WO2001030517A2 - Bindemittelsystem, kernsandgemisch und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Bindemittelsystem, kernsandgemisch und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a water glass-based chemical system consisting of an aqueous alkali silicate solution of the general composition: xS ⁇ 0 2 • yM 2 0 • zH 2 0, where M is the alkali ions L ⁇ + , K + or Na + and a hygroscopic base which is added in a ratio of 1: 4 to 1: 6, where the module Na 2 0 / S ⁇ 0 2 is 2.5 to 3.5 with a solids content of 20 to 40% and the hygroscopic base is 30% sodium hydroxide in an aqueous solution Solution is used, as well as a core sand mixture and a process for its preparation.
  • binder contained in the binder system is used to produce core moldings for foundry purposes. Binders are part of a molding material that, under certain conditions, such as moistening or swelling and silicate formation, creates the bond between the individual grains of sand. In addition to pure swelling baths and ceramic binders, chemical binders based on water glass or synthetic resin are also used, which react chemically with each other and solidify in the process.
  • the known binders are either not sufficiently stable or show undesirable side effects or waste products which endanger the environment.
  • Water-glass-bonded molding materials that form solid phases through dehydration and thereby solidify have proven to be a favorable compromise. It is however It is not always easy to control the hardening processes so that they only start in the core box. In particular, by using modern core molding machines there is a risk of the molding sand solidifying at an early stage. As a result, the required good flow properties of the sand are not achieved when it flows into the core sleeve.
  • DE-OS 15 08 634 (Diamond Shamrock Corp.) discloses a binder for raw materials for the production of self-hardening casting molds and casting cores.
  • the binder consists of sodium silicate with a molar ratio Na 2 0 to S ⁇ 0 2 of 1: 1, 5 to 1: 3 and potassium hydroxide, which is added in the form of an aqueous solution.
  • potassium hydroxide which is added in the form of an aqueous solution.
  • hydrogen is released under an exothermic reaction, the setting time being shortened by the addition of potassium hydroxide.
  • a further silicon-containing material for example ferrosilicon, having to be added, the grain size of which, however, should be less than 0.15 mm.
  • Fast setting is therefore only possible under certain, narrowly limited conditions and the presence of several components that must be carefully controlled.
  • 1.0 to 2.0% sodium hydroxide solution is added to a molding material mixture to improve the processability in the wet casting process of water glass bentonite or water glass clay mixtures.
  • the molding material consists of 0.5 to 1.0% starch and 2.0 to 4.0% clay, the rest being quartz sand.
  • the molding compound is applied to the model, backfilled with filling sand and the finished green mold is chemically or thermally solidified. It is therefore green sand molds that are not suitable for mechanical core production.
  • the test specimens produced therefrom are hardened by esterification during drying for 1 hour at 200 ° C. and then subjected to a pressure test, with a maximum strength of 500 to 600 N / m 2 being obtained . This maximum value was only with
  • SPARE BLADE RULE 26 achieved a molding material in which the surface-active component does not exceed a total amount of 0.1%, based on the total amount of the material.
  • DE 29 09 107 discloses a process for the production of bodies made of granular and / or fibrous material with sodium silicate or potassium silicate as a binder, a surface-active substance being added to the mixture of the material.
  • the surfactant can consist of a surfactant, silicone oil or a silicone emulsion in an amount of at most 0.1%, calculated on the weight of material.
  • the object of the present invention is to develop a binder system for mechanical core production by core shooting / core blowing, which can be easily processed in the dry process (in the dry, powdered state) and which has improved flowability and shortened setting time.
  • the new binder system based on water glass consists of an aqueous alkali silicate solution of the general composition: xSi0 2 • yM 2 0 • zH 2 0, where M is the alkali ions Li + , K + or Na + and is characterized in that it is also a hygroscopic base contains.
  • Sodium hydroxide solution in a ratio of 1: 4 to 1: 6 is advantageously used as the hygroscopic base. If the module Na 2 0 / Si0 2 is 2.5 to 3.5 with a solids content of 20 to 40%, the molding sand is prevented from solidifying prematurely under all operating conditions. 30% sodium hydroxide solution in an aqueous solution is used as the hygroscopic base.
  • a surface-active substance is added to control the hygroscopic properties. If the binder system as a surface-active substance silicone oil with a boiling point> . 250 ° is added, the flowability of the molding sand in the core shooter can be increased significantly.
  • An emulsion solution with 8 to 10% silicone oil, based on the amount of binder, is added to the binder system, the following advantageous developments being possible:
  • the silicone emulsion solution has anionic, cationic, non-ionogenic properties
  • an emulsifier is used in the emulsion solution, which increases the viscosity of the base oil and at the same time reduces the interfacial tension of the binder system.
  • the emulsifier has a hydrophilic and a lipophilic whey part that protrudes into the oil phase,
  • an oil is used as the base oil for the silicone emulsion solution, which forms a sodium oleate film in the binder system, which produces a mechanically stable protective layer in the interface of the disperse system.
  • the silicone oil emulsion solution has the following structure: the Si atoms are each connected to two CH 3 groups, the Si atoms are connected to one another via oxygen atoms and form a chain, the CH 3 groups of the adjacent Si Atoms around which the oxygen atoms are arranged to be spatially displaceable.
  • a core shooter according to FIG. 1 is used, which has the following structure:
  • the core shooter consists of a vertically arranged housing A, to which a horizontal air inlet B is flanged is.
  • the air inlet is controlled via a large-area air inlet valve 1, with an increased air pressure in the air storage tank 5.
  • a slotted sand cylinder 6 is arranged vertically.
  • the sand cylinder 6 is connected to a sand storage container 3, which can be emptied via a slide 4.
  • the core sand mixture according to the invention contains a binder amount of 1.0 to 2.5% based on the total amount of granular solid.
  • the granular solid is preferably quartz sand with a grain size of 0.1 to 0.3 mm.
  • the amount of sodium hydroxide added in the binder system is 0.01 to 0.6% and the silicone oil is contained in 0.1 to 0.5%.
  • a compressive strength test is carried out with the binder according to the invention.
  • the binder system according to the invention can be processed into high-strength molded articles using a conventional core shooter.
  • the test specimens show an approximately 10% improvement in compressive strength when 0.2% silicone oil is added to the test mixture. If the method according to the invention were used, the compressive strength would be increased even further.

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Abstract

Ein Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis besteht aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung der allgemeinen Zusammensetzung: xSiO2 . yM2O . zH2O, wobei für M die Alkalionen Li+, K+ oder Na+ stehen und einer hygroskopischen Base, die im Verhältnis 1: 4 bis 1: 6 zugesetzt wird, wobei der Modul Na¿2?O/SiO2 gleich 2,5 bis 3,5 bei einem Feststoffanteil von 20 bis 40 % beträgt und wobei als hygroskopische Base 30 %ige Natronlauge in einer wässrigen Lösung verwendet wird. Erfindungsgemäß enthält die wässrige Alkalisilikatlösung eine Emulsionslösung mit 8 bis 10 % Silikonöl bezogen auf die Bindermenge, wobei das Silikonöl einen Siedenpunkt ≥ 250° aufweist. Die Bindermenge für ein Kernsandgemisch beträgt 1,0 bis 2,5 %, bezogen auf die Gesamtmenge an körnigem Feststoff, wobei das Herstellungsverfahren in einer Kernschießmaschine, bestehend aus einem vertikal angeordneten Gehäuse mit einem horizontalen Lufteintritt durchgeführt wird. Das Kernsandgemisch wird über einen Trichter in einen geschlitzten Sandzylinder eingegeben. Die Verbindung zwischen Trichter und Sandzylinder ist während des Einschießens verschlossen. Das im geschlitzten Sandzylinder befindliche Kernsandgemisch wird mit einem Luftdruck von p1 verdichtet und dann bei einem Druck p2 ⊃ p1 in die Kernbüchse geschossen.

Description

Bmdemittelsystem, Kernsandgemisch und Verfahren zu seiner
Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Bmdemittelsystem auf Wasserglasba- sis, bestehend aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung der allgemeinen Zusammensetzung: xSι02 • yM20 • zH20, wobei für M die Alkalionen Lι+, K+ oder Na+ stehen und einer hygroskopischen Base, die im Verhältnis 1 : 4 bis 1 : 6 zugesetzt wird, wobei der Modul Na20/Sι02 gleich 2,5 bis 3,5 bei einem Feststoffanteil von 20 bis 40 % beträgt und wobei als hygroskopische Base 30%ιge Natronlauge in einer wässrigen Lösung verwendet wird, sowie ein Kernsandgemisch und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Der im Bindemittelsystem enthaltende Binder dient zur Herstellung von Kernformlmgen für Gießereizwecke. Binder sind Bestandteil eines Formstoffes, der unter bestimmten Voraussetzungen, wie Anfeuchtung bzw. Quellung und Silikatbildung, den Verbund zwischen den einzelnen Sandkörnern herstellt. Neben den reinen Quellbmdern und keramischen Bindern werden auch chemische Binder auf Wasserglasbasis oder auf Kunstharzbasis verwendet, die chemisch miteinander reagieren und sich dabei verfestigen.
Die bekannten Binder sind entweder nicht ausreichend stabil oder zeigen unerwünschte Nebenwirkungen bzw. Abfallprodukte, die die Umwelt gefährden. Als ein günstiger Kompromiß haben sich daher wasserglasgebundene Formstoffe erwiesen, die über eine Dehydra- tation feste Phasen bilden und dabei verfestigen. Es ist edoch nicht immer einfach, die Verfestigungsprozesse so zu steuern, daß sie erst in der Kernbüchse eintreten. Insbesondere durch Verwendung moderner Kernformmaschinen besteht die Gefahr einer frühzeitigen Verfestigung des Formsandes. Dadurch werden die geforderten guten Fließeigenschaften des Sandes beim Einströmen in die Kernbüchse nicht erreicht.
Aus der DE-OS 15 08 634 (Diamond Shamrock Corp.) ist ein Bindemittel für Rohmassen zur Herstellung von selbsthärtenden Gießformen und Gießkernen bekannt. Das Bindemittel besteht aus Natriumsilikat mit einem Molverhältnis Na20 zu Sι02 von 1 : 1 , 5 bis 1 : 3 und Kaliumhydroxid, das m Form einer wässrigen Lösung zugegeben wird. Bei der Abbindung wird unter exothermer Reaktion Wasserstoff freigegeben, wobei die Abbindezeit durch die Zugabe von Kaliumhydroxid verkürzt wird. Eine Wärmezufuhr von außen ist nicht vorgesehen, wobei ein weiteres siliziumhal- tiges Material, z.B. Ferrosilizium, zugesetzt werden muß, dessen Korngröße jedoch unterhalb von 0,15 mm liegen sollte. Die schnelle Abbindung ist daher nur unter bestimmten, eng limitierten Voraussetzungen und der Anwesenheit mehrerer Komponenten möglich, die genau kontrolliert werden müssen.
Aus der DD 82 809 (DDR-Patent) wird zur Verbesserung der Verarbeitungsfähigkeit beim Naßgußverfahren von Wasserglas-Bentonit bzw. Wasserglas-Tongemischen 1,0 bis 2,0 % Natronlauge einem Formstoffgemisch zugesetzt. Der Formstoff besteht neben 2,0 bis 5,0 % Natrumsilikat aus 0,5 bis 1,0 % Stärke und 2,0 bis 4,0 % Ton, Rest Quarzsand. Die Formmasse wird dem Modell angelegt, mit Füllsand hinterfüllt und die fertige Grünform chemisch oder thermisch verfestigt. Es handelt sich daher um Grünsandformen, die für eine maschinelle Kernherstellung nicht geeignet sind. Die daraus hergestellten Probekörper werden gehärtet durch Veresterung während einer Trocknung von 1 Stunde bei 200 °C und dann einer Druckprobe unterzogen, wobei sich eine maximale Festigkeit von 500 bis 600 N/m2 ergab. Dieser Maximalwert wurde nur mit
ERSATZBLÄTT REGEL26 einem Formstoff erreicht, bei dem die oberflächenaktive Komponente eine Gesamtmenge von 0,1 %, bezogen auf die Gesamtmenge des Materials, nicht überschreitet.
Aus der DE 29 09 107 ist ein Verfahren bei Herstellung von Körpern aus körnigem und/oder faserhaltigem Material mit Natriumsilikat oder Kaliumsilikat als Bindemittel bekannt, wobei der Mischung des Materials ein oberflächenaktiver Stoff zugesetzt wird. Der oberflächenaktive Stoff kann aus einem Tensid, Silikonol oder einer Silikonemulsion bestehen und zwar in einer Menge von höchstens 0,1 %, auf die Gewichtsmenge Material berechnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bindemittelsystem für die maschinelle Kernherstellung durch Kernschießen/Kernblasen zu entwickeln, das sich leicht im Trockenverfahren (im trockenen, pulverisierten Zustand) verarbeiten läßt und dabei eine verbesserte Fließfähigkeit und verkürzte Abbindezeit aufweist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst .
Das neue Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis besteht aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung der allgemeinen Zusammensetzung: xSi02 • yM20 • zH20, wobei für M die Alkalionen Li+, K+ oder Na+ stehen und ist dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich eine hygroskopische Base enthält. Vorteilhafterweise wird als hygroskopische Base Natronlauge im Verhältnis 1 : 4 bis 1 : 6 eingesetzt. Sofern der Modul Na20/Si02 gleich 2,5 bis 3,5 bei einem Feststoffanteil von 20 bis 40 % beträgt, wird unter allen Be- triebszuständen verhindert, daß sich der Formsand frühzeitig verfestigt. Als hygroskopische Base wird 30 %ige Natronlauge in einer wässrigen Lösung verwendet. Zur Steuerung der hygroskopischen Eigenschaften wird ein oberflächenaktiver Stoff zugesetzt. Sofern dem Bindemittelsystem als oberflächenaktiver Stoff Silikonol mit einem Siedepunkt >. 250° zugesetzt wird, kann die Fließfähigkeit des Formsandes in der Kernschießmaschine wesentlich gesteigert werden. Dem Bindemittelsystem wird eine Emulsionslösung mit 8 bis 10 % Silikonol bezogen auf die Bindermenge zugesetzt, wobei folgende vorteilhafte Weiterbildungen möglich sind:
a) die Silikon-Emulsionslösung weist anionische, kationische, nicht-ionogene Eigenschaften auf,
b) in der Emulsionslösung wird ein Emulgator eingesetzt, der die Viskosität des Basisöls erhöht und gleichzeitig die Grenzflächenspannung des Bindemittelsystems herabsetzt. Der Emulgator weist einen hydrophilen und einen lipophilen Molkekülteil auf, der in die Ölphase hineinragt,
c) als Basisöl für die Silikon-Emulsionslösung wird ein Öl eingesetzt, das in dem Bindemittelsystem einen Natrium- oleat-Film ausbildet, der in der Grenzfläche des dispersen Systems eine mechanisch stabile Schutzschicht erzeugt.
d) die Silikonöl-Emulsionslösung weist folgende Struktur auf: die Si-Atome sind mit jeweils zwei CH3-Gruppen verbunden, die Si-Atome sind untereinander über Sauerstoffatome verbunden und bilden eine Kette, wobei die CH3-Gruppen der jeweils benachbarten Si-Atome um die Sauerstoff- atome räumlich verschiebbar angeordnet sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Vergleichsbeispieles näher erläutert . Dabei wird eine Kernschießmaschine gemäß Figur 1 verwendet, die den folgenden Aufbau aufweist:
Die Kernschießmaschine besteht aus einem vertikal angeordneten Gehäuse A, an das ein horizontaler Lufteintritt B angeflanscht ist. Der Lufteintritt wird über ein großflächiges Lufteintrittsventil 1 gesteuert, wobei ein erhöhter Luftdruck in dem Luftvorratstank 5 ansteht. Beim Öffnen des Lufteintrittsventils 1 gelangt der Luftdruck in den Maschinenraum 10 des Gehäuses A, in dem ein geschlitzter Sandzylinder 6 vertikal angeordnet ist. Der Sandzylinder 6 ist mit einem Sandvorratsbehälter 3 verbunden, der über einen Schieber 4 entleert werden kann.
Im Fall der Betätigung des Lufteintrittsventils wird Sand aus dem geschlitzten Sandzylinder 6 in den Schießkopf 7 mit Sandaustrittsöffnung befördert und tritt in die Kernbüchse 8 ein, wobei eine Kernsandentlüftung 9a, 9b für die Erzeugung des verdichteten Kernsandes 11 sorgt.
Zur Beurteilung des Feuchtigkeitsgehalts des Formsandes ist im Luftaustrittsventil 2 eine Feuchtigkeitsmessung integriert. Mit dieser Anordnung wurde festgestellt, daß bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kernsandes wesentlich höhere Feuchtigkeitsgehalte und damit eine bessere Viskosität und ein besseres Fließvermögen des Formsandes erreicht werden konnte.
Das erfindungsgemäße Kernsandgemisch enthält eine Bindermenge von 1,0 bis 2,5 % bezogen auf die Gesamtmenge an körnigem Feststoff. Vorzugsweise ist der körnige Feststoff Quarzsand mit einem Körnungsgrad von 0,1 bis 0,3 mm. Die Menge der zugesetzten Natronlauge im Bindemittelsystem beträgt 0,01 bis 0,6 % und das Silikonol ist darin mit 0,1 bis 0,5 % enthalten. Im folgenden wird eine Druckfestigkeitsuntersuchung mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel durchgeführt.
Serie 1 , Gattierung:
2,4 % Binder, 0,4 % Emulsion, Rest Quarzsand
Probengewicht 158 g, Probekörper - Normhöhe 50 mm Nach der Entnahme aus der Kernschießmaschine 2 Minuten Mikrowellentrocknung.
ERSATZBLÄTT REGEL26 Prüfung nach 30 Minuten bei Raumtemperatur. Druckfestigkeit: Mittelwert aus 5 Prüfungen 1060 N/cm2
Serie 2, Gattierung:
2,4 % Binder, 0,4 % NaOa, 0,2 % Silikonol, Rest Quarzsand Probengewicht: 157 g, Prüfkörper - Normhöhe 50 mm Nach der Entnahme aus der Kernschießmaschine 2 Minuten Mikrowellentrocknung.
Druckfestigkeitsprüfung nach 30 Minuten bei Raumtemperatur. Festigkeitsmittelwert aus 5 Prüfungen: 1164 N/cm2.
Aus diesem Vergleichsversuch ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Bindemittelsystem mit einer üblichen Kernschießmaschine zu hochfesten Formkörpern verarbeitet werden kann. Die Prüfkörper weisen eine ca. 10%ige Verbesserung an der Druckfestigkeit auf, wenn der Prüfmischung 0,2 % Silikonol zugesetzt wird. Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 10 würde sich die Druckfestigkeit noch weiter steigern lassen.
ERSATZBLÄTT(REGEL26)

Claims

Patentansprüche
1. Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis, bestehend aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung der allgemeinen Zusammensetzung: xSi02 • yM20 • zH20, wobei für M die Alkalionen Li+, K+ oder Na+ stehen und einer hygroskopischen Base, die im Verhältnis 1 : 4 bis 1 : 6 zugesetzt wird, wobei der Modul Na20/Si02 gleich 2,5 bis 3,5 bei einem Feststoffanteil von 20 bis 40 % beträgt und wobei als hygroskopische Base 30 %ige Natronlauge in einer wässrigen Lösung verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die wässrige Alkalisilikatlösung eine Emulsionslösung mit 8 bis 10 % Silikonol bezogen auf die Bindermenge enthält, wobei das Silikonol einen Siedenpunkt > 250 ° aufweist .
2. Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Silikon-Emulsionslösung anionische, kationische, nicht-ionogene Eigenschaften aufweist.
ERSATZBLÄTT(REGEL26)
3. Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Silikonöl-Emulsionslösung folgende Struktur aufweist :
die Si-Atome sind mit jeweils zwei CH3-Gruppen verbunden, die Si-Atome sind untereinander über Sauerstoffatome verbunden und bilden eine Kette, wobei die CH3-Gruppen der jeweils benachbarten Si-Atome um die Sauerstoff- atome räumlich verschiebbar angeordnet sind.
4. Kernsandgemisch enthaltend ein Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Bindermenge 1,0 bis 2,5 %, bezogen auf die Gesamtmenge an körnigem Feststoff beträgt.
5. Kernsandbindemittelsystem nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß als körniger Feststoff Quarzsand mit einem Körnungsgrad von 0,1 bis 0 , 3 mm verwendet wird.
6. Kernsandbindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Bindemittelsystem 0,01 bis 0,6 % Natronlauge enthalten ist.
ERSATZBLÄTT(REGEL 26)
7. Kernsandbindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Bindemittelsystem 0,1 bis 0,5 % Silikonol enthalten ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Kernsandgemisches enthaltend ein Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Kernschießmaschine, bestehend aus einem vertikal angeordneten Gehäuse mit einem horizontalen Lufteintritt, das Kernsandgemisch über einen Trichter in einen geschlitzten Sandzylinder eingegeben wird, wobei die Verbindung zwischen Trichter und Sandzylinder während des Einschießens verschlossen ist und
daß das im geschlitzten Sandzylinder befindliche Kernsandgemisch mit einem Luftdruck von p-, verdichtet und dann bei einem Druck p2 > p, in die Kernbüchse geschossen wird.
ERSATZBLÄTT REGEL26
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