Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für die Gießereitechnik, wobei eine Mischung aus einem anorganischen, feuerfesten Formsand und einem anorganischen Bindemittel auf Wasserglasbasis hergestellt wird, die Mischung in einen temperierten Kernkasten eingefüllt, das in der Mischung enthaltene Wasser auf physikalischem Wege entzogen und der Kernvorformling dem Kernkasten entnommen wird sowie ein Verfahren zur Herstellung von Umlaufkernsand.
In einem 1962 veröffentlichten Artikel in der Zeitschrift "Foundry Trade Journal" wurde die Dehydratation-Härtung von Natriumsilikat-gebundenen Kernsanden beschrieben (siehe Foundry Trade Journal, 03. Mai 1962, Seiten 537 - 544).
Die Testproben bestanden aus einem verdichteten Sand-Natriumsilikat-Gemisch. Zur Trocknung der Testproben wurde ein Vakuum im Bereich von 0,5 bis 3 mm Hg aufgebracht und solange gehalten, bis 10 bis 30 % der Feuchte aus dem Binder entfernt werden konnte.
Weitere Versuche zur Trocknung wurden bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 100 bis 500 °C durchgeführt. Ferner wurde untersucht, wie die Dehydratation durch Zugabe von CO2-Gas beschleunigt werden konnte.
Als Ergebnis wurde am Ende des Artikels festgestellt, daß die Zugabe von CO2-Gas nicht unbedingt erforderlich ist um eine Härtung der Kernformlinge herbeizuführen. Für die praktische Durchführung wird vorgeschlagen, eine Vakuumpumpe mit ausreichender Kapazität zu benutzen, um Kernformlinge in einem "kalten" Verfahren herzustellen. Damit könne man auf eine Erwärmung des Kernkastens verzichten, die bisher wegen der Verwendung von warmaushärtenden Harzen als erforderlich angesehen wurde.
Als problematisch wurde jedoch erkannt, daß für die Herstellung von großvolumigen Kernen sehr große und schnell-laufende Pumpen verwendet werden müssen, damit ein ausreichendes Vakuum erzeugt werden kann. Andererseits wird die für die Trocknung durch Evakuierung benötigte Zeit von 8 bis 16 Minuten als hinderlich angesehen, da die lange Behandlungszeit für eine Massenproduktion von Kernformlingen ungeeignet sei.
Etwa 10 Jahre später - man benutzte überwiegend harzgebundene Kernformsande - erschienen in der Zeitschrift AFS-Transactions, Band 86, Seiten 227 - 236 ein Aufsatz über "Effekte der Mikrowellen-Erwärmung von Kernformprozessen" von G.S. Cole. Cole beschreibt die Mikrowellenbehandlung von organischen Bindersystemen und stellt im Ergebnis fest, daß bei Verwendung von Mikrowellen der Binderanteil deutlich herabgesetzt werden kann. Dieses hat entscheidende Vorteile für den Umweltschutz, da organische Materialien beim Gießen, beim Lagern und auch beim Entsorgen einer besonderen Behandlung bedürfen. Grundsätzlich ist aber auch bei der Trocknung durch Mikrowellen eine entsprechende Vorsorge gegen den Übertritt der im Binder enthaltenen organischen Materialien in die Abluft zu treffen.
Als einziges nicht-organisches Bindermaterial wird in dem Aufsatz von Cole ein Natriumsilikat-Binder erwähnt, der allerdings entweder mit komplexen Esterhärtern vermischt wird oder durch "übliche" CO2-Begasungssysteme einem "chemischen-Trocknungsverfahren" unterworfen wird. Hierdurch sind verschlechterte Zerfallseigenschaften des Kerns nach dem Abguß zu erwarten, da der Kernaltsand aufgrund von Verklumpungen der gebildeten Glasphasen nur bedingt regenerierbar ist. Die Verwendung von Ester-Verbindungen ist wegen der oben erwähnten Umweltproblematik nicht empfehlenswert.
In einem 1993 erschienenen Handbuch über "Formstoffe und Formverfahren" des Deutschen Verlages für Grundstoffindustrie ist auf die Problematik der Regenerierung bei auftretenden Glasphasen hingewiesen (Seite 80/81). In Abb. 3.28 ist auf Seite 83 der Verlauf der Sekundärfestigkeit für CO2-gehärtete Wasserglas-Formstoffe in Abhängigkeit von der Gießtemperatur dargestellt. Dieses Verfahren, das sich in den zurückliegenden 30 Jahren zum Standardverfahren für konventionelle und modifizierte Binderlösungen entwickelt hat, führt zu wasserglasgebundener Formstoffen mit dem in Abb. 3.28 dargestellten Hochtemperaturverhalten , das gekennzeichnet ist durch eine erhöhte Sinterneigung und durch eine unzureichende Zerfallsfähigkeit des Formstoffes nach dem Gießen. Außerdem treten Schmelzphasen auf, die bei der nachfolgenden Abkühlung neue Bindungen mit dem Formgrundstoff ausbilden. Eine Verminderung der dabei erzielten Sekundärfestigkeit läßt sich durch folgende Maßnahmen gemäß "Handbuch" Seite 84 erzielen:
Dieses Optimierungsproblem ist bis heute nicht zufriedenstellend gelöst. Das Ablösen der Binderhüllen, bestehend aus dehydratisiertem Natriumsilikat oder aus über chemische Umsetzung gebildete Gelphasen sowie aus den kristallisierten Schmelzphasen und Reaktionsprodukten, erfordert eine intensive Behandlung des Altformstoffes auf naß-chemischen Wege. Bei Estergehärteten Formstoffen liegen teilweise elastische Binderhüllen vor, die den Einsatz kombinierter thermisch-mechanischer Trennverfahren erforderlich machen.
Aus der WO-A-86/00033 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen bekannt, bei dem Formsand mit Wasserglas als Bindemittel gemischt wird. Der Mischung wird im Kernkasten unter Einwirkung von Mikrowellen Wasser entzogen. Hierzu besteht der Kernkasten aus einem für Mikrowellen durchlässigen Material, z.B. Kunststoff, Gummi oder einem mehrschichtigen nicht metallischen Werkstoff.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen für Gießereizwecke zu entwikkeln, das die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Mit dem neuen Verfahren sollen komplex geformte Großserienteile in einer umweltschonenden, energiegünstigen Herstellungsweise insbesondere als großvolumige Kernformlinge erzeugt werden können, die eine für die Handhabung ausreichende Biegefestigkeit und eine im Vergleich zu bisherigen Kernsandoberflächen "glatte" Oberfläche aufweist und die den vollständigen Verzicht auf zerfallsfördernde Zusätze ermöglicht. Bei der Wiederaufbereitung des "Altsandes" soll auf jegliche Auftrennung bzw. Abspaltung von z. B. organischen Stoffen und auf die naß-chemische Behandlung des Altsandes verzichtet werden und dennoch ein Umlaufkernsand mit solchen physikalischen Eigenschaften herstellbar sein, die mit denen des natürlichen ursprünglich eingesetzten Ausgangsproduktes identisch sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 beinhaltet einen Darstellungsvergleich von unterschiedlichen Formstoffbindersystemen bei konstant definierten Bedingungen. Die Formstofflagerzeit ist mit 0 Minuten bezeichnet, d. h. der Formstoff wird sofort nach dem Mischen zu Formlingen verarbeitet. Die Kernlagerzeit ist mit 60 Minuten bezeichnet, d. h. der Formling wird nach der Gestaltgebung mit der vorgegebenen Zeit gelagert und anschließend gebrochen.
Das erfindungsgemäße Produkt wurde im Schwingmischer mit einer Mischdauer von 50 Sekunden aus 5 kg Formsand H32 mit 2,5 % Bindemittel hergestellt und auf einer Kernschießmaschine vom Typ H 2,5 verarbeitet, wobei der Formsand in einem temperierten Kernkasten während der Befüllung einem Unterdruck ausgesetzt wurde. Die Werkzeugtemperatur betrug 150 °C. Die Verdichtung erfolgte bei 2,5 bar Überdruck. Während einer Verweildauer im Werkzeug von 8 Sekunden wurden die entstandenen Gase vor dem Öffnen des Werkzeuges mit einer Durchflußmenge von 4 m3/h (entsprechend einem Unterdruck von 0,6 bar) abgesaugt. Nach der Entnahme wurde der Kernformling in der Mikrowelle (600 Watt) 120 Sekunden getrocknet. In Figur 1 sind die zugehörigen Biegefestigkeiten mit dünn schraffierter Säule bei einer Formstofflagerzeit von 0 min und eine Kernlagerzeit von 60 min dargestellt.
Ein Vergleichsprodukt wurde mit dem Resol-CO2-Verfahren und mit 2,7 % Bindergattierung hergestellt. Die Mischzeit betrug 70 Sekunden, die Verdichtung erfolgte im Unterdruck bei -0,8 bar. Anschließend wurde das Vergleichsprodukt in CO2-Atmosphäre bei 1 bar für 8,5 Sekunden ausgehärtet. Die Ergebnisse sind in Figur 1 als "CO2"-Säule bei gleichen Formstofflagerzeiten von 0 und Kernlagerzeiten von 60 Minuten den erfindungsgemäßen Daten gegenübergestellt.
Weitere Vergleichsprodukte sind als CB1, CB2, CB3 (Cold Box) bezeichnet und mit 0,8/0,8 % DMEA durchgeführt worden. Ferner ist ein SO2-begastes Sandsystem mit 1 % EPOXY/0,25 % Harz und Oxydator hergestellt und getestet worden.
Es zeigt sich, daß die Biegefestigkeiten der erfindungsgemäßen Kernformlinge im Vergleich zu den SO2 und CO2-gehärteten Formlingen deutlich bessere Werte aufweisen, wenn man die Kerne sofort ohne Lagerung aus der Form entnimmt.
Der in Figur 4 angestellte Vergleich bekannter Cold-Box-Systeme bei unterschiedlichen Kernlagerzeiten und einer Formstofflagerzeit von 0 min mit dem erfindungsgemäßen Kernformling zeigt, daß die erfindungsgemäßen Produkte deutlich bessere Werte als die Vergleichsprodukte aufweisen, wenn FLZ = 0 und KLZ = 0 ist. In Figur 5 ist die Darstellung nach Figur 4 durch unterschiedliche Formstofflagerzeiten ergänzt. Keine Figur zeigt den Vergleich von Regeneraten bei unterschiedlichen Kernlagerzeiten, weil die Vergleichsverfahren eine Stabilität der Formlinge nur nach Entfernung der organischen Bestandteile gestatten.
Der in Figur 5 gezeigte Vergleich der Biegefestigkeit des erfindungsgemäßen Kernformlings bei unterschiedlichen Kernlagerzeiten läßt erkennen, daß die Festigkeitssteigerung beim erfindungsgemäßen Produkt weniger deutlich ist als bei den Vergleichsprodukten.
Figur 2 zeigt den Verlauf der Biegefestigkeit in Abhängigkeit der Formstofflagerzeit (FLZ) und der Kernlagerzeit (KLZ). Es wird das AWB-Verfahren mit dem Resol-CO2-Verfahren gegenübergestellt (das Resol-CO2-Verfahren kommt dem klassischen Wasserglas-Verfahren sehr nah, da hierbei die Verfestigung durch eine Gelbildung in den Binderbrücken erfolgt).
Der Vergleich beider Systeme beruht auf dem Basisneusand H32. Die Versuchsparameter für das AWB-Verfahren sind dem Blatt 3/1 zu entnehmen. Resol-CO2-Verfahren mit 2,7 % Bindergattierung, Mischzeit 70 sec., Verdichtung im Unterdruck -0,8 bar, Aushärtung über CO2/lbar/8,5 sec.
Figur 3 enthält eine Darstelllung der Biegefestigkeit in Abhängigkeit der Formstofflagerzeit (FLZ) und der Kernlagerzeit (KLZ) des AWB-Verfahrens.
2,5 % Bindemittel
Verarbeitung eines Materials aus 5 Kg H 32 im Schwingmischer, Mischdauer 50 sec., Verarbeitung auf einer Kernschießmaschine H 2,5
Werkzeugtemperatur 150°C
Verdichtung kombiniert 2,5 bar Überdruck und -0,6 bar Unterdruck Verweildauer im Werkzeug 8 sec, mit Absaugung des Werkzeuges 4 m3/h
Mikrowellentrocknung 120 sec, 600 W
(Hinweis: der Feststoffanteil des Bindemittels beträgt 35 %).
Die in Figur 4 dargestellten Formstofffestigkeiten wurden mit folgenden Sandsystemen erzeugt: alle Sandsysteme wurden auf der Basis von H 32 Neusand hergestellt.
Dies ergibt die Darstellung der Biegefestigkeit gemäß Figur 4 in Abhängigkeit der Kernlagerzeit (KLZ) im Vergleich zu anderen Formstoffsystemen.
2,5 % Bindemittel AWB-Verfahren
Wie in Figur 4 wurden die Sandsysteme aus der Basis von H 32 Neusand hergestellt.
In Figur 5 ergab sich eine Darstellung der Biegefestigkeit in Abhängigkeit der Kernlagerzeit (KLZ) im Vergleich zu anderen Formstoffsystemen.
2,5 % Bindemittel AWB-Verfahren
Im Darstellungsvergleich gemäß Figur 6 wurden unterschiedliche Formstoffbindersysteme bei konstant definierten Bedingungen gezeigt. Die Formstofflagerzeit ist mit 0 Minuten bezeichnet, d. h. der Formstoff wird sofort nach dem Mischen zu Formlingen verarbeitet. Die Kernlagerzeit ist mit 0 Minuten bezeichnet, d. h. der Formling wird sofort nach der Gestaltgebung gebrochen.
Alle Sandsysteme wurden auf der Basis von H 32 Neusand im Schwingmischer mit einer Chargengröße von 5 Kg, wie in den vorhergehenden Beispielen, hergestellt.
In Figur 7 wird der Vergleich der Gasmengenbildung von Cold Box und AWB-Formlingen bei thermischer Beanspruchung dargestellt. Systemparameter:
Die Gasmenge wird systembereinigt dargestellt, d. h. das Totvolumen ist rechnerisch berücksichtigt.
Versuchsdauer: 7,5 Minuten unter thermischer Beanspruchung.
Die Sandsysteme wurden auf der Basis von H 32 Neusand hergestellt. Zum gesonderten Vergleich wurde eine Probe aus unbelastetem H 32 Neusand zum Vergleich mit eingefügt.
AWB 2,5 % (Steinhäuser/wasserentzug-härtender Wasserglasbinder) CB Cold Box 0,8/0,8 %.
Die Proben wurden unter gemeinsamen Raumbedingungen vor dem Versuch 24 Stunden gelagert.