EP2349609A2 - Formstoffmischung und speiser für den aluminiumguss - Google Patents

Formstoffmischung und speiser für den aluminiumguss

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Publication number
EP2349609A2
EP2349609A2 EP09801919A EP09801919A EP2349609A2 EP 2349609 A2 EP2349609 A2 EP 2349609A2 EP 09801919 A EP09801919 A EP 09801919A EP 09801919 A EP09801919 A EP 09801919A EP 2349609 A2 EP2349609 A2 EP 2349609A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
feeder
molding material
material mixture
aluminum
exothermic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09801919A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andre Gerhards
Udo Skerdi
Josef Kroth
Henning Rehse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ASK CHEMICALS FEEDING SYSTEMS GmbH
Original Assignee
ASK CHEMICALS FEEDING SYSTEMS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ASK CHEMICALS FEEDING SYSTEMS GmbH filed Critical ASK CHEMICALS FEEDING SYSTEMS GmbH
Publication of EP2349609A2 publication Critical patent/EP2349609A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • B22D7/104—Hot tops therefor from exothermic material only
    • 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
    • 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
    • B22C1/02—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives
    • B22C1/04—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives for protection of the casting, e.g. against decarbonisation
    • B22C1/06—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives for protection of the casting, e.g. against decarbonisation for casting extremely oxidisable metals
    • 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
    • B22C9/088—Feeder heads

Definitions

  • the invention relates to an exothermic Formstoffxnischung for the production of feeders for aluminum casting, a prepared from the molding material feeder for aluminum casting and its use for aluminum casting.
  • feeders are regularly used in or on the casting mold in order to compensate for the volume deficit on solidification of the casting and to prevent voids formation in the casting.
  • the feeders are connected to the casting or vulnerable casting area and are usually located above or on the side of the mold cavity. They include .one. Aus.gle.ichshohlraum ,. which is connected to the Eormhohlraum__der mold and initially receives liquid metal. At a later date, at which the metal in the mold cavity solidified, the liquid metal is again released from the compensation cavity to compensate for the volume deficit of the casting.
  • a model is first produced that substantially corresponds in shape to the metal casting to be produced. Feeders and feeders are attached to this model. Subsequently, the model is surrounded in a molding box with molding sand. The molding sand is compacted and then cured. After curing, the mold is removed from the molding box.
  • the mold has a mold cavity or, if the mold is made up of a plurality of sections, a part of the mold cavity, which substantially corresponds to a negative mold of the metal cast piece to be produced.
  • liquid metal is introduced into the mold cavity of the casting mold. In this case, the compensation cavity of the feeder is at least partially filled with liquid metal.
  • the inflowing liquid metal displaces the air from the mold cavity or the compensation cavity.
  • the air escapes through openings provided in the mold or through porous sections of the mold, for example through the wall of a feeder.
  • the feeders therefore preferably have a sufficient porosity, so that on the one hand during the filling of the liquid metal, the air is displaced from the feeder and the metal can flow into the feeder and on the other hand during cooling and solidification of the metal in the mold cavity of the mold, the still liquid metal the balancing cavity of the feeder can flow into the mold cavity of the casting mold, without a negative pressure, .in the Ausretehlraum d_e_s feeder., Generated, is.
  • the metal contained in the compensation cavity of the feeder In order for the metal from the compensation cavity to flow back into the mold cavity, the metal contained in the compensation cavity of the feeder must solidify at a later time than the metal in the mold cavity of the mold.
  • the solidification of the metal is determined by the heat loss experienced by the liquid metal.
  • the liquid metal contained in the compensation cavity To achieve that the liquid metal contained in the compensation cavity solidifies at a later time than the liquid metal in the mold cavity, the liquid metal contained in the compensation cavity must experience less heat loss than the metal in the mold cavity.
  • the heat loss is first determined by the ratio of the surface area of the shaped body, via which heat can be released, to its volume. For a given volume, the liquid metal will first solidify on the one having the larger surface area. The compensation cavity of the feeder or the used feeder volume is therefore made as compact as possible.
  • the heat loss is controlled by the insulating effect of the material surrounding the liquid metal, that is, the material of the mold or the feeder.
  • Feeders are therefore preferably made of a material which has a sufficiently high insulating effect, so that the metal remains sufficiently liquid in the compensation cavity.
  • the feeder can be made of a material which has a higher insulating effect than the material of the casting mold, so that the heat loss at the liquid metal contained in the compensation cavity of the feeder fails less than the heat loss during the metal contained in the mold cavity of the casting mold.
  • a material may, for example, be a refractory material containing aluminum silicate microbubbles. Due to the gas enclosed in the hollow microspheres, such a material has a highly insulating effect.
  • the feeder is produced from a molding material mixture which, in addition to the refractory material and the binder, also contains a combustible metal, for example aluminum semolina, and a suitable oxidizing agent, for example sodium nitrate.
  • a combustible metal for example aluminum semolina
  • a suitable oxidizing agent for example sodium nitrate.
  • the mixture ignites and releases the heat released during the oxidation of the metal to the liquid metal contained in the compensation cavity.
  • the compensation cavity or the feeder volume can therefore be chosen very small in exothermic feeders.
  • a suitable feeder must be selected in such a way that the feeder is not sucked out during feeding, ie the feeder volume is large enough so that sufficient liquid metal is still available for meals at the end of the feeding process. Too small a feeder volume leads to the formation of so-called Primärlunker. But the feeder must also be selected so that the liquid metal of the feeder volume solidifies later than the metal in the mold cavity of the mold. If the metal in the compensation cavity solidifies sooner than the metal in the mold cavity, metal can no longer pass from the compensation cavity into the mold cavity, the casting. So no longer be fed. This leads to the formation of so-called Sekundmaschinelunker.
  • the solidification of the liquid metal can be described approximately via the module of the casting or the feed volume.
  • a module is understood to mean the ratio of volume to heat-emitting surface.
  • K is a characteristic of the casting material used constant. As a first approximation, therefore, bodies with the same modulus solidify at the same speed. If the modulus of the observed body doubles, the solidification time quadruples.
  • the Absaugles the feeder is about 15%. So there are 15% of the originally filled in the compensation cavity feeder volume for dining the casting available.
  • the feeder volume may therefore be greater than the volume of the casting or the portion of the casting fed by the feeder.
  • the Absaug zucchini insulating feeders When using insulating feeders increases for a given feeder volume because of the lower heat dissipation of the module or can be reduced in specified by the casting module, the feeder volume. In insulating feeders, therefore, a higher Absaug Kings can be realized compared to natural feeders.
  • the Absaug Kings insulating feeders is usually selected in the range of about 25% of the originally available feeder volume.
  • EP 0 888 199 B1 describes feeders which may have exothermic properties or insulating properties and which are obtained by a cold-box process.
  • a feeder mixture is poured into a feeder mold.
  • the feeder mixture comprises an oxidizable metal and an oxidizing agent or an insulating refractory material or mixtures of these materials and an effective binding amount of a chemically reactive cold box binder.
  • the feeder mixture is formed into an uncured feeder which is then contacted with a vaporous curing catalyst.
  • the hardened feeder can then be removed from the mold. Hollow aluminum silicate microspheres may be used as the insulating refractory material.
  • the feeders receive a low thermal conductivity and thus a very pronounced insulating effect. Furthermore, these feeders have a very low weight, so that they can be easily handled and transported on the one hand and on the other not so easy to fall off the model when this is tilted, for example.
  • EP 0 913 215 B1 describes a method for producing feeders and other feed and feed elements for casting molds.
  • a composition comprising hollow aluminosilicate microspheres having an alumina content of less than 38% by weight, a binder for cold box curing, and optionally a filler, wherein the filler is not in fibrous form, is formed by blowing into a mold box shaped uncured molded product.
  • This uncured molded product is treated with a suitable catalyst. brought into contact, wherein the Forinkohl hardens. The cured molded product can then be removed from the molding box.
  • the feeders obtained by this method also have a pronounced insulating effect and a low weight.
  • an exothermic feeder composition which contains aluminum and magnesium, at least one oxidizing agent, a filler containing SiO 2 and an alkali metal silicate as binder. Further, the feeder mass contains about 2.5 to 20% by weight of a reactive alumina having a specific surface area of at least about 0.5 m 2 / g and an average particle diameter (D 50 ) of about 0.5 to 8 ⁇ m.
  • the feeder mass is practically free of fluoride-containing fluxes.
  • the exothermic feeder In order to prevent the formation of voids in the casting during metal casting, the exothermic feeder must reliably ignite on contact with the liquid hot metal and then controlled and burned off evenly. This is now reliably mastered with feeders that were developed for iron or steel casting. In iron or steel casting temperatures are in the range between about 1300 and 1600 0 C, so that the liquid metal is sufficiently hot to ignite the feeder. In addition, sufficiently high amounts of oxidizable metal and oxidizing agent can be added to the molding material mixture for producing the feeder, that upon contact with the liquid hot metal reliable ignition of the feeder takes place and the oxidation proceeds sufficiently vigorously, so that a temperature is reached at which the im Balancing cavity of the feeder contained metal remains in the liquid phase. customarily Example, such feeders contain between 20 and 33 wt .-% oxidizable metal and between 5 and 25 wt .-% oxidizing agent, based on the weight of the material from which the feeder is made.
  • the feeder no longer ignites reliably or does not burn uniformly and reliably after ignition has taken place so that it is not ensured that a sufficient amount of heat is reproducibly provided in order to obtain the aluminum contained in the compensation cavity in the liquid state.
  • the invention was therefore an object of the invention to provide a molding material mixture for the production of feeders are available, from which feeders can be produced, which enable a reliable feeding of a casting, especially in aluminum casting.
  • the feeder reaches a maximum temperature below 1250 0 C, preferably less than 1150 0 C, can be further preferably maintained below 1050 ° C. At such a temperature, there is no need to fear that aluminum will be heated above its boiling point, causing gas pockets and microstructural defects in the casting.
  • the temperature inside the feeder can be determined, for example, with a thermocouple, which is placed in the center of the balancing cavity of the feeder. If the feeder is ignited in air, slightly higher temperatures result compared to a feeder, which is integrated in a casting mold, ie surrounded by sand. The inventors believe that this is due to the better access of air.
  • the measured temperature when burning in air is about 50 to 100 0 C higher than a feeder, which is integrated in a mold. Even with a combustion in air, however, the measured maximum temperature remains in the specified range.
  • the oxidation of the metal is compensated by the added in deficit amount of the oxidizing agent more a fuming than a burning. Nevertheless, the feeder can be ignited reproducible and the oxidation of the feeder runs evenly through the body of the feeder, without the oxidation extinguished prematurely or form individual local temperature maxima within the feeder body.
  • the oxidizable metal is activated.
  • the oxidizable metal is passivated by a thin oxide layer that forms on the surface.
  • the ignition means for example, the oxide layer can be at least partially etched and thus destroyed, so that the bare metal is exposed on the surface. This bare metal is very easily oxidized, so that the oxidation of the oxidizable metal starts and the feeder ignites.
  • the ignition means ignites itself, thereby initiating the oxidation of the oxidizable metal.
  • the aluminum Due to the uniform heat generation of the feeder on a relatively low, suitable for the aluminum casting temperature level, the aluminum can be kept in the compensation cavity of the feeder long in a liquid state.
  • the aluminum can therefore flow from the balancing cavity of the feeder into the mold cavity of the mold, while the aluminum solidifies in the mold cavity.
  • the formation of the voids during the solidification of the aluminum in the compensation cavity is controlled at a remote for connection between the compensation cavity and mold cavity, so that casting errors can be reliably avoided.
  • the feeder or the compensation cavity Due to the exothermicity of the oxidation and the consequent possibility to obtain the aluminum in the compensation cavity in the liquid state, the feeder or the compensation cavity can be significantly reduced compared to the usual nature feeders.
  • an exothermic molding material mixture is made available for the production of feeders for cast aluminum, which contains at least:
  • an amount of an oxidizable metal of 5 to 18 wt .-%;
  • an oxidizing agent in an amount, based on the amount of the oxidizing agent required for complete oxidation of the oxidizable metal, of from 10 to 50%;
  • an initiator for the oxidation of the oxidizable metal in an amount, based on the amount of the oxidizable metal, of 1 to 50 wt .-%.
  • materials are used, as they are already known for the production of feeders.
  • the materials are, however, used in a specially tuned proportion, so that the oxidation or heat generation can be controlled and maintained at a very low level.
  • the molding material mixture initially comprises a refractory molding material.
  • the refractory molding base material has a melting point which is significantly above the temperature which is reached by an oil feedstock produced from the molding material mixture according to the invention after the ignition.
  • the melting point is reached.
  • the melting point of the refractory molding base preferably at least 200 0 C, preferably at least 500 0 C above the maximum temperature of the feeder.
  • the refractory mold raw material has a melting point of at least 1300 0 C, preferably at least 1 500 0 C.
  • a refractory molding material is used, which has a melting point of less than 3000 0 C, according to another embodiment of less than 2700 0 C.
  • Suitable refractory mold bases are, for example, quartz, aluminum silicates or zirconia sand. Furthermore, synthetically prepared refractory fillers may also be used, such as mullite (AlaSiO 5 ).
  • the refractory molding base should have sufficient particle size so that a feeder made of the molding material mixture has a sufficiently high porosity to allow escape of volatile compounds during the casting process.
  • at least 70% by weight, in particular preferably at least 80% by weight, of the refractory molding base material has a particle size ⁇ 100 ⁇ m.
  • the average particle size D 50 of the refractory base molding material should preferably be between 100 and 350 ⁇ m. The particle size can be determined, for example, by sieve analysis.
  • the proportion of the refractory molding material to the molding material mixture is preferably selected in the range of 10 to 75 wt .-%, preferably 40 to 70 wt .-%.
  • the novel molding material mixture comprises a binder with which the molding material mixture can be solidified after shaping by producing a firm cohesion between the grains of the refractory molding base material.
  • the amount of binder is chosen to be high enough to ensure sufficient dimensional stability of a feeder produced from the molding material mixture can. It can at all the binders are used, which are common in the production of feeders.
  • both organic and inorganic binders can be used in the molding material mixture according to the invention, whose curing can be carried out by cold or hot process.
  • Cold processes are processes which are carried out essentially at room temperature without heating the molding material mixture.
  • the curing is usually carried out by a chemical reaction, which can be triggered, for example, by passing a gaseous catalyst through the molding material mixture to be cured, or by adding a liquid catalyst to the molding material mixture.
  • hot processes the molding material mixture is heated to a sufficiently high temperature after molding to drive off, for example, the solvent contained in the binder, or to initiate a chemical reaction by which the binder is cured by crosslinking.
  • a binder which is cured by cold processes by adding a catalyst this is preferably selected from the group of phenol-urethane resins which are activated by amines, epoxy-acrylic resins, which can be activated by SO 2 , alkaline phenolic resins, which can be activated by CO 2 or methyl formate, and water glass, which can be activated by CO 2 .
  • phenol-urethane resins which are activated by amines
  • epoxy-acrylic resins which can be activated by SO 2
  • alkaline phenolic resins which can be activated by CO 2 or methyl formate
  • water glass which can be activated by CO 2 .
  • the person skilled in the art is aware of such cold-box binders.
  • Such binder systems are described for example in US 3,409,579 or US 4,526,219.
  • other binders can also be used, for example dextrin, sulfite waste liquor or salt binders.
  • Polyurethanes based on polyurethanes are generally composed of two components, a first component containing a phenolic resin and a second component containing a polyisocyanate. These two components will be. mixed with the refractory molding green material and the molding material mixture by ramming, blowing, shooting or other process in a mold, compacted and then cured. Depending on the process with which the catalyst is introduced into the molding material mixture, a distinction is made between the "polyurethane no-bake process” and the "polyurethane cold-box process".
  • a liquid catalyst generally a liquid tertiary amine
  • phenolic resin, polyisocyanate and curing catalyst are mixed with the refractory molding material.
  • the refractory molding base material is first coated with a component of the binder, and then the other component is added.
  • the curing catalyst is added to one of the components.
  • the ready-made molding material mixture must have a sufficiently long processing time, so that the molding material mixture can be plastically deformed for a sufficient time and processed into a feeder.
  • the polymerization must be correspondingly slow, so that not already in the storage tanks or supply lines, a curing of the molding material mixture. On the other hand, the curing must not be too slow to achieve a sufficiently high throughput in the production of feeders.
  • the processing time can be influenced for example by adding retarders, which slow down the curing of the molding material mixture.
  • a suitable retarder is, for example, phosphorus oxychloride.
  • the molding material mixture prepared from refractory molding base material, polyol component, polyisocyanate component and, if appropriate, additives is initially devoid of brought into a form.
  • a gaseous tertiary amine which may optionally be mixed with an inert carrier gas, is then passed through the molding material mixture formed into a feeder.
  • the binder On contact with the gaseous catalyst, the binder binds very quickly, so that a high throughput in the production of feeders is achieved.
  • Inorganic binders are preferably used in the molding material mixture according to the invention.
  • water glass is used as a binder in the exothermic molding material mixture.
  • the use of water glass as a binder has the advantage that when burned the feeder less smoke occurs than when using organic binder. As a result, the burden of harmful compounds that are released during the casting, as well as the odor nuisance decreases.
  • Conventional water glasses can be used as the water glass, as they are already used as binders in molding mixtures for the foundry industry. These water glasses contain dissolved sodium or potassium silicates and can be prepared by dissolving glassy potassium and sodium silicates in water.
  • the water glass preferably has a modulus M2 ⁇ / SiC> 2 in the range of 2.0 to 3.5, where M is sodium and / or potassium.
  • the water glasses preferably have a solids content in the range of 20 to 50 wt .-%. Furthermore, solid water glass can also be used for the production of the feeder. For the proportions of the molding material for the production of the feeder only the solids content of the water glass are considered in each case.
  • the proportion of the binder, calculated in the dry state, ie without consideration of solvents for diluting the binder, and based on the dry molding material mixture, is preferably between 5 and 50 wt .-%, particularly preferred between 8 and 40 wt .-% and particularly preferably selected in the range of 10 to 20 wt .-%.
  • the molding material mixture according to the invention comprises an oxidizable metal.
  • all oxidizable metals can be used as they are already used for the production of exothermic feeders.
  • the metals should have sufficient reactivity to react with an oxidizing agent so that the feeder can be reliably ignited on contact with molten aluminum.
  • the proportion of the oxidizable metal in the molding material mixture is kept relatively low, so that compared to feeders for iron and steel casting only a relatively low heat development takes place and produced from the molding material feeder only up to a temperature of preferably less than 1250 0 C heated.
  • the proportion of oxidizable metal in the molding material mixture is only 5 to 18 wt .-%, preferably 8 to 15 wt .-%, preferably 9 to 14 wt .-%, based on the weight of the molding material mixture. This is very low compared to feeders for iron and steel casting.
  • Such feeders for iron and steel casting have a content of oxidizable metal in the range of 20 to 33 wt .-% on.
  • the percentage figures relate to the molding material mixture without proportions of solvent, which are introduced for example via the solvent of the binder in the molding material mixture.
  • the molding material mixture contains an oxidizing agent with which the oxidizable metal is oxidized after ignition of the feeder.
  • the oxidizing agent for example, iron oxide and / or an alkali nitrate such as sodium or potassium nitrate can be used.
  • the oxidizing agent is used in a strong deficit.
  • the proportion of the oxidizing agent is selected in a range of 10 to 50%, preferably 15 to 35%, particularly preferably 20 to 30%, based on the amount of the oxidizing agent used for the complete oxidation of the oxidizable metal.
  • the proportion depends on the oxidant used.
  • the proportion of the oxidizing agent in the molding material mixture in the range of 3 to 20 wt .-%, preferably 5 to 18 wt .-%, particularly preferably 7 to 15 wt .-% is selected.
  • the molding material mixture according to the invention contains an ignition agent for the oxidation of the oxidizable metal.
  • the inventors started from the idea that the grains of the oxidizable metal are passivated by a thin oxide layer.
  • any material that can overcome the passivation experienced by the oxidized metal through the oxide layer formed on its surface is suitable as the ignition means.
  • the ignition means thus causes the passivating oxide layer to break through, so that the bare oxidizable metal is exposed.
  • the igniter can react with the thin oxide layer, whereby it is reduced, for example, or converted into a compound which does not cause continuous passivation of the oxidisable metal or which is impermeable to the oxidant JJCOOCU-d.
  • an ignition means By means of such an ignition means, it is thus possible for the passivation layer present on the oxidizable metal be etched.
  • Such an ignition means may for example be a halogen, such as bromine or iodine, which reacts with the passivating layer of the oxidisable metal, for example aluminum.
  • the igniter may also be a material that is more easily oxidized than the oxidisable metal and exhibits sufficiently high levels of heat generation during the oxidation that the oxidisable metal is melted, at least in portions, whereby the passivating layer can be ruptured.
  • the ignition agent is used in a proportion of 15 to 50 wt .-%, preferably 25 to 40 wt .-%, preferably 30 to 35 wt .-%.
  • the proportion of the ignition agent is preferably greater than 1 wt .-%, preferably greater than 2 wt .-%, more preferably greater than 3 wt .-% and according to another embodiment greater than 4 wt .-% selected. In order to achieve an activation of the oxidizable metal, it is sufficient according to one embodiment if the proportion of the ignition agent is less than 15 wt .-%, preferably less than 12 wt .-%, preferably less than 9 wt .-% is selected.
  • feeders can be produced which produce a temperature profile reproducible after ignition, which has a maximum temperature of preferably less than 1250 0 C, more preferably less than 1150 0 C, wherein the burn-off proceeds evenly and controlled , On the other hand reaches the feeder during combustion a temperature of preferably more than 600 0 C, preferably more than 700 0 C, so that the aluminum is maintained in the feeder cavity in the liquid phase, until the aluminum has solidified in the mold cavity of an associated mold.
  • the aluminum contained in the compensation cavity of a feeder produced from the molding material mixture according to the invention can be reliably kept in a liquid state, so that feeding the casting under controlled and reproducible conditions.
  • So feeders can be produced from the molding material mixture according to the invention which, for a given feeder volume, have a higher modulus than natural feeders or insulating feeders, or which have a smaller feeder volume for a given module.
  • the oxidizing metal oxidizing agent is an etchant which can etch the passivated surface of the oxidizable metal.
  • an etchant is meant a compound which can react with the passivating layer of the oxidisable metal, generally an oxide film, so that the passivating layer is broken up and the reactivity or ignitability of the oxidisable metal is increased.
  • a fluorine-containing flux is used as the ignition.
  • the proportion of the fluorine-containing flux is calculated as sodium hexafluoroaluminate.
  • fluorine-containing fluxes which are already used in the production of exothermic feeders can be used per se.
  • Suitable fluorine-containing fluxes are, for example, sodium hexafluoroaluminate, potassium hexafluoroaluminate, sodium fluoride and potassium fluoride. Due to the high proportion of the fluorine-containing flux, a low ignition temperature and a uniform burnup of the exothermic molding material mixture according to the invention is achieved.
  • magnesium is used as the ignition agent.
  • Magnesium metal is relatively easy to ignite and shows a high level of heat during oxidation.
  • the proportion of magnesium in the exothermic molding material mixture is preferably at least 3, based on the molding material mixture Wt .-%, more preferably at least 5 wt .-%. At too low a proportion of magnesium of the impact on the inflammable ⁇ bility of the mixture is low.
  • the magnesium metal can be used in any form per se. Preferably, the magnesium is used in the form of a fine semolina, since it can be distributed very homogeneously in the molding material mixture.
  • the magnesium metal can be used in pure form. However, it is also possible to use the magnesium in the form of an alloy, for example in the form of an alloy with the oxidizable metal, for example an aluminum-magnesium alloy. Due to the fine distribution of magnesium in the alloy, the ignition temperature of the alloy can be reduced, so that a controlled ignition of the molding material mixture or the feeder produced therefrom is achieved as the liquid aluminum flows into the compensation cavity of the feeder.
  • the proportion of magnesium in the alloy is preferably greater than 30 wt .-%, preferably greater than 40 wt .-%, more preferably selected in the range of 50 to 80 wt .-%.
  • the oxidizable metal used in the molding material mixture according to the invention is preferably selected from the group of aluminum, magnesium and silicon, and their alloys.
  • the metals or alloys mentioned can each be used alone or as a mixture.
  • both the oxidizable metal and the ignition agent may be formed by magnesium.
  • magnesium is more difficult to access than, for example, aluminum
  • aluminum is preferably chosen as the oxidizable metal.
  • Magnesium is preferably used as an ignition agent and less preferably as an oxidizable metal.
  • the oxidizable metal should preferably be distributed homogeneously in the exothermic molding material mixture, so that after ignition a uniform heating of the feeder takes place.
  • the oxidizable metal is therefore preferably incorporated into the molding material mixture in the form of a powder or fine granules or semolina.
  • the oxidizable metal should also not be present in too finely distributed form, since otherwise the metal particles can be given too much reactivity and the oxidation of the oxidizable metal proceeds too rapidly.
  • the particle size of the oxidisable metal is preferably chosen to be greater than 0.05 .mu.m, particularly preferably greater than 0.1 .mu.m.
  • the grain size should preferably not be too large, since then a uniform heat generation of the feeder beyond the casting process is no longer ensured.
  • the particle size of the oxidisable metal is preferably chosen to be less than 1 mm, preferably less than 0.8 mm, particularly preferably less than 0.5 mm.
  • the grain size of the oxidizable metal can be determined by conventional means, for example by sieve analysis.
  • the grain size of the magnesium semolina is selected in ranges as indicated above for the oxidizable metal.
  • the feeder is preferably designed so that the molding material mixture has a heat-insulating effect.
  • the refractory molding base material is at least partially formed by an insulating refractory material.
  • An insulating refractory material is understood to be a refractory molding material which has a lower thermal conductivity than quartz sand. Suitable insulating refractories are, for example pumice, hollow glass beads, chamotte, light spheres, ⁇ mica, clays, fly ash, geBANumte_ materials, open-pore ceramic and similar materials.
  • the thermal conductivity of the insulating refractory material is preferably 0.04-0.25 W / mK, preferably 0.07-0.2 W / mK.
  • the thermal conductivity can be determined with conventional equipment, for example a TCT 426 thermal conductivity tester according to the T (R) method according to ASTM-C-I113.
  • the refractory molding base material of the exothermic molding material mixture according to the invention therefore preferably comprises at least a portion of an insulating refractory material which has cavities and which is highly heat-insulating by the gas enclosed in the cavities.
  • the exothermic molding material mixture comprises as a refractory insulating material a proportion of refractory hollow microspheres. These hollow microspheres have a continuous outer shell enclosing a gas-filled cavity.
  • the shell is preferably constructed of an aluminum silicate.
  • the hollow microspheres have a diameter of preferably less than 3 mm, particularly preferably less than 1 mm.
  • the wall thickness of the hollow microspheres is preferably 5 to 20% of the diameter of the hollow microspheres.
  • Such microspheres can be obtained, for example, from fly ash, which is separated from combustion exhaust gases in industrial plants.
  • the composition of the aluminum silicate microbubbles may vary within wide ranges.
  • the aluminum content calculated as Al 2 O 3 and based on the weight of the hollow microspheres, is between 20 and 75%, preferably 25 and 40%.
  • the fraction of hollow microspheres on the refractory base molding material is preferably greater than 30%, preferably greater than 40%, more preferably in the range of 60 to 9% to 5%, and in particular of the range of 5 to 90% by weight. selected.
  • Glass hollow spheres with an Alummium content of 0 to 25% can also be used.
  • the molding material mixture according to the invention comprises at least partially as a refractory insulating material a porous refractory material having an open-pored structure. Due to the open-pore structure of the feeder receives a very good gas permeability, so that the air in the compensating cavity during penetration of the liquid aluminum can escape largely unhindered or if the liquid aluminum flows back from the compensating cavity when dining again, can flow largely unhindered back into the compensation cavity.
  • a refractory material Under a porous refractory material, which has a continuously open pore structure, a refractory material is understood with a sponge-like structure, which extends through the entire volume of the grain.
  • Such an open-pored structure can be recognized, for example, on a micrograph of a grain, possibly under microscopic magnification. While in the above-mentioned microballoons each a single "pore" is surrounded by a largely gas-tight envelope and therefore no simple gas exchange between the cavity of the hollow microspheres and the environment is possible, the open-pored porous refractory material is traversed by passages, which gas exchange of the individual pores enable with the environment.
  • the proportion of pores in the entire volume of the porous open-celled substance is preferably very high.
  • the porous refractory material has a pore volume of at least 50%, preferably at least 60%, in particular at least 65%, based on the total volume of the porous refractory.
  • the pore volume can be determined, for example, by mercury intrusion.
  • Suitable porous refractory materials are, for example, pumice stone, expanded slate, perlite, vermiculite, boiler sand, foam lava, porous glass beads or expanded concrete, and mixtures thereof.
  • the porous refractory materials having an open-pore structure contained in the inventive exothermic molding material according to one embodiment preferably have a density of less than 0.5 g / ml, preferably less than 0.4 g / ml, particularly preferably 0.05 to 0.4 g / ml up. Density is understood to mean the bulk density.
  • the feeders produced from the exothermic molding material mixture according to the invention which comprise a proportion of an insulating refractory material, therefore advantageously have a low weight. For example, the feeders can be plugged onto a model and, because of their low weight, do not fall off when the model or mold is turned.
  • the refractory molding base may be wholly or partly formed by the insulating refractory. Also for cost reasons, mixtures of insulating refractory material and other refractory molding base materials, which have a lower insulating effect, are preferably used. Exemplary less insulating refractory mold bases have already been mentioned. An example of a suitable refractory base stock that can be mixed with the insulating refractory is quartz sand. The proportion of the insulating refractory material on the refractory molding base material is preferably greater than 20% by weight, preferably greater than 30% by weight, in particular greater than 40% by weight.
  • a sufficient insulating effect is already achieved if the proportion of the insulating refractory material on the refractory molding base material is preferably less than 80 wt .-%, preferably less than 70 wt .-%, more preferably less than 60 wt .-%.
  • the exothermic molding material mixture according to the invention preferably has a viscosity of at least 150, preferably more than 200, in particular more than 300.
  • the gas permeability number is a characteristic customary in the foundry industry. great for the porosity of moldings or molding sands. It is determined on a test piece, which has a certain shape, with devices from Georg Fischer AG, Schaffhausen, Switzerland. The determination of gas permeability is described in the examples.
  • pumice is used as a porous refractory material with an open-pore structure.
  • Pumice is a naturally occurring rock glass, ie it has essentially an amorphous structure without recognizable crystals.
  • Pumice has a low specific gravity of up to about 0.3 g / cm 3 . It has a very high pore volume of up to 85%. Due to its high porosity, the pumice has a very high gas permeability.
  • the pumice it is preferable to use a material from a natural source ground to a suitable grain size.
  • the grain size of the ground pumice is preferably less than 1.5 mm, more preferably less than 1 mm.
  • the grain size can be adjusted, for example, by sieving or air classification.
  • Another suitable insulating refractory material are porous glass beads.
  • the grain size is preferably 0.1 to 1 mm.
  • the bulk density is preferably in the range of 200 to 500 kg / m 3 .
  • the exothermic molding material mixture may contain a proportion of a reactive aluminum oxide.
  • the reactive aluminum oxide preferably has the following properties: Al 2 O 3 -Ge-IaIt> 90%
  • the strength of a feeder produced from the molding material mixture can be improved.
  • the reactive aluminum oxide is preferably, based on the weight of the exothermic molding material mixture in a proportion of more than 2 wt .-%, preferably more than 5 wt .-% in the molding material mixture according to the invention.
  • the exothermic molding material mixture can also comprise a refractory filler, which preferably has a relatively low SiO 2 content.
  • the refractory filler has a SiO 2 content of less than 60% by weight, preferably less than 50% by weight, particularly preferably less than 40% by weight. Due to the low proportion of SiO 2 , the risk of vitrification is counteracted, as a result of which casting defects can be avoided.
  • the exothermic molding material mixture according to the invention contains no SiO 2 as a mixture component, that is, it is free of quartz sand, for example.
  • the SiO 2 content contained in the molding material mixture is therefore preferably present in bound form as aluminum silicate.
  • the refractory filler is at least partially formed from chamotte.
  • Fireclay is understood to mean a highly fired (double-fired) clay, which is a Dimensional stability up to a temperature of about 1500 ° C.
  • chamotte may contain the crystalline phases mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) and cristobalite (SiO 2 ).
  • the chamotte is also preferably ground to a particle size of less than 1.5 mm, preferably less than 1 mm.
  • the chamotte gives the feeders produced from the exothermic molding material mixture according to the invention a very high temperature resistance and strength.
  • the proportion of fireclay on the refractory filler is preferably chosen to be high.
  • the proportion of chamotte based on the weight of the refractory filler, at least 50 wt .-%, more preferably at least 60 wt .-%, and most preferably at least 70 wt .-%.
  • the refractory filler is formed essentially only of chamotte.
  • the chamotte is preferably contained in ground form in the exothermic molding material mixture.
  • the particle size here is preferably less than 1.5 mm, particularly preferably less than 1 mm.
  • the chamotte preferably has a high proportion of aluminum oxide.
  • the chamotte preferably contains at least 30% by weight of aluminum oxide, particularly preferably at least 35% by weight and very particularly preferably at least 40% by weight.
  • the alumina is preferably in the form of aluminum silicates.
  • the fraction of the refractory filler is preferably between 5 and 60% by weight, particularly preferably 8 to 50% by weight.
  • the fractions of the refractory filler do not include the proportions of pumice and reactive alumina.
  • the constituent molding material mixture may also contain other constituents in customary amounts.
  • an organic material be included, such as wood flour.
  • the organic material is in a form in which it does not absorb any liquid components, such as water glass.
  • the wood meal may first be sealed with a suitable material, such as water glass, so that the pores are closed. The presence of the organic material further reduces the cooling of the liquid aluminum on initial contact with the wall of the balance cavity.
  • an organic material such as wood flour
  • this is preferably present in a proportion of 5 to 20% by weight, preferably 8 to 12% by weight, based on the exothermic molding material mixture.
  • a feeder made of the above-described exothermic molding material mixture is particularly suitable for aluminum casting, since it shows only a relatively small amount of heat after ignition and therefore does not heat the liquid aluminum arranged in a balancing cavity of such a feeder to a high temperature so that boiling of the aluminum is prevented. This effectively restricts gas pockets in the casting and disturbances in the crystal structure of the casting.
  • the invention therefore also relates to a feeder for the aluminum casting, prepared from an exothermic molding material mixture as described above.
  • the feeder reaches a burnup temperature of less than 1250 0 C, preferably less than 1150 0 C, preferably less than 1050 0 C.
  • the feeder during Burning preferably a temperature of more than 600 0 C, preferably more than 700 0 C.
  • the exothermic feeder according to the invention for aluminum casting comprises a compensation cavity and a feeder wall surrounding the compensation cavity, wherein the feeder wall is constructed from a material which contains at least:
  • an oxidizable metal in a proportion of 5 to 18 wt .-%, based on the weight of the feeder wall;
  • an oxidizing agent in an amount, based on the amount of the oxidizing agent required for complete oxidation of the oxidizable metal, of from 10 to 50%;
  • an ignition agent for the oxidation of the oxidizable metal in an amount, based on the amount of the oxidizable metal, of 15 to 50 wt .-%.
  • the exothermic feeder according to the invention for aluminum casting can in itself take any known form for feeder.
  • the term "feeder”, as used here, for example, includes feeder sleeves, so approximately cylindrical tubes that are open on both sides, caps, so approximately cylindrical tubes that are closed on one side, as well as feeder in the usual sense.
  • the feeders can be inserted into a casting mold or molded into the casting mold. Under a feeder in the context of the invention, therefore, a molded body is understood with a feeder wall, which encloses a compensation cavity, wherein the compensation cavity on one side oaer aucn be two-sided georrnet.
  • the Ausg ⁇ excnsnon ⁇ - takes space during the metal casting liquid metal and gives this at least partially during the solidification of the casting Piece off again.
  • a residual feeder is understood as meaning the solidified metal which, after the casting process, remains in the compensation cavity of the feeder and solidifies and is connected to the casting.
  • the exothermic feeder according to the invention for aluminum casting can in itself take on any desired shape, as is known for metal casting, for example cast iron or steel.
  • the feeder can be made in one or more parts, wherein the entire feeder can be made from the exothermic molding material mixture according to the invention, or only parts of the feeder.
  • the feeder may comprise a feeder head made of the exothermic molding material mixture, wherein in the feeder head, a slidable sleeve may be inserted, which establishes the connection between a compensating cavity contained in the feeder head and the mold cavity of the mold.
  • the feeder can be designed in a form so that it can be placed directly on a model. But it is also possible to provide a receptacle for a spring mandrel on which the feeder according to the invention is then plugged.
  • the feeder according to the invention can be made in any size and with any wall thickness. The dimensions listed below are therefore exemplary.
  • the volume of the balance cavity is selected depending on the size of the casting to be produced and the shrinkage experienced by the casting during the solidification of the aluminum. According to one embodiment, the volume of the compensation cavity is less than 2000 cm 3 , according to another embodiment, less than 1500 cm 3 , and chosen according to another embodiment less than 500 cm 3 . But it is also possible to provide feeders with a compensation cavity whose volume is greater than 2000 cm 3 . According to one embodiment, the volume of the compensation cavity is chosen to be greater than 100 cm 3 .
  • the wall thickness of the feeder or the outer volume of the feeder can be selected smaller than in the usual feeders for aluminum casting.
  • the outer volume of the feeder is less than 3000 cm 3 , according to a further embodiment less than 2500 cm 3 , and according to further embodiment less than 1000 cm 3 .
  • the outer volume of the feeder is selected to be greater than 250 cm 3 .
  • the maximum wall thickness of the feeder according to the invention is less than 15 cm according to one embodiment, less than 8 cm according to another embodiment and less than 4 cm according to another embodiment. However, it is also possible to provide feeders according to the invention, which have a maximum Wall thickness, which is more than 15 cm. According to one embodiment, the maximum wall thickness is greater than 0.5 cm, chosen according to a further embodiment greater than 1 cm. The maximum wall thickness corresponds to the thickest point of the balancing cavity surrounding feeder wall, in each case the shortest distance between the outer and inner wall is measured.
  • Feeders made from a standard refractory base material, such as silica sand can reduce the amount of aluminum consumed in the balancing cavity of the feeder to feed the casting by up to 80%.
  • the feeder according to the invention is in itself prepared by conventional methods.
  • This exothermic molding material mixture is processed into a blank by the exothermic molding material mixture is shot, for example, in a nuclear shooter by means of compressed air into a suitable shape.
  • Preferred refractory mold raw materials and further constituents of the exothermic molding material mixture have already been explained in connection with the description of the exothermic molding material mixture according to the invention.
  • Suitable binders have also been explained in the description of the exothermic molding material mixture.
  • Particularly preferably, water glass is used as the binder.
  • the curing of the exothermic molding material mixture by conventional methods. Curing can be achieved by conduct carbon dioxide through the blank of the feeder, wherein the curing is preferably carried out at room temperature. But it is also possible to heat the blank of the feeder, for example, to temperatures of 120 to 200 0 C. To accelerate the curing, hot air can be passed through the blank of the feeder. The temperature of the injected air is preferably 100 ° C. to 180 ° C., particularly preferably 120 ° C. to 150 ° C. After the first curing, the feeder can still be dried, for example in an oven or by irradiation with microwaves.
  • binders for example organic binders
  • the curing of the exothermic molding material mixture after shaping of the feeder is likewise carried out by customary methods.
  • a gaseous tertiary amine may be passed through the exothermic molding material mixture formed into a feeder in a conventional manner.
  • the feeder can be removed from the mold.
  • the curing can be complete or only partially carried out, so that after the removal of a post-curing, for example by heat, is performed.
  • the feeder according to the invention is suitable for aluminum casting.
  • the invention therefore further relates to the use of the feeder for aluminum casting described above.
  • the feeder is attached in the usual way to the mold or introduced into this. After production of the mold, the aluminum casting is carried out in a conventional manner.
  • the exothermic bpexser rur ⁇ en aluminum casting according to the invention is used in such a way that initially a casting mold is provided with a mold cavity.
  • the mold comprises at least one feeder, as described above, and which comprises a compensation cavity.
  • liquid aluminum is filled into the mold, so that at least the mold cavity of the mold and a feeder volume of the feeder are filled with the liquid aluminum.
  • the feeder volume is at most equal to the volume of the compensating cavity of the feeder and corresponds to the amount of aluminum provided at the beginning of feeding in the compensating cavity.
  • the feeder volume is chosen to be smaller than the volume of the compensation cavity, preferably less than 95%, preferably less than 90%, of the volume of the compensation cavity.
  • at least 50% of the volume of the compensation cavity is used as feeder volume.
  • the feeder By flowing into the compensation cavity of the feeder liquid aluminum, the feeder is ignited.
  • liquid aluminum is allowed to solidify, with the aluminum initially solidifying in the mold cavity of the mold. In this case, to compensate for the shrinkage occurring during solidification liquid aluminum is sucked from the compensation cavity of the feeder in the mold cavity of the mold.
  • the volume of the compensation cavity can be chosen relatively small, with a high proportion of the feeder volume can be used for dining.
  • preferably at least 25%, preferably at least 30%, particularly preferably at least 40%, particularly preferably at least 50% of the feeder volume is used to feed the casting, ie the corresponding amount of liquid aluminum from the compensating cavity of the feeder into the feeder Mold cavity transferred to the mold.
  • the entire volume of the compensation cavity can not be used for dining. so that a residual feeder remains on the casting.
  • less than 90% of the feeder volume is used for dinning.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a feeder according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a further embodiment of the feeder according to the invention.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a feeder according to the invention.
  • the feeder 1 has a tubular shape.
  • the feeder wall 2 is constructed of a refractory molding material mixture, which is characterized by a very small proportion of an oxidizable metal, a selected in comparison to the amount of oxidizable metal subset of oxidizing agent and by a relatively high proportion of a fluorine-containing flux.
  • the feeder wall 2 surrounds a compensation cavity 3, which is open to one side by a compensation opening 4 to the environment. Via the compensation opening 4, a connection to a mold cavity of a casting mold (not shown) is produced. At the opposite end of the compensation opening 4 there is a ventilation opening 5.
  • the diameter of the compensation opening 4 in the illustrated embodiment of the feeder is chosen to be larger than the diameter of the ventilation opening 5, so that the feeder has a conical shape. However, it is also possible to make the diameter of the compensation opening 4 and the ventilation opening 5 the same, so that the feeder annimmif the shape of a tube.
  • the inner diameter of such a feeder for example, 8 cm and the wall thickness of the feeder wall 3 cm at a height of the feeder of 15 cm.
  • the feeder 6 comprises a compensation cavity 3, which is surrounded by the feeder wall 7, so that the compensation cavity 3 is closed at the top, in order to reduce heat losses of the liquid aluminum.
  • the feeder 6 has a two-part construction and comprises a feeder base 8 and a feeder cover 9.
  • the feeder base 8 and feeder cover 9 together form a feeder wall which surrounds the compensation hollow space 3.
  • a recess 10 for receiving the tip of a spring mandrel 11 is provided in the center of the feeder cover 9, a recess 10 for receiving the tip of a spring mandrel 11 is provided.
  • a compensation opening 4 is provided, which is the connection from the compensation cavity 3 is made to a mold cavity, not shown, of a mold.
  • Both the feeder base 8 and the feeder cover 9 are made from the molding material mixture according to the invention, which is characterized by a low content of oxidizable metal, an oxidizing agent used in the undershot compared to the complete oxidation of the metal and by a high proportion of a fluorine-containing flux.
  • the diameter of the feeder shown in Figure 2 is at its widest point about 15 cm.
  • the height is about 20 cm.
  • the wall thickness of the feeder cover 9 is about 2 cm.
  • the BET surface area is determined on a fully automatic nitrogen porosimeter from the company Micromeritics, type ASAP 2010, in accordance with DIN 66131.
  • the mean particle diameter was determined by laser diffraction on a Mastersizer S, Malvern Instruments GmbH,dorfberg, DE according to the manufacturer.
  • the analysis is based on a total analysis of the materials. After dissolution of the solids, the individual components are treated with conventionally specific analytical methods, e.g. ICP analyzed and quantified.
  • the powdery porous refractory material is charged in one go into a previously weighed 1000 ml glass cylinder which has been cut off at the 1000 ml mark. After the material has been scraped off and removed from the outside of the cylinder, the cylinder is weighed again. The weight gain corresponds to the density.
  • the gas permeability test is carried out with a type PDU permeability testing apparatus from Georg Fischer Aktiengesellschaft, 8201 Schaffhausen, Switzerland.
  • the test specimen prepared as described under (a) is inserted into the precision test specimen tube of the apparatus and the gap between specimen and test specimen tube is sealed.
  • the test specimen tube is inserted into the test apparatus and determines the gas permeability Gd.
  • the gas permeability number Gd indicates how much cm 3 of air passes through a cube or cylinder of 1 cm 2 cross-section in one minute at a pressure of 1 cm water column.
  • the gas permeability is calculated as follows:
  • F cross-sectional area of the test piece (19.63 cm 3 ); p: pressure in cm water column; t: flow-through time for 2000 cm 3 of air in minutes. p and t are determined; all other values are constants set by the tester.
  • Example 1
  • Tubular feeders were produced from a molding material mixture of the following formulations:
  • Solids content 50% by weight, modulus: 2.2
  • the molding material mixtures were shot into a mold at room temperature and cured there for 90 seconds by passing carbon dioxide through. Subsequently, the feeder blanks for 5 hours in an oven at 180 0 C were dried. Tubular feeders having a length of 150 mm, an outer diameter of 59 mm and an inner diameter of 40 mm were obtained.
  • One of the feeders was ignited at its lower end by being briefly placed on a hot plate. After ignition, the feeder was placed on a clay plate. The oxidation front moved evenly from bottom to top through the feeder. After the oxidation front had migrated through the feeder, the temperature in the interior of the compensation cavity was determined to be about 1150 ° C.
  • the feeders were each installed in a mold and made an aluminum casting.
  • As aluminum casting was a Cube made with an edge length of 15 cm. After the casting had cooled, the casting mold was removed and the remainder was knocked off. The fracture site was reworked by grinding. The casting was X-rayed. No voids were found in the casting. Furthermore, the feed point on the casting was examined microscopically. No crystalline dislocations or cast inclusions were detected.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine exotherme Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss, zumindest enthaltend: - einen feuerfesten Formgrundstoff; - ein Bindemittel; - bezogen auf die Formstoffmischung einen Anteil eines oxidierbaren Metalls von 5 bis 18 Gew.-%; - ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50 %; und - ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil von 15 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls. Ein aus der exothermen Formstoffmischung hergestellter Speiser zündet auch bei niedrigen Temperaturen zuverlässig und zeichnet sich durch eine geringe Wärmeabgabe aus. Er eignet sich daher besonders für den Aluminiumguss.

Description

FORMSTOFFMISCHUNG UND SPEISER FÜR DEN
ALUMINIUMGUSS
Die Erfindung betrifft eine exotherme Formstoffxnischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss, einen aus der Formstoffraischung hergestellten Speiser für den Aluminiumguss sowie dessen Verwendung für den Aluminiumguss.
Bei der Herstellung von Metallgussstücken in der Gießerei wird flüssiges Metall in den Formhohlraum einer Gießform eingefüllt. Beim Erstarren verringert sich das Volumen des eingefüllten Metalls . Daher werden regelmäßig sogenannte Speiser in oder an der Gießform eingesetzt, um das Volumendefizit beim Erstarren des Gussstücks auszugleichen und eine Lunkerbildung im Gussstück zu verhindern. Die Speiser werden mit dem Gussstück bzw. dem gefährdeten Gussstückbereich verbunden und sind gewöhnlich oberhalb bzw. an der Seite des Formhohlraums angeordnet. Sie umfassen .einen. Aus.gle.ichshohlraum,. welcher mit .dem Eormhohlraum__der Gießform verbunden ist und zunächst flüssiges Metall aufnimmt. Zu einem späteren Zeitpunkt, an dem das Metall im Formhohlraum erstarrt, wird das flüssige Metall wieder aus dem Ausgleichs- hohlraum abgegeben, um das Volumendefizit des Gussstücks auszugleichen.
Bei der Herstellung von Metallgussstücken, wird zunächst ein Modell hergestellt, dass in seiner Form im Wesentlichen dem herzustellenden Metallgussstück entspricht. An diesem Modell werden Zufuhrelemente und Speiser angebracht. Anschließend wird das Modell in einem Formkasten mit Formsand umgeben. Der Formsand wird verdichtet und dann ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird die Gießform aus dem Formkasten entnommen. Die Gießform weist einen Formhohlraum bzw., sofern die Gießform aus mehreren Teilstücken aufgebaut ist, einen Teil des Formhohlraums auf, welcher im Wesentlichen einer Negativform des herzustellenden MetallgussStücks entspricht. Nachdem die Gießform ggf. zusammengesetzt wurde, wird in den Formhohlraum der Gießform flüssiges Metall eingefüllt. Dabei wird auch der Ausgleichshohlraum des Speisers zumindest teilweise mit flüssigem Metall gefüllt. Dieses vom Ausgleichsvolumen des Speisers aufgenommene Speiservolumen steht später für ein Speisen des Gussstücks zur Verfügung. Das einfließende flüssige Metall verdrängt die Luft aus dem Formhohlraum bzw. dem Ausgleichshohlraum. Die Luft entweicht durch in der Gießform vorgesehene Öffnungen oder durch poröse Abschnitte der Gießform, beispielsweise durch die Wand eines Speisers. Die Speiser weisen daher bevorzugt eine ausreichende Porosität auf, so dass einerseits beim Einfüllen des flüssigen Metalls die Luft aus dem Speiser verdrängt wird und das Metall in den Speiser einströmen kann und andererseits beim Abkühlen und Erstarren des Metalls im Formhohlraum der Gießform das noch flüssige Metall aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform nachströmen kann, ohne dass ein Unterdrück, .im Ausgleichjahghlraum d_e_s Speisers., erzeugt, wird. Damit das Metall aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum zurückfließen kann, muss das im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltene Metall zu einem späteren Zeitpunkt erstarren als das Metall im Formhohlraum der Gießform. Das Erstarren des Metalls wird durch den Wärmeverlust bestimmt, den das flüssige Metall erfährt. Um also zu erreichen, dass das im Ausgleichshohlraum enthaltene flüssige Metall zu einem späteren Zeitpunkt erstarrt, als das flüssige Metall im Formhohlraum, muss das im Ausgleichshohlraum enthaltene flüssige Metall einen geringeren Wärmeverlust erfahren als das Metall im Formhohlraum.
Der Wärmeverlust wird zunächst vom Verhältnis von Oberfläche des Formkörpers, über welche Wärme abgegeben werden kann, zu dessen Volumen bestimmt. Bei einem gegebenen Volumen wird das flüssige Metall bei demjenigen Formkörper zuerst erstarren, der die größere Oberfläche aufweist. Der Ausgleichshohlraum des Speisers bzw. das genutzte Speiservolumen wird daher möglichst kompakt gestaltet.
Ferner wird der Wärmeverlust über die Isolierwirkung des Materials gesteuert, welches das flüssige Metall umgibt, also das Material der Gießform bzw. des Speisers. Speiser bestehen daher bevorzugt aus einem Material, welches eine ausreichend hohe isolierende Wirkung aufweist, sodass das Metall im Ausgleichshohlraum ausreichend lange flüssig bleibt. Dazu kann der Speiser aus einem Material hergestellt werden, das eine höhere Isolierwirkung aufweist als das Material der Gießform, sodass der Wärmeverlust beim im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltenen flüssigen Metall geringer ausfällt als der Wärmeverlust beim im Formhohlraum der Gießform enthaltenen Metall. Ein solches Material kann beispielsweise ein feuerfestes Material sein, das AIu- miniumsilikatmikrohohlkugeln enthält. Durch das in den Mikro- hohlkugeln eingeschlossene Gas wirkt ein solches Material stark isolierend. Eine andere Möglichkeit, den Wärmeverlust des im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltenen flüssigen Metalls zu verringern besteht darin, den Speiser als exothermen Speiser auszubilden. Dazu wird der Speiser aus einer Formstoffmischung hergestellt, die neben dem feuerfesten Material und dem Bindemittel noch ein brennbares Metall, beispielsweise Aluminiumgrieß, sowie ein geeignetes Oxidationsmittel, beispielsweise Natriumnitrat, enthält. Beim Kontakt mit heißem flüssigem Metall zündet die Mischung und gibt die bei der Oxidation des Metalls freigesetzte Hitze an das im Ausgleichshohlraum enthaltene flüssige Metall ab. Der Ausgleichshohlraum bzw. das Speiservolumen kann daher bei exothermen Speisern sehr klein gewählt werden.
Ein geeigneter Speiser muss so ausgewählt werden, dass der Speiser während des Speisens nicht leergesaugt wird, also das Speiservolumen groß genug ist, sodass auch zum Ende des Speisevorgangs noch ausreichend flüssiges Metall zum Speisen zur Verfügung steht. Ein zu kleines Speiservolumen führt zur Ausbildung so genannter Primärlunker. Der Speiser muss aber auch so ausgewählt werden, dass das flüssige Metall des Speiservolumens später erstarrt als das Metall im Formhohlraum der Gießform. Erstarrt das Metall im Ausgleichshohlraum früher als das Metall im Formhohlraum, kann kein Metall mehr vom Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum übertreten, das Gussstück. also nicht mehr gespeist werden. Dies führt zur Ausbildung so genannter Sekundärlunker .
Das Erstarren des flüssigen Metalls kann näherungsweise über den Modul des Gussstücks bzw. des Speiservolumens beschrieben werden. Unter einem Modul wird dabei das Verhältnis von Volumen zu Wärme abgebender Oberfläche verstanden. Aus dem Modul M lässt sich über die Gleichung T = K - M2 die Erstarrungszeit T abschätzen. K ist dabei eine für den verwendeten Gusswerkstoff charakteristische Konstante. In erster Näherung gilt also, dass Körper, die den gleichen Modul aufweisen, gleich schnell erstar- ren. Verdoppelt sich der Modul des betrachteten Körpers, vervierfacht sich die Erstarrungszeit.
Während des Erstarrens des Metalls wird flüssiges Metall aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform gesaugt. Dadurch verringert sich das Volumen und die Oberfläche des im Ausgleichsvolumen verbleibenden flüssigen Metalls und damit auch dessen Modul. Will man also erreichen, dass das Metall im Ausgleichshohlraum des Speisers später erstarrt, als das Metall im Formhohlraum der Gießform, muss der Modul des nach dem Speisen im Speiser verbleibenden Speiserrestes größer sein als der Modul des Gussstücks bzw. des vom Speiser gespeisten Bereich des Gussstücks.
Bei Naturspeisern, also Speisern, die als einfacher Hohlraum in der Gießform ausgebildet sind, wobei die Wand des Ausgleichshohlraums vom Material der Gießform gebildet wird, beträgt die Aussaugbarkeit des Speisers etwa 15 %. Es stehen also 15 % des ursprünglich in den Ausgleichshohlraum eingefüllten Speiservolumens für das Speisen des Gussstücks zur Verfügung. Das Speiservolumen kann daher größer ausfallen als das Volumen des Gussstücks bzw. des vom Speiser gespeisten Bereichs des Gussstücks.
Bei Verwendung isolierender Speiser erhöht sich bei gegebenem Speiservolumen wegen des geringeren Wärmeabflusses der Modul bzw. kann bei vom Gussstück vorgegebenem Modul das Speiservolumen verringert werden. Bei isolierenden Speisern kann daher im Vergleich zu Naturspeisern eine höhere Aussaugbarkeit verwirklicht werden. Die Aussaugbarkeit isolierender Speiser wird meist im Bereich von etwa 25 % des ursprünglich zur Verfügung stehenden Speiservolumens gewählt.
"Exotherme "Speiser" weisen bei gegebenem Volumen" "einen"" nochmals deutlich höheren Modul auf, da der Wärmeverlust des im Ausgleichshohlraum enthaltenen flüssigen Metalls durch die Exother- iαie des Speisers in großem Umfang ausgeglichen wird. Bei exothermen Speisern kann eine sehr hohe Aussaugbarkeit von etwa 65 % des ursprünglich zur Verfügung stehenden Speiservolumens verwirklicht werden.
In der EP 0 888 199 Bl werden Speiser beschrieben, welche exotherme Eigenschaften oder isolierende Eigenschaften aufweisen können und die durch ein Cold-Box-Verfahren erhalten werden. Dazu wird ein Speisergemisch in eine Speisergussform eingefüllt. Das Speisergemisch umfasst ein oxidierbares Metall und ein Oxi- dationsmittel oder ein isolierendes feuerfestes Material oder Gemische dieser Materialien sowie eine wirksame Bindemenge eines chemisch-reaktiven Cold-Box-Binders . Das Speisergemisch wird zu einem ungehärteten Speiser geformt, welcher dann mit einem dampfförmigen Härtungskatalysator in Kontakt gebracht wird. Der gehärtete Speiser kann dann aus der Gussform entnommen werden. Als isolierendes feuerfestes Material können hohle Aluminiumsi- likatmikrokugeln verwendet werden. Durch die Verwendung derartiger Mikrokugeln aus Aluminiumsilikat erhalten die Speiser eine niedrige thermische Leitfähigkeit und damit eine sehr ausgeprägt isolierende Wirkung. Ferner weisen diese Speiser ein sehr geringes Gewicht auf, so dass sie sich zum Einen leicht handhaben und transportieren lassen und zum Anderen nicht so leicht vom Modell abfallen, wenn dieses beispielsweise gekippt wird.
In der EP 0 913 215 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung von Speisern und anderen Beschickungs- und Zuführungselementen für Gießformen beschrieben. Dazu wird eine Zusammensetzung, welche hohle Aluminiumsilikatmikrokügelchen mit einem Aluminiumoxidgehalt von weniger als 38 Gew.-%, ein Bindemittel zum Cold-Box- Härten und gegebenenfalls einen Füllstoff umfasst, wobei der Füllstoff nicht in faserförmiger Form vorliegt, durch Einblasen in einen Formkasten zu einem ungehärteten Formprodukt geformt. Dieses ungehärtete Formprodukt wird mit einem geeigneten Kataly- sator in Kontakt gebracht,, wobei das Forinprodukt aushärtet. Das ausgehärtete Formprodukt kann dann aus dem Formkasten entnommen werden. Auch die mit diesem Verfahren erhaltenen Speiser weisen eine ausgeprägte isolierende Wirkung sowie ein geringes Gewicht auf.
Aus der WO 00/73236 A2 ist eine exotherme Speisermasse bekannt, welche Aluminium und Magnesium, mindestens ein Oxidationsmittel, einen Siθ2-haltigen Füllstoff und ein Alkalisilikat als Bindemittel enthält. Weiter enthält die Speisermasse etwa 2,5 bis 20 Gew.-% eines reaktiven Aluminiumoxids mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens etwa 0,5 m2/g und einem mittleren Teilchendurchmesser (D50) von etwa 0,5 bis 8 um. Die Speisermasse ist praktisch frei von fluoridhaltigen Flussmitteln. Durch die Verwendung einer derartigen Speisermasse zur Herstellung von Speisern kann sogenannter "Hohlbrand", der wahrscheinlich durch eine Verglasung der Siθ2-haltigen Füllstoffe mit Alkaliverbindungen zustande kommt, deutlich zurückgedrängt werden.
Um beim Metallguss eine Lunkerbildung im Gussstück verhindern zu können, muss der exotherme Speiser bei Kontakt mit dem flüssigen heißen Metall zuverlässig zünden und dann kontrolliert und gleichmäßig abbrennen. Dies wird bei Speisern, die für den Eisen- oder Stahlguss entwickelt wurden, inzwischen zuverlässig beherrscht. Beim Eisen- bzw. Stahlguss herrschen Temperaturen im Bereich zwischen etwa 1300 und 1600 0C, sodass das flüssige Metall ausreichend heiß ist, um den Speiser zu zünden. Außerdem können der Formstoffmischung zur Herstellung des Speisers ausreichend hohe Mengen an oxidierbarem Metall sowie Oxidationsmittel zugegeben werden, dass beim Kontakt mit dem flüssigen heißen Metall eine zuverlässige Zündung des Speisers erfolgt und die Oxidation ausreichend heftig abläuft, sodass eine Temperatur erreicht wird, bei welcher das im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltene Metall in flüssiger Phase verbleibt. Üblicher- weise enthalten derartige Speiser zwischen 20 und 33 Gew.-% oxi- dierbares Metall und zwischen 5 und 25 Gew.-% Oxidationsmittel, bezogen auf das Gewicht des Materials aus welchem der Speiser hergestellt ist.
Beim Aluminiumguss sind bisher noch keine exothermen Speiser bereitgestellt worden, die in industriellem Maßstab zuverlässig eingesetzt werden können. Aluminium wird bei Temperaturen im Bereich von etwa 600 bis 800 0C vergossen. Werden exotherme Speiser für den Aluminiumguss eingesetzt, die für den Eisenoder Stahlguss entwickelt wurden, so zünden diese wegen der niedrigen Temperatur des flüssigen Aluminiums entweder nicht oder, wenn eine Zündung erreicht wird, entwickeln diese eine sehr große Hitze. Es besteht dann die Gefahr, dass das Aluminium zu sieden beginnt und sich Gaseinschlüsse oder Gefügefehler im Gussstück ausbilden. Wird jedoch einfach die Menge an oxidierba- rerα Metall und Oxidationsmittel in der Formstoffmischung zur Herstellung des Speisers vermindert, um so die Oxidationsreakti- on und damit die Wärmeentwicklung abzuschwächen, zündet der Speiser nicht mehr zuverlässig bzw. brennt er nach erfolgter Zündung nicht gleichmäßig und zuverlässig ab, sodass nicht sichergestellt ist, dass reproduzierbar eine ausreichende Menge an Wärme bereitgestellt wird, um das im Ausgleichshohlraum enthaltene Aluminium in flüssigem Zustand zu erhalten.
Bisher werden beim industriell durchgeführten Aluminiumguss daher nur Naturspeiser eingesetzt, d.h. Speiser, die keine exothermen Eigenschaften aufweisen und lediglich durch ihre isolierende Wirkung die Erstarrung des Aluminiums im Ausgleichsbehälter hinauszögern. Um die Ausbildung des Lunkers zuverlässig in das Ausgleichsvolumen des Speisers zu verlegen bzw. um sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge an flüssigem Aluminium in den Formhohlraum der Gießform zurückfließen kann, müssen diese Speiser sehr groß ausgeführt werden. Beim Abguss erstarrt dann das im Ausgleichshohlraum des Speisers enthaltene flüssige Aluminium von der Wand des Ausgleichshohlraums her langsam in Richtung auf das Zentrum des Ausgleichshohlraums hin. Die Stelle, an welcher sich durch das Nachfließen des flüssigen Aluminiums aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum der Gießform ein Lunker ausbildet, ist dabei wenig kontrollierbar. Der Lunker kann sich im ungünstigsten Fall auch nahe oder in der Verbindung zwischen Ausgleichshohlraum und Formhohlraum ausbilden, wodurch das Gussstück unbrauchbar wird.
Durch das große Volumen des im Speiser angeordneten Ausgleichshohlraums müssen beim Abguss sehr große Mengen an flüssigem Aluminium in die Gießform eingefüllt werden. Nach dem Guss verbleibt daher eine große Menge an Aluminium im Ausgleichshohlraum des Speisers. Im ungünstigen Fall kann das Volumen des Speiserrestes größer sein als das Volumen des Gussstücks. Beim Guss wird dann die überwiegende Menge des flüssigen Aluminium dazu verwendet, den Ausgleichshohlraum des Speisers zu füllen. Nach Entfernen der Gießform bzw. des Speisers verbleibt daher ein relativ großer Speiserrest am Gussstück, der entfernt und dann zur erneuten Verwendung wieder eingeschmolzen werden muss. Dazu ist eine relativ hohe Energiemenge notwendig.
Der Erfindung lag daher als Aufgabe zugrunde, eine Formstoffmischung zur Herstellung von Speisern zur Verfügung zu stellen, aus welcher Speiser hergestellt werden können, die insbesondere beim Aluminiumguss eine zuverlässige Speisung eines Gussstücks ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Formstoffmischung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Überraschend wurde gefunden, dass durch Zugabe und sorgfältige Justierung der Menge eines Zündmittels für die Oxidation des oxidierbaren Metalls sowie eine überproportionale Verringerung der Menge des Oxidationsmittels die Menge an oxidierbarem Metall soweit abgesenkt werden kann, dass nach Zünden des Speisers die Oxidation des oxidierbaren Metalls und damit die Wärmeentwicklung kontrollierbar auf sehr niedrigem Niveau geführt werden kann, wobei dennoch eine kontrollierte Zündung des Speisers und ein kontrolliertes Abbrennen erreicht wird. Dadurch erreicht der Speiser eine Maximaltemperatur, die unter 1250 0C, bevorzugt unter 1150 0C, weiter bevorzugt unter 1050 °C gehalten werden kann. Bei einer derartigen Temperatur muss nicht befürchtet werden, dass Aluminium über seinen Siedepunkt erhitzt wird und damit Gaseinschlüsse und Gefügefehler im Gussstück verursacht werden. Die Temperatur im Inneren des Speisers lässt sich beispielsweise mit einem Thermoelement bestimmen, welches im Zentrum des Ausgleichshohlraums des Speisers platziert wird. Wird der Speiser an Luft gezündet, ergeben sich im Vergleich zu einem Speiser, welcher in einer Gießform integriert ist, also von Sand umgeben ist, etwas höhere Temperaturen. Die Erfinder nehmen an, dass dies auf den besseren Luftzutritt zurückzuführen ist. Die gemessene Temperatur beim Abbrand an Luft ist etwa 50 bis 100 0C höher als bei einem Speiser, welcher in einer Gießform integriert ist. Auch bei einem Abbrand an Luft bleibt die gemessene Maximaltemperatur jedoch im angegebenen Bereich.
Die Oxidation des Metalls gleicht durch die im Unterschuss zugegebene Menge des Oxidationsmittels mehr einem Verglimmen denn einem Verbrennen. Dennoch kann der Speiser reproduzierbar gezündet werden und die Oxidation des Speisers verläuft gleichmäßig durch den Korpus des Speisers, ohne dass die Oxidation vorzeitig erlischt bzw. sich einzelne lokale Temperaturmaxima innerhalb des Speiserkorpus ausbilden. Durch die Verwendung eines Zündmittels erfolgt eine Aktivierung des oxidierbaren Metalls. Das oxidierbare Metall wird durch eine dünne Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche ausbildet, passi- viert . Durch das Zündmittel kann die Oxidschicht beispielsweise zumindest teilweise geätzt und damit zerstört werden, sodass das blanke Metall an der Oberfläche freigelegt wird. Dieses blanke Metall lässt sich sehr leicht oxidieren, sodass die Oxidation des oxidierbaren Metalls startet und der Speiser zündet. Als Zündmittel kann jedoch auch ein Stoff verwendet werden, der unter den Bedingungen des Metallabgusses sehr leicht zündet und dabei Hitze abgibt, durch die wiederum das oxidierbare Metall gezündet werden kann. Das Zündmittel zündet dabei also zunächst selbst und initiiert dadurch die Oxidation des oxidierbaren Metalls.
Durch die gleichmäßige Wärmeerzeugung des Speisers auf einem relativ niedrigen, für den Aluminiumguss geeigneten Temperaturniveau kann das Aluminium im Ausgleichshohlraum des Speisers lange in flüssigem Zustand gehalten werden. Das Aluminium kann daher aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform nachfließen, während das Aluminium im Formhohlraum erstarrt. Dadurch erfolgt die Ausbildung des Lunkers beim Erstarren des Aluminiums im Ausgleichshohlraum kontrolliert an einer zur Verbindung zwischen Ausgleichshohlraum und Formhohlraum entfernten Stelle, sodass Gussfehler zuverlässig vermieden werden können. Durch die Exothermie der Oxidation und die daraus folgende Möglichkeit, das Aluminium im Ausgleichshohlraum in flüssigem Zustand zu erhalten, kann der Speiser bzw. der Ausgleichshohlraum im Vergleich zu den bisher üblichen Naturspeisern deutlich verringert werden. Der nach dem Guss am Gussstück verbleibende Speiserrest fällt daher wesentlich kleiner aus, we_s„halb_auch_die .E_ne.rjgi.emenge_,. _die..bei. der Wiederverwendung jzum Schmelzen des Speiserrests erforderlich ist, geringer ist als bei den bisher üblichen Verfahren. Erfindungsgemäß wird daher eine exotherme Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss zur Verfügung gestellt, welche zumindest enthält:
einen feuerfesten Formgrundstoff;
ein Bindemittel;
bezogen auf die Formstoffmischung einen Anteil eines oxidierbaren Metalls von 5 bis 18 Gew.-%;
ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50 %; und
ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls, von 1 bis 50 Gew.-%.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung werden an sich Materialien verwendet, wie sie bereits für die Herstellung von Speisern bekannt sind. Die Materialien werden jedoch in einem in besonderer Weise abgestimmten Anteil eingesetzt, sodass die Oxidation bzw. Wärmeentwicklung kontrolliert und beständig auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden kann.
So umfasst die Formstoffmischung zunächst einen feuerfesten Formgrundstoff. Der feuerfeste Formgrundstoff weist einen Schmelzpunkt auf, der deutlich oberhalb der Temperatur liegt, welche ein aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung herge- -.ste-l-lterSpeiser- nach -dem: Zünden—erreicht .- Vorzugsweis_e—1-ie.g.t; der Schmelzpunkt des feuerfesten Formgrundstoffs bevorzugt zumindest 200 0C, bevorzugt zumindest 500 0C über der Maximaltemperatur des Speisers . Bevorzugt weist der feuerfeste Formgrundstoff einen Schmelzpunkt von mindestens 1300 0C, bevorzugt zumindest 1500 0C auf. Gemäß einer Ausführungsform wird eine feuerfester Formgrundstoff verwendet, welcher einen Schmelzpunkt von weniger als 3000 0C, gemäß einer weiteren Ausführungsform von weniger als 2700 0C aufweist. Geeignete feuerfeste Formgrundstoffe sind beispielsweise Quarz, Aluminiumsilikate oder Zirkonoxidsand. Ferner können auch synthetisch hergestellte feuerfeste Füllstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Mullit (AIaSiO5) . In der Auswahl des feuerfesten Formgrundstoffs bestehen zunächst an sich keine Beschränkungen. Der feuerfeste Formgrundstoff sollte eine ausreichende Partikelgröße aufweisen, so dass ein aus der Formstoffmischung hergestellter Speiser eine ausreichend hohe Porosität aufweist, um ein Entweichen flüchtiger Verbindungen während des Gießvorgangs zu ermöglichen. Bevorzugt weisen mindestens 70 Gew.-%, insbesondere bevorzugt mindestens 80 Gew.-% des feuerfesten Formgrundstoffs eine Partikelgröße ≥ 100 um auf. Die durchschnittliche Partikelgröße D50 des feuerfesten Formgrundstoffs soll vorzugsweise zwischen 100 und 350 um betragen. Die Partikelgröße lässt sich beispielsweise durch Siebanalyse ermitteln.
Der Anteil des feuerfesten Formgrundstoffs an der Formstoffmischung wird vorzugsweise im Bereich von 10 bis 75 Gew.-%, bevorzugt 40 bis 70 Gew.-% gewählt.
Weiter umfasst die erfindungemäße Formstoffmischung ein Bindemittel, mit welchem die Formstoffmischung nach der Formgebung verfestigt werden kann, indem ein fester Zusammenhalt zwischen den Körnern des feuerfesten Formgrundstoffs hergestellt wird. Die Menge des Bindemittels wird ausreichend hoch gewählt, um eine ausreichende Formstabilität eines aus der Formstoffmischung hergestellten Speisers gewährleisten zu können. Dabei können an sich alle Bindemittel verwendet werden, die bei der Herstellung von Speisern üblich sind.
So können in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung sowohl organische als auch anorganische Bindemittel eingesetzt werden, deren Aushärtung durch kalte oder heiße Verfahren erfolgen kann. Als kalte Verfahren bezeichnet man dabei Verfahren, welche im Wesentlichen bei Raumtemperatur ohne Erhitzen der Formstoffmischung durchgeführt werden. Die Aushärtung erfolgt dabei meist durch eine chemische Reaktion, die beispielsweise dadurch ausgelöst werden kann, dass ein gasförmiger Katalysator durch die zu härtende Formstoffmischung geleitet wird, oder indem der Form- stoffmischung ein flüssiger Katalysator zugesetzt wird. Bei heißen Verfahren wird die Formstoffmischung nach der Formgebung auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, um beispielsweise das im Bindemittel enthaltene Lösungsmittel auszutreiben, oder um eine chemische Reaktion zu initiieren, durch welche das Bindemittel durch Vernetzen ausgehärtet wird.
Bei Verwendung eines Cold-Box-Bindemittels, also eines Bindemittels, welches durch kalte Verfahren durch Zugabe eines Katalysators ausgehärtet wird, ist dieses bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von Phenol-Urethan-Harzen, welche durch Amine aktiviert werden, Epoxy-Acryl-Harzen, welche durch SO2 aktiviert werden können, alkalischen Phenolharzen, welche durch CO2 oder Methyl- formiat aktiviert werden können, sowie Wasserglas, welches durch CO2 aktiviert werden kann. Dem Fachmann sind an sich derartige Cold-Box-Bindemittel bekannt. Solche Bindemittelsysteme sind beispielsweise in der US 3,409,579 oder der US 4,526,219 beschrieben. Es können aber auch andere Bindemittel verwendet werden, beispielsweise Dextrin, Sulfitablauge oder Salzbinder.
Bindemittel auf der Basis von Polyurethanen sind im Allgemeinen aus zwei Komponenten aufgebaut, wobei eine erste Komponente ein Phenolharz und eine zweite Komponente ein Polyisocyanat enthält. Diese beiden Komponenten werden. mit dem feuerfesten Formgründstoff gemischt und die Formstoffmischung durch Rammen, Blasen, Schießen oder ein anderes Verfahren in eine Form gebracht, verdichtet und anschließend ausgehärtet. Je nach dem Verfahren, mit welchem der Katalysator in die Formstoffmischung eingebracht wird, unterscheidet man zwischen dem "Polyurethan-No-Bake- Verfahren" und dem "Polyurethan-Cold-Box-Verfahren" .
Beim Polyurethan-No-Bake-Verfahren wird ein flüssiger Katalysator, im Allgemeinen ein flüssiges tertiäres Amin, in die Formstoffmischung eingebracht, ehe diese in eine Form gebracht und ausgehärtet wird. Für die Herstellung der Formstoffmischung werden Phenolharz, Polyisocyanat und Aushärtungskatalysator mit dem feuerfesten Formgrundstoff gemischt. Dabei kann beispielsweise in der Weise vorgegangen werden, dass der feuerfeste Formgrundstoff zunächst mit einer Komponente des Bindemittels umhüllt wird, und dann die andere Komponente zugegeben wird. Der Aushärtungskatalysator wird dabei einer der Komponenten zugegeben. Die fertig zubereitete Formstoffmischung muss eine ausreichend lange Verarbeitungszeit aufweisen, sodass die Formstoffmischung ausreichend lange plastisch verformt und zu einem Speiser verarbeitet werden kann. Die Polymerisation muss dazu entsprechend langsam verlaufen, so dass nicht bereits in den Vorratsbehältern oder Zuführungsleitungen eine Aushärtung der Formstoffmischung erfolgt . Andererseits darf die Aushärtung nicht zu langsam erfolgen, um einen ausreichend hohen Durchsatz bei der Herstellung von Speisern zu erreichen. Die Verarbeitungszeit kann beispielsweise durch Zugabe von Verzögerern beeinflusst werden, welche die Aushärtung der Formstoffmischung verlangsamen. Ein geeigneter Verzögerer ist beispielsweise Phosphoroxychlorid.
Beim Polyurethan-Cold-Box-Verfahren wird die aus feuerfestem Formgrundstoff, Polyolkomponente, Polyisocyanatkomponente und ggf. Additiven hergestellte Formstoffmischung zunächst ohne Ka- talysator in eine Form gebracht. Durch die zu einem Speiser geformte Formstoffmischung wird anschließend ein gasförmiges tertiäres Amin geleitet, welches gegebenenfalls mit einem inerten Trägergas versetzt sein kann. Bei Kontakt mit dem gasförmigen Katalysator bindet das Bindemittel sehr schnell ab, so dass ein hoher Durchsatz bei der Herstellung von Speisern erzielt wird.
Bevorzugt werden anorganische Bindemittel in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in der exothermen Formstoffmischung Wasserglas als Bindemittel eingesetzt. Die Verwendung von Wasserglas als Bindemittel hat den Vorteil, dass beim Abbrand des Speisers eine geringere Rauchentwicklung auftritt als bei Verwendung organischer Bindemittel. Dadurch sinkt die Belastung an gesundheitsschädlichen Verbindungen, die beim Abguss freigesetzt werden, sowie die Geruchsbelästigung. Als Wasserglas können dabei übliche Wassergläser verwendet werden, wie sie bereits als Bindemittel in Formstoffmischungen für die Gießereiindustrie verwendet werden. Diese Wassergläser enthalten gelöste Natrium- bzw. Kaliumsilikate und können durch Lösen von glasartigen Kalium- und Natriumsilikaten in Wasser hergestellt werden. Das Wasserglas weist vorzugsweise ein Modul M2θ/SiC>2 im Bereich von 2,0 bis 3,5 auf, wobei M für Natrium und/oder Kalium steht. Die Wassergläser weisen vorzugsweise einen Feststoffanteil im Bereich von 20 bis 50 Gew.-% auf. Ferner kann für die Herstellung des Speisers auch festes Wasserglas verwendet werden. Für die Anteile an der Formmasse für die Herstellung des Speisers werden jeweils nur die Feststoffanteile des Wasserglases berücksichtigt.
Der Anteil des Bindemittels, .berechnet in trockenem Zustand, d.h. ohne Berücksichtigung von Lösungsmitteln zum Verdünnen des Bindemittels, und bezogen auf die trockene Formstoffmischung, wird bevorzugt zwischen 5 und 50 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 8 und 40 Gew.-% und insbesondere bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 Gew.-% gewählt.
Als weiteren Bestandteil umfasst die erfindungsgemäße Formstoffmischung ein oxidierbares Metall. Auch hier können an sich alle oxidierbaren Metalle verwendet werden, wie sie bereits bisher für die Herstellung von exothermen Speisern verwendet werden . Die Metalle sollten eine ausreichende Reaktivität gegenüber einer Reaktion mit einem Oxidationsmittel aufweisen, sodass der Speiser beim Kontakt mit flüssigem Aluminium zuverlässig entzündet werden kann.
Erfindungsgemäß wird der Anteil des oxidierbaren Metalls an der Formstoffmischung relativ gering gehalten, sodass im Vergleich zu Speisern für den Eisen- und Stahlguss nur eine relativ geringe Wärmeentwicklung erfolgt und sich ein aus der Formstoffmischung hergestellter Speiser nur bis zu einer Temperatur von bevorzugt weniger als 1250 0C erhitzt. Der Anteil des oxidierbaren Metalls an der Formstoffmischung beträgt lediglich 5 bis 18 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 9 bis 14 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Formstoffmischung. Dies ist im Vergleich zu Speisern für den Eisen- und Stahlguss sehr niedrig. Derartige Speiser für den Eisen- und Stahlguss weisen einen Gehalt an oxidierbarem Metall im Bereich von 20 bis 33 Gew.-% auf. Die prozentualen Angaben beziehen sich auf die Formstoffmischung ohne Anteile von Lösungsmittel, die beispielsweise über das Lösungsmittel des Bindemittels in die Formstoffmischung eingebracht werden.
Weiter enthält die Formstoffmischung ein Oxidationsmittel, mit welchem das oxidierbare Metall nach Zünden des Speisers oxidiert wird. Als Oxidationsmittel kann beispielsweise Eisenoxid und/oder ein Alkalinitrat, wie Natrium- oder Kaliumnitrat verwendet werden. In der erfindungsgemäßen Formstoffmischung wird das Oxidations- mittel in starkem Unterschuss eingesetzt. Dadurch wird die Oxi- dation des oxidierbaren Metalls stark verlangsamt, da zusätzlich Luftsauerstoff zum oxidierbaren Metall transportiert werden muss, um die Oxidation vollständig ablaufen zu lassen. Die bei der Oxidation auftretende Wärmeentwicklung wird daher weit zurückgedrängt. Der Anteil des Oxidationsmittels wird, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls bezogene Menge des Oxidationsmittels, in einem Bereich von 10 bis 50 %, vorzugsweise 15 bis 35 %, besonders bevorzugt 20 bis 30 % gewählt.
Bezogen auf das Gewicht der Formstoffmischung ist der Anteil abhängig vom verwendeten Oxidationsmittel . Bevorzugt wird der Anteil des Oxidationsmittels an der Formstoffmischung im Bereich von 3 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 18 Gew.-%, besonders bevorzugt 7 bis 15 Gew.-% gewählt.
Weiter enthält die erfindungsgemäße Formstoffmischung ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls. Bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung sind die Erfinder von der Vorstellung ausgegangen, dass die Körner des oxidierbaren Metalls durch eine dünne Oxidschicht passiviert sind. Als Zündmittel ist also jedes Material geeignet, das die Passi- vierung überwinden kann, die das oxidierbare Metall durch die auf seiner Oberfläche ausgebildete Oxidschicht erfährt. Das Zündmittel bewirkt also ein Durchbrechen der passivierenden O- xidschicht, sodass das blanke oxidierbare Metall freigelegt wird. Dazu kann das Zündmittel mit der dünnen Oxidschicht reagieren, wobei diese beispielsweise reduziert oder in eine Verbindung überführt wird, die keine durchgehende Passivierung des oxidierbaren Metalls bewirkt bzw. die für das Oxidationsmittel JJCOOCU- d rchlässig ist. Durch ein solches Zündmittel kann also die auf dem oxidierbaren Metall vorhandene Passivierungsschicht angeätzt werden. Ein solches Zündmittel kann beispielsweise ein Halogen sein, wie Brom oder Jod, welches mit der passivierenden Schicht des oxidierbaren Metalls, beispielsweise Aluminium, reagiert. Das Zündmittel kann aber auch ein Material sein, das leichter oxidiert wird als das oxidierbare Metall und bei der Oxidation eine ausreichend hohe Wärmeentwicklung zeigt, sodass das oxidierbare Metall zumindest in Abschnitten geschmolzen wird, wodurch die passivierende Schicht aufgerissen werden kann.
Bezogen auf die Menge des eingesetzten oxidierbaren Metalls wird das Zündmittel in einem Anteil von 15 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 35 Gew.-% eingesetzt.
Bezogen auf das Gewicht der Formstoffmischung wird der Anteil des Zündmittels bevorzugt größer als 1 Gew.-%, vorzugsweise größer als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt größer als 3 Gew.-% und gemäß einer weiteren Ausführungsform größer als 4 Gew.-% gewählt. Um eine Aktivierung des oxidierbaren Metalls zu erreichen, ist es gemäß einer Ausführungsform ausreichend, wenn der Anteil des Zündmittels kleiner als 15 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 12 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 9 Gew.-% gewählt wird.
Durch die besondere Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Form- stoffmischung können Speiser hergestellt werden, die reproduzierbar nach der Zündung ein Temperaturprofil erzeugen, das eine Maximaltemperatur von bevorzugt weniger als 1250 0C, weiter bevorzugt weniger als 1150 0C aufweist, wobei der Abbrand gleichmäßig und kontrolliert abläuft. Andererseits erreicht der Speiser beim Abbrand eine Temperatur von vorzugsweise mehr als 600 0C, bevorzugt mehr als 700 0C, so dass das Aluminium im Speiserhohlraum in der flüssigen Phase gehalten wird, bis das Aluminium im Formhohlraum einer zugeordneten Gießform erstarrt ist. Das im Ausgleichshohlraum eines aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung hergestellten Speisers enthaltene Aluminium kann zuverlässig in einem flüssigen Zustand gehalten werden, sodass eine Speisung des Gussstücks unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen erfolgt. Aus der erfindungsgemäßen Form- stoffmischung können also Speiser hergestellt werden, die bei gegebenem Speiservolumen einen höheren Modul aufweisen als Naturspeiser oder isolierende Speiser, bzw. die bei vorgegebenem Modul ein geringeres Speiservolumen aufweisen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls ein Ätzmittel, welches die passivierte Oberfläche des oxidierbaren Metalls anätzen kann. Unter einem Ätzmittel wird dabei eine Verbindung verstanden, welche mit der passivierenden Schicht des oxidierbaren Metalls, im Allgemeinen ein Oxidfilm, reagieren kann, sodass die passi- vierende Schicht aufgebrochen wird und die Reaktionsfähigkeit bzw. Zündfähigkeit des oxidierbaren Metalls erhöht wird.
Bevorzugt wird als Zündmittel ein fluorhaltiges Flussmittel verwendet. Der Anteil des fluorhaltigen Flussmittels wird als Natriumhexafluoroaluminat berechnet .
Es können an sich alle fluorhaltigen Flussmittel eingesetzt werden, die bereits bei der Herstellung von exothermen Speisern verwendet werden. Geeignetes fluorhaltige Flussmittel sind beispielsweise Natriumhexafluoroaluminat, Kaliumhexafluoroaluminat, Natriumfluorid und Kaliumfluorid. Durch den hohen Anteil des fluorhaltigen Flussmittels wird eine niedrige Zündtemperatur sowie ein gleichmäßiger Abbrand der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung erreicht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird als Zündmittel Magnesium eingesetzt. Magnesiummetall lässt sich relativ einfach zünden und zeigt bei der Oxidation eine hohe Wärmeentwicklung.
Der Anteil des Magnesiums an der exothermen Formstoffmischung beträgt bezogen auf die Formstoffmischung bevorzugt mindestens 3 Gew.-%, besonders bevorzugt zumindest 5 Gew.-%. Bei einem zu geringen Anteil des Magnesiums ist der Einfluss auf die Entzünd¬ barkeit der Mischung nur gering. Das Magnesiummetall kann an sich in beliebiger Form eingesetzt werden. Bevorzugt wird das Magnesium in Form eines feinen Grießes eingesetzt, da dieser sehr homogen in der Formstoffmischung verteilt werden kann.
Das Magnesiummetall kann in reiner Form eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, das Magnesium in Form einer Legierung einzusetzen, beispielsweise in Form einer Legierung mit dem oxi- dierbaren Metall, beispielsweise einer Aluminium-Magnesium- Legierung. Durch die feine Verteilung des Magnesiums in der Legierung kann die Zündtemperatur der Legierung herabgesetzt werden, sodass eine kontrollierte Zündung der Formstoffmischung bzw. des daraus hergestellten Speisers beim Einströmen des flüssigen Aluminiums in den Ausgleichshohlraum des Speisers erreicht wird. Der Anteil des Magnesiums an der Legierung wird bevorzugt größer als 30 Gew.-%, bevorzugt größer 40 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 80 Gew.-% gewählt.
Das in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung verwendete oxi- dierbare Metall ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von Aluminium, Magnesium und Silizium, sowie deren Legierungen. Die genannten Metalle bzw. Legierungen können jeweils allein oder als Mischung eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann also sowohl das oxidierbare Metall als auch das Zündmittel durch Magnesium gebildet werden. Da Magnesium jedoch schwerer zugänglich ist als beispielsweise Aluminium, wird bevorzugt Aluminium als oxidierbares Metall gewählt. Magnesium wird bevorzugt als Zündmittel und weniger bevorzugt als oxidierbares Metall eingesetzt.
Das oxidierbare Metall sollte bevorzugt homogen in der exothermen Formstoffmischung verteilt vorliegen, sodass nach der Zün- düng eine gleichmäßige Erwärmung des Speisers erfolgt. Das oxi- dierbare Metall wird daher bevorzugt in Form eines Pulvers oder feinen Granulats bzw. Grießes in die Formstoffmischung eingearbeitet. Das oxidierbare Metall sollte allerdings auch nicht in einer zu fein verteilten Form vorliegen, da sonst die Metallpartikel eine zu große Reaktivität erhalten können und die Oxidati- on des oxidierbaren Metalls zu rasch verläuft. Bevorzugt wird die Korngröße des oxidierbaren Metalls größer als 0,05 um, besonders bevorzugt größer als 0,1 um gewählt. Andererseits sollte die Korngröße bevorzugt nicht zu groß gewählt werden, da dann eine gleichmäßige Wärmeentwicklung des Speisers über den Gießvorgang hinweg nicht mehr sichergestellt ist. Bevorzugt wird die Korngröße des oxidierbaren Metalls kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,8 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,5 mm gewählt. Die Korngröße des oxidierbaren Metalls lässt sich mit üblichen Mitteln ermitteln, beispielsweise mittels Siebanalyse.
Sofern Magnesium als Zündmittel eingesetzt wird, wird die Korngröße des Magnesiumgrießes in Bereichen gewählt, wie sie oben für das oxidierbare Metall angegeben sind.
Um den Wärmeverlust des Speisers bzw. des im Ausgleichshohlraum enthaltenen flüssigen Aluminiums möglichst gering zu halten, wird der Speiser bevorzugt so ausgeführt, dass die Formstoffmischung wärmeisolierend wirkt. Dazu ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass der feuerfeste Formgrundstoff zumindest teilweise von einem isolierenden Feuerfestmaterial gebildet ist. Unter einem isolierenden Feuerfestmaterial wird ein feuerfester Formgrundstoff verstanden, welcher eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist als Quarzsand. Geeignete isolierende Feuerfeststoffe sind beispielsweise Bims, Glashohlkugeln, Schamotte, Leichtkugeln, ^Glimmer, Tone, Flugasche, geschäumte_ Materialien, offenporige Keramik und vergleichbare Materialien. Besonders bevorzugt werden in der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung isolierende Feuerfestmaterialien eingesetzt, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Vorzugsweise beträgt die Wärmeleitzahl des isolierenden Feuerfeststoffs 0,04 - 0,25 W/mK, bevorzugt 0,07 bis 0,2 W/mK. Die Wärmeleitzahl lässt sich mit üblichen Geräten bestimmen, beispielsweise einem TCT 426 Wärmeleitfähigkeitsprüfer gemäß dem T (R) -Verfahren gemäß ASTM-C-I113.
Der feuerfeste Formgrundstoff der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung umfasst daher bevorzugt zumindest einen Anteil eines isolierenden Feuerfestmaterials, welches Hohlräume aufweist und das durch das in den Hohlräumen eingeschlossene Gas stark wärmeisolierend ist. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die exotherme Formstoffmischung als isolierendes Feuerfestmaterial einen Anteil an feuerfesten Mikrohohlkugeln. Diese Mikro- hohlkugeln weisen eine durchgehende äußere Hülle auf, die einen gasgefüllten Hohlraum umschließt. Die Hülle ist bevorzugt aus einem Aluminiumsilikat aufgebaut. Die Mikrohohlkugeln weisen einen Durchmesser von vorzugsweise weniger als 3 mm, insbesondere bevorzugt weniger als 1 mm auf. Die Wandstärke der Mikrohohlkugeln beträgt vorzugsweise 5 bis 20 % des Durchmessers der Mikrohohlkugeln. Solche Mikrokugeln lassen sich beispielsweise aus Flugasche gewinnen, welche in Industrieanlagen aus Verbrennungsabgasen abgetrennt wird. Die Zusammensetzung der Aluminium- silikatmikrohohlkugeln kann innerhalb weiter Bereiche variieren. Bevorzugt liegt der Aluminiumanteil, berechnet als AI2O3 und bezogen auf das Gewicht der Mikrohohlkugeln, zwischen 20 und 75 %, vorzugsweise 25 und 40 %. Der Anteil der Mikrohohlkugeln am feuerfesten Formgrundstoff wird vorzugsweise größer als 30 %, bevorzugt größer als 40 %, besonders bevorzugt im Bereich von 60 bis 9_5_%.,_ insbe.so_ndÄr_e_bevQ.rzugt_im ^Bereich vonjSJ5_bis 90 Gew.-%. gewählt. Es können auch Glashohlkugeln mit einem Alummiumgehalt von 0 bis 25 % zum Einsatz kommen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Formstoffmischung als isolierenden Feuerfeststoff zumindest anteilig einen porösen Feuerfeststoff mit einer offenporigen Struktur. Durch die offenporige Struktur erhält der Speiser eine sehr gute Gasdurchlässigkeit, sodass die Luft im Ausgleichshohlraum beim Eindringen des flüssigen Aluminiums weitgehend ungehindert entweichen kann bzw. wenn das flüssige Aluminium beim Speisen wieder aus dem Ausgleichshohlraum abfließt, weitgehend ungehindert wieder in den Ausgleichshohlraum nachströmen kann.
Unter einem porösen Feuerfeststoff, welcher eine durchgehend offene Porenstruktur aufweist, wird ein feuerfester Stoff mit einer schwammartigen Struktur verstanden, welche sich durch das gesamte Volumen des Korns erstreckt. Eine solche offenporige Struktur lässt sich beispielsweise an einem Schliffbild eines Korns, ggf. unter mikroskopischer Vergrößerung, erkennen. Während bei den oben erwähnten Mikrohohlkügelchen jeweils eine einzelne "Pore" von einer weitgehend gasdichten Hülle umgeben wird und daher kein einfacher Gasaustausch zwischen dem Hohlraum des Mikrohohlkügelchens und der Umgebung möglich ist, wird der offenporige poröse Feuerfeststoff von Passagen durchzogen, welche einen Gasaustausch der einzelnen Poren mit der Umgebung ermöglichen. Der Anteil der Poren am gesamten Volumen des porösen offenporigen Stoffes ist bevorzugt sehr hoch. Bevorzugt weist der poröse feuerfeste Stoff ein Porenvolumen von zumindest 50 %, vorzugsweise mindestens 60 %, insbesondere mindestens 65 % auf, bezogen auf das Gesamtvolumen des porösen feuerfesten Stoffs . Das Porenvolumen lässt sich beispielsweise durch Quecksilber- intrusion bestimmen.
Geeignete poröse feuerfeste Stoffe sind_ beispielsweise Bims- _ stein, Blähschiefer, Perlit, Vermiculit, Kesselsand, Schaumlava, poröse Glaskugeln oder Blähbeton, sowie deren Gemische. Die gemäß einer Ausführungsform in der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung enthaltenen porösen Feuerfeststoffe mit offenporiger Struktur weisen vorzugsweise eine Dichte von weniger als 0,5 g/ml, vorzugsweise weniger als 0,4 g/ml, insbesondere bevorzugt 0,05 bis 0,4 g/ml auf. Unter Dichte wird hierbei die Schüttdichte verstanden. Die aus der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung hergestellten Speiser, welche einen Anteil eines isolierenden Feuerfeststoffs umfassen, weisen daher vorteilhaft ein geringes Gewicht auf. Die Speiser können beispielsweise auf ein Modell aufgesteckt werden und fallen wegen ihres geringen Gewichtes nicht ab, wenn das Modell bzw. die Form gewendet wird.
Der feuerfeste Formgrundstoff kann vollständig oder teilweise von dem isolierenden Feuerfestmaterial gebildet werden. Auch aus Kostengründen werden bevorzugt Gemische aus isolierendem Feuerfestmaterial und anderen feuerfesten Formgrundstoffen, die eine geringere Isolierwirkung aufweisen, verwendet. Beispielhafte weniger isolierende feuerfeste Formgrundstoffe wurden bereits genannt. Ein Beispiel für einen geeigneten feuerfesten Formgrundstoff, der mit dem isolierenden Feuerfeststoff gemischt werden kann, ist Quarzsand. Vorzugsweise wird der Anteil des isolierenden Feuerfeststoffs an dem feuerfesten Formgrundstoff größer als 20 Gew.-%, bevorzugt größer als 30 Gew.-%, insbesondere größer als 40 Gew.-% gewählt. Eine ausreichende Isolierwirkung wird bereits erzielt, wenn der Anteil des isolierenden Feuerfestmaterials am feuerfesten Formgrundstoff vorzugsweise kleiner als 80 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 70 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner als 60 Gew.-% gewählt wird.
Die erfindungsgemäße exotherme Formstoffmischung weist vorzugsweise eine J3asdjαrjΞhläj3sijg_keitszahl von mindestens 150, vorzugsweise mehr als 200, insbesondere mehr als 300 auf. Die Gasdurchlässigkeitszahl ist eine in der Gießereiindustrie übliche Kenn- große für die Porosität von Formkörpern oder Formsanden. Sie wird an einem Prüfkörper, der eine bestimmte Form aufweist, mit Geräten der Firma Georg Fischer AG, Schaffhausen, Schweiz, bestimmt. Die Bestimmung der Gasdurchlässigkeit wird bei den Beispielen beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform wird Bimsstein als poröser Feuerfeststoff mit offenporiger Struktur verwendet. Bimsstein ist ein natürlich vorkommendes Gesteinsglas, d.h. er besitzt im Wesentlichen eine amorphe Struktur ohne erkennbare Kristalle. Bimsstein weist ein geringes spezifisches Gewicht von bis zu etwa 0,3 g/cm3 auf. Er besitzt ein sehr hohes Porenvolumen von bis zu 85 %. Durch seine hohe Porosität weist der Bimsstein eine sehr hohe Gasdurchlässigkeit auf.
Als Bimsstein wird vorzugsweise ein Material aus einer natürlichen Quelle verwendet, welche auf eine geeignete Korngröße vermählen ist. Die Korngröße des gemahlenen Bimssteins beträgt vorzugsweise weniger als 1,5 mm, insbesondere bevorzugt weniger als 1 mm. Die Korngröße kann beispielsweise durch Sieben oder Windsichten eingestellt werden.
Ein weiterer geeignetes isolierendes Feuerfestmaterial sind poröse Glaskugeln. Die Korngröße beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1 mm. Die Schüttdichte liegt vorzugsweise im Bereich von 200 bis 500 kg/m3.
Neben dem feuerfesten Formgrundstoff kann die erfindungsgemäße exotherme Formstoffmischung gemäß einer Ausführungsform einen Anteil eines reaktiven Aluminiumoxids enthalten. Das reaktive Aluminiumoxid weist bevorzugt folgende Eigenschaften auf: Al2O3-Ge-IaIt > 90 %
Gehalt an OH-Gruppen < 5 % spezifische Oberfläche (BET) 1 bis 10 m2/g mittlerer Teilchendurchmesser (D50) 0,5 bis 15 μm
Durch den Zusatz eines reaktiven Aluminiumoxids zur Formstoffmi- schung kann die Festigkeit eines aus der Formstoffmischung hergestellten Speisers verbessert werden.
Das reaktive Aluminiumoxid ist vorzugsweise, bezogen auf das Gewicht der exothermen Formstoffmischung in einem Anteil von mehr als 2 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 5 Gew.-% in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung enthalten.
Wird der feuerfeste Formgrundstoff anteilig aus einem isolierenden Feuerfeststoff gebildet, kann die exotherme Formstoffmischung noch einen feuerfesten Füllstoff umfassen, welcher vorzugsweise einen relativ geringen SiO2-Anteil aufweist. Vorzugsweise weist der feuerfeste Füllstoff einen Siθ2~Anteil von weniger als 60 Gew.-%, bevorzugt weniger als 50 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 40 Gew.-% auf. Durch den geringen Anteil an Siθ2 wird der Gefahr eines Verglasens entgegengewirkt, wodurch Gussfehler vermieden werden können. Gemäß einer Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße exotherme Formstoffmischung kein SiO2 als Mischungsbestandteil, ist also frei von beispielsweise Quarzsand. Der in der Formstoffmischung enthaltene Siθ2-Anteil liegt also vorzugsweise in gebundener Form als Aluminiumsilikat vor.
Besonders bevorzugt ist der feuerfeste Füllstoff zumindest anteilig aus Schamotte gebildet. Unter Schamotte wird ein hoch gebrannter (doppelt gebrannter) Ton verstanden, welcher eine Formbeständigkeit bis zu einer Temperatur von etwa 1500°C aufweist. Neben amorphen Anteilen kann Schamotte die kristallinen Phasen Mullit (3Al2O3 • 2SiO2) und Cristobalit (SiO2) enthalten. Die Schamotte ist ebenfalls bevorzugt auf eine Korngröße von weniger als 1,5 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm gemahlen. Durch die Schamotte erhalten die aus der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung hergestellten Speiser eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit.
Bevorzugt ist der Anteil der Schamotte am feuerfesten Füllstoff hoch gewählt. Bevorzugt beträgt der Anteil der Schamotte, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Füllstoffs, zumindest 50 Gew.-%, insbesondere bevorzugt zumindest 60 Gew.-%, und ganz besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-%. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der feuerfeste Füllstoff im Wesentlichen nur aus Schamotte gebildet. Die Schamotte ist bevorzugt in gemahlener Form in der exothermen Formstoffmischung enthalten. Die Korngröße beträgt hierbei bevorzugt weniger als 1,5 mm, insbesondere bevorzugt weniger als 1 mm.
Die Schamotte weist bevorzugt einen hohen Anteil an Aluminiumoxid auf. Bevorzugt enthält die Schamotte mindestens 30 Gew.-% Aluminiumoxid, insbesondere bevorzugt zumindest 35 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zumindest 40 Gew.-%. Das Aluminiumoxid liegt bevorzugt in Form von Aluminiumsilikaten vor.
Der Anteil des feuerfesten Füllstoffs, bezogen auf das Gewicht der exothermen Formstoffmischung beträgt bevorzugt zwischen 5 und 60 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 8 bis 50 Gew.-%. Die Anteile des feuerfesten Füllstoffs schließen die Anteile an Bimsstein und reaktivem Aluminiumoxid nicht ein.
Neben den bereits genannten Bestandteilen kann die ertinüungsge- mäße Formstoffmischung noch andere Bestandteile in üblichen Mengen enthalten. So kann beispielsweise ein organisches Material enthalten sein, wie z.B. Holzmehl. Vorteilhaft liegt das organische Material in einer Form vor, in der dieses keine flüssigen Bestandteile, wie z.B. Wasserglas, aufsaugt. Bei der Herstellung der exothermen Formstoffmischung kann das Holzmehl dazu beispielsweise zunächst mit einem geeigneten Material, wie Wasserglas, versiegelt werden, sodass die Poren verschlossen sind. Durch die Anwesenheit de.s organischen Materials wird die Abkühlung des flüssigen Aluminiums beim Erstkontakt mit der Wand des Ausgleichshohlraums weiter herabgesetzt.
Sofern ein organisches Material, wie Holzmehl, in der exothermen Formstoffmischung enthalten ist, ist dieses bezogen auf die exotherme Formstoffmischung vorzugsweise in einem Anteil von 5 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 8 bis 12 Gew.-% enthalten.
Ein Speiser, welcher aus der oben beschriebenen exothermen Formstoffmischung hergestellt worden ist, eignet sich speziell für den Aluminiumguss, da er nach dem Zünden nur eine relativ geringe Wärmeentwicklung zeigt und daher das in einem Ausgleichshohlraum eines derartigen Speisers angeordnete flüssige Aluminium nicht auf eine hohe Temperatur erhitzt, sodass ein Sieden des Aluminiums verhindert wird. Dadurch werden Gaseinschlüsse im Gussstück sowie Störungen im Kristallgefüge des Gussstücks wirksam zurückgedrängt.
Die Erfindung betrifft daher auch einen Speiser für den Alumini- umguss, hergestellt aus einer exothermen Formstoffmischung wie sie oben beschrieben wurde. Der Speiser erreicht beim Abbrand eine Temperatur von weniger als 1250 0C, bevorzugt weniger als 1150 0C, vorzugsweise weniger als 1050 0C. Um das im Ausgleichhohlraum des Speisers enthaltene Aluminium für einen ausreichenden Zeitraum in flüssiger Form zu halten^ erreicht der Speiser beim Abbrand vorzugsweise eine Temperatur von mehr als 6000C, bevorzugt mehr als 700 0C. Der erfindungsgemäße exotherme Speiser für den Aluminiumguss umfasst einen Ausgleichshohlraum und eine den Ausgleichshohlraum umgebende Speiserwand, wobei die Speiserwand aus einem Material aufgebaut ist, welches zumindest enthält:
- einen feuerfesten Formgrundstoff;
ein Bindemittel;
ein oxidierbares Metall in einem Anteil von 5 bis 18 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Speiserwand;
ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmittels, von 10 bis 50 %; und
ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls, von 15 bis 50 Gew.-%.
Der erfindungsgemäße exotherme Speiser für den Aluminiumguss kann an sich jede für Speiser bekannte Form annehmen. So umfasst der Begriff "Speiser", wie er hier verwendet wird, beispielsweise auch Speiserhülsen, also annähernd zylinderförmige Röhren, die beidseitig geöffnet sind, Kappen, also näherungsweise zylinderförmige Röhren, die einseitig geschlossen sind, sowie auch Speiser im landläufigen Sinn. Die Speiser können in eine Gießform einsteckbar sein oder auch in die Gießform eingeformt werden. Unter einem Speiser im Sinne der Erfindung wird also ein Formkörper mit einer Speiserwand verstanden, die einen Ausgleichshohlraum umschließt, wobei der Ausgleichshohlraum einseitig oαer aucn zweiseitig georrnet sein Kann. Der Ausg±excnsnon±- raum nimmt während des Metallgusses flüssiges Metall auf und gibt dieses zumindest teilweise während der Erstarrung des Guss- Stücks wieder ab. Unter einem Restspeiser wird das erstarrte Metall verstanden, welches nach dem Gießvorgang im Ausgleichs- hohlraum des Speisers verbleibt und erstarrt und mit dem Gussstück verbunden ist.
Die einzelnen Bestandteile sowie vorteilhafte Ausführungsformen des Speisers wurden bereits bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung erläutert. Auf die entsprechenden Passagen der Beschreibung wird Bezug genommen.
Der erfindungsgemäße exotherme Speiser für den Aluminiumguss kann an sich jede beliebige Form annehmen, wie sie für den Me- tallguss, beispielsweise den Eisen- oder Stahlguss, bekannt ist. Der Speiser kann ein- oder mehrteilig ausgeführt werden, wobei der gesamte Speiser aus der erfindungsgemäßen exothermen Form- stoffmischung hergestellt worden sein kann, oder lediglich Teile des Speisers. So kann der Speiser einen Speiserkopf umfassen, der aus der exothermen Formstoffmischung hergestellt ist, wobei in den Speiserkopf eine verschiebbare Hülse eingesteckt sein kann, welche die Verbindung zwischen einem im Speiserkopf enthaltenen Ausgleichshohlraum und dem Formhohlraum der Gießform herstellt. Der Speiser kann in einer Form ausgebildet sein, so- dass er direkt auf einem Modell aufgesetzt werden kann. Es ist aber auch möglich, eine Aufnahme für einen Federdorn vorzusehen, auf welchen der erfindungsgemäße Speiser dann aufgesteckt wird.
Im Gegensatz zu den bisher im Aluminiumguss verwendeten Speisern kann der erfindungsgemäße exotherme' Speiser wesentlich kleiner ausgeführt werden. So kann ein Ausgleichshohlraum im Inneren des Speisers relativ klein ausgeführt werden, da die in ihm aufgenommene Menge an Aluminium durch die exothermen Eigenschaften des Speisers während des Gusses in flüssigem Zustand gehalten wird. An sich kann der erfindungsgemäße Speiser in jeder Größe und mit jeder Wandstärke ausgeführt werden. Die im Folgenden aufgeführten Maßangaben sind daher beispielhaft.
Das Volumen des Ausgleichshohlraums wird in Abhängigkeit von der Größe des herzustellenden Gussstücks und der Schrumpfung gewählt die das Gussstück während des Erstarrens des Aluminiums erfährt. Gemäß einer Ausführungsform wird das Volumen des Ausgleichshohlraums geringer als 2000 cm3, gemäß einer weiteren Ausführungsform geringer als 1500 cm3, und gemäß einer weiteren Ausführungsform geringer als 500 cm3 gewählt. Es ist aber auch möglich, Speiser mit einem Ausgleichshohlraum bereitzustellen, dessen Volumen größer als 2000 cm3 beträgt. Gemäß einer Ausführungsform wird das Volumen des Ausgleichshohlraums größer als 100 cm3 gewählt.
Auch die Wandstärke des Speisers bzw. das Außenvolumen des Speisers kann geringer als bei den bisher üblichen Speisern für den Aluminiumguss gewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt das Außenvolumen des Speisers, also das Volumen, welches durch die Außenwand des Speisers, bzw. bei mehrteiliger Ausführung des Speiserkopfs, begrenzt wird, weniger als 3000 cm3, gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 2500 cm3, und gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 1000 cm3. Es können jedoch auch erfindungsgemäße Speiser bereitgestellt werden, die ein Außenvolumen von mehr als 3000 cm3 aufweisen. Gemäß einer Ausführungsorm wird das Außenvolumen des Speisers größer als 250 cm3 gewählt.
Die maximale Wandstärke des erfindungsgemäßen Speisers beträgt gemäß einer Ausführungsform weniger als 15 cm, gemäß einer weiteren AUSführungsform weniger als 8 cm, und gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 4 cm. Es ist jedoch auch möglich, erfindungsgemäße Speiser bereitzustellen, die eine maximale Wandstärke aufweisen, die mehr als 15 cm beträgt. Gemäß einer Ausführungsform wird die maximale Wandstärke größer als 0,5 cm, gemäß einer weiteren Ausführungsform größer als 1 cm gewählt. Die maximale Wandstärke entspricht der dicksten Stelle der den Ausgleichshohlraum umgebenden Speiserwand, wobei jeweils der kürzeste Abstand zwischen Außen- und Innenwand gemessen wird.
Die Wahl der Größe des Speisers und seiner Abmessungen ist stark vom betrachteten Gussstück abhängig. Der Fachmann kann jedoch auf der Grundlage seines Fachwissens, ggf. unter Einbeziehung von Vorversuchen, einen geeignet dimensionierten Speiser auswählen.
Im Vergleich zu Naturspeisern, d.h. Speisern, die lediglich aus einem üblichen feuerfesten Formgrundstoff, wie Quarzsand, hergestellt sind, lässt sich die Menge des Aluminiums, die sich zum Speisen des Gussstücks im Ausgleichshohlraum des Speisers aufgenommen wird, um bis zu 80 % verringern.
Der erfindungsgemäße Speiser wird an sich nach üblichen Verfahren hergestellt. Zunächst wird die oben beschriebene exotherme Formstoffmischung hergestellt. Diese exotherme Formstoffmischung wird zu einem Rohling verarbeitet, indem die exotherme Formstoffmischung beispielsweise in einer Kernschießmaschine mittels Druckluft in eine geeignete Form geschossen wird. Bevorzugte feuerfeste Formgrundstoffe und weitere Bestandteile der exothermen Formstoffmischung wurden bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der erfindungsgemäßen exothermen Formstoffmischung erläutert. Geeignete Bindemittel wurden ebenfalls bereits bei der Beschreibung der exothermen Formstoffmischung erläutert . Besonders bevorzugt wird als Bindemittel Wasserglas verwendet.
Wird bei der Herstellung des Speisers Wasserglas als Bindemittel verwendet, erfolgt die Aushärtung der exothermen Formstoffmischung durch übliche Verfahren. Die Aushärtung kann durch Durch- leiten von Kohlendioxid durch den Rohling des Speisers erfolgen, wobei die Aushärtung bevorzugt bei Raumtemperatur erfolgt. Es ist aber auch möglich, den Rohling des Speisers zu erhitzen, beispielsweise auf Temperaturen von 120 bis 200 0C. Um die Aushärtung zu beschleunigen, kann auch heiße Luft durch den Rohling des Speisers geleitet werden. Die Temperatur der eingeblasenen Luft beträgt vorzugsweise 100 0C bis 180 0C, insbesondere bevorzugt 120 0C bis 150 0C. Nach dem ersten Aushärten kann der Speiser noch getrocknet werden, beispielsweise in einem Ofen oder durch Bestrahlen mit Mikrowellen.
Werden andere Bindemittel, beispielsweise organische Bindemittel, verwendet, erfolgt die Aushärtung der exothermen Formstoff- mischung nach der Formgebung des Speisers ebenfalls durch gängige Verfahren. So kann bei Verwendung eines Cold-Box-Bindemittels beispielsweise ein gasförmiges tertiäres Amin in üblicher Weise durch die zu einem Speiser geformte exotherme Formstoffmischung geleitet werden.
Nach der Aushärtung kann der Speiser aus dem Formwerkzeug entnommen werden. Die Aushärtung kann vollständig sein oder auch erst teilweise erfolgt sein, sodass nach der Entnahme eine Nachhärtung, beispielsweise durch Wärmeeinwirkung, durchgeführt wird.
Der erfindungsgemäße Speiser eignet sich für den Aluminiumguss. Die Erfindung betrifft daher weiter die Verwendung des oben beschriebenen Speisers für den Aluminiumguss. Der Speiser wird dabei in üblicher Weise an der Gießform angesetzt bzw. in diese eingebracht . Nach Herstellung der Gießform wird der Aluminiumguss in üblicher Weise durchgeführt.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße exotherme bpexser rur αen Aluminiumguss in der Weise verwendet, dass zunächst eine Gießform mit einem Formhohlraum bereitgestellt wird. Die Gießform umfasst zumindest einen Speiser, wie er oben beschrieben worden ist, und welcher einen Ausgleichshohlraum umfasst.
Anschließend wird flüssiges Aluminium in die Gießform eingefüllt, sodass zumindest der Formhohlraum der Gießform sowie ein Speiservolumen des Speisers mit dem flüssigen Aluminium gefüllt sind. Das Speiservolumen entspricht maximal dem Volumen des Ausgleichshohlraums des Speisers und entspricht der Menge an Aluminium, die zu Beginn des Speisens im Ausgleichshohlraum bereitgestellt ist. Meist wird das Speiservolumen kleiner als das Volumen des Ausgleichshohlraums gewählt, vorzugsweise kleiner als 95 %, bevorzugt kleiner als 90 % des Volumens des Ausgleichshohlraums. Bevorzugt werden zumindest 50 % des Volumens des Ausgleichshohlraums als Speiservolumen genutzt.
Durch das in den Ausgleichshohlraum des Speisers einströmende flüssige Aluminium wird der Speiser gezündet.
Das flüssige Aluminium wird erstarren gelassen, wobei das Aluminium zunächst im Formhohlraum der Gießform erstarrt. Dabei wird zum Ausgleich der beim Erstarren eintretenden Schrumpfung flüssiges Aluminium aus dem Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform gesaugt.
Durch die exothermen Eigenschaften des Speisers besitzt dieser ein hohes Modul bzw. kann das Volumen des Ausgleichshohlraums relativ klein gewählt werden, wobei ein hoher Anteil des Speiservolumens zum Speisen genutzt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Speisers werden vorzugsweise zumindest 25 %, bevorzugt zumindest 30 .%, besonders bevorzugt zumindest 40 %, insbesondere bevorzugt zumindest 50 % des Speiservolumens zum Speisen des Gussstücks genutzt, also die entsprechende Menge an flüssigem Aluminium vom Ausgleichshohlraum des Speisers in den Formhohlraum der Gießform überführt. Meist kann nicht das gesamte Volumen des Ausgleichshohlraums zum Speisen genutzt wer- den, sodass am Gussstück ein Restspeiser verbleibt. Gemäß einer Ausführungsform werden weniger als 90 % des Speiservolumens zum Speisen genutzt.
Die Erfindung wird im weiteren anhand von Beispielen sowie die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Speiser;
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speisers.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Speiser. Der Speiser 1 weist eine röhrenförmige Gestalt auf. Die Speiserwand 2 ist aus einer feuerfesten Formstoffmischung aufgebaut, welche sich durch einen sehr geringen Anteil eines oxi- dierbaren Metalls, einen im Vergleich zur Menge des oxidierbaren Metalls gewählten Unterschuss an Oxidationsmittel sowie durch einen vergleichsweise hohen Anteil eines fluorhaltigen Flussmittels auszeichnet. Die Speiserwand 2 umgibt einen Ausgleichshohlraum 3, welcher zu einer Seite durch eine Ausgleichsöffnung 4 zur Umgebung geöffnet ist. Über die Ausgleichsöffnung 4 wird eine Verbindung zu einem Formhohlraum einer Gießform (nicht dargestellt) hergestellt. Am der Ausgleichsöffnung 4 gegenüberliegend angeordneten Ende befindet sich eine Belüftungsöffnung 5. Der Durchmesser der Ausgleichsöffnung 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform des Speisers größer gewählt als der Durchmesser der Belüftungsöffnung 5, so dass der Speiser eine konus- förmige Gestalt aufweist. Es ist jedoch auch möglich, den Durchmesser der Ausgleichsöffnung 4 und der Belüftungsöffnung 5 gleich auszuführen, so dass der Speiser die Gestalt einer Röhre annimmif. Der Innendurchmesser eines derartigen Speisers kann beispielsweise 8 cm betragen und die Wandstärke der Speiserwand 3 cm bei einer Höhe des Speisers von 15 cm. Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speisers ist in Figur 2 dargestellt. Der Speiser 6 umfasst einen Ausgleichshohlraum 3, welcher von der Speiserwand 7 umgeben wird, so dass der Ausgleichshohlraum 3 nach oben abgeschlossen ist, um Wärmeverluste des flüssigen Aluminiums zu verringern. Der Speiser 6 ist zweiteilig aufgebaut und umfasst einen Speiserboden 8 sowie einen Speiserdeckel 9. Speiserboden 8 und Speiserdeckel 9 bilden gemeinsam eine Speiserwand, welche den Ausgleichshohlraum 3 umgibt. Im Zentrum des Speiserdeckels 9 ist eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme der Spitze eines Federdorns 11 vorgesehen. Im Speiserboden 8 ist eine Ausgleichsöffnung 4 vorgesehen, welche die Verbindung vom Ausgleichshohlraum 3 zu einem nicht dargestellten Formhohlraum einer Gießform hergestellt wird. Sowohl Speiserboden 8 als auch Speiserdeckel 9 sind aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung hergestellt, welche sich durch einen niedrigen Gehalt an oxidierbarein Metall, einen im Vergleich zur vollständigen Oxidation des Metalls erforderlichen Menge im Un- terschuss eingesetzten Oxidationsmittel sowie durch einen hohen Anteil eines fluorhaltigen Flussmittels auszeichnet. Der Durchmesser des in Figur 2 dargestellten Speisers beträgt an seiner breitesten Stelle ca. 15 cm. Die Höhe beträgt ca. 20 cm. Die Wandstärke des Speiserdeckels 9 beträgt etwa 2 cm.
Analysenmethoden:
Bestimmung der spezifischen Oberfläche:
Die BET-Oberfläche wird an einem voll automatischen Stickstoff- porosimeter der Firma Mikromeritics, Typ ASAP 2010, gemäß DIN 66131 bestimmt.
Porenvolumen:
"Dläs-'P^feήvcϊülSelϊ nach* DT-N"
66133 ermittelt . Mittlerer Teilchendurchinesser (d50) :
Der mittlere Teilchendurchmesser wurde durch Laserbeugung auf einem Mastersizer S, Firma Malvern Instruments GmbH, Herrenberg, DE nach Herstellerangaben ermittelt.
Elementaranalyse:
Die Analyse beruht auf einem TotalaufSchluss der Materialien. Nach dem Auflösen der Feststoffe werden die Einzelkomponenten mit herkömmlich spezifischen Analysenmethoden, wie z.B. ICP analysiert und quantifiziert.
Bestimmung der Schüttdichte:
Das pulverförmige poröse feuerfeste Material wird in einem Zug in einen zuvor gewogenen 1000 ml Glaszylinder eingefüllt, der an der 1000 ml Markierung abgeschnitten wurde. Nachdem der Schüttkegel abgestreift und -außen am Zylinder anhängendes Material entfernt wurde, wird der Zylinder erneut gewogen. Die Gewichtszunahme entspricht der Dichte.
Bestimmung der Gasdurchlässigkeit
a) Herstellung eines Prüfkörpers:
Etwa 100 g des zu prüfenden porösen feuerfesten Materials, das auf ein Mittelkorn von etwa 0,3 mm eingestellt wurde, werden in einem Mischer während etwa 2 Minuten mit 20 g Wasserglas (Feststoffgehalt etwa 30 %, Modul SiO2/Na2O etwa 2,5) vermischt. Das Gemisch wird in eine Hülse eingefüllt, welche einen Innendurchmesser von 50 mm aufweist. Die Hülse ist in einer Georg-Fischer Ramme eingesetzt. Die Mischung wird in der Ramme durch drei Schläge verdichtet. Die Hülse mit der verdichteten Formmasse wird."" aus" der" Ramme" entnommen" und- die • Förmmäss^^üsgeharΕetV : Ih-" dem von den offenen Enden der Hülse her für jeweils etwa 3 Sekunden Kohlendioxid durch die Formmasse geblasen wird. Der aus- gehärtete Prüfkörper kann dann aus der Hülse herausgedrückt werden. Nachdem der Prüfkörper herausgedrückt wurde, wird seine Höhe gemessen. Diese sollte 50 mm betragen. Sofern der Prüfkörper nicht die gewünschte Höhe aufweist, muss mit einer angepass- ten Menge der Formmasse ein weiterer Prüfkörper hergestellt werden. Der Prüfkörper wird anschließend in einem Ofen bei 180 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.
b) Prüfung der Gasdurchlässigkeit
Die Prüfung der Gasdurchlässigkeit erfolgt mit einer Durchlässigkeitsprüfapparatur Typ PDU der Firma Georg Fischer Aktiengesellschaft, 8201 Schaffhausen, Schweiz.
Der wie unter (a) beschrieben hergestellte Prüfkörper wird in das Präzisions-Prüfkörperrohr der Apparatur eingesetzt und der Spalt zwischen Prüfkörper und Prüfkörperrohr abgedichtet. Das Prüfkörperrohr wird in die Prüfapparatur eingesetzt und die Gasdurchlässigkeitszahl Gd bestimmt. Die Gasdurchlässigkeitszahl Gd gibt an, wie viel cm3 Luft bei einem Überdruck von 1 cm Wassersäule in einer Minute durch einen Würfel oder Zylinder mit 1 cm2 Querschnitt hindurchgehen. Die Gasdurchlässigkeitszahl wird wie folgt berechnet:
Gd = (Q • h)/(F • p • t)
wobei bedeutet:
Gd: Gasdurchlässigkeitszahl
Q: durchströmendes Luftvolumen (2000 cm3) ; h: Höhe des Prüfkörpers
F: Querschnittsfläche des Prüfkörpers (19,63 cm3) ; p: Druck in cm Wassersäule; t: Durchströmzeit für 2000 cm3 Luft in Minuten. p und t werden bestimmt; alle übrigen Werte sind durch das Prüfgerät festgelegte Konstanten. Beispiel 1:
Es wurden rohrförmige Speiser aus einer Formstoffmischung der folgenden Rezepturen hergestellt:
Tabelle 1: Rezeptur zur Herstellung von Speisern
: Feststoffgehalt: 50 Gew.-%, Modul: 2,2
Die Formstoffmischungen wurden bei Raumtemperatur in eine Form geschossen und dort für 90 Sekunden durch Durchleiten von Kohlendioxid ausgehärtet. Anschließend wurden die Speiserrohlinge für 5 Stunden in einem Ofen bei 1800C getrocknet. Es wurden rohrförmige Speiser mit einer Länge von 150 mm, einem Außendurchmesser von 59 mm und einem Innendurchmesser von 40 mm erhalten.
Einer der Speiser wurde an seinem unteren Ende gezündet, indem er kurzzeitig auf eine heisse Platte gestellt wurde. Nach dem Zünden wurde der Speiser auf eine Tonplatte gestellt. Die Oxida- tionsfront bewegte sich gleichmäßig von unten nach oben durch den Speiser. Nachdem die Oxidationsfront durch den Speiser gewandert war, wurde die Temperatur im Innenraum des Ausgleichshohlraums zu etwa 1150 °C bestimmt.
Die Speiser wurden jeweils in eine Gießform eingebaut und ein Aluminiumgussstück hergestellt. Als Aluminiumgussstück wurde ein Würfel mit einer Kantenlänge von 15 cm hergestellt. Nach Erkalten des Gussstücks wurde die Gießform entfernt und der Restspeiser abgeschlagen. Die Bruchstelle wurde durch Abschleifen nachbearbeitet. Das Gussstück wurde geröntgt. Dabei wurden keine Lunker im Gussstück ermittelt. Ferner wurde die Einspeisestelle am Gussstück mikroskopisch untersucht. Es wurden keine kristallinen Fehlordnungen bzw. Gusseinschlüsse festgestellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Exotherme Formstoffmischung für die Herstellung von Speisern für den Aluminiumguss, zumindest enthaltend:
einen feuerfesten Formgrundstoff;
ein Bindemittel;
bezogen auf die Formstoffmischung einen Anteil eines oxidierbaren Metalls von 5 bis 18 Gew.-%;
ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmit- tels, von 10 bis 50 %; und
ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil von 15 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls.
2. Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 1, wobei das Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls ein fluorhaltiges Flussmittel ist.
3. Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 1, wobei das Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls Magnesiummetall ist.
4. Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das oxidierbare Metall ausgewählt ist aus der Gruppe von Aluminium, Magnesium und Silizium, sowie-dejeeH--LegάejeungerK
5. Exotherme Formstoffmischung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Magnesium zumindest teilweise in Form einer Legierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, enthalten ist .
6. Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korngröße des oxidierbaren Metalls größer als 0,05 um gewählt wird.
7. Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der feuerfeste Formgrundstoff zumindest teilweise von einem isolierenden Feuerfestmaterial gebildet ist.
8. Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 7, wobei das isolierende Feuerfestmaterial eine Schüttdichte von weniger als 0,5 kg/1 aufweist.
9. Exotherme Formstoffmischung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das isolierende Feuerfestmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe von Bims, Schaumlava, Vermiculit, Aluminiumsilikat-Mikrohohlkugeln sowie porösen Glaskugeln.
10. Exotherme Formstoffmischung nach einem Ansprüche 7 bis 9, wobei der Anteil des isolierenden Feuerfestmaterials an dem feuerfesten Formgrundstoff größer als 20 Gew.-% gewählt wird.
11. Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des Bindemittels, berechnet als Feststoff und bezogen auf die Formstoffmischung, zwischen 5 und 50 Gew.-% gewählt ist.
12. Exotherme Formstoffmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Formstoffmischung einen Anteil eines brennbaren organischen Materials enthält.
13. Exothermer Speiser für den Aluminiumguss, hergestellt aus einer exothermen Formstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welcher beim Abbrand eine Temperatur von weniger als 12500C erreicht, mit einem Ausgleichshohlraum und einer den Ausgleichshohlraum umgebenden Speiserwand, wobei die Speiserwand zumindest enthält:
einen feuerfesten Formgrundstoff;
ein Bindemittel;
ein oxidierbares Metall in einem Anteil von 5 bis 18 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Speisers;
ein Oxidationsmittel in einem Anteil, bezogen auf die zur vollständigen Oxidation des oxidierbaren Metalls erforderliche Menge des Oxidationsmit- tels, von 10 bis 50 %; und
ein Zündmittel für die Oxidation des oxidierbaren Metalls in einem Anteil, bezogen auf die Menge des oxidierbaren Metalls, von 1 bis 50 Gew.-%.
14. Verwendung eines exothermen Speisers nach einem der Ansprüche 13 oder 14 für den Aluminiumguss.
15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei zum Aluminiumguss
eine j3ießj:nrm__mi.t .einem .Formhnhlxaum^ „bereifcger stellt wird, welche zumindest einen Speiser nach Anspruch 13 mit einem Ausgleichshohlraum umfasst, flüssiges Aluminium in die Gießform eingefüllt wird, wobei der Ausgleichshohlraum des Speisers mit einem Speiservolumen an flüssigem Aluminium gefüllt wird;
das flüssige Aluminium erstarren gelassen wird, wobei flüssiges Aluminium aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum gesaugt wird,
wobei die aus dem Ausgleichshohlraum in den Formhohlraum gesaugte Aluminiummenge zumindest 25 % des Speiservolumens entspricht.
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