EP2941327B1

EP2941327B1 - Verfahren zur herstellung eines kern- und oder formsandes für giessereizwecke

Info

Publication number: EP2941327B1
Application number: EP14700045.9A
Authority: EP
Inventors: Andreas Wolff; Bettina VENNEMANN; Dieter Genske; Peter OBERSCHELP
Original assignee: Imerys Metalcasting Germany GmbH
Current assignee: Imertech SAS
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: EP2941327A1; BR112015015966A2; US20160346830A1; US20150367406A1; MX2015008691A; US9764377B2; WO2014106646A1; CN105073298A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kern- und/oder Formsandes für Gießereizwecke, wonach ein granularer 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.
Durch die JP 58968446 A ist ein Kern- bzw. Formsand für Gießereizwecke bekannt geworden, welcher neben einem Formgrundstoff wie Sand zusätzlich auf Vermiculit, Glimmer oder andere thermisch expandierende Partikel zurückgreift. Außerdem werden Wasserglas sowie Phenolharze und andere Bindemittel angesprochen. Dadurch soll im Endeffekt der Zerfall der Gießform verbessert werden.
Die US 3,848,655 A beschäftigt sich mit der Herstellung eines Stahlbarrens. Dieser wird in einer Gießform produziert, zu deren Realisierung eine Sandmischung zum Einsatz kommt. Aus der Sandmischung wird mit Hilfe eines Bindemittels die Gießform hergestellt. Als mögliche Bindemittel werden verschiedene Harze wie beispielsweise Phenolharze oder auch Wasserglas, Zement und Ton sowie Mischungen exemplarisch aufgelistet. Außerdem kommen exotherme Substanzen als Zusatz zum Einsatz, bei denen es sich um kohlenstoffhaltige Materialien handeln kann. Als denkbare kohlenstoffhaltige Materialien werden unter anderem Kohlenstaub oder auch Blähgraphit genannt.
Generell werden mit Hilfe des anorganischen Bindemittels die einzelnen Körner des granularen 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 Automobilmotoren beobachtet werden, ergeben sich Entkernprobleme, 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 Festigkeiten 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 Kaliumsilikate 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 1 489 136 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 NOx handeln.
Im Rahmen der Erfindung kommen 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 unternommen.
Dazu wurde für den Gießversuch ein granularer 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 Einschränkungen 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.
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 einzelnen Schichten des Graphits allgemein Schwefel- oder Stickstoffverbindungen mit eingebaut. Es handelt sich folglich um SOx oder NOx- Blähgraphite. Diese verfügen typischerweise über eine Starttemperatur zur Expansion, die bei mehr als 180 °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 Blähgraphit kommt typischerweise ein solcher zum Einsatz, dessen Teilchengröße mehr als 20 µm beträgt. Insbesondere werden Teilchen bzw. Körner in einem Durchmesserbereich von 20 µm bis 150 µm eingesetzt und bevorzugt solche mit einer Körnung zwischen 150 µm und 300 µm.
Die beschriebene Körnung des Blähgraphits bis maximal 300 µm trägt unter anderem dem Umstand Rechnung, dass als Formgrundstoff üblicherweise granularer 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 µm. Im Allgemeinen bewegt sich seine Körnung im Bereich zwischen 100 µm bis 300 µm. 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 granularen 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 Blähgraphits 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 Formgrundstoffes 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 Einschlüsse 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 Biegefestigkeit 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 erfindungsgemäßen 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 granularen mineralischen Formgrundstoff) sowie dem gleichen Anteil Blähgraphit wie zuvor und dem Rest Quarzsand. 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

Messung	Biegefestigkeit der bentonitgebundenen Prüfkörper	Biegefestigkeit der wasserglasgebundenen Prüfkörper
1	unter 20 N/ cm²	350 N/ cm²
2	unter 20 N/ cm²	360 N/cm²
3	unter 20 N/ cm²	350 N/cm²

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 Festigkeitsnachteil des Bindemittels ausgleicht.
Dies ist ebenfalls als ein weiterer Nachteil anzusehen, da hier zum einen zusätzliche Materialkosten 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 Wassermantelkernen 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-Kohlenstoff-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 Wassermantelkern 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 hergestellten Bruch der durch das Bindemittel bzw. Wasserglas 2 erzeugten Binderbrücke 3.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kern- und/oder Formsandes für Gießereizwecke, wonach ein granularer mineralischer Formgrundstoff mit wenigstens einem anorganischen Bindemittel und zusätzlich einem anorganischen Blähadditiv gemischt wird, dadurchgekennzeichnet, dass als Bindemittel Wasserglas und als Blähadditiv Blähgraphit eingesetzt werden, wobei das Blähgraphit eine Expansionsrate von maximal 350 cm³/g besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blähgraphit eine Expansionsrate von 10 bis 100 cm³/g besitzt.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähgraphit in einer Teilchengröße von mehr als 20 µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 150 µm und vorzugsweise zwischen ca. 150 µm und 300 µm zugegeben wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Blähgraphit SOx oder NOx-Blähgraphit zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähgraphit einen Kohlenstoffgehalt von 85 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% aufweist.
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.
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.
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.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform in der Automobilindustrie eingesetzt wird.