EP2760607B1 - Beschichtungsmassen für anorganische giessformen und kerne und deren verwendung und verfahren zum schlichten - Google Patents
Beschichtungsmassen für anorganische giessformen und kerne und deren verwendung und verfahren zum schlichten Download PDFInfo
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Definitions
- the invention relates to a coating composition for molds and their use.
- the coating composition is suitable for cores and molds, especially those made using water glass as a binder.
- the coating composition comprises certain clay materials. Likewise, a method for sizing is claimed.
- Molds are available from a refractory material, such as quartz sand, to form into a casting mold and set by a suitable binder to ensure sufficient mechanical strength of the mold.
- a refractory molding material such as quartz sand
- a suitable binder for the production of molds is thus used a refractory molding material and a suitable binder.
- the refractory molding base material is preferably present in a free-flowing form, so that it can be filled into a suitable mold and compacted there.
- the binder produces a firm cohesion between the particles of the molding base material, so that the casting mold obtains the required mechanical stability.
- both organic and inorganic binders can be used, the curing of which can be carried out in each case by cold or hot processes.
- Cold processes are processes which are carried out essentially at room temperature without heating the casting mold.
- the curing is usually carried out by a chemical reaction, which is triggered for example by the fact that a gas is passed as a catalyst through the mold to be cured.
- hot processes the molding material mixture is heated to a sufficiently high temperature after molding to expel, for example, the solvent contained in the binder or to initiate a chemical reaction by which the binder is cured, for example, by crosslinking.
- Binder systems have been developed which can be cured by the introduction of gases. Such a system is for example in the GB 782205 described in which an alkali water glass is used as a binder, which can be cured by the introduction of CO 2 .
- an exothermic feeder composition containing an alkali metal silicate as a binder In the US 6972059 B1 describes an exothermic feeder composition containing an alkali metal silicate as a binder.
- binder systems have been developed which are self-curing at room temperature. Such, based on phosphoric acid and metal oxides system is eg in the US 5,582,232 described.
- inorganic binder systems are known which are cured at higher temperatures, for example in a hot tool.
- Such thermosetting binder systems are for example from US 5,474,606 in which a binder system consisting of alkali water glass and aluminum silicate is described.
- the waterglass-based binder system consists of an aqueous alkali silicate solution and a hygroscopic base, such as sodium hydroxide, added in a ratio of 1: 4 to 1: 6.
- the water glass has a modulus SiO 2 / M 2 O of 2.5 to 3.5 and a solids content of 20 to 40%.
- the binder system also contains a surface-active substance, such as silicone oil, which has a boiling point ⁇ 250 ° C.
- the binder system is mixed with a suitable refractory material, such as quartz sand, and then injected into a core box with a core shooter.
- a suitable refractory material such as quartz sand
- the hardening of the molding material mixture takes place by removal of the water still contained.
- the drying or hardening of the casting mold can also take place under the action of microwaves.
- inorganic binders also have disadvantages compared to organic binders, for example the known inorganic binders have a low stability of the casting molds produced therewith against high humidity or against water. For a storage of the molded body over a longer period, as usual with organic binders, not secured possible.
- the US 7770629 B2 proposed a molding material mixture containing a water-based binder in addition to a refractory molding material. A proportion of a particulate metal oxide is added to the molding material mixture. Precipitated silica or fumed silica is preferably used as the particulate metal oxide.
- the methods described for the production of molds and cores usually also include the application of a refractory mold coating, which is also called sizing, at least on those surfaces of the basic shape, which come into contact with the cast metal.
- a refractory mold coating which is also called sizing, at least on those surfaces of the basic shape, which come into contact with the cast metal.
- the purpose of the mold coatings is to influence the molding surface, to improve the casting appearance, to metallurgically influence the casting and / or to avoid casting defects.
- the commonly used sizing agents contain as base materials e.g. Clays, quartz, kieselguhr, cristobalite, tridymite, aluminum silicate, zirconium silicate, mica, chamotte and also coke and graphite. These bases are the purportive portion of the sizings which cover the mold surface and close the pores against the penetration of the cast metal.
- the surface of the casting mold can be modified and matched to the properties of the metal to be processed.
- the size can be used to improve the appearance of the casting by creating a smooth surface because the size compensates for irregularities caused by the size of the grains of the molding material.
- the sizing may metallurgically influence the casting by, for example, selectively transferring additives to the casting at the surface of the casting via the sizing which enhance the surface properties of the casting.
- the sizings form a layer which chemically isolates the casting mold from the liquid metal during casting. This prevents any adhesion between the casting and the casting mold so that the casting can be easily removed from the casting mold.
- the sizing can also be used to specifically control the heat transfer between the liquid metal and the casting mold in order, for example, to effect the formation of a specific metal structure by the cooling rate.
- the curing of the inorganic binder used is nowadays increasingly via a condensation reaction initiated by elevated temperatures, in which the formation of the binder bridges takes place via the splitting off of water.
- this is a reversible reaction, i. by contact and reaction with water, the bonds can be cleaved again, the extent of this back-reaction is highly dependent on the process parameters for core production.
- the process parameters typically used in series production fast cycle times, high temperatures
- the casting molds lose their strength through contact with water and partly also through contact with alcohol, the surface softens and the casting mold loses its shape.
- the invention had the object of proposing a sizing, by which a defect-free coating, especially inorganic cores and molds, can be ensured without negatively affecting the stability of the cores or molds and thus the processing and storage.
- the sizing composition according to the invention is provided according to a preferred embodiment in the form of a paste or a suspension.
- the sizing composition contains a carrier liquid.
- the total clay content of the size of the above clays is 0.1 to 4.0% by weight, preferably 0.5 to 3.0% by weight and more preferably 1.0 to 2.0% by weight.
- Palygorskit is a magnesium-aluminum hydrosilicate, which under the CAS no. 8031-18-3 is listed. Palygorskit is part of attapulgite marketed commercial products. Attapulgite contains Palygorskit, but should not be used because of other disturbing components and missing rod-shaped crystals. Palygorskite is in the form of rod-shaped crystals. The particles have the following dimension: 1 to 3 .mu.m, in particular 1.5 to 2 .mu.m in length with a diameter of 1 to 5 nm, in particular about 3 nm.
- Palygorskit has other properties than attapulgite. Palygorskit does not swell or shrink, is shear stable and leads in a slurry with water or water-based liquids with (A2) or (A3), for example, at low levels such as 0.01 to 3 wt.%, To a pseudoplastic or thixotropic liquid , When the shear stops, the higher initial viscosity quickly recovers. With shear the viscosity is low. Attapulgite is loaded with smectite, SiO 2 , and / or CaCO 3 and other impurities.
- palygorskite e.g. the product Acti-Gel® 208 of the company "Active Minerals” can be used.
- hectorite e.g. Bentone CT of the company “Elementis” are used.
- the sizing composition e.g. as a basecoat or as a topcoat, and desired layer thickness of the coating made from the sizing composition, other characteristic parameters of the sizing composition may be adjusted.
- the carrier liquid may be proportionate or completely formed by water.
- the carrier liquid is the constituent which is vaporizable at 160 ° C and atmospheric pressure and in this sense, by definition, that which is not solids content.
- the carrier liquid contains greater than 50% by weight, preferably 75% by weight, in particular greater than 80% by weight, if appropriate greater than 95% by weight of water.
- the other ingredients in the carrier liquid may be organic solvents.
- Suitable solvents are alcohols, including polyhydric alcohols and polyether alcohols.
- Exemplary alcohols are ethanol, n-propanol, isopropanol, butanol and glycol.
- the solids content of the ready-to-use size composition is preferably adjusted in the range from 10 to 90% by weight, in particular greater than 80% by weight to 85% by weight.
- the size composition according to the invention may contain further constituents customary for sizes.
- the sizing composition according to the invention comprises at least one pulverulent refractory material.
- This refractory material serves to close the pores in a mold against the penetration of the liquid metal.
- the refractory thermal insulation between the mold and liquid metal is achieved by the refractory thermal insulation between the mold and liquid metal.
- refractory material conventional refractory materials can be used in metal casting.
- Suitable refractory materials are quartz, aluminum oxide, zirconium oxide, aluminum silicates such as pyropyllite, kyanite, andalusite or chamotte, zirconium, ciconsilicates, olivine, talc, mica, graphite, coke, feldspar, diatomite, kaolins, calcined kaolins, kaolinite, metakaolinite, iron oxide and / or bauxite.
- the refractory material is provided in powder form.
- the grain size is chosen so that a stable structure is produced in the coating and that the size can preferably be distributed without problem on the wall of the casting mold by means of a spraying device.
- the refractory material has an average kite size (measured by means of light scattering in accordance with DIN / ISO 13320) in the range from 0.1 to 500 ⁇ m, particularly preferably in the range from 1 to 200 ⁇ m.
- materials are suitable as a refractory material which have a melting point which is at least 200 ° C. above the temperature of the liquid metal and, irrespective of this, do not react with the metal.
- the proportion of refractory (e.g. in the form of sale paste, based on the solids content of the size composition, is preferably greater than 70 wt .-%, preferably greater than 80 wt .-%, more preferably greater than 85 wt .-% selected.
- the fraction of the refractory material for use after dilution (eg the paste) with water is less than 80% by weight, according to another embodiment less than 70% by weight and according to further embodiment selected less than 60 wt .-%.
- the size according to the invention may comprise at least one setting agent.
- the adjusting agent causes an increase in the viscosity of the size, so that the solid components of the size in the suspension do not or only to a small extent decrease.
- organic and inorganic materials or mixtures of these materials can be used.
- Suitable inorganic actuators are, for example, highly swellable clays, e.g. Sodium bentonite.
- organic thickening agents may alternatively or additionally be selected, since these can be dried to the extent that they hardly give off any more water upon contact with the liquid metal after application of the protective coating.
- Suitable organic adjusting agents are, for example, swellable polymers, such as carboxymethyl, methyl, ethyl, hydroxyethyl and hydroxypropyl cellulose, mucilages, polyvinyl alcohols, polyvinylpyrrolidone, pectin, gelatin, agar agar, polypeptides and / or alginates.
- the proportion of the adjusting agent, based on the total size composition is preferably selected to be from 0.1 to 5% by weight, preferably from 0.5 to 3% by weight, particularly preferably from 1 to 2% by weight.
- the size according to the invention comprises as further constituent at least one binder.
- the binder allows for better fixation of the size or of the protective coating prepared from the size on the wall of the mold.
- the binder increases the mechanical stability of the protective coating so that less erosion is observed under the action of the liquid metal.
- the binder cures irreversibly, so that an abrasion-resistant coating is obtained.
- binders which do not soften upon contact with atmospheric moisture. All binders which are used in sizing can be contained per se. Both inorganic and organic binders can be used. For example, clays can be used as binders, in particular bentonite.
- the proportion of the binder is preferably selected in the range of 0.1 to 20 wt .-%, particularly preferably 0.5 to 5 wt .-%, based on the solids content of the sizing composition.
- the size contains a proportion of graphite.
- the proportion of graphite is preferably selected in the range of 1 to 30 wt .-%, particularly preferably 5 to 15 wt .-%, based on the solids content of the size.
- Graphite has a favorable effect on the surface quality of castings during iron casting.
- the size composition according to the invention may also contain further components customary for sizing, for example wetting agents, defoamers, pigments, dyes or biocides.
- the proportion of these further constituents in the ready-to-use coating composition is preferably less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight and more preferably less than 1% by weight.
- Suitable wetting agents are, for example, anionic and non-anionic surfactants, in particular those having an HSB value of at least 7.
- An example of such a wetting agent is disodium dioctyl sulfosuccinate.
- the wetting agent is preferably used in an amount of 0.01 to 1 wt .-%, preferably 0.05 to 0.3 wt .-%, based on the ready-to-use sizing composition.
- Defoamers or anti-foaming agents, can be used to prevent foaming in the preparation of the sizing composition or in applying it. Foaming on application of the sizing composition can result in uneven layer thickness and holes in the coating.
- defoamers for example, silicone or mineral oil can be used.
- the defoamer is preferably present in an amount of from 0.01 to 1% by weight, preferably from 0.05 to 0.3% by weight, based on the ready-to-use sizing composition.
- pigments and dyes may be used in order to achieve a different contrast, for example between different layers, or to bring about a greater separation effect of the size of the casting.
- pigments are red and yellow iron oxide and graphite.
- dyes are commercially available dyes such as the Luconyl ® color range of BASF AG, Ludwigshafen, Germany.
- the dyes and pigments are preferably contained in an amount of 0.01 to 10 wt .-%, preferably from 0.1 to 5 wt .-%, based on the solids content of the sizing composition.
- the sizing composition contains a biocide to prevent bacterial attack, thereby avoiding a negative impact on the rheology and binding power of the binding agents.
- the carrier liquid contained in the sizing composition is formed substantially in water with respect to the weight, that is, the sizing composition according to the invention is provided in the form of a so-called water sizing.
- suitable biocides are formaldehyde, 2-methyl-4-isothiazolin-3-one (MIT), 5-chloro-2-methyl-4-iosthiazolin-3-one (CIT) and 1,2-benzisothiazolin-3-one (BIT).
- MIT, BIT or a mixture thereof are used.
- the biocides are usually used in an amount of from 10 to 1000 ppm, preferably from 50 to 500 ppm, based on the weight of the ready-to-use sizing composition.
- the size composition of the invention can be prepared by conventional methods.
- a sizing composition according to the present invention can be prepared by initially charging water and breaking up a clay acting as a sizing agent using a high shear stirrer. Subsequently, the refractory components, pigments and dyes and the metallic additive are stirred until a homogeneous mixture is formed. Finally, wetting agents, antifoams, biocides and binders are added.
- the sizing composition according to the invention can be prepared and sold as ready-to-use sizing.
- the size according to the invention can also be prepared and sold in concentrated form. In this case, to provide a ready-to-use size, the amount of carrier liquid necessary to adjust the desired viscosity and density of the size is added.
- the size composition according to the invention can also be provided and sold in the form of a kit, wherein, for example, the solid component (s) and the solvent component (s) are present side by side in separate containers.
- the solid component (s) can be provided as a powdery solid mixture in a separate container.
- further liquid component (s) to be used e.g. Binders, wetting agents, wetting agents / defoamers, pigments, dyes and biocides may in turn be present in a separate container in this kit.
- the solvent component (s) may comprise either the optional additional components to be used, e.g. in a common container, or it may be separate from other optional components in a separate container. To prepare a ready-to-use size, the appropriate amounts of the solid component, the optional further components and the solvent component are mixed together.
- the sizing compositions according to the invention are suitable for coating casting molds.
- the term "mold” includes all types of bodies necessary to make a casting, such as cores, molds and molds.
- the use of the size compositions according to the invention also includes partial coating of casting molds.
- the sizings are used for metal working molds obtainable from inorganic molding material mixtures comprising at least one refractory molding base, a water glass based binder, and preferably a portion of a metal oxide selected from the group of silica, in particular amorphous silica, alumina, titania or Zinc oxide and mixtures thereof, which is preferably particulate and in particular has particle sizes of less than 300 microns (sieve analysis).
- Amorphous silica is accessible, for example, via precipitation processes starting from water glass, which is obtainable by digesting quartz sand with sodium carbonate or potassium carbonate. SiO 2 produced in this way is called precipitated silica depending on the process conditions.
- Another important production variant is the production of so-called pyrogenic SiO 2 in a blast gas flame, starting from liquid chlorosilanes such as silicon tetrachloride.
- the mold is then removed from the sizing composition and excess sizing composition drained from the mold.
- the time taken to drain the excess sizing composition after dipping depends on the flow behavior of the sizing composition used.
- the sizing composition is filled in a dilute state in a pressure vessel.
- the sizing can be pressed into a spray gun via the overpressure to be set, where it is sprayed with the aid of separately adjustable atomizing air.
- the conditions are preferably selected so that the pressure for sizing composition and atomizing air are adjusted to the gun such that the sprayed sizing composition still wet on the mold or the core, but gives a uniform application.
- the casting mold in the mold cavity of which optionally a base coat has been applied, is poured over with the aid of a hose, a lance or similar instruments with a ready-to-use size composition according to the invention.
- the mold is completely covered with the sizing composition, the excess sizing composition drains from the mold.
- the time taken for the flow of excess sizing composition after flooding depends on the flow behavior of the sizing composition used.
- the sizing can also be applied by brushing.
- the carrier liquid contained in the size is then evaporated so that a dry sizing layer is obtained.
- any conventional drying method can be used, such as air drying, dehumidified air drying, microwave or infrared radiation drying, convection oven drying, and similar methods.
- the coated casting mold is dried at 20 to 250 ° C, preferably at 50 to 180 ° C, in a convection oven.
- the size composition according to the invention is preferably dried by burning off the alcohol or alcohol mixture.
- the coated casting mold is additionally heated by the heat of combustion.
- the coated casting mold is dried in the air without further treatment or using microwaves.
- the size can be applied in the form of a single layer or in the form of several layers arranged one above the other.
- the individual layers may be the same or different in their composition.
- a base coat can be made from a commercially available size which does not contain a metallic additive according to the invention.
- a primer coating for example, water-based or alcohol-based sizing can be used.
- the layer which later comes in contact with the liquid metal is always made from the size of the invention.
- each individual layer can be completely or partially dried after application.
- the coating prepared from the sizing composition preferably has a dry film thickness of at least 0.1 mm, preferably at least 0.2 mm, more preferably at least 0.45 mm, most preferably at least 0.55 mm.
- the thickness of the coating is chosen to be less than 1.5 mm.
- the dry layer thickness here is the layer thickness of the dried coating, which was obtained by drying the sizing composition by substantially complete removal of the solvent component and optionally subsequent curing.
- the dry layer thickness of the base coat and the top coat are preferably determined by measurement with the wet film thickness comb. If necessary, the casting mold can then be completely assembled. The casting is preferably carried out for the production of cast iron and steel castings.
- the core sizes 1 and 2 used had the compositions and physical properties shown in Tables 1 and 2.
- Table 1 Composition of the sizes Simple 1 Simple 2 Name, company (name) % By weight % By weight water 15.0 21.0 Attagel 40; Solvadis (attapulgite) - 1.2 Actigel 208, Active Minerals (Palygorskit) 0.3 - Bentone CT, Elementis (hectorite) 0.4 - Volclay, South chemistry (sodium bentonite) 0.6 0.6 Zirconium flour 45 ⁇ m 30.5 24 Zirconia 75 ⁇ m 51 51 PVA solution (25%) 1.2 1.2 Surfynol® SEF (wetting agent 1) 0.2 0.2 Dynol® 604 (wetting agent 2) 0.05 0.05 Foamstar® MF324 (defoamer) 0.2 0.2 Acticide® F (N) (Preservative 1)
- the cast molding was prepared as follows: water is initially introduced and the clay or clays are digested for at least 15 minutes using a high-shear unit and a toothed disc. Subsequently, the refractory components, pigments and dyes are stirred for at least 15 minutes until a homogeneous mixture is formed. Finally, additives such as wetting agents, defoamers and preservatives and the binder are stirred for 5 minutes.
- non-patented sizing composition the products available from the company ASK Chemicals Trioflex® WK-HP or Solitec® W 3 can be used.
- Georg Fischer test strip illustrates the behavior of the sized test specimens on thicker core geometries
- long cores illustrates the behavior of the sized test specimens on thin geometries.
- Georg Fischer test bars are cuboid test bars measuring 150 mm x 22.36 mm x 22.36 mm.
- the long cores have dimensions of 13 mm x 20 mm x 235 mm.
- the composition of the molding material mixture is given in Table 3.
- the Georg Fischer test bars were prepared as follows: The components listed in Table 3 were mixed in a laboratory paddle mixer (Vogel & Schemmann AG, Hagen, DE).
- the quartz sand was introduced and added with stirring the water glass.
- a sodium water glass was used, which had proportions of potassium.
- the modulus SiO 2 : M 2 O of the water glass was about 2.2, where M is the sum of sodium and potassium.
- amorphous silica was added, if necessary, with further stirring.
- the amorphous silica is pyrogenic silica from RW silicon. The mixture was then stirred for an additional 1 minute.
- the molding material mixture was transferred to the storage bunker, a H 2.5 hot-box core shooter from Röperwerk-G manmaschinen GmbH, Viersen, DE, whose mold was heated to 180.degree.
- the molding material mixture was introduced into the mold by means of compressed air (5 bar) and remained in the mold for a further 35 seconds.
- hot air (2 bar, 150 ° C on entering the mold) was passed through the mold during the last 20 seconds. The mold was opened and the test bars removed.
- the coating compositions were applied to the test bars by dipping, the application parameters are listed in Table 2.
- the test bars were coated either immediately after removal from the mold or after a 30 minute cooling time.
- the coated test bars were stored after application of the coating in a drying oven for 30 minutes at 150 ° C.
- test bars were placed in a Georg Fischer strength tester equipped with a 3-point bending device (DISA Industrie AG, Schaffhausen, CH), and the force was measured, which leads to the breakage of the test bars.
- the quality of the inorganic cores and molds coated with these sizes is sustainably improved and, for example, a storage stability of the cores and forms of several days can be achieved without problems.
- Particularly noteworthy here is that despite the unusually high solids content, the viscosity of the size is in a range customary for sizing. The size can be brought into the application state without the use of special additives or larger amounts of water.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsmasse für Gießformen und deren Verwendung. Die Beschichtungsmasse ist für Kerne und Formen geeignet, insbesondere solche, die unter Verwendung von Wasserglas als Bindemittel hergestellt werden. Die Beschichtungsmasse umfasst bestimmte Ton-Materialien. Ebenso wird ein Verfahren zum Schlichten beansprucht.
- Gießformen sind erhältlich aus einem feuerfesten Material, beispielsweise Quarzsand, unter Ausformen zu einer Gießform und Abbinden durch ein geeignetes Bindemittel, um eine ausreichende mechanische Festigkeit der Gießform zu gewährleisten. Für die Herstellung von Gießformen verwendet man somit einen feuerfesten Formgrundstoff und ein geeignetes Bindemittel. Der feuerfeste Formgrundstoff liegt bevorzugt in einer rieselfähigen Form vor, sodass er in eine geeignete Hohlform eingefüllt und dort verdichtet werden kann. Durch das Bindemittel wird ein fester Zusammenhalt zwischen den Partikeln des Formgrundstoffs erzeugt, sodass die Gießform die erforderliche mechanische Stabilität erhält.
- Zur Herstellung von Gießformen können sowohl organische als auch anorganische Bindemittel eingesetzt werden, deren Aushärtung jeweils durch kalte oder heiße Verfahren erfolgen kann. Als kalte Verfahren bezeichnet man dabei Verfahren, welche im Wesentlichen bei Raumtemperatur ohne Erhitzen der Gießform durchgeführt werden. Die Aushärtung erfolgt dabei meist durch eine chemische Reaktion, die beispielsweise dadurch ausgelöst wird, dass ein Gas als Katalysator durch die zu härtende Form geleitet 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 beispielsweise durch Vernetzen ausgehärtet wird.
- Unabhängig vom Aushärtemechanismus ist allen organischen Systemen gemeinsam, dass sie sich beim Einfüllen des flüssigen Metalls in die Gießform thermisch zersetzen und dabei Schadstoffe, wie z.B. Benzol, Toluol, Xylole, Phenol, Formaldehyd und andere teilweise nicht identifizierte Crackprodukte freisetzen können.
- Es ist zwar durch verschiedene Maßnahmen gelungen, diese Emissionen zu minimieren, völlig vermeiden lassen sie sich bei organischen Bindemitteln jedoch nicht. Um die Emission von Zersetzungsprodukten während des Gießvorgangs zu minimieren bzw. zu vermeiden, können Bindemittel verwendet werden, die auf anorganischen Materialien beruhen bzw. die einen sehr geringen Anteil an organischen Verbindungen enthalten. Solche Bindemittelsysteme sind bereits seit längerem bekannt.
- Es sind Bindemittelsysteme entwickelt worden, welche sich durch Einleitung von Gasen aushärten lassen. Ein derartiges System ist beispielsweise in der
GB 782205 US 6972059 B1 wird eine exotherme Speisermasse beschrieben, die ein Alkalisilikat als Bindemittel enthält. Ferner sind Bindemittelsysteme entwickelt worden, welche bei Raumtemperatur selbsthärtend sind. Ein solches, auf Phosphorsäure und Metalloxiden beruhendes System ist z.B. in derUS 5,582,232 beschrieben. Schließlich sind noch anorganische Bindemittelsysteme bekannt, die bei höheren Temperaturen ausgehärtet werden, beispielsweise in einem heißen Werkzeug. Solche heißhärtenden Bindemittelsysteme sind beispielsweise aus derUS 5,474,606 bekannt, in welcher ein aus Alkaliwasserglas und Aluminiumsilikat bestehendes Bindemittelsystem beschrieben wird. - In der
US 7022178 B1 wird ein Bindemittelsystem für Formsande zur Herstellung von Kernen beschrieben. Das Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis besteht aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung und einer hygroskopischen Base, wie beispielsweise Natriumhydroxid, die im Verhältnis 1:4 bis 1:6 zugesetzt wird. Das Wasserglas weist ein Modul SiO2/M2O von 2,5 bis 3,5 und einen Feststoffanteil von 20 bis 40 % auf. Um eine rieselfähige Formstoffmischung zu erhalten, welche auch in komplizierte Kernformen eingefüllt werden kann, sowie zur Steuerung der hygroskopischen Eigenschaften, enthält das Bindemittelsystem noch einen oberflächenaktiven Stoff, wie Silikonöl, das einen Siedepunkt ≥ 250°C aufweist. Das Bindemittelsystem wird mit einem geeigneten Feuerfeststoff, wie Quarzsand, vermischt und kann dann mit einer Kernschießmaschine in einen Kernkasten eingeschossen werden. Die Aushärtung der Formstoffmischung erfolgt durch Entzug des noch enthaltenen Wassers. Die Trocknung bzw. Aushärtung der Gießform kann auch unter Einwirkung von Mikrowellen erfolgen. - Anorganische Bindemittel weisen im Vergleich zu organischen Bindemitteln jedoch auch Nachteile auf, beispielsweise besitzen die bekannten anorganischen Bindemittel eine geringe Stabilität der damit hergestellten Gießformen gegen hohe Luftfeuchtigkeit bzw. gegen Wasser. Damit ist eine Lagerung der Formkörper über einen längeren Zeitraum, wie bei organischen Bindemitteln üblich, nicht gesichert möglich. Um höhere Anfangsfestigkeiten, eine bessere Beständigkeit der Gießform gegen Luftfeuchtigkeit und beim Guss ein besseres Ergebnis bei der Oberfläche des Gussstücks zu erhalten, wird in der
US 7770629 B2 eine Formstoffmischung vorgeschlagen, welche neben einem feuerfesten Formgrundstoff ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel enthält. Der Formstoffmischung ist ein Anteil eines teilchenförmigen Metalloxids zugesetzt. Bevorzugt wird als teilchenförmiges Metalloxid Fällungskieselsäure oder pyrogene Kieselsäure verwendet. - Die beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Gießformen und Kernen umfassen in der Regel zudem das Aufbringen einer feuerfesten Formbeschichtung, welche auch Schlichte genannt wird, zumindest auf diejenigen Oberflächen der Grundform, die mit dem gegossenen Metall in Berührung kommen. Die Formbeschichtungen haben zum einen den Zweck, die Formteiloberfläche zu beeinflussen, das Gussstückaussehen zu verbessern, das Gussstück metallurgisch zu beeinflussen und/oder Gussfehler zu vermeiden.
- Die üblicherweise verwendeten Schlichten enthalten als Grundstoffe z.B. Tone, Quarz, Kieselgur, Cristobalit, Tridymit, Aluminiumsilikat, Zirkonsilikat, Glimmer, Schamotte und auch Koks und Graphit. Diese Grundstoffe sind der zweckbestimmende Anteil der Schlichten, welche die Formoberfläche bedecken und die Poren gegen das Eindringen des Gießmetalls schließen.
- Durch diese Beschichtungen kann also die Oberfläche der Gießform modifiziert und auf die Eigenschaften des zu verarbeitenden Metalls abgestimmt werden. So kann durch die Schlichte das Aussehen des Gussstücks verbessert werden, indem eine glatte Oberfläche erzeugt wird, da durch die Schlichte Unregelmäßigkeiten ausgeglichen werden, die durch die Größe der Körner des Formstoffs verursacht werden. Weiter kann die Schlichte das Gussstück metallurgisch beeinflussen, indem beispielsweise über die Schlichte selektiv an der Oberfläche des Gussstücks Zusätze in das Gussstück übertragen werden, welche die Oberflächeneigenschaften des Gusstücks verbessern.
- Ferner bilden die Schlichten eine Schicht, welche die Gießform beim Gießen vom flüssigen Metall chemisch isoliert. Dadurch wird jegliche Haftung zwischen Gussstück und Gießform verhindert, sodass sich das Gussstück ohne Schwierigkeiten aus der Gießform entfernen lässt. Die Schlichte kann aber auch dazu genutzt werden, die Wärmeübertragung zwischen flüssigem Metall und Gießform gezielt zu steuern, um beispielsweise durch die Abkühlungsrate die Ausbildung eines bestimmten Metallgefüges zu bewirken.
- Die Aushärtung der eingesetzten anorganischen Bindemittel erfolgt heutzutage vermehrt über eine durch erhöhte Temperaturen initiierte Kondensationsreaktion, bei der die Ausbildung der Binderbrücken über die Abspaltung von Wasser erfolgt. Wie bei vielen chemischen Reaktionen handelt es sich hierbei um eine reversible Reaktion, d.h. durch Kontakt und Reaktion mit Wasser können die Bindungen erneut gespalten werden, wobei das Ausmaß dieser Rückreaktion stark von den Prozessparametern zur Kernherstellung abhängig ist. Unter den in der Serienproduktion typischerweise verwendeten Prozessparametern (schnelle Taktzeiten, hohe Temperaturen) verlieren die Gießformen durch den Kontakt mit Wasser und teilweise auch durch den Kontakt mit Alkohol ihre Festigkeiten, die Oberfläche wird weich und die Gießform verliert ihre Form.
- Eine hochisolierende und feuerfeste Schlichte ist schließlich aus
WO 2006/063696 A1 bekannt. - Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schlichte vorzuschlagen, durch welche eine möglichst fehlerfreie Beschichtung, insbesondere anorganischer Kerne und Formen, sichergestellt werden kann, ohne die Stabilität der Kerne oder Formen und damit die Verarbeitung und Lagerung negativ zu beinträchtigen.
- Diese Aufgabe wird mit einer Schlichtezusammensetzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche oder sind nachfolgend beschrieben.
- Die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung wird nach einer bevorzugten Ausführungsform in Form einer Paste oder einer Suspension bereitgestellt. Bei dieser Ausführungsform enthält die Schlichtezusammensetzung eine Trägerflüssigkeit.
- Überraschend wurde gefunden, dass durch die Kombination bestimmter Tone als Inhaltsstoffe der Schlichten, Schlichten mit einem ungewöhnlich hohen Feststoffgehalt hergestellt werden können, deren Viskosität aber trotzdem mit handelsüblichen gebrauchsfertigen Schlichten, wie der Trioflex WK-LS 1vergleichbar ist. Die Qualität der mit diesen Schlichten beschichteten, mit anorganischen Bindemitteln abgebundener Kerne und Formen ist durch die erfindungsgemäße Kombination von Tonen nachhaltig verbessert und beispielsweise kann so problemlos eine Lagerstabilität der Kerne und Formen von mehreren Tagen erreicht werden. Besonders hervorzuheben ist dabei, dass trotz des ungewöhnlich hohen Feststoffgehaltes die Viskosität der Schlichte in einem für Schlichten mit wesentlich niedrigerem Feststoffgehalt üblichen Bereich liegt. Die Schlichte kann ohne den Einsatz von speziellen Additiven oder größeren Mengen Wassers in den Anwendungszustand gebracht werden.
- Als Ton-Materialien wurde eine Kombination von
- (A1) 1 bis 10 Gewichtsteilen, insbesondere 1 bis 5 Gewichtsteilen Palygorskit
- (A2) 1 bis 10 Gewichtsteilen, insbesondere 1 bis 5 Gewichtsteilen, Hectorit und
- (A3) 1 bis 20 Gewichtsteilen, insbesondere 1 bis 5 Gewichtsteilen, Natriumbentonit
- Der Gesamttongehalt der Schlichte an obigen Tonen beträgt dabei 0,1 bis 4,0 Gew.%, bevorzugt 0,5 bis 3,0 % Gew. und besonders bevorzugt 1,0 bis 2,0 Gew.%.
- Palygorskit ist ein Magnesium-Aluminium-Hydrosilikat, welches unter der CAS-Nr. 8031-18-3 gelistet ist. Palygorskit ist Bestandteil von als Attapulgit vertriebener Handelsprodukte. Attapulgit enthält zwar Palygorskit, soll aber wegen anderer störender Bestandteile und fehlender stabförmiger Kristalle nicht eingesetzt werden. Palygorskit liegt in Form stabförmiger Kristalle vor. Die Partikel haben folgende Dimension: 1 bis 3 µm, insbesondere 1.5 bis 2 µm in der Länge bei einem Durchmesser von 1 bis 5 nm, insbesondere etwa 3 nm.
- Palygorskit weist andere Eigenschaften als Attapulgit auf. Palygorskit schwillt oder schrumpft nicht, ist scherstabil und führt in einer Aufschlämmung mit Wasser bzw. Wasser basierten Flüssigkeiten mit (A2) oder (A3), z.B. bei geringen Zusatzmengen wie 0,01 bis 3 Gew.%, zu einer strukturviskosen bzw. thixotropen Flüssigkeit. Erlischt die Scherung, stellt sich die höhere Anfangsviskosität schnell wieder ein. Bei Scherung ist die Viskosität niedrig. Attapulgit ist mit Smectite, SiO2, und/oder CaCO3 und anderen Verunreinigungen belastet.
- Als Palygorskit kann z.B. das Produkt Acti-Gel ® 208 der Firma "Active Minerals" eingesetzt werden. Als Hectorit kann z.B. Bentone CT der Firma "Elementis" eingesetzt werden.
- Als Natriumbentonit kann z.B. Volclay der Firma "Südchemie" eingesetzt werden. Dieser natürliche Rohstoff besteht überwiegend (> 80 %) aus Montmorillonit, Begleitmineralien können Quarzit, Calcit, Feldspat und Glimmer sein.
- Je nach gewünschter Verwendung der Schlichtezusammensetzung, z.B. als Grundbeschichtung oder als Deckbeschichtung, und gewünschter Schichtdicke der aus der Schlichtezusammensetzung hergestellten Beschichtung können weitere charakteristische Parameter der Schlichtezusammensetzung eingestellt werden.
- Die Tragerflüssigkeit kann anteilig oder vollständig von Wasser gebildet sein. Die Trägerflüssig ist der Bestandteil, der bei 160°C und Normaldruck verdampfbar ist und in diesem Sinne vorliegend definitionsgemäß das, was nicht Feststoffgehalt ist. Die Trägerflüssigkeit enthält zu größer 50 Gew.%, vorzugsweise 75 Gew.%, insbesondere größer 80 Gew.%, ggf. größer 95 Gew.% Wasser.
- Die weiteren Bestandteile in der Trägerflüssigkeit können organische Lösungsmittel sein. Geeignete Lösungsmittel sind Alkohole, einschließlich Polyalkoholen und Polyetheralkoholen. Beispielhafte Alkohole sind Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, Butanol und Glykol.
- Der Feststoffgehalt der gebrauchsfertigen Schlichtezusammensetzung wird vorzugsweise im Bereich von 10 bis 90 Gew.% eingestellt, insbesondere größer 80 Gew.-% bis 85 Gew.%.
- Neben den bereits genannten Bestandteilen kann die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung weitere für Schlichten übliche Bestandteile enthalten.
- So umfasst die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung zumindest einen pulverförmigen Feuerfeststoff. Dieser Feuerfeststoff dient dazu, die Poren in einer Gießform gegen das Eindringen des flüssigen Metalls zu verschließen. Weiter wird durch den Feuerfeststoff eine thermische Isolierung zwischen Gießform und flüssigem Metall erreicht. Als Feuerfeststoff können im Metallguss übliche Feuerfeststoffe verwendet werden. Beispiele für geeignete Feuerfeststoffe sind Quarz, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumsilicate, wie Pyropyllit, Kyanit, Andalusit oder Schamotte, Zirkonsande, Zikonsilikate, Olivin, Talk, Glimmer, Graphit, Koks, Feldspat, Diatomit, Kaoline, kalzinierte Kaoline, Kaolinit, Metakaolinit, Eisenoxid und/oder Bauxit.
- Der Feuerfeststoff wird in Pulverform bereitgestellt. Die Komgröße wird dabei so gewählt, dass in der Beschichtung ein stabiles Gefüge entsteht und dass sich die Schlichte vorzugsweise mit einer Sprühvorrichtung problemlos auf der Wand der Gießform verteilen lässt. Geeignet weist der Feuerfeststoff eine mittlere Kogröße (gemessen mittels Lichtstreuung nach DIN/ISO 13320) im Bereich von 0,1 bis 500 µm, insbesondere bevorzugt im Bereich von 1 bis 200 µm, auf. Als Feuerfeststoff sind insbesondere Materialien geeignet, welche einen Schmelzpunkt aufweisen, der zumindest 200°C oberhalb der Temperatur des flüssigen Metalls liegt und unabhängig hiervon keine Reaktion mit dem Metall eingehen.
- Der Anteil des Feuerfeststoffs (jeweils nur zum Feststoffgehalt beitragend), z.B. in der Verkaufsform Paste, bezogen auf den Feststoffanteil der Schlichtezusammensetzung, wird vorzugsweise größer als 70 Gew.-%, bevorzugt größer als 80 Gew.-%, besonders bevorzugt größer als 85 Gew.-% gewählt.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform (jeweils nur zum Feststoffgehalt beitragend) wird der Anteil des Feuerfeststoffs für den Anwendungsfall nach Verdünnung (z.B. der Paste) mit Wasser geringer als 80 Gew.-%, gemäß einer weiteren Ausführungsform geringer als 70 Gew.-% und gemäß einer weiteren Ausführungsform geringer als 60 Gew.-% gewählt.
- Die erfindungsgemäße Schlichte kann gemäß einer Ausführungsform mindestens ein Stellmittel umfassen. Das Stellmittel bewirkt eine Erhöhung der Viskosität der Schlichte, sodass die festen Bestandteile der Schlichte in der Suspension nicht bzw. nur in geringem Ausmaß absinken. Zur Erhöhung der Viskosität können sowohl organische als auch anorganische Materialien oder Gemische dieser Materialien eingesetzt werden. Geeignete anorganische Stellmittel sind beispielsweise stark quellfähige Tone, wie z.B. Natrium Bentonit.
- Als Stellmittel können alternativ oder ergänzend auch organische Verdickungsmittel ausgewählt sein, da diese nach dem Aufbringen der Schutzbeschichtung soweit getrocknet werden können, dass sie beim Kontakt mit dem flüssigen Metall kaum noch Wasser abgeben. Als organische Stellmittel kommen beispielsweise quellfähige Polymere in Frage, wie Carboxymethyl-, Methyl-, Ethyl-, Hydroxyethyl- und Hydroxyproylcellulose, Pflanzenschleime, Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidon, Pektin, Gelatine, Agar Agar, Polypeptide und/oder Alginate.
- Der Anteil der Stellmittel, bezogen auf die gesamte Schlichtezusammensetzung, wird vorzugsweise mit 0,1 bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% gewählt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Schlichte als weiteren Bestandteil zumindest ein Bindemittel. Das Bindemittel ermöglicht eine bessere Fixierung der Schlichte bzw. des aus der Schlichte hergestellten Schutzüber zugs auf der Wand der Gießform. Außerdem wird durch das Bindemittel die mechanische Stabilität der Schutzbeschichtung erhöht, sodass eine geringere Erosion unter der Einwirkung des flüssigen Metalls beobachtet wird. Vorzugsweise härtet das Bindemittel irreversibel aus, sodass eine abriebfeste Beschichtung erhalten wird. Insbesondere bevorzugt sind Bindemittel, die bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit nicht rücker weichen. Es können an sich alle Bindemittel enthalten sein, die in Schlichten verwendet werden. Dabei können sowohl anorganische als auch organische Bindemittel ver wendet werden. Als Bindemittel können beispielsweise Tone eingesetzt werden, insbesondere Bentonit.
- Der Anteil des Bindemittels wird bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt der Schlichtezusammensetzung gewählt.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Schlichte einen Anteil an Graphit. Dies unterstützt die Ausbildung von Lamellenkohlenstoff an der Grenzfläche zwischen Gussstück und Gießform. Der Anteil des Graphits wird vorzugsweise im Bereich von 1 bis 30 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt der Schlichte, gewählt. Graphit wirkt sich beim Eisenguss günstig auf die Oberflächenqualität des Gussstückes aus.
- Die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung kann gegebenenfalls auch noch weitere für Schlichten übliche Komponenten enthalten, wie beispielsweise Netzmittel, Entschäumer, Pigmente, Farbstoffe oder Biozide. Der Anteil dieser weiteren Bestandteile an der gebrauchsfertigen Beschichtungsmasse ist vorzugsweise geringer als 10 Gew.-%, bevorzugt geringer als 5 Gew.-% und besonders bevorzugt geringer als 1 Gew.-% gewählt.
- Als Netzmittel können beispielsweise anionische und nicht-anionische Tenside, insbesondere solche mit einem HSB-Wert von mindestens 7, dienen. Ein Beispiel für ein derartiges Netzmittel ist Dinatriumdioctylsulfosuccinat. Das Netzmittel wird vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 1 Gew.-%, bevorzugt 0,05 bis 0,3 Gew.-%, bezogen auf die gebrauchsfertige Schlichtezusammensetzung eingesetzt.
- Entschäumer, oder auch Antischaummittel genannt, können verwendet werden, um bei der Herstellung der Schlichtezusammensetzung oder beim Auftragen derselben eine Schaumbildung zu verhindern. Schaumbildung beim Auftragen der Schlichtezusammensetzung kann zu einer ungleichmäßigen Schichtdicke und zu Löchern in der Beschichtung führen. Als Entschäumer können beispielsweise Silikon- oder Mineralöl verwendet werden. Vorzugsweise ist der Entschäumer in einer Menge von 0,01 bis 1 Gew.-%, bevorzugt von 0,05 bis 0,3 Gew.-%, enthalten, bezogen auf die gebrauchsfertige Schlichtezusammensetzung.
- In der erfindungsgemäßen Schlichtezusammensetzung können gegebenenfalls übliche Pigmente und Farbstoffe verwendet werden. Diese werden zugesetzt, um einen anderen Kontrast, z.B. zwischen verschiedenen Schichten zu erreichen, beziehungsweise einen stärkeren Trenneffekt der Schlichte vom Guss zu bewirken.
- Beispiele für Pigmente sind rotes und gelbes Eisenoxid sowie Graphit. Beispiele für Farbstoffe sind handelsübliche Farbstoffe wie die Luconyl® Farbreihe der BASF AG, Ludwigshafen, DE. Die Farbstoffe und Pigmente sind vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 0,1 bis 5 Gew.-% enthalten, bezogen auf den Feststoffgehalt der Schlichtezusammensetzung.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Schlichtezusammensetzung ein Biozid, um einen bakteriellen Befall zu verhindern und damit einen negativen Einfluss auf die Rheologie und die Bindekraft der Bindungsmittel zu vermeiden. Dies ist insbesondere bevorzugt, wenn die in der Schlichtezusammensetzung enthaltene Trägerflüssigkeit im Wesentlichen in Bezug auf das Gewicht aus Wasser gebildet wird, also die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung in Form einer sogenannten Wasserschlichte bereitgestellt wird. Beispiele für geeignete Biozide sind Formaldehyd, 2-Methyl-4-isothiazolin-3-on (MIT), 5-Chlor-2-methyl-4-iosthiazolin-3-on (CIT) und 1,2-Benzisothiazolin-3-on (BIT). Vorzugsweise werden MIT, BIT oder ein Gemisch davon eingesetzt. Die Biozide werden üblicherweise in einer Menge von 10 bis 1000 ppm, vorzugsweise von 50 bis 500 ppm verwendet, bezogen auf das Gewicht der gebrauchsfertigen Schlichtezusammensetzung.
- Die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung kann nach üblichen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung hergestellt werden, indem Wasser vorgelegt und hierin ein als Stellmittel wirkender Ton unter Verwendung eines hochscherenden Rührers aufgeschlossen wird. Anschließend werden die Feuerfestkomponenten, Pigmente und Farbstoffe sowie das metallische Additiv eingerührt, bis eine homogene Mischung entsteht. Zum Schluss werden Netz-, Antischaummittel, Biozide und Bindemittel eingerührt.
- Die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung kann als gebrauchsfertig formulierte Schlichte hergestellt und vertrieben werden. Die erfindungsgemäße Schlichte kann aber auch in konzentrierter Form hergestellt und vertrieben werden. In diesem Fall wird zur Bereitstellung einer gebrauchsfertigen Schlichte die Menge der Trägerflüssigkeit zugegeben, die nötig ist, um die gewünschte Viskosität und Dichte der Schlichte einzustellen. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung auch in Form eines Kits bereitgestellt und vertrieben werden, wobei z.B. die Feststoffkomponente(n) und die Lösungsmittelkomponente(n) nebeneinander in getrennten Behältnissen vorliegen.
- Die Feststoffkomponente(n) können als pulverförmiges Feststoffgemisch in einem separaten Behältnis bereitgestellt werden. Gegebenenfalls zu verwendende weitere flüssige Komponente(n), wie z.B. Bindemittel, Netzmittel, Netzer/Entschäumer, Pigmente, Farbstoffe und Biozide, können in diesem Kit wiederum in einem getrennten Behältnis vorliegen. Die Lösungsmittelkomponente(n) können entweder die gegebenenfalls zusätzlich zu verwendenden Komponenten umfassen, z.B. in einem gemeinsamen Behältnis, oder sie kann getrennt von weiteren optionalen Bestandteilen in einem separaten Behältnis vorhanden sein. Zur Herstellung einer gebrauchsfertigen Schlichte werden die geeigneten Mengen der Feststoffkomponente, der optionalen weiteren Komponenten und der Lösungsmittelkomponente miteinander vermengt.
- Die erfindungsgemäßen Schlichtezusammensetzungen eignen sich zum Beschichten von Gießformen. Der hier verwendete Ausdruck "Gießform" umfasst alle Arten von Körpern, welche zur Herstellung eines Gussstücks notwendig sind, wie etwa Kerne, Formen und Kokillen. Die erfindungsgemäße Verwendung der Schlichtezusammensetzungen umfasst auch ein teilweises Beschichten von Gießformen.
- Die Schlichten werden für Gießformen für die Metallverarbeitung eingesetzt, erhältlich aus anorganischen Formstoffmischungen, umfassend mindestens einen feuerfesten Formgrundstoff, ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel und vorzugsweise einen Anteil eines Metalloxids, welches ausgewählt ist aus der Gruppe von Siliciumdioxid, insbesondere amorphes Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zinkoxid und deren Mischungen, wobei dieses vorzugsweise teilchenförmig vorliegt und insbesondere Teilchengrößen von weniger als 300 µm (Siebanalyse) aufweist. Amorphes Siliciumdioxid ist z.B. über Fällungsprozesse ausgehend von Wasserglas, das durch Aufschließen von Quarzsand mit Natriumcarbonat oder Kaliumcarbonat erhältlich ist, zugänglich. So erzeugtes SiO2 nennt man je nach Prozessbedingungen Fällungskieselsäuren. Eine weitere wichtige Herstellungsvariante ist die Erzeugung von so genanntem pyrogenen SiO2 in einer Knallgasflamme, ausgehend von flüssigen Chlorsilanen wie Siliciumtetrachlorid.
- Die Formstoffmischungen und ein Verfahren zur Herstellung von Gießformen für die Metallverarbeitung unter Verwendung der ausgehärteten Formstoffmischungen sind in der
WO 2006/024540 (=US 7770629 B2 ) beschrieben und die Veröffentlichung wird insofern durch Referenz zum Inhalt auch dieser Anmeldung gemacht. Bevorzugte Formstoffmischungen sind Gegenstand der Ansprüche derWO 2006/024540 . - Die zu beschichtenden Gießformen umfassen somit typischerweise
- a) größer 80 Gew.% einen feuerfesten Formgrundstoff (einschließlich Additive, die sich wie feuerfeste Formgrundstoffe verhalten),
- b) 0,01 bis 5 Gew.% ausgehärtetes Wasserglas als Bindemittel, und
- c) 0 bis 5 Gew.% ggf. obiges Metalloxid bzw. Metalloxide.
- Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von geschlichteten Gießformen für die Metallverarbeitung unter Aufbringung der Schlichten auf obige teilweise oder vollständig ausgehärtete anorganische Formstoffmischungen. Die Aufbringung bzw. Bereitstellung der Schlichten kann wie folgt erfolgen:
- Bei Tauchen als Aufbringungsverfahren wird die Gießform, in deren Formhohlraum gegebenenfalls eine Grundbeschichtung aufgebracht worden ist, für etwa 2 Sekunden bis 2 Minuten in ein Behältnis eingetaucht, das mit einer gebrauchsfertigen, erfindungsgemäßen Schlichtezusammensetzung gefüllt ist.
- Die Gießform wird dann aus der Schlichtezusammensetzung herausgenommen und überschüssige Schlichtezusammensetzung von der Gießform ablaufen gelassen. Die Zeit, die das Ablaufen der überschüssigen Schlichtezusammensetzung nach dem Tauchen in Anspruch nimmt, richtet sich nach dem Ablaufverhalten der verwendeten Schlichtezusammensetzung.
- Beim Sprühen als Aufbringungsverfahren werden handelsübliche Druckkesselsprühgeräte verwendet. Hierbei wird die Schlichtezusammensetzung im verdünnten Zustand in einen Drückkessel gefüllt. Über den einzustellenden Überdruck kann die Schlichte in eine Sprühpistole gedrückt werden, wo sie mit Hilfe von separat regulierbarer Zerstäuberluft versprüht wird. Beim Sprühen werden die Bedingungen vorzugsweise so gewählt, dass der Druck für Schlichtezusammensetzung und Zerstäuberluft so an der Pistole eingestellt ist, dass die versprühte Schlichtezusammensetzung noch nass auf der Form oder dem Kern auftrifft, aber einen gleichmäßigen Auftrag ergibt.
- Bei Fluten als Aufbringungsverfahren wird die Gießform, in deren Formhohlraum gegebenenfalls eine Grundbeschichtung aufgebracht worden ist, mit Hilfe eines Schlauches, einer Lanze oder ähnlichen Instrumenten mit einer gebrauchsfertigen, erfindungsgemäßen Schlichtezusammensetzung übergossen.
- Die Gießform wird dabei vollständig mit der Schlichtezusammensetzung bedeckt, die überschüssige Schlichtezusammensetzung läuft von der Gießform ab. Die Zeit, die das Ablaufen der überschüssigen Schlichtezusammensetzung nach dem Fluten in Anspruch nimmt, richtet sich nach dem Ablaufverhalten der verwendeten Schlichtezusammensetzung.
- Daneben kann die Schlichte auch durch Streichen aufgebracht werden.
- Die in der Schlichte enthaltene Trägerflüssigkeit wird anschließend verdampft, sodass eine trockene Schlichteschicht erhalten wird. Als Trocknungsverfahren können alle konventionellen Trocknungsverfahren verwendet werden, wie beispielsweise Trocknen lassen an der Luft, Trocknung mit entfeuchteter Luft, Trocknen mit Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung, Trocknen im Konvektionsofen und vergleichbare Verfahren. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die beschichtete Gießform bei 20 bis 250 °C, bevorzugt bei 50 bis 180 °C, in einem Konvektionsofen getrocknet.
- Bei der Verwendung von Alkoholschlichten wird die erfindungsgemäße Schlichtezusammensetzung bevorzugt durch Abbrennen des Alkohols oder Alkoholgemischs getrocknet. Hierbei wird die beschichtete Gießform durch die Verbrennungswärme zusätzlich erwärmt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die beschichtete Gießform ohne weitere Behandlung an der Luft getrocknet oder unter Einsatz von Mikrowellen.
- Die Schlichte kann in Form einer einzelnen Schicht oder auch in Form mehrerer über einander angeordneter Schichten aufgebracht werden. Dabei können die einzelnen Schichten in ihrer Zusammensetzung gleich oder verschieden sein. Beispielsweise kann zunächst eine Grundbeschichtung aus einer handelsüblichen Schlichte hergestellt werden, welche kein erfindungsgemäßes metallisches Additiv enthält. Als Grundbeschichtung können beispielsweise Wasserschlichten oder auch Alkoholschlichten verwendet werden. Es ist aber auch möglich, alle Schichten aus der erfindungsgemäßen Schlichtezusammensetzung herzustellen. Die Schicht, welche später mit dem flüssigen Metall in Berührung gelangt, wird jedoch immer aus der erfindungsgemäßen Schlichte hergestellt. Beim Aufbringen mehrerer Schichten kann jede einzelne Schicht nach dem Aufbringen vollständig oder teilweise getrocknet werden.
- Die aus der Schlichtezusammensetzung hergestellte Beschichtung weist vorzugsweise eine Trockenschichtdicke von zumindest 0,1 mm, bevorzugt zumindest 0,2 mm, besonders bevorzugt zumindest 0,45 mm, insbesondere bevorzugt zumindest 0,55 mm auf. Gemäß einer Ausführungsform wird die Dicke der Beschichtung kleiner als 1,5 mm gewählt. Die Trockenschichtstärke ist hierbei die Schichtstärke der getrockneten Beschichtung, welche durch Trocknen der Schlichtezusammensetzung durch im Wesentlichen vollständiges Entfernen der Lösungsmittelkomponente und gegebenenfalls anschließendem Härten erhalten wurde. Die Trockenschichtstärke der Grundbeschichtung und der Deckbeschichtung werden vorzugsweise durch Messung mit dem Nassschichtdickenkamm ermittelt. Die Gießform kann anschließend ggf. vollständig zusammengebaut werden. Der Guss erfolgt vorzugsweise zur Herstellung von Eisen- und Stahl-Gusskörpem.
- In diesem Beispiel wurde der Einfluss des erhöhten Feststoffgehaltes der verwendeten Schlichten auf die Festigkeiten der geschlichteten Kerne überprüft. Die verwendeten Kernschlichten 1 und 2 wiesen die in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Zusammensetzungen und physikalischen Eigenschaften auf.
Tabelle 1: Zusammensetzung der Schlichten Schlichte 1 Schlichte 2 Name, Firma (Bezeichnung) Gew. % Gew. % Wasser 15,0 21,0 Attagel 40; Solvadis (Attapulgit) - 1,2 Actigel 208, Active Minerals (Palygorskit) 0,3 - Bentone CT, Elementis (Hectorit) 0,4 - Volclay, Südchemie (Natriumbentonit) 0,6 0,6 Zirkonmehl 45 µm 30,5 24 Zirkonmehl 75 µm 51 51 PVA Lösung (25%ig) 1,2 1,2 Surfynol® SEF (Netzmittel 1) 0,2 0,2 Dynol® 604 (Netzmittel 2) 0,05 0,05 Foamstar® MF324 (Entschäumer) 0,2 0,2 Acticide® F(N) (Konservierungsmittel 1) 0,4 0,4 Acticide® MBS, (Konservierungsmittel 2) 0,15 0,15 - Die Formgussschlichte wurde wie folgt hergestellt: Wasser wird vorgelegt und der bzw. die Tone durch Verwendung eines hochscherenden Aggregates und einer Zahnscheibe mindestens 15 Minuten aufgeschlossen. Anschließend werden die Feuerfestkomponenten, Pigmente und Farbstoffe mindestens 15 Minuten eingerührt, bis eine homogene Mischung entsteht. Zum Schluss werden Additive wie Netzmittel, Entschäumer und Konservierungsmittel sowie das Bindemittel für 5 Minuten eingerührt.
- Die Schlichten wurden für die folgenden Versuche auf eine für die Anwendung geeignete Viskosität im Bereich von 0,6 Pas eingestellt. Die Einstelllung erfolgte durch Zugabe entsprechender Mengen Wasser zur Original Zusammensetzung und anschließendem Homogenisieren. Hauptkenngrößen sind dabei die Viskosität, gemessen mit einem Brookfield Viskosimeter (DIN EN ISO 2555) und mit einem DIN 4 mm Auslaufbecher (DIN EN ISO 2431), jeweils gemessen bei 20°C.
Tabelle 2: Anwendungsparameter Schlichte 1 Schlichte 2 Brookfield [Pas] 0,6 0,6 Auslaufzeit [s] 15,5 15,5 Feststoffgehalt [%] 77,1 66,9 Eindringtiefe [mm] 0-1 2 erfindungsgemäß nicht erfindungsgemäß - Es wurde beobachtet, dass im Vergleich zu konventionellen Schlichten weniger Wasser in die geschlichteten Formen und Kerne eindringt. Desweiteren ist die Eindringtiefe deutlich geringer. Dadurch kann insgesamt die Wirkungsreichweite der Trägerflüssigkeit Wasser auf den anorganischen Binder entscheidend reduziert werden und die Stabilität der hergestellten Kerne und Formen erhöht werden.
- Als weitere Beispiele für nicht patentgemäße Schlichtezusammensetzung können die bei der Firma ASK Chemicals erhältlichen Produkte Trioflex® WK-HP oder Solitec® W 3 herangezogen werden.
- Im Folgenden wird die Durchführung der entsprechenden Versuchsreihen, die als Grundlage für die beschriebenen Erkenntnisse dienten, beschrieben.
- Es wurden zwei verschiedene Kerngeometrien zu Versuchszwecken untersucht. Eine Geometrie, sog. Georg-Fischer-Prüfriegel, veranschaulicht das Verhalten der geschlichteten Prüfkörper an dickeren Kerngeometrien, die andere Geometrie, sog. Langkerne, veranschaulicht das Verhalten der geschlichteten Prüfkörper an dünnen Geometrien. Unter Georg-Fischer-Prüfriegeln werden quaderförmige Prüfriegel mit den Abmessungen 150 mm x 22,36 mm x 22,36 mm verstanden. Die Langkerne haben Abmessungen von 13 mm x 20 mm x 235 mm.
- Die Zusammensetzung der Formstoffmischung ist in Tabelle 3 angegeben. Zur Herstellung der Georg-Fischer-Prüfriegel wurde wie folgt vorgegangen: Die in Tabelle 3 aufgeführten Komponenten wurden in einem Laborflügelmischer (Firma Vogel & Schemmann AG, Hagen, DE) gemischt.
- Dazu wurde zunächst der Quarzsand vorgelegt und unter Rühren das Wasserglas zugegeben. Als Wasserglas wurde ein Natriumwasserglas verwendet, das Anteile an Kalium aufwies. Das Modul SiO2:M2O des Wasserglases betrug ca. 2,2, wobei M die Summe aus Natrium und Kalium angibt. Nachdem die Mischung für eine Minute gerührt worden war, wurde ggf. amorphes Siliciumdioxid unter weiterem Rühren zugegeben. Bei dem amorphen Siliciumdioxid handelt es sich um pyrogene Kieselsäure der Firma RW Silicium. Die Mischung wurde anschließend noch für eine weitere Minute gerührt.
- Die Formstoffmischung wurde in den Vorratsbunker, eine H 2,5 Hot-Box-Kernschießmaschine der Firma Röperwerk-Gießereimaschinen GmbH, Viersen, DE, überführt, deren Formwerkzeug auf 180 °C erwärmt war. Die Formstoffmischung wurde mittels Druckluft (5 bar) in das Formwerkzeug eingebracht und verblieb für weitere 35 Sekunden im Formwerkzeug. Zur Beschleunigung der Aushärtung der Mischung wurde während der letzten 20 Sekunden Heißluft (2 bar, 150 °C beim Eintritt in das Werkzeug) durch das Formwerkzeug geleitet. Das Formwerkzeug wurde geöffnet und die Prüfriegel entnommen.
- Die Beschichtungszusammensetzungen wurden auf die Prüfriegel durch Eintauchen aufgetragen, die Anwendungsparamter sind in Tabelle 2 aufgelistet. Die Prüfriegel wurden entweder sofort nach der Entnahme aus dem Formwerkzeug oder nach einer 30 minütigen Abkühlzeit beschichtet.
- Die beschichteten Prüfriegel wurden nach der Auftragung der Beschichtung in einem Trockenschrank für 30 Minuten bei 150 °C gelagert.
- Zur Bestimmung der Biegefestigkeiten wurden die Prüfriegel in ein Georg-Fischer-Festigkeitsprüfgerät, ausgerüstet mit einer 3-Punkt-Biegevorrichtung (DISA Industrie AG, Schaffhausen, CH), eingelegt und die Kraft gemessen, welche zum Bruch der Prüfriegel führt.
- Die unbeschichteten Biegefestigkeiten wurden nach folgendem Schema gemessen:
- 10 Sekunden nach der Entnahme (Heißfestigkeiten)
- 1 Stunde nach der Entnahme (Kaltfestigkeiten).
- Die Biegefestigkeiten wurden nach folgendem Schema beschichtet:
- 1 Minute nach der Entnahme beschichtet (Heißbeschichtung)
- 30 Minuten nach der Entnahme beschichtet (Kaltbeschichtung)
- Die beschichteten Biegefestigkeiten wurden nach folgendem Schema gemessen
- 10 Sekunden nach der Entnahme aus dem Trockenschrank (Heißfestigkeiten, heißbeschichtet)
- 30 Minuten nach der Entnahme beschichtet (Kaltfestigkeiten, heißbeschichtet, direkt nach Ofenentnahme)
- 10 Sekunden nach der Entnahme aus dem Trockenschrank (Heißfestigkeiten, kaltbeschichtet, Raumtemperatur 20°C)
- 30 Minuten nach der Entnahme beschichtet (Kaltfestigkeiten, kaltbeschichtet)
- Die Verwendung einer alkoholhaltigen Beschichtung ist aufgrund des Nachteils im Hinblick auf die Entstehung von Emissionen während des Gießprozesses nicht gewünscht. Unter Verwendung standardisierter Beschichtungsmittel auf Basis von Wasser verlieren die Prüfkörper aus wasserglashaltigem Formstoffmittel stark an Festigkeiten (Schlichte 2).
- Überraschend wurde gefunden, dass durch die Kombination bestimmter Tone Schlichten mit einem ungewöhnlich hohen Feststoffgehalt hergestellt werden können, deren Viskosität mit handelsüblichen gebrauchsfertigen Schlichten wie Trioflex® WK-LS 1 vergleichbar ist.
- Die Qualität der mit diesen Schlichten beschichteten anorganischen Kerne und Formen ist nachhaltig verbessert und so kann-beispielsweise problemlos eine Lagerstabilität der Kerne und Formen von mehreren Tagen erreicht werden. Besonders hervorzuheben ist dabei, dass trotz des ungewöhnlich hohen Feststoffgehaltes die Viskosität der Schlichte in einem für Schlichten üblichen Bereich liegt. Die Schlichte kann ohne den Einsatz von speziellen Additiven oder größeren Mengen Wassers in den Anwendungszustand gebracht werden.
- Die hohen Festigkeiten im Vergleich mit Schlichte 2 geschlichteten Kernen sind ein Nachweis für den positiven Effekt.
| Quarzsand H32 | Alkaliwasserglas | Amorphes Siliciumdioxid | Beschichtung | ||
| 1 | 100 GT | 2,0 | 0,5 | - | Vergleich, nicht erfindungsgemäß |
| 2 | 100 GT | 2,0 | 0,5 | Schlichte 1 | erfindungsgemäß |
| 3 | 100 GT | 2,0 | 0,5 | Schlichte 2 | nicht erfindungsgemäß |
| Heißfestigkeit, heißbeschichtet [N/cm2] | Kaltfestigkeit, heißbeschich-tet [N/cm2] | Heißfestigkeit, kaltbeschichtet [N/cm2] | Kaltfestigkeit, kaltbeschich-tet [N/cm2] | ||
| 1 | 400 | 450 | 400 | 450 | Vergleich, nicht erfindungsgemäß |
| 2 | 295 | 300 | 305 | 415 | erfindungsgemäß |
| 3 | 270 | 275 | 275 | 325 | nicht erfindungs-gemäß |
| Heißfestigkeit, heißbeschich-tet [N/cm2] | Kaltfestigkeit, heißbeschichtet [N/cm2] | Heißfestigkeit, kaltbeschichtet [N/cm2] | Kaltfestigkeit, kaltbeschich-tet [N/cm2] | ||
| 1 | 250 | 280 | 250 | 280 | Vergleich, nicht erfindungsgemäß |
| 2 | 180 | 220 | 210 | 240 | erfindungsgemäß |
| 3 | - (zerbrochen) | - (zerbrochen) | - (zerbrochen) | - (zerbrochen) | Vergleich, nicht erfindungsgemäß |
Claims (14)
- Schlichtezusammensetzung enthaltend(A) zumindest folgende Tone(A1) 1 bis 10 Gew.-Teile Palygorskit,(A2) 1 bis 10 Gew.-Teile Hectorit und(A3) 1 bis 20 Gew.-Teile Natriumbentonit, bezogen auf das Verhältnis der Komponenten (A1), (A2) und (A3) relativ zueinander, und(B) eine Trägerflüssigkeit-enthaltend Wasser, die bei bis zu 160°C und 1013 mbar vollständig verdampfbar ist, und(C) Feuerfeststoffe unterschiedlich von (A),
wobei Palygorskit ein Magnesium-Aluminium-Hydrosilikat ist und in Form stabförmiger Kristalle und mit Partikel-Dimension von 1 bis 3 µm in der Länge und 1 bis 5 nm im Durchmesser vorliegt. - Schlichtezusammensetzung gemäß Anspruch 1 enthaltend unabhängig voneinander(A1) 1 bis 5 Gew.-Teile Palygorskit,(A2) 1 bis 5 Gew.-Teile Hectorit, und/oder(A3) 1 bis 10 Gew.-Teile Natriumbentonit.
- Schlichtezusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Gesamttongehalt A1, A2 und A3 der Schlichte zusammen 0,1 Gew. bis 4,0 Gew.%, bevorzugt 0,5 bis 3,0 Gew.% und besonders bevorzugt 1,0 bis 2,0 Gew.%, bezogen auf den Feststoffgehalt der Schlichtezusammensetzung, beträgt.
- Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerflüssigkeit zu größer 50 Gew.% Wasser umfasst und im Weiteren vorzugsweise Alkohole, einschließlich Polyalkohole und Polyetheralkohole enthält.
- Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoffgehalt der Schlichtezusammensetzung 20 bis 90 Gew.-% beträgt, insbesondere von größer 80 Gew.% bis 85 Gew.%.
- Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schlichtezusammensetzung 10 bis 85 Gew.-% Feuerfeststoffe enthält, bezogen auf den Feststoffgehalt der Schlichtezusammensetzung.
- Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feuerfeststoffe Quarz, Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Aluminiumsilicate, Zirkonsande, Zikonsilikate, Olivin, Talk, Glimmer, Graphit, Koks, Feldspat, Diatomit, Kaoline, kalzinierte Kaoline, Kaolinit, Metakaolinit, Eisenoxid, Bauxit und/oder deren Mischungen sind.
- Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feuerfeststoffe Partikelgrößen von 0,1 bis 500 µm, insbesondere 1 bis 200 µm, gemessen mittels Lichtstreuung nach DIN/ISO 13320, aufweisen.
- Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schlichtezusammensetzung 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 5 Gew.-%, zumindest eines Bindemittels umfasst, bezogen auf den Feststoffgehalt der Schlichtezusammensetzung.
- Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schlichtezusammensetzung als Konzentrat eingesetzt wird und der Anteil des Feuerfeststoffs (C) an der Schlichtezusammensetzung größer als 70 Gew.-%, bevorzugt größer als 80 Gew.-%, beträgt, jeweils bezogen auf den Feststoffanteil der Schlichtezusammensetzung.
- Verwendung der Schlichtezusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Beschichtung von Formstoffmischungen, welche durch ein anorganisches Bindemittel, insbesondere Wasserglas als Bindemittel ausgehärtet wurden, insbesondere in Gegenwart von Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zinkoxid und/oder deren Mischungen in den Formstoffmischungen und insbesondere amorphes Siliciumdioxid.
- Verfahren zum Schlichen von Formen und Kernen, welche durch ein anorganisches Bindemittel ausgehärtet wurden, umfassend die Schrittea) Bereitstellen einer Schlichtezusammensetzung durch Zusammenbringen zumindest(A) folgender Tone(A1) 1 bis 10 Gew.-Teile Palygorskit,(A2) 1 bis 10 Gew.-Teile Hectorit und(A3) 1 bis 20 Gew.-Teile Natriumbentonit,
bezogen auf das Verhältnis der Komponenten (A1), (A2) und (A3) relativ zueinander,(B) einer Trägerflüssigkeit enthaltend Wasser, die bei bis zu 160°C und 1013 mbar vollständig verdampfbar ist und(C) Feuerfeststoffe(n) unterschiedlich von (A),
wobei Palygorskit ein Magnesium-Aluminium-Hydrosilikat ist und in Form stabförmiger Kristalle und mit Partikel-Dimension von 1 bis 3 µm in der Länge und 1 bis 5 nm im Durchmesser vorliegt undb) Schlichten von Formen und Kernen mit der Schlichtezusammensetzung, wobei die Formen und Kernen aus Formstoffmischungen bestehen, welche durch ein anorganisches Bindemittel ausgehärtet wurden. - Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schlichtezusammensetzung durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 10 gekennzeichnet ist.
- Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Bindemittel Wasserglas ist und die Formstoffmischungen partikuläres Siliciumdioxid, partikuläres Aluminiumoxid, partikuläres Titanoxid oder partikuläres Zinkoxid und/oder deren Mischungen enthält, insbesondere partikuläres amorphes Siliciumdioxid.
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