 N/cm2
    24 25 N/cm2 22 N/cm2
    2. Grundmischung + Additiv C
    NaOH 0,20%
    Alkalisilikat-Binder 1,40%
    Additiv C* 1,00%
    (Additiv C: Suspension aus 25% NanoSiO2, 25% MikroSiO2 und 50% Wasser)
    Grundmischung mit Additiv C
    Kernlagerzeit [h] (Lagerung im Feuchteschrank) Biegefestigkeit mit Mikrowellentrocknung Biegefestigkeit ohne Mikrowelletrocknung
    0 475 N/cm2 87 N/cm2
    1 409 N/cm2 106 N/cm2
    3 303 N/cm2 73 N/cm2
    24 85 N/cm2 87 N/cm2
  • Die Ergebnisse der Versuche sind in den Figuren 4 und 5 graphisch veranschaulicht. Zur Beurteilung der Lagerfähigkeit der Kerne auch unter extremen Bedingungen (Luftfeuchte 78%; Temperatur 33°C), wurden die Kerne in einem Feuchteschrank gelagert.
  • In den Figuren 4 und 5 ist die Auswertung dargestellt, aus der hervor geht, dass sich das Additiv C positiv auf die Lagerfähigkeit auswirkt.
  • Besonders wenn die Kerne nicht in der Mikrowelle getrocknet wurden (Fig. 5) kommt dieser Effekt zum tragen.
    • e) Oberflächenvergleich mehrerer Gussstücke hinsichtlich der Sandanhaftungen
  • Erläuterungen zu Fig. 6:
    • Zur Bestimmung der Qualität von Gussstückoberflächen wurden wannenförmige Kerne mit den Abmessungen 150 mm x 80 mm verwendet werden. Dieser Kern wird aus dem zu prüfenden Formstoff in einem Laborflügelmischer der Firma Vogel und Schemann AG gemischt. Dazu wurde zunächst der Quarzsand vorgelegt und unter Rühren erstens NaOH und das Wasserglas als nächstes zugegeben. Nachdem die Mischung für 1 Minute gerührt worden war, wurde das amorphe Siliziumdioxid (erfindungsgemäße Beispiele) bzw. für die Vergleichsbeispiele Polyphosphatlösung (gemäß US 5,641,015 oder amorphes SiO2 in Kugelform, gemäß DE '535) unter weiteren Rühren zugegeben. Die Mischung wurde anschließend noch eine weitere Minute gerührt.
  • Die Formstoffmischungen wurden in den Vorratsbunker einer Hotbox-Kernschießmaschine der Firma Rölperwerk Gießereimaschinen überführt, deren Formwerkzeug auf 180°C erwärmt war. Die Formstoffmischungen wurden mittels Druckluft (5 bar) in das Formwerkzeug eingebracht und verblieben für weitere 35 Sekunden im Formwerkzeug. Das Formwerkzeug wurde geöffnet und der Formling wurde entnommen. Um die maximale Festigkeit zu erreichen wird der Formling in der Mikrowelle nachgetrocknet. Anschließend wurde im offenen Handguss das Gussteil abgegossen.
  • Nach dem Erkalten des Gussstückes wurde der Formling entfernt und die Gussstückoberfläche nach Art und Menge der Sandanhaftungen beurteilt.
  • Gießparameter:
    Abmessungen Gussstück: 150 x 80 x 40 mm
    Gewicht Gussstück: 900 g
    Verwendete Legierung: AlSi 7 mg
    Gießtemperatur: 740°C
    Statische Gießhöhe: 200 mm
    Gemessene Sandanhaftungen in Flächenprozent bezogen auf die jeweilige Oberfläche
    Mischung Oberfläche mit Sandanhaftungen
    Grundmischung ohne Zuschlag 75 %
    Grundmischung mit Polyphosphat- und Boratanteil 60 %
    (US '015)
    Grundmischung mit Glasperlen von 100 bis 200 µm Dicke gemäß Tabelle 5 Nr. 3.7 von AS Lüngen DE 102004042535 25 %
    (DE'535)
    Erfindungsgemäße Grundmischung mit gespreiztem Kornspektrum < 10% (Erfindung)
    nach Beispiel a) 2
  • Figur 8 veranschaulicht den Formling, welcher zur Herstellung des hier verwendeten Gussteils eingesetzt wurde. Die Prozentzahlen der Sandanhaftungen beziehen sich auf die Außenfläche im Bereich des ausgewölbten Gussteilbereiches R, welcher als kontinuierlich geschwungene Ausbuchtung R im Formling ausgebildet ist.
  • Figur 6 gibt die Versuchsergebnisse graphisch wieder. Mit der erfindungsgemäßen Formstoffmischung wird eine deutliche verbesserte Gussteiloberfläche im Vergleich zur Grundmischung nach Bsp. A) 1, nach US '015 (amorphe aus Nanopartikeln aufgebaute SiO2-Kugeln) und nach DE '535 (amorphe, synthetische Kieselsäure in Kugelform) erzielt.

Claims (7)

  1. Formstoffmischung für Gießereizwecke, bestehend aus Formsand, Natronlauge, Binder auf Alkali-Silikat-Basis und Zuschlägen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formsandpartikel eine Korngröße von 0,1 - 1 mm aufweisen, dass die Formstoffmischung 0,1 - 10 Gewichts% Natronlauge bezogen auf das Sandgewicht enthält, wobei die Natronlauge eine Konzentration von 20 bis 40 Gewichts% aufweist, dass die Formstoffmischung 0,1 - 5% Binder auf Alkali-Silikat-Basis mit einem Feststoffanteil von 20 - 70% enthält, dass das Formstoffgemisch als Zuschlag 0,1-3 Gewichts% einer Suspension mit einem Feststoffanteil zwischen 30 - 70% an amorphem, kugelförmigem SiO2 enthält, wobei das amorphe, kugelförmige SiO2 in zwei Korngrößenklassierungen in der Suspension enthalten ist mit einer ersten Korngrößenklassierung A, beinhaltend SiO2 -Partikel mit einer Korngröße zwischen 1-5 Mikrometern und einer zweiten Korngrößenklassierung B, beinhaltend SiO2 -Partikel mit einer Korngröße zwischen 0,01 - 0,05 Mikrometern und wobei für die Volumenanteile der beiden Korngrößenbereiche A, B folgende Verteilungsregel gilt: 0,8 zu 1,0 bis 1,2 zu 1.
  2. Formling für Gießereizwecke, hergestellt mit einer Formstoffmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des einzelnen Formsandkornes im Formling eine Primärstruktur aus SiO2-Partikeln mit einer Korngröße zwischen 1-5 Mikrometern aufweist, bei der die mikrometergroßen, amorphen SiO2 Kugeln die einzelnen Quarzsandkörner gegeneinander beabstanden und weiter gekennzeichnet durch eine Substruktur aus SiO2 Partikeln mit einer Korngröße zwischen 0,01 - 0,05 Mikrometern, die in einer 0,5 - 2 Mikrometer dicken, gleichmäßig auf Formsandkörnern verteilten Binderschicht enthaltend verteilt sind, wobei die nanometergroßen, amorphen SiO2-Kugeln aneinandergrenzende Berge und Täler von bis zu 300 Nanometer Höhe/Tiefe bilden.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Formlings nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Formsand vorgelegt wird, mit der Natronlauge vermischt und mit dem Binder auf Alkali-Silikat-Basis versetzt wird, dann der Binder gleichmäßig und homogen über alle Formsandkörner als Binderhülle verteilt wird, in die Binderhülle ein Gemisch aus SiO2-Partiklen mit zwei Korngrößenklassierungen eingespeist und das Formstoffgemisch zum Formling getrocknet wird, wobei die Binderhülle beim Trocknen schrumpft und dabei eine Rauigkeitsstruktur mit maximal 300 Nanometern Höhendifferenz bildet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass 0,10 bis 0,30% Natronlauge mit dem Formsand vermischt wird, dann 1 bis 4% Binder auf Alkalisilikatbasis hinzu gegeben wird und der Binder gleichmäßig und homogen über die Formsandkörner in Form einer 0,5 bis 2 Mikrometer dicken Binderhülle verteilt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Binderhülle um 50 bis 70 Vol% während des Trocknens geschrumpft wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung physikalisch erfolgt, wobei die Binderhülle um 40% bis 60 Vol% angeschrumpft wird und die Restschrumpfung anschließend thermisch erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen in einer Mikrowelle erfolgt.
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