EP2941327A1 - VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KERN- UND/ODER FORMSANDES FÜR GIEßEREIZWECKE - Google Patents

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KERN- UND/ODER FORMSANDES FÜR GIEßEREIZWECKE

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EP2941327A1
EP2941327A1 EP14700045.9A EP14700045A EP2941327A1 EP 2941327 A1 EP2941327 A1 EP 2941327A1 EP 14700045 A EP14700045 A EP 14700045A EP 2941327 A1 EP2941327 A1 EP 2941327A1
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EP
European Patent Office
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expandable graphite
molding
casting
sand
core
Prior art date
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Application number
EP14700045.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2941327B1 (de
Inventor
Andreas Wolff
Bettina VENNEMANN
Dieter Genske
Peter OBERSCHELP
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Imertech SAS
Original Assignee
S & B Industrial Minerals GmbH
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Publication date
Application filed by S & B Industrial Minerals GmbH filed Critical S & B Industrial Minerals GmbH
Publication of EP2941327A1 publication Critical patent/EP2941327A1/de
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Publication of EP2941327B1 publication Critical patent/EP2941327B1/de
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    • 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
    • B22C1/14—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 separating the pattern from the mould
    • 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
    • B22C1/16—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents
    • B22C1/18—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C1/18—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
    • B22C1/186—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents contaming ammonium or metal silicates, silica sols
    • B22C1/188—Alkali metal silicates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a core and / or molding sand for foundry purposes, after which a granular mineral and refractory molding material is mixed with at least one inorganic binder and additionally an inorganic blowing additive.
  • bentonite is typically used as the binder.
  • the additional added blowing additive may be perlite, vermiculite or expandable graphite.
  • the bulking additive has a Blähinger of at least 9, that is, the Blveshadditiv in question multiplies its volume at a certain temperature accordingly. This temperature is typically at 300 ° C. As a result, harmful emissions in particular are avoided and the casting quality is improved.
  • Inorganic binders such as bentonite according to EP 2 014 391 A2 are equipped with the fundamental advantage over organic binders that significantly less pollutants are released during casting.
  • bentonite as an inorganic binder for molds and cores it is also possible in principle to use molding material mixtures for the production of casting molds for metal processing, which use a binding agent based on water glass, as described in DE 10 2004 042 535 A1.
  • the molding base material is typically sand or quartz sand.
  • the physical curing of the binder, for example, from the water glass is done regularly by heating by moisture is removed by drying. Drying can be done in a hot core box, by hot air blowing in the core box concerned, or by microwave heating or in a conventional oven.
  • the grains of the molding base material are connected to each other via binder bridges produced with the aid of the binder.
  • the additional intumescent additives added in the context of EP 2 014 391 A2 or also according to US Pat. No. 4 505 750 A now ensure that coring is facilitated. Because the swelling additive ensures that, for example, the core can be separated from the casting.
  • DD 158 090 A1 deals with a method for controlling the strength of inorganic molding materials based on alkali metal silicate solutions.
  • the special characteristic of water glass is described as a binder and also the unsatisfactory decay properties are presented in this context.
  • the invention is based on the technical problem of developing a method of the type described above so that a perfect and rapid disintegration of the mold is associated with a perfect surface of the casting.
  • a generic method in the context of the invention is characterized in that are used as a binder water glass and as blowing additive expandable graphite.
  • water glass is first used as the binder.
  • Water glass is known to be solidified from a melt glassy water-soluble sodium and potassium silicates or their aqueous solutions. Depending on whether predominantly sodium or potassium silicates are contained, one speaks of soda water glass or potassium water glass.
  • Such waterglasses are characterized by a high rate of setting and low emissions.
  • the use of water glass in foundry technology for hardening molds and cores is basically known, as exemplified by DE 10 2004 042 535 A1, but not in combination with an additional intumescent additive in the form of expandable graphite.
  • expanded graphites are special graphites which typically expand by about 50 to 600 volume percent upon heating to temperatures above 150 ° C.
  • the above expansion can be so
  • the expandable graphite in question is optionally ground and then heated in a crucible. From a comparison of the volume before and after heating can then be deduced on the volume increase.
  • a certain amount of expandable graphite (in g) is used in this process, so that not only the increase in volume can be specified, but also an expansion rate, ie the volume increase (in cm 3 ) per gram of expanded graphite used.
  • the expansion properties of expanded graphite can be determined, for example, by means of thermomechanical analysis (TMA).
  • TMA thermomechanical analysis
  • dimensional changes of expanded graphite or individual graphite particles are measured as a function of temperature and time.
  • the respective sample of expandable graphite is applied to a sample carrier and the dimensional changes of the sample are measured and recorded with the aid of a measuring probe as a function of the heating temperature and the heating time.
  • the powdery sample of expanded graphite can be introduced into a corundum crucible, which is covered with a steel crucible.
  • the steel crucible ensures the smooth transfer of the dimensional changes of the sample to the probe, which is in mechanical contact with the top of the steel crucible, as the sample expands.
  • the probe is subjected to an adjustable load.
  • thermochemical analysis TMA
  • the calculation of the expansion of the substance in% or in cm 3 are in the
  • the expanded graphite can be characterized by its rate of expansion, that is to say the volume increase (in cm 3 ) relative to the mass (in g), inter alia.
  • the expandability of expanded graphite can be attributed to the fact that between the lattice planes of the graphite impurities are embedded, which cause the expansion of the lattice plane spaces when energized.
  • These foreign constituents may be metallic groups, halogens, OH groups, acid residues or also SOx and / or ⁇ .
  • a granular mineral molding base material (quartz sand) was used for the casting test, and with two different expansion rates as binder waterglass with 1, 6 wt .-% and 0.3 wt .-% expandable graphite, each based on the mold base material:
  • an expanded graphite having an expansion rate of more than 10 cm 3 / g and in particular such having an expansion rate of 10 to 100 cm 3 / g, a maximum of 120 cm 3 / g, has proven to be particularly favorable.
  • the lower limit of 10 cm 3 / g is explained by the fact that only at such an expansion rate of expandable graphite a coring is made possible, that is, the shape without adherence to the casting properly disintegrates.
  • expansion rates of up to 350 cm 3 / g and especially those of up to 100 cm 3 / g are particularly preferred.
  • the expansion rate gives the
  • sulfur or nitrogen compounds are generally incorporated into the individual layers of the graphite. It is therefore SOx or ⁇ expandable graphite. These typically have a starting temperature for expansion that is more than 1 80 ° C. In particular, a starting temperature of about 220 ° C is observed. That is, only above the specified temperatures (> 180 ° C), the previously stated volume increase is observed.
  • the particle size is more than 20 ⁇ .
  • particles or grains in a diameter range from 20 ⁇ to 150 ⁇ used and preferably those with a grain size between 150 ⁇ and 300 ⁇ .
  • the described grain size of the expanded graphite up to a maximum of 300 ⁇ takes into account inter alia the fact that usually granular mineral sand, in particular quartz sand, is used as the molding base material. This is usually in a mean grain size ⁇ 0.5 mm before, that is, with a grain diameter of typically less than 500 ⁇ . In general, its grain size ranges from 100 ⁇ to 300 ⁇ . As a result, the grains of on the one hand the expanded graphite and on the other hand the mold base material are approximately the same size, which favors the mixing of the molding material with the expandable graphite and its uniform distribution within the produced core and / or molding sand.
  • Expanded graphite generally has a carbon content of 85% to 99.5% by weight.
  • the maximum humidity of the expanded graphite is in
  • the PH value may be between 3 and 8.
  • the starting temperature is in the range between 180 ° C and 220 ° C.
  • the expandable graphite is added to the mixture in a proportion of up to about 1% by weight and preferably up to about 0.5% by weight.
  • the mixture is the mixture of the granular mineral molding material and the at least one inorganic binder.
  • the inorganic blowing additive in the form of expandable graphite is added to this mixture.
  • Particularly preferred is a proportion of the expandable graphite in the mixture in question of about 0.1 wt .-%.
  • the percentages by weight in each case relate to the molding material used.
  • the expandable graphite evenly distributed Blähgraphit confuseer in the mixture to simplify from the starting temperature, the coring. Because of the introduced expanded graphite virtually all bonds between the individual grains of the molding material are repealed. At the same time, the expanded graphite, with its relatively low expansion rate of typically not more than 100 cm 3 / g or not more than 350 cm 3 / g, ensures that the surface of the casting that is formed is not or is not negatively affected.
  • the bentonite-bonded test specimen corresponds to the state of the art, as described, for example, in EP 2 014 391 A2 and uses bentonite as the inorganic binder.
  • the water-glass-bonded test specimen belongs to the process according to the invention, in which water glass (in conjunction with expandable graphite as intumescent additive) is used as binder.
  • bentonite-bonded molding material 5% by weight bentonite (based on the quartz sand) + water + quartz sand was used as the bentonite-bonded molding material.
  • the bentonite-bonded molding material has 0.3 wt .-% expandable graphite (based on the quartz sand) with an expansion rate ⁇ 100 cm 3 / g. The entire production of the test specimens was carried out in the laborkorkergergang and according to the educachanurgiher ein VDG leaflet P 69.
  • the water-glass-bonded molding material according to the inventive method from 1, 6 wt .-% water glass (based on the quartz sand or the granular mineral mold base material) and the same proportion expanded graphite as before and the rest quartz sand.
  • the test specimen was produced here in a wing mixer and the hardening of the water-glass bonded cores in a drying oven.
  • water glass bonded moldings or molding materials without stabilizing mold frame can be prepared so that they can be handled freely and inexpensively and so can be used as bentonite bonded moldings in terms of their casting technology application for a wider range of applications.
  • cores to form inner contours for example, water jacket cores in the production of molds for water-cooled engines to name, which can not be imagined with bentonite-bonded cores and handled.
  • main benefits are the main benefits.
  • the core and / or molding sand produced by the process according to the invention can also be advantageously used for the production of casting molds for iron-carbon alloys, aluminum alloys, copper alloys such as brass, bronze etc. but also for magnesium alloys and castings produced therefrom.
  • the casting molds in question are typically used in the automotive industry. In fact, this molds can be realized with the particularly filigree structures with
  • Comparative Example 1 In the photograph shown in Fig. 1, a casting is shown in the left photo, which has been prepared without expandable graphite using a core and / or molding sand and water glass as a binder.
  • the right-hand photograph in FIG. 1 shows the relevant workpiece with added expandable graphite in an amount of 0.1% by weight, based on the core or molding sand produced (likewise with water glass as binder, in both cases equal grammages for water glass and the core or molding sand as well as the same core or molding sand was used.
  • 2 and 3A to 3C show the basic process in the production of a mold using the core and / or molding sand according to the invention. 2 shows how predominantly hatched grains of sand 1
  • FIG. 3A by way of example, two grains or grains of sand 1 of the basic molding material are coupled to one another by a bridge of the inorganic binder or water glass 2 shown in black.
  • FIG. 3B shows how, when the starting temperature is exceeded, a crack occurs in the bridge between the sand grains 1 formed by inorganic binders or the water glass 2. For this purpose, essentially the expanding graphite expanding above the starting temperature is responsible.
  • FIG. 3C shows the breakage of the binder bridge 3 produced by the binder or water glass 2 in this way.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kern- und/oder Formsandes für Gießereizwecke. Dabei wird ein granularer mineralischer Formgrundstoff mit wenigstens einem anorganischen Bindemittel und zusätzlich einem anorganischen Blähadditiv gemischt. Erfindungsgemäß werden als Bindemittel Wasserglas und als Blähadditiv Blähgraphit eingesetzt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kern- und/oder Formsandes für
Gießereizwecke
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kern- und/oder Formsandes für Gießereizwecke, wonach ein granulärer mineralischer sowie feuerfester Formgrundstoff mit wenigstens einem anorganischen Bindemittel und zusätzlich einem anorganischen Blähadditiv gemischt wird.
Bei einem Verfahren des eingangs beschriebenen Aufbaus, wie dies beispielsweise in der EP 2 014 391 A2 der Anmelderin oder auch der US 4 505 750 A beschrieben wird, kommt typischerweise Bentonit als Bindemittel zum Einsatz. Bei dem zusätzlich zugegebenen Blähadditiv kann es sich um Perlit, Vermiculit oder auch Blähgraphit handeln. Das Blähadditiv verfügt über eine Blähzahl von wenigstens 9, das heißt, das fragliche Blähadditiv vervielfacht sein Volumen bei einer bestimmten Temperatur entsprechend. Diese Temperatur liegt typischerweise bei 300 °C. Hierdurch werden insbesondere schädliche Emissionen vermieden und die Gussqualität verbessert.
Anorganische Bindemittel wie beispielsweise Bentonit entsprechend der EP 2 014 391 A2 sind mit dem grundsätzlichen Vorteil gegenüber organischen Bindemitteln ausgerüstet, dass beim Abgießen bedeutend weniger Schadstoffe freigesetzt werden. Neben Bentonit als anorganischem Bindemittel für Formen und Kerne können grundsätzlich auch Formstoffmischungen zur Herstellung von Gießformen für die Metallverarbeitung zum Einsatz kommen, die auf ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel zurückgreifen, wie dies in der DE 10 2004 042 535 A1 beschrieben wird. Generell werden mit Hilfe des anorganischen Bindemittels die einzelnen Körner des granulären mineralischen und feuerfesten Formgrundstoffes miteinander
verbunden bzw. geklebt. Bei dem Formgrundstoff handelt es sich typischerweise um Sand bzw. Quarzsand. Die physikalische Aushärtung des Bindemittels, beispielsweise vom Wasserglas, erfolgt regelmäßig durch Erhitzen, indem Feuchtigkeit durch Trocknen entzogen wird. Das Trocknen kann in einer heißen Kernbüchse, durch Begasen mit heißer Luft in der betreffenden Kernbüchse oder auch mit Hilfe einer Mikrowellenheizung bzw. in einem herkömmlichen Ofen erfolgen.
Nach dem Aushärten sind die Körner des Formgrundstoffes über mit Hilfe des Bindemittels erzeugte Binderbrücken miteinander verbunden. Die im Rahmen der EP 2 014 391 A2 oder auch gemäß der US 4 505 750 A zugegebenen zusätzlichen Blähadditive sorgen nun dafür, dass das Entkernen erleichtert wird . Denn das Blähadditiv stellt sicher, dass beispielsweise der Kern vom Gussteil getrennt werden kann.
An dieser Stelle können häufig aufgrund der speziellen Charakteristik des anorganischen Bindemittels und insbesondere von Wasserglasbindern Schwierigkeiten auftreten, so dass die Trennung des Kerns bzw. Kernsandes und/oder Formsandes vom jeweiligen Gussteil nur teilweise oder unvollständig gelingt. Beispielsweise befasst sich die DD 158 090 A1 mit einem Verfahren zur Festigkeitsregulierung anorganischer Formstoffe auf der Basis von Alkalisilikatlösungen. Hier wird die besondere Charakteristik von Wasserglas als Bindemittel beschrieben und werden auch die unbefriedigenden Zerfallseigenschaften in diesem Kontext dargestellt.
Denn diese muss möglichst genau und fehlerfrei abgebildet werden. So können Oberflächenfehler unter anderem beim Ablösen von Partikeln bzw. Körnern entstehen. Außerdem werden ein oder mehrphasige Einschlüsse an der Gussoberfläche beobachtet, die sich auf Reaktionen des Kern- und/oder Formsandes mit
der Schmelze zurückführen lassen. Solche Einschlüsse sind manchmal makroskopisch, also mit bloßem Auge, zu erkennen und beeinflussen regelmäßig die mechanischen Festigkeiten eines Gussteils. Hieraus kann im Extremfall Ausschuss resultieren.
Bei der Herstellung der Gussteile steht nicht nur eine einwandfreie Gussoberfläche im Fokus, sondern der gesamte Fertigungsprozess stellt an das Entkernen besonders hohe Anforderungen. Das heißt, es kommt darauf an, dass die Formen und Kerne nach der Herstellung des Gussteils einwandfrei vom Gussteil getrennt werden . Um diesen Vorgang zu unterstützen, wird oftmals mechanische Energie durch Rütteln oder Vibrieren zugeführt, welche ergänzend zu dem Blähadditiv dafür sorgt, dass die Binderbrücken zwischen den einzelnen Körnern zerstört werden und folglich der Formgrundstoff im Idealfall aus dem Gussstück frei herausrieselt.
Insbesondere bei anorganisch gebundenen Kernen mit schmalen Konturen im Millimeterbereich, wie sie unter anderem bei Zylinderköpfen mit Wassermantel zur Herstellung von Automobil motoren beobachtet werden, ergeben sich Ent- kernprobleme, die auch noch durch die relativ geringen Gießtemperaturen der im Allgemeinen eingesetzten Aluminiumlegierungen verstärkt werden . Das heißt, in den gebildeten dünnen Kanälen können oft Kernsandreste hängen bleiben oder die Kanäle sind sogar verschlossen. Hinzu kommt, dass anorganische Bindemittel auf Basis von Bentonit im Allgemeinen mit dem Nachteil verbunden sind, dass die hieraus hergestellten Gießformen relativ geringe Festig- keiten aufweisen. Hohe Festigkeiten sind aber besonders wichtig für die Produktion solcher komplizierter dünnwandiger Kerne (Formen) und deren sichere Handhabung.
Der Grund für die niedrigen Festigkeiten bentonitgebundener Formen und Kerne gegenüber beispielsweise wasserglasgebundenen Formen und Kernen lässt sich im Wesentlichen darauf zurückführen, dass die bentonitgebundenen Gießformen einen etwas anderen Bindungsmechanismus besitzen und noch Restwasser aus dem Bindemittel enthalten. - Hier setzt die Erfindung ein.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Ausprägung so weiterzuentwickeln, dass ein einwandfreier und schneller Zerfall der Gussform mit einer einwandfreien Oberfläche des Gussteiles einhergeht.
Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes Verfahren im Rahmen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Wasserglas und als Blähadditiv Blähgraphit eingesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung kommt als Bindemittel zunächst einmal Wasserglas zum Einsatz. Bei Wasserglas handelt es sich bekanntermaßen um aus einer Schmelze erstarrte glasartige wasserlösliche Natrium- und Kaliumsilikate oder ihre wässrigen Lösungen. Je nach dem, ob überwiegend Natrium- oder Kalium- Silikate enthalten sind, spricht man von Natronwasserglas oder von Kaliwasserglas. Solche Wasserglase zeichnen sich durch eine hohe Geschwindigkeit beim Abbinden und geringe Emissionen aus. Der Einsatz von Wasserglas in der Gießereitechnik zum Härten von Formen und Kernen ist zwar grundsätzlich bekannt, wie die DE 10 2004 042 535 A1 beispielhaft belegt, allerdings nicht in Kombination mit einem zusätzlichen Blähadditiv in Gestalt von Blähgraphit.
Tatsächlich handelt es sich bei Blähgraphiten um spezielle Graphite, die typischerweise beim Erhitzen auf Temperaturen über 150 °C um etwa 50 bis 600 Vol.-% expandieren. Die vorgenannte Expansion kann beispielsweise so
bestimmt werden, dass das fragliche Blähgraphit gegebenenfalls gemahlen und dann in einem Schmelztiegel erhitzt wird. Aus einem Vergleich des Volumens vor und nach dem Erhitzen kann dann auf die Volumenzunahme rückgeschlossen werden. Üblicherweise kommt bei diesem Vorgang eine bestimmte Menge des Blähgraphites (in g) zum Einsatz, so dass nicht nur die Volumenzunahme angegeben werden kann, sondern auch eine Expansionsrate, das heißt die Volumenzunahme (in cm3) pro Gramm des eingesetzten Blähgraphits.
Einzelheiten der Herstellung solcher Blähgraphite sowie der Messung der Expansionseigenschaften lassen sich unter anderem der EP 1 489 1 36 A1 entnehmen. Danach können die Expansionseigenschaften von Blähgraphit beispielsweise mit Hilfe der thermomechanischen Analyse (TMA) bestimmt werden. Mit Hilfe dieser thermochemischen Analyse werden Dimensionsänderungen des Blähgraphits respektive einzelner Graphitpartikel als Funktion der Temperatur und der Zeit gemessen. Hierfür wird die jeweilige Probe des Blähgraphits auf einen Probenträger aufgebracht und werden die Dimensionsänderungen der Probe mit Hilfe einer Messsonde in Abhängigkeit von der Aufheiztemperatur und der Aufheizzeit gemessen und aufgezeichnet. Dazu lässt sich typischerweise die pulverförmige Probe aus dem Blähgraphit in einen Korundtiegel einbringen, der mit einem Stahltiegel abgedeckt wird. Der Stahltiegel gewährleistet bei der Ausdehnung der Probe die ruckfreie Übertragung der Dimensionsänderungen der Probe auf die Messsonde, welche mit der Oberseite des Stahltiegels in mechanischen Kontakt steht. Außerdem wird die Messsonde mit einer einstellbaren Auflast beaufschlagt.
Weitere Einzelheiten dieser thermochemischen Analyse (TMA) und auch die Berechnung der Ausdehnung der Substanz in % bzw. in cm3 werden in der
zuvor bereits genannten EP 1 489 136 A1 im Detail beschrieben. Als Folge hiervon lässt sich der Blähgraphit über seine Expansionsrate, das heißt die Volumenzunahme (in cm3) bezogen auf die Masse (in g) unter anderem charakterisieren.
Die Blähfähigkeit des Blähgraphits lässt sich darauf zurückführen, dass zwischen den Gitterebenen des Graphits Fremdbestandteile eingelagert sind, die bei Energiezufuhr die Aufweitung der Gitterebenen-Zwischenräume bewirken. Bei diesen Fremdbestandteilen kann es sich um metallische Gruppen, Halogene, OH-Gruppen, Säurereste oder auch SOx und/ oder ΝΟχ handeln.
Im Rahmen der Erfindung kommen insbesondere schwach expandierende Blähgraphite zum Einsatz, welche einerseits das Entkernen erheblich verbessern, andererseits die sich nach dem Gießen bildende Oberfläche des Gussteiles praktisch nicht negativ beeinflussen.
Um diesen Sachverhalt insbesondere quantitativ aufzuzeigen, wurden in diesem Zusammenhang Abgießversuche mit wasserglasgebundenen Prüfkörpern und Zusätzen von Blähgraphiten unterschiedlicher Expansionsraten unter- nommen.
Dazu wurde für den Gießversuch ein granulärer mineralischer Formgrundstoff (Quarzsand) sowie als Bindemittel Wasserglas mit 1 ,6 Gew.-% und 0,3 Gew.-% Blähgraphit, jeweils bezogen auf den Formgrundstoff, mit zwei verschiedenen Expansionsraten verwendet:
1 . Expansionsrate < 120 cm3/g (Blähgraphit) Probe Nummer 1
2. Expansionsrate > 350 cm3/g (Blähgraphit) Probe Nummer 2
Im weiteren Verlauf des Versuches wurden die Formlinge als Innenkerne in eine gemeinsame Form eingebracht und abgegossen. Nach dem Erkalten war bei beiden ein einfaches Entkernen sichtbar, das heißt ein einfaches Herausrieseln des Quarzsandes aus dem Gusskörper war erkennbar. Beim Aufsägen beider Gusskörper wurde aber zusätzlich sichtbar, dass der Blähgraphit mit der hohen Expansionsrate (> 350 cm3/g) die Bildung der Gussoberfläche des Probekörpers so stark beeinflusst hatte (vgl. Fig. 4, Probe Nummer 2), dass man als Ergebnis Reste des Blähgraphits makroskopisch auf der Gussoberfläche erkennen konnte.
Im Vergleich zum Probekörper Nummer 1 bzw. Probe Nummer 1 in Fig. 4, der mit schwach expandierendem Blähgraphit behandelt worden war, wurden diese starken Einflüsse auf die Oberfläche nicht oder nur kaum sichtbar, so dass hinsichtlich der Oberflächenqualität bei dem Abgießversuch keine oder kaum Ein- schränkungen festgestellt werden konnten.
Aus den oben geschilderten Abgießversuchen hat sich also ein Blähgraphit mit einer Expansionsrate von mehr als 10 cm3/g und insbesondere ein solcher mit einer Expansionsrate von 10 bis 100 cm3/g, maximal 120 cm3/g, als besonders günstig erwiesen. Die Untergrenze von 10 cm3/g erklärt sich dadurch, dass erst bei einer solchen Expansionsrate des Blähgraphits ein Entkernen ermöglicht wird, das heißt, die Form ohne Anhaftungen am Gusskörper einwandfrei zerfällt. Prinzipiell kann auch mit einer Expansionsrate von mehr als 350 cm3/g gearbeitet werden. Hier ist jedoch mit einer verminderten Oberflächenqualität, wie im Abgießversuch bereits geschildert, zu rechnen.
Im Allgemeinen sind damit Expansionsraten bis maximal 350 cm3/g und insbesondere solche bis 100 cm3/g besonders bevorzugt. Die Expansionsrate gibt die
Volumenzunahme des Blähgraphits (in cm3) bezogen auf dessen Masse (in g) an.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Blähgraphits werden in die einzel- nen Schichten des Graphits allgemein Schwefel- oder Stickstoffverbindungen mit eingebaut. Es handelt sich folglich um SOx oder ΝΟχ- Blähgraphite. Diese verfügen typischerweise über eine Starttemperatur zur Expansion, die bei mehr als 1 80 °C liegt. Insbesondere wird eine Starttemperatur von ca. 220 °C beobachtet. Das heißt, erst oberhalb der angegebenen Temperaturen (> 180 °C) wird die zuvor angegebenen Volumenzunahme beobachtet.
Als Blähgraph it kommt typischerweise ein solcher zum Einsatz, dessen Teilchengröße mehr als 20 μιτι beträgt. Insbesondere werden Teilchen bzw. Körner in einem Durchmesserbereich von 20 μιτι bis 150 μιτι eingesetzt und bevorzugt solche mit einer Körnung zwischen 150 μιτι und 300 μιτι.
Die beschriebene Körnung des Blähgraphits bis maximal 300 μιτι trägt unter anderem dem Umstand Rechnung, dass als Formgrundstoff üblicherweise granulärer mineralischer Sand, wie insbesondere Quarzsand, zum Einsatz kommt. Dieser liegt meistens in einer mittleren Körnung < 0,5 mm vor, das heißt mit einem Korndurchmesser von typischerweise weniger als 500 μιτι. Im Allgemeinen bewegt sich seine Körnung im Bereich zwischen 100 μιτι bis 300 μιτι. Dadurch sind die Körner von einerseits dem Blähgraphit und andererseits dem Formgrundstoff in etwa gleich groß bemessen, was die Durchmischung des Formgrundstoffes mit dem Blähgraphit und dessen gleichmäßige Verteilung innerhalb des hergestellten Kern- und/oder Formsandes begünstigt.
Der Blähgraphit verfügt im Allgemeinen über einen Kohlenstoffgehalt von 85 Gew.-% bis 99,5 Gew.-%. Die maximale Feuchte des Blähgraphits liegt im
Bereich von maximal 1 Gew.-%. Der PH-Wert mag zwischen 3 und 8 angesiedelt sein. Die Starttemperatur liegt im Bereich zwischen 180 °C und 220 °C.
Meistens wird der Blähgraphit der Mischung mit einem Anteil von bis zu ca. 1 Gew.-% und vorzugsweise bis zu ca. 0,5 Gew.-% zugegeben . Bei der Mischung handelt es sich um die Mischung aus dem granulären mineralischen Formgrundstoff und dem wenigstens einen anorganischen Bindemittel. Zu dieser Mischung wird erfindungsgemäß das anorganische Blähadditiv in Gestalt des Blähgraphits hinzugegeben. Besonders bevorzugt ist ein Anteil des Bläh- graphits in der fraglichen Mischung von ca. 0,1 Gew.-%. Die Gewichtsprozentangaben beziehen sich dabei jeweils auf den eingesetzten Formgrundstoff.
Dennoch reichen die eingebrachten und aufgrund der Anpassung der jeweiligen Korndurchmesser von einerseits dem Formgrundstoff und andererseits dem Blähgraphit gleichmäßig verteilten Blähgraphitbestandteile in der Mischung aus, um ab der Starttemperatur das Entkernen zu vereinfachen. Denn durch den eingebrachten Blähgraphit werden praktisch sämtliche Bindungen zwischen den einzelnen Körnern des Formgrundstoffes aufgehoben. Zugleich sorgt der Blähgraphit mit seiner relativ geringen Expansionsrate von typischerweise nicht mehr als 100 cm3/g bzw. nicht mehr als 350 cm3/g dafür, dass die Oberfläche des sich bildenden Gussteils nicht oder praktisch nicht negativ beeinflusst wird . Das lässt sich im Kern darauf zurückführen, dass einerseits die schwache Expansion des Blähgraphits die Körner des Form- grundstoffes nicht übermäßig mit von innen her aufgebautem Druck beaufschlagt, sondern vielmehr die moderate Expansionsrate hauptsächlich dazu führt, dass die Binderbrücken aufgesprengt werden. Andererseits liegt der expandierende Blähgraphit in besonders feiner Verteilung vor, so dass Ein-
Schlüsse an der Oberfläche des Gussteils prinzipiell nicht oder praktisch nicht auftreten können.
Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus, dass hohe Biegefestigkeiten beobachtet werden, die deutlich oberhalb von 100 N/cm2 angesiedelt sind, folglich die beispielsweise in der EP 2 014 391 A2 angegebenen Trockendruckfestigkeiten im Bereich von ca. 40 N/cm2 weit übertreffen. Dies schon deshalb, weil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren überhaupt und generell Biegeriegel zur Bestimmung der zuvor angegebenen Biegefestigkeit hergestellt werden können, wohingegen nach dem Verfahren entsprechend der EP 2 014 391 A2 solche Biegeriegel überhaupt nicht darstellbar sind. Jedenfalls ist die Festigkeit gegenüber der Lehre nach EP 2 014 391 A2 deutlich gesteigert.
Diesen Sachverhalt untermauern vor allem die Vergleichsprüfwerte der Biege- festigkeit von bentonitgebundenen und wasserglasgebundenen Prüfkörpern, wie aus Tabelle 1 zu entnehmen ist. Der bentonitgebundene Prüfkörper entspricht dabei dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der EP 2 014 391 A2 beschrieben wird und als anorganisches Bindemittel Bentonit einsetzt. Demgegenüber gehört der wasserglasgebundene Prüfkörper zum erfindungs- gemäßen Verfahren, bei dem als Bindemittel Wasserglas (in Verbindung mit Blähgraphit als Blähadditiv) eingesetzt wird.
Dabei wurde als bentonitgebundener Formstoff 5 Gew.-% Bentonit (bezogen auf den Quarzsand) + Wasser + Quarzsand verwendet. Außerdem weist der bentonitgebundene Formstoff 0,3 Gew.-% Blähgraphit (bezogen auf den Quarzsand) mit einer Expansionsrate < 100 cm3/g auf. Die gesamte Herstellung der Prüfkörper erfolgte im Laborkollergang und gemäß der Prüfkörperherstellung VDG Merkblatt P 69.
Zum Vergleich dazu bestand der wasserglasgebundene Formstoff entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aus 1 ,6 Gew.-% Wasserglas (bezogen auf den Quarzsand bzw. den granulären mineralischen Formgrundstoff) sowie dem gleichen Anteil Blähgraphit wie zuvor und dem Rest Quarz- sand. Die Herstellung des Prüfkörpers erfolgte hier in einem Flügelmischer und die Aushärtung der wasserglasgebundenen Kerne in einem Trockenschrank.
Bei der Prüfung der bentonit- und wasserglasgebundenen Probekörper wurden folgende Biegefestigkeiten festgestellt, die die großen und bereits bekannten Unterschiede hinsichtlich der Biegefestigkeit, insbesondere die praktisch nicht messbaren Biegefestigkeiten bei bentonitgebundenen Formstoffen, wiedergeben (die Messungen 1 bis 3 beziehen sich auf jeweils drei Prüfkörper gleicher Grammatur und Herstellung, die zu statistischen Zwecken untersucht wurden):
Tabelle 1 . Messreihe zur Prüfung der bentonit- und wasserglasgebundenen Prüfkörper
Damit ist die Anwendung eines bentonitgebundenen Formstoffs auf Formen beschränkt, die meist nur zur Bildung der Außenkontur von Gussformen Anwendung finden, was insgesamt einen Nachteil darstellt. Denn beispielsweise Innenkerne respektive Innenkonturen lassen sich hiermit praktisch nicht realisieren.
Hinzu kommt, dass sich zu einer möglichen Stabilisierung und zur Bildung der nötigen Festigkeiten solche bentonitgebundenen Formstoffe stets in einem Formrahmen befinden müssen, auch Formkasten genannt, der diesen Festig- keitsnachteil des Bindemittels ausgleicht.
Dies ist ebenfalls als ein weiterer Nachteil anzusehen, da hier zum einen zusätzliche Material kosten für die Formkästen entstehen und zum anderen nach jeweiligen Gebrauch eine Reinigung bzw. Wiederaufbereitung der Formkästen notwendig ist, was auch hier zusätzliche Kosten entstehen lässt.
Zum Vergleich können wasserglasgebundene Formlinge bzw. Formstoffe ohne stabilisierenden Formrahmen (Formkasten) hergestellt werden, so dass sie frei und kostengünstig gehandhabt werden können und so auch hinsichtlich ihrer gießereitechnischen Anwendung für einen weiteren Anwendungsbereich als bentonitgebundene Formlinge verwendet werden können. Hier sind insbesondere die Herstellung von Kernen zur Ausbildung von Innenkonturen beispielsweise Wassermantel kernen bei der Herstellung von Gussformen für wassergekühlte Motoren zu nennen, die unmöglich mit bentonitgebundenen Kernen abzubilden und gehandhabt werden können. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
Auch kann der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kern- und/ oder Formsand vorteilhaft zur Produktion von Gießformen für Eisen-Kohlen- stoff-Legierungen, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen wie Messing, Bronze etc. aber auch für Magnesiumlegierungen und daraus hergestellte Gussteile zum Einsatz kommen. Dabei werden die fraglichen Gießformen typischerweise in der Automobilindustrie eingesetzt. Tatsächlich lassen sich hiermit Gießformen realisieren, die über besonders filigrane Strukturen mit
dünnen Konturen und insbesondere Kernkonturen im Bereich von nur wenigen Millimetern verfügen. Solche schmalen Konturen und insbesondere Kanäle für Kühlwasser bei der Herstellung von Zylinderköpfen lassen sich besonders vorteilhaft mit Hilfe von Gießformen realisieren, die auf Basis des erfindungsgemäß herstellenden Kern- und/oder Formsandes produziert worden sind. Hier sind ebenfalls die wesentlichen Vorteile der Erfindungslehre zu sehen.
Vergleichsbeispiel 1 In der in Fig. 1 dargestellten Fotografie ist ein Gussstück im linken Foto gezeigt, welches ohne Blähgraphit unter Rückgriff auf einen Kern- und/oder Formsand sowie Wasserglas als Binder hergestellt worden ist. Die rechte Fotografie in der Fig. 1 zeigt das betreffende Werkstück mit zugesetztem Blähgraphit in einer Menge von 0,1 Gew.-% bezogen auf den hergestellten Kern- bzw. Formsand (ebenfalls mit Wasserglas als Binder, wobei in beiden Fällen gleiche Grammaturen für Wasserglas und den Kern- oder Formsand sowie auch der gleiche Kern- oder Formsand eingesetzt wurde.
Anhand der Fotografien in der Fig. 1 wird deutlich, dass die Gussoberfläche durch Zusatz von Blähgraphit selbst in der angegebenen Menge deutlich verbessert wird, wie die rechte Fotografie in der Fig. 1 zeigt. Demgegenüber ist bei einem Verzicht auf Blähgraphit mit deutlichen Fehlern an der Gussoberfläche zu rechnen, wie die linke Fotografie in der Fig. 1 deutlich macht. Theoretische Überlegungen
Die Fig. 2 und 3A bis 3C zeigen den prinzipiellen Vorgang bei der Herstellung einer Form mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kern- und/oder Formsandes. In der Fig. 2 erkennt man, wie überwiegend schraffiert dargestellte Sandkörner 1
zusammen mit schwarz dargestelltem anorganischen Binder bzw. Wasserglas 2 einen Wassermantel kern einer entsprechenden Kernform ausfüllen. In der Fig. 3A sind beispielhaft zwei Körner bzw. Sandkörner 1 des Formgrundstoffes durch eine schwarz dargestellte Brücke aus dem anorganischen Binder bzw. Wasserglas 2 miteinander gekoppelt. Die Fig. 3B zeigt, wie beim Überschreiten der Starttemperatur ein Riss in der durch anorganischen Binder bzw. das Wasserglas 2 gebildeten Brücke zwischen den Sandkörnern 1 entsteht. Hierfür ist im Wesentlichen das oberhalb der Starttemperatur expandierende Blähgraphit verantwortlich. Die Fig. 3C zeigt schließlich den auf diese Weise her- gestellten Bruch der durch das Bindemittel bzw. Wasserglas 2 erzeugten Binderbrücke 3.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Herstellung eines Kern- und/oder Formsandes für Gießereizwecke, wonach ein granulärer mineralischer Formgrundstoff mit wenigstens einem anorganischen Bindemittel und zusätzlich einem anorganischen Blähadditiv gemischt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Bindemittel Wasserglas und als Blähadditiv Blähgraphit eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Blähgraphit eine Expansionsrate von maximal 350 cm3/g, insbesondere eine solche von 10 bis 100 cm3/g besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Starttemperatur zur Expansion des Blähgraphits bei mehr als 180 °C angesiedelt ist, insbesondere im Bereich zwischen ca. 180 °C und 220 °C liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähgraphit in einer Teilchengröße von mehr als 20 μιτι, insbesondere im Bereich von 20 bis 150 μιτι und vorzugsweise zwischen ca. 150 μιτι und 300 μιτι zugegeben wird.
5. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Blähgraphit SOx oder ΝΟχ-Blähgraphit zum Einsatz kommt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähgraphit einen Kohlenstoffgehalt von 85 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähgraphit der Mischung aus dem Formgrundstoff sowie dem Wasserglas mit einem Anteil von bis zu ca. 1 Gew.-%, vorzugsweise mit einem Anteil von
bis zu ca. 0,5 Gew.-% und besonders bevorzugt mit einem Anteil bis zu ca. 0,1 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Formgrundstoff, zugegeben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähgraphit dem Wasserglas zugegeben und dann mit dem Formgrundstoff gemischt oder als separates Additiv dem Formgrundstoff inklusive Wasserglas zugegeben wird.
9. Verwendung eines nach dem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 bis 8 hergestellten Kern- und/oder Formsandes zur Herstellung von Gießformen für
Aluminiumgusslegierungen, Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, Kupferlegierungen und/oder Magnesiumlegierungen.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform in der Automobilindustrie eingesetzt wird.
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