Verfahren zur Herstellung von verlorenen Formen

Abstract

 Verlorene Formen aus Sand oder anderen Formgrundstoffen mit kalthärtenden Bindemitteln auf Basis von Alkalisilicaten mit Zusatz von Phenol- oder Furanharzen werden hergestellt, indem man dem Formgrundstoff 0,3-3 Gewichtsprozent einer Bindemittelkomponente I, bestehend aus Phenol- bzw. Furanharz und 0,1-1,5 Gew.% eines Trokkenstoffes sowie 2-5 Gew.% einer Bindemittelkomponente II, bestehend aus Wasserglas, zumischt, in Formen einbringt und in bekannter Weise härtet.

Beschreibung

[0001] Als kalthärtende Bindemittel für Formgrundstoffe für verlorene Formen werden vielfach wäßrige Lösungen von Natrium- oder Kaliumsilikaten (Wasserglas) verwendet.

[0002] Die Härtung erfolgt meist durch Begasen mit Kohlendioxid (C0₂-Verfahren). Durch die chemische Reaktion des Silikats mit dem C0₂ erfolgt die Verfestigung. Die so hergestellten Kerne haben 2 entscheidende Nachteile gegenüber nach warmhärtenden Verfahren gefertigten:

1.) Die hohe Hygroskopizität. Durch Feuchtigkeitsaufnahme ist bereits nach kurzer Zeit ein wesentlicher Festigkeitsabfall zu verzeichnen, der sich bis zur Unbrauchbarkeit der Formkörper fortsetzt.

2.) Der schlechte Zerfall nach dem Abgießen, besonders bei hohen Temperaturen (Stahlguß). Ursache dafür ist das Sintern des Silikats und Carbonats.

[0003] Um besonders den letztgenannten Nachteil zu verringern, werden bekanntlich seit langem zerfallsfördernde Zusätze, wie z.B. Kohlenstaub, Holzmehl, Stärke, Zuckerderivate zugesetzt. Bekannt ist auch die Zugabe von Harnstoff-, Melamin-, Phenol-, Furfurylalkohol- oder Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehyd-Kondensaten, die ihrerseits mit weiteren harzartigen Stoffen wie Ketonformaldehydharzen, Kohlenwasserstoffharzen, Kolophonium, Tallharzen u.a. modifiziert sein können, um die Zerfallsneigung zu unterstützen. Diese dem Stand der Technik entsprechenden Zusätze sind jedoch unzureichend, vor allem, wenn diese Bindemittel zur Herstellung von komliziert gestalteten und mit engen Durchgängen versehenen Formen verwendet werden.

[0004] Eine andere Härtungsmethode wird bei dem "Ashland-Cold-Box-Verfahren" verwendet. Dabei erfolgt der Aushärtungsvorgang der als Bindemittel verwendeten Isocyanate durch Begasen von Aminen. Diese Amine haben hygroskopische Eigenschaften und sind hochgiftig.

[0005] Da das Amin teilweise unverändert aus dem Prozeß hervorgeht, muß es abgeleitet oder vernichtet werden. Hier müssen die entsprechenden Sicherheitsvorschriften beachtet werden, da diese leichtflüchtigen Amine im bestimmten Verhältnis mit Luft explosive Gemische bilden und ferner ätzend auf Haut, Augen und Schleimhäute wirken. Eine Cold-Box-Anlage zur automatischen Formfertigung ist, da alle diese Sicherheitsvorschriften eingehalten werden müssen, sehr aufwendig und teuer.

[0006] Da auch die so hergestellten Formen und Kerne bei Lagerung hygroskopisch sind und somit an Festigkeit verlieren, müssen sie in den meisten Fällen geschlichtet oder in öfen vor Gebrauch getrocknet werden.

[0007] Um diese Nachteile der derzeit gebräuchlichen kalthärtenden Verfahren zur Herstellung von verlorenen Formen zu überwinden, war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes umweltfreundliches Verfahren zu finden, mit dem sich auch komplizierte Formen herstellen lassen, die nach dem Abgießen leicht zerfallen. Die so hergestellten Formen sollen bei Lagerung feuchtigkeitsbeständig sein, ohne einen Festigkeitsabfall zu zeigen.

[0008] Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zur Herstellung von verlorenen Formen aus Sand oder anderen Formgrundstoffen und durch Begasen mit Kohlendioxid härtbaren Bindemitteln auf Basis von Alkalisilicaten und Phenol-oder Furanharzen sowie gegebenenfalls an sich bekannten Zusatzstoffen wie Silanen, mehrwertigen Alkoholen und Polysaccariden, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Formgrundstoff 0,3 - 3 Gewichtsprozent einer Bindemittelkomponente I, bestehend aus Phenol- bzw. Furanharz und 0,1 - 1,5 Gew.-% eines Trockenstoffes, sowie 2 - 5 Gew.-% einer Bindemittelkompoente II, bestehend aus Wasserglas und ggf. 0,2 - 3 Gew.-% Hydroxid eines Erdalkalimetalls oder des Lithiums, zumischt, in Formen einbringt und in bekannter Weise härtet.

[0009] Es ist bekannt, die Festigkeit von Formkörpern zu verbessern, indem man dem Formgrundstoff vor der Zugabe des wasserglashaltigen Bindemittels ein Kondensationsharz beimischt.

[0010] überraschenderweise wurde nun gefunden, daß man sowohl eine höhere Festigkeit als auch eine bessere Lagerfähigkeit der Formkörper erhält, wenn dem Kondensationsharz eine geringe Menge eines Trockenstoffes zugefügt wird. Die Zugabe des Trockenstoffs bewirkt den weiteren, nicht vorhersehbaren Effekt, daß der Zerfall der Formkörper nach dem Abgießen, speziell bei hohen Temperaturen, wesentlich verbessert wird. Eine weitere Steigerung der Festigkeit der Formkörper wird erreicht, indem man dem Wasserglas Zusätze von Lithiumhydroxid oder einem Erdalkalimetallhydroxid beifügt. Dadurch wird die Feuchtigkeitsaufnahme der Formkörper sehr stark herabgesetzt, so daß auch die hohen Festigkeitswerte nach mehreren Wochen Lagerung nicht abfallen.

[0011] Damit werden auf einfache Weise durch Zusetzen geringer Mengen nicht toxischer Stoffe zu den Bindemitteln die Nachteile eines eingeführten Verfahrens überwunden. Dies hat den weiteren Vorteil, daß der Formenhersteller, der bislang nach dem C0₂-Verfahren gearbeitet hat, weder umzulernen, noch einen Verfahrensschritt-umzuändern braucht, und daß für die Einführung des neuen Verfahrens keine neuen Investitionen notwendig sind.

[0012] Als Formgrundstoff wird bevorzugt Quarzsand verwendet. Es lassen sich jedoch auch die anderen gebräuchlichen Formstoffe einsetzen, wie Chromit-, Zirkon- oder Olivinsand, Schamotte, Magnesit, Sillimanit oder Korund.

[0013] Die Bindemittelkomponente I besteht aus einem Kondensationsharz, dem 0,1 - 1,5 % eines Trockenstoffes zugegeben sind. Desgleichen werden mitunter geringe Mengen (0,1 - 0,5 %) eines Aminosilans zugefügt.

[0014] Als Kondensationsharze werden bevorzugt Phenol- oder Furanharze verwendet. Dabei zählt man zu den Furanharzen sowohl die Furfurylalkohol-Formaldehyd-Kondensate wie auch die verschiedenen modifizierten Furanharze, wie z.B. Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehyd-Kondensate, Furfurylalkohol-Phenol-Formaldehyd-Kondensate oder Furfurylalkohol-Keton-Formaldehyd-Kondensate, die ihrerseits mit weiteren harzartigen Stoffen modifiziert sein können.

[0015] Unter Trockenstoff versteht man nach DIN 55901 in organischen Lösungsmitteln lösliche Metallseifen, wobei als Metalle vornehmlich Co, Mn u. Pb in Betracht kommen, während als organische Komponente meist Carbonsäurereste vorhanden sind, wie z.B. Naphthenate, Octoate, Linoleate, Resinate oder Caprylate. Diese Trockenstoffe übertragen den Luftsauerstoff durch fortwährende Regenerierung, so daß man lediglich geringe Mengen dieser Stoffe braucht.

[0016] Dieses Bindemittel wird mit dem Formgrundstoff gründlich gemischt. Sodann werden 2 - 5 Gew.-% Bindemittelkomponente II zugegeben und gemischt.

[0017] Als Bindemittelkomponente II dient eine wäßrige Lösung von Natrium- oder Kaliumsilicat, die unter der Bezeichnung Wasserglas im Handel ist und in der gegebenenfalls 0,2 - 3 Gew.-% Lithiumhydroxid oder eines Hydroxids eines Erdalkalimetalls gelöst wurden. Dieser Lösung können zusätzlich noch als zerfallsfördernde Zusätze bekannte Stoffe wie Glycerin, Stärke, Zuckerderivate oder Cellulose beigegeben werden.

[0018] Die durch gründliches Mischen des Formgrundstoffes mit den beiden Bindemittelkom^ponenten hergestellte Mischung wird in Formen eingebracht und durch Begasen mit Kohlendioxid gehärtet. Im Gegensatz zu den bislang nach dem C0₂-Verfahren gehärteten Formen, deren Festigkeit bereits nach mehrtätiger Lagerung beträchtlich abnimmt, nimmt die Festigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formkörper im Laufe der Lagerzeit zu. Trotzdem aber ist der Zerfall nach dem Abguß wesentlich verbessert.

[0019] Die folgenden Beispiele, in denen Bindemittel verschiedener Zusammensetzung sowie die Eigenschaften der damit hergestellten Formkörper aufgeführt sind, dienen der Erläuterung der Erfindung:

Beispiel 1 Bindemittel bestehend aus: Vergleichsbeispiel 100,0 Gew.-Teile Natriumsilikatlösung, ca. 47%ig mit 50/52° Be, Verhältnis SiO₂: Na₂O = 2,2:1

Beispiel 2 Bindemittel bestehend aus: Vergleichsbeispiel Komponente I: 50,0 Gew.-Teile Furanharz Komponente II: 50,0 Gew.-Teile Na-Silicat aus Beispiel 1

Beispiel 3 Bindemittel bestehend aus: Vergleichsbeispiel Komponente I : 50,0 Gew.-Teile Furanharz Komponente II: 49,5 Gew.-Teile Na-Silicat aus Beispiel 1 0,5 Gew.-Teile Lithiumhydroxid 55%ig

Beispiel 4 Bindemittel bestehend aus: Komponente I : 49,8 Gew.-Teile Furanharz 0,2 Gew.-Teile eines Gemisches aus Metallnaphthenaten (Co 1,5 - Pb 22 - Mn 1,5) wie z.B. Siccatol-Mischtrockner Komponente II: 50,0 Gew.Teile Na-Silicat aus Beispiel 1

Beispiel 5 Bindemittel bestehend aus: 50 Gew.-% Komponente I aus Beispiel 4 50 Gew.-% Komponente II aus Beispiel 3

Beispiel 6 Bindemittel der Zusammensetzung wie in Beispiel 5 aufgeführt; in der Komponente II wurde jedoch das Lithiumhydroxid durch Bariumhydroxid ersetzt.

Beispiel 7 Bindemittel der Zusammensetzung wie in Beispiel 5 aufgeführt; in der Komponente I wurde jedoch das Gemisch aus Naphthenaten durch ein reines Kobaltoctoat (z.B. Octa-Solingen-Kobalt) ersetzt.

[0020] Mit den Bindemitteln der Vergleichsbeispiele 1 - 3 und der Erfindungsbeispiele 4 - 7 wurden Formstoffmischungen hergestellt. Es wurden 3 beziehungsweise 4 Gewichtsteile Bindemittel auf 100 Gewichtsteile Quarzsand (z.B. AFS 55) eingesetzt. Im Falle der Beispiele 2 - 7 wurde der Sand erst 2 min. mit der Komponente I und anschließend mit der Komponente II gemischt. Aus den Mischungen wurden zylindrische Prüfkörper (50 x 50 mm) gerammt. Die Kerne wurden durch Begaser mit CO₂ während 6 - 10 s vorgehärtet. Gemessen wurde die Scherfestigkeit nach 10 min. sowie 1, 5, 24, 48 und 72 Std., die Feuchtigkeitsaufnahme nach 8 Wochen und der Zerfall bei 500 und 1000°C.

[0021] Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von verlorenen Formen aus Sand oder anderen Formgrundstoffen und durch Begasen mit Kohlendioxid härtbaren Bindemitteln auf Basis von Alkalisilicaten und Phenol- oder Furanharzen sowie gegebenenfalls an sich bekannten Zusatzstoffen wie Silanen, mehrwertigen Alkoholen und Polysaccariden, dadurch gekennzeichnet , daß man dem Formgrundstoff 0,3 - 3 Gewichtsprozent einer Bindemittelkomponente I, bestehend aus Phenol- bzw. Furanharz und 0,1 - 1,5 Gew.-% eines Trockenstoffes, sowie 2 - 5 Gew.-% einer Bindemittelkomponente II, bestehend aus Wasserglas,zumischt, in Formen einbringt und in bekannter Weise härtet.

2. Verfahren zur Herstellung von verlorenen Formen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bindemittelkomponente II 0,2 - 3 Gew.-% Hydroxid eines Erdalkalimetalls oder des Lithiums additiv enthält.

3. Verwendung der verlorenen Formen nach Anspruch 1 und 2 zur Herstellung von Gießereiformen und -kernen.