EP2853320A1 - Gießform oder einen Gießformkern aus beschichtetem Formsand für Metallguss - Google Patents

Gießform oder einen Gießformkern aus beschichtetem Formsand für Metallguss Download PDF

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EP2853320A1
EP2853320A1 EP14180671.1A EP14180671A EP2853320A1 EP 2853320 A1 EP2853320 A1 EP 2853320A1 EP 14180671 A EP14180671 A EP 14180671A EP 2853320 A1 EP2853320 A1 EP 2853320A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
molding sand
sand
mold
layer
casting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14180671.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Dr. Holtmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gebrueder Dorfner GmbH and Co KG Kaolin und Kristallquarzsand Werke
Original Assignee
Gebrueder Dorfner GmbH and Co KG Kaolin und Kristallquarzsand Werke
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gebrueder Dorfner GmbH and Co KG Kaolin und Kristallquarzsand Werke filed Critical Gebrueder Dorfner GmbH and Co KG Kaolin und Kristallquarzsand Werke
Publication of EP2853320A1 publication Critical patent/EP2853320A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a casting mold and / or a casting core of coated molding sand for metal casting.
  • the mold cavity is formed from a mixture of sand and binder, the mold ideally being broken down by the action of temperature during casting and easily removed from the cooled casting.
  • this sand together with the sand of the external form, goes back into the sand loop of the foundry and is reused in the outer, usually bentonite-bound, mold mass.
  • PU resin polyurethane resin portion
  • the grain distribution of the sand is limited downwards, so as to keep the specific surface area (or the surface / volume ratio) of the individual particles small and "save surfaces". It is important in the core production as dense as possible grain package to obtain a good green strength and a good mold surface. At the same time, however, there is a certain open porosity of the core mold necessary to be able to dissipate water vapor and other gases that arise during casting.
  • the green strength of a core mold is according to the foundry encyclopedia the strength of damp molding sands of uniform material and temperature distribution at room temperature (15 - 30 ° C).
  • the core forms are coated after curing with a size.
  • a sizing is a suspension of refractory material which again improves the mold surface. In part, this size is also used to reduce casting errors.
  • the most frequently occurring casting defects in molds with sand cores are the so-called leaf ribs.
  • An example of such leaf ribs in a casting is in the one taken from the foundry dictionary Fig. 1 shown.
  • Leaf ribs are according to the foundry dictionary by cores caused by irregular, filigree, thin metallic outgrowths at angles or corners and edges of the castings. Due to the expansion of the quartz, because the projections resulting from shell formation grow into the mold cavity and do not break up as in the Schülpe, another casting defect, the casting metal backfills the gap and forms the typical rib-like projection. Leaf ribs lead to an increased reworking effort and sometimes to rejects.
  • Blade ribs can occur in all metal castings, but especially frequently in gray cast iron, nodular cast iron, malleable cast iron and cast steel. The reason for this is the temperature of about 1400 ° C - 1600 ° C used in the casting of these metal alloys. Especially with quartz sand as the most commonly used foundry sand occurs at 573 ° C to a phase transformation. From the so-called Tiefquarz forms spontaneously from this temperature, the modification of high quartz. This reversible phase transformation is accompanied by an increase in the volume of the quartz grain by 0.8%. Since this leads to an increase in volume in the core form, the general opinion is that this increase in volume leads to the rupture of the Surface of the core shape leads, and thus the liquid metal allows access into the core interior and thus forms the leaf ribs.
  • feldspar is not suitable for gray cast iron, since it can start to melt at the temperatures prevailing there and thus can no longer be removed from the workpiece.
  • a common disadvantage of all of these quartz alternatives is economy and availability. Many of the minerals are available only in a few places and therefore burdened with high transport costs or energy-intensive in the production (such as alumina or Cerabeads). Another disadvantage is partly the grain shape. Not all minerals occur as round or rounded natural sands, but are produced in part by crushing and milling followed by classifying. Such splinter grain is disadvantageous in achieving a dense particle packing in the core form and therefore leads to a lower green strength and a higher binder requirement.
  • Quartz sand is indispensable for the mass production of castings.
  • a historically grown method to reduce the volume growth of the core mold during casting is the addition of organic material, which is to burn / pyrolyze during casting and thereby create free volume for the volume growth of quartz jump.
  • sawdust has been used for this purpose, for example.
  • this solution has drawbacks: on the one hand decreases by the addition of such soft material, the green strength; a part of the binder is absorbed by the sawdust and is thus no longer available for the binding of the sand.
  • the biggest disadvantage, however, is that in the thermal decomposition of sawdust and similar complex organic compounds under exclusion of air so-called VOC (Volatile Organic Compounds) in the exhaust gases. This is on the one hand an odor nuisance for residents near foundries, on the other hand, VOC exhaust gases are suspected of being carcinogenic. Therefore, the maintenance of such simple additives is associated with high costs for the exhaust gas purification.
  • Modern additives which also derive their effect from the decomposition of organic material and the associated creation of free volume, consist of plastics which decompose ideally in pyrolysis in water vapor and carbon dioxide, but in no case form VOC. Such additives are used at about 0.5-3%, e.g. about 1%, added to the molding sand and are very expensive.
  • the additive can only work if it is either in the binder bridges between the sand particles (situation 1, see also Fig. 4a ), or is greater than the average pore volume of the sand mixture (situation 2, see also Fig. 4b ).
  • the additive can disadvantageously clog the pores in the molding body until it decomposes and thus close the way for the released gases.
  • the larger additive particles required for this model will not only accumulate in the pores, but will also adhere uniformly over the binder and / or on the sand grains, thus leading to even greater consumption of binder.
  • the starting point for casting is a mold which, before casting, has a temperature of approximately 20-30 ° C everywhere.
  • the liquid metal is filled at about 1400 ° C. Due to the high density of the molten metal and the high temperature so a very large amount of heat in a very short time is available. This amount of heat must be dissipated until the metal has solidified.
  • the molding sand serves as a heat sink. However, it should be remembered that the heat transfer in the core sand is limited despite the high modulus of elasticity (modulus of elasticity) of the sand (high thermal conductivity).
  • the root time law (thus: twice penetration depth of the heat into the body means 4-times time), with which a body heats up from the outer shell to the core.
  • the phase transformation from deep quartz to high quartz is associated with an increase in volume, but the volume of the core form can not change due to the hydrostatic pressure of the melt, this increase in volume in the outer region of the mold leads to compressive stresses. From fracture mechanics, however, it is known that solids do not break under compressive stress, but only under tensile stresses.
  • the quartz jump is indeed the cause of leaf ribbing, but not the trigger.
  • Leaf ribs can only form when this crack below the surface of the core mold reaches the surface of the core mold, and liquid metal penetrates into this crack. Therefore, also sizing is attributed a positive effect on leaf rib formation, as these seal a possible crack on the surface and thus prevent the penetration of liquid metal into the core shape.
  • Formula 3 describes the elastic strain energy W e and formula 4 the surface energy W o for both fracture surfaces (with elastic modulus E, surface tension ⁇ o and stress ⁇ ).
  • W e ⁇ 2 ⁇ a 2 e
  • W O 4 ⁇ a ⁇ ⁇ O
  • Formula 7 describes the associated critical crack length (Griffith length) a 0 .
  • a 0 2 ⁇ e ⁇ ⁇ O ⁇ 2
  • the critical crack length a 0 can not be increased indefinitely in the case of a core shape, since the crack concentrators, ie factors favoring the formation of cracks, are for the most part present in the pores between the sand grains and can not be reduced in size indefinitely because they remove the gases in the core form.
  • lowering the modulus of elasticity of the material results in lower stress, less elastically stored energy and thus larger crack concentrators with the same deformation. This means that at the same deformation of the workpiece (eg by quartz jump) results in a lower tensile stress, and thus lower tendency to breakage.
  • the binding of the sand by the polymer no longer plays a role, since this already pyrolyzed at temperatures around 580 ° C and above.
  • the "modulus of elasticity" of the core shape in this area depends only on the friction of the grains of sand with each other. The stronger the friction between the grains, the higher are the stresses that can be built up locally as volume changes.
  • a historically grown method to reduce leaf ribbing by reducing friction between the sand grains is to incorporate iron oxide in the form of hematite or magnetite powder having a surface area of> 10m 2 / g to the core sand or using ferrous sand.
  • the iron oxide is mainly as a thin layer on the quartz grain and can optionally be removed by treatment in acid with subsequent flotation (eg for the treatment of glass sands).
  • the mineral fayalite an island silicate of the olivine group, is found in the core sand.
  • Fayalite is a melting point-lowering iron silicate with the composition 2 FeO • SiO 2 .
  • the quartz sand reacts at higher temperatures, for example the casting temperatures in iron and steel casting, with metal oxides (for example FeO) to form low-melting orthosilicates according to the following reaction scheme:
  • the hematite or magnetite is reduced by carbon monoxide, which forms, for example, from the decomposition of the binder or the lustrous carbon under exclusion of air to wüstite or 2-valent FeO (see here the blast furnace process).
  • This FeO can react with SiO 2 at temperatures of molten iron or steel to form fayalite.
  • the resulting melt phase facilitates the rearrangement of grains of sand and therefore leads to a lower stress build-up, thus larger crack concentrators and ultimately less cracks in the core shape and thus less leaf ribs.
  • fayalite also has the disadvantage that it reduces the contact angle between liquid iron and the quartz sand and thus liquid iron can penetrate at least in the uppermost layers of the core form, which is known as mineralization. This is disadvantageous for the quality of the casting surface.
  • iron shares can consequently reach the molding sand both due to natural causes and through recycling of molding sands.
  • iron-containing sands in particular have an iron oxide layer arranged in the surface region of the respective sand grain.
  • Iron mica e.g. Iron mica, cryolite, spodumene (form a flux with quartz sand even at low temperatures), borosilicate glass granules, expanded perlite, tempered perlite (melting or softening in the area of the quartz cracking temperature).
  • Organic coated core sands are also known. This process is called a croning process.
  • the sand is coated with a (very thick) layer of organic material. Background of this idea is the absence of binder.
  • the core sand becomes brought into shape and heated.
  • the thick layers of organic material sinter to form binder bridges between the grains and give the mold the required strength. It is coated the entire molding sand. During casting, the organic component then burns. In such systems neither a melting point depression is expected nor known.
  • a practicable solution is generally to coat the foundry sand, or a certain proportion and / or grain band of the molding sand so that this layer softens or melts at temperatures around the quartz crack and thus facilitates the rearrangement of the sand grains.
  • a molding sand in the sense of this invention preferably contains a proportion of quartz sand.
  • This quartz sand content is preferably> 2 wt .-%, preferably> 50 wt .-% and particularly preferably> 70 wt .-%.
  • Grain belt is to be understood as meaning granules of specific grain sizes (or of a grain size range).
  • grain size describes the size of individual particles (also called grains), for example, sand particles or quartz sand grains.
  • sand particles for particles of various shapes, instead of the diameter, as in the case of spherical particles, an equivalent diameter is used instead. This means that another measurable property is determined and the measurements are related to equal (equivalent) spheres.
  • the melting point of pure quartz at 1710 ° C very high-viscosity melt
  • commercial soda lime glass with the composition 75% SiO 2 , 15% Na 2 O, 10% CaO is processed between 780 and 1000 ° C and up to 1400 ° C melted (Läuter Schl, very thin liquid melt).
  • An exact melting point can not be specified for glasses, but only a melting range, since the glass is a supercooled liquid and the viscosity decreases as a function of the temperature by several orders of magnitude.
  • Tg transformation temperature or glass transition temperature
  • the glass is already a highly viscous liquid, which can no longer remove shear stress and is deformable, which is utilized, for example, when bending glass for vehicle windows.
  • soda-lime glass the value for the Tg is approx. 600 ° C and therefore already in the range of the quartz jump.
  • the lowest melting glasses are called alkali metasilicate glasses, the alkalis being technically lithium (Li), sodium (Na), and potassium (K).
  • Li lithium
  • Na sodium
  • K potassium
  • the reduction in viscosity with increasing temperature decreases from Li via Na to K.
  • Melting temperatures increase from Li over Na to K.
  • a guideline for the melting range of sodium metasilicate is 1080 ° C.
  • the transformation temperature of these glasses is well below the 600 ° C of soda lime glass.
  • a glass layer on the grain of sand already favors the repositioning of grains against each other.
  • Alkali Metasilikatgläser are often referred to as so-called “water glasses” and sold and used primarily as a binder. Water glasses come as aqueous solutions of 30 - 70% solids in the market. The exact ratio of alkalis to SiO 2 (modulus) varies depending on the application, as well as the doping with other components.
  • phosphate glasses borate glasses and chalcogenide glasses for certain applications. These too can be partially used as aqueous solutions are used and are also used as a binder. Since the bond between phosphorus and oxygen is weaker than with silicates, glasses constructed with phosphorus as a network former have a low melting point and transformation point even without alkalis, and a lower pH than water glass based binders due to the absence of alkalis.
  • alkali-water glasses, phosphate glasses or mixtures thereof or mixtures of melt-point-reducing materials bound to the grain with these binders are particularly suitable.
  • the object of the invention is thus achieved by a casting mold and / or a mold core made of molding sand for metal casting, wherein a first layer is arranged on the surface of molding sand grains of the molding sand, wherein the first layer is cured and made of alkali-water glass and / or phosphate glass and Boratglas and optionally one or more additional additives.
  • a molding sand can be used as foundry sand for the shell of a foundry mold or as so-called "core sand" (ie for a casting core) become.
  • core sand molding sand "core sand" of this formulation.
  • the use of such a coated foundry sand for foundry cores is convenient, but it may also be advantageous (e.g., more geometrically elaborate) to produce casings of a foundry mold (at least in part) from such a coated foundry sand.
  • the recycling of the core sand and the subsequent use as foundry sand for casings of a foundry mold lends itself, which also passes coated core sand into the foundry sand for casings of a foundry mold.
  • a "hardened” layer is characterized in particular by the fact that it has undergone a process step which is used in particular for changing its chemical-physical properties supported by heat and / or catalysts, with or without pressure, and consequently no longer change its physicochemical properties , Suitable process steps for forming a cured layer are described below.
  • Water glass based binders are known in the manufacture of core molds.
  • the molding sand is mixed with water glass and brought the liquid water glass either by increasing the temperature or gassing with carbon dioxide for polymerization.
  • this type of binding is used only to a very small extent, because the curing of the water glass either takes a long time or is associated with high energy consumption.
  • Another disadvantage is the fact that the nuclear decay after casting is bad.
  • the binder bridges made of water glass are retained after casting and do not decompose like the organic binders (coldbox furan resin, croning sand) but can even solidify at the temperatures of the casting.
  • the demoulding of the core sand after casting is associated with great expense. This solidification of grain bonding during casting is the reason why such binder systems are considered to have a positive influence on leaf rib formation.
  • a sand is coated with 5% by weight or less of water glass, preferably below 2% by weight of water glass, more preferably below 1.5% by weight of water glass, more preferably below 1% by weight of water glass.
  • These proportions refer to the wet sand before a curing process, ie to an aqueous solution of the waterglass used for coating. Higher levels of water glass cause the sand to lump when wet. Unless otherwise indicated, all percentages (also referred to above) relate to percent by weight (wt .-%). In connection with aqueous solutions such as e.g. For water glass, there is the problem that they are usually offered as 30-70% solutions. After firing or drying, the weight of the alkali silicate bound on the sand is correspondingly reduced. The above quantities are based on the proportion of the applied amount of waterglass solution.
  • phosphate glasses or borate glasses are possible alternatives to water glasses (alkali metasilicate glasses).
  • a portion of the water glass can be replaced by a corresponding proportion of a phosphate glass or another alternative glass with similar properties (eg, a borate glass) or mixtures thereof.
  • Chalcogenide glasses can be used as additives. Therefore, the abovementioned water glass content can preferably also be completely or partially replaced by such alternatives. Accordingly, mixtures of water glass (or Water glasses with different alkali metals) with one or more of the alternatives mentioned above.
  • an aqueous (water glass) solution is ideally suited to producing thin layers on granular material, for example, thin (water glass) layers on foundry sand grains. This can be done by mechanically mixing the aqueous solution with the granular material or by spraying e.g. in a fluidized bed.
  • a preferred embodiment of the present invention provides that the first layer has an average layer thickness of 0.01-50 ⁇ m, preferably 0.1-20 ⁇ m, more preferably 0.5-10 ⁇ m, particularly preferably 1-5 ⁇ m.
  • a further preferred embodiment of the present invention provides that the water glass is at least one of soda water glass, potassium water glass or lithium water glass.
  • the at least one additive is selected from a group which contains alkalis, preferably alkali salts, alkali oxides, alkali hydroxides, particularly preferably soda and / or caustic soda, alkaline earths, preferably alkaline earth salts, alkaline earth oxides, alkaline earth hydroxides, fluorides, preferably cryolite, borates, Chalcogenide glass, iron oxide, spodumene, iron-containing silicates, viscosity-lowering solids, and combinations thereof.
  • alkalis preferably alkali salts, alkali oxides, alkali hydroxides, particularly preferably soda and / or caustic soda, alkaline earths, preferably alkaline earth salts, alkaline earth oxides, alkaline earth hydroxides, fluorides, preferably cryolite, borates, Chalcogenide glass, iron oxide, spodumene, iron-containing silicates, viscosity-lowering solids, and combinations thereof.
  • the coating material is preferably fixed at temperatures of 0-1400 ° C., preferably 0-1000 ° C., particularly preferably 0-300 ° C., to the carrier particles.
  • the fixing can be carried out (at lower temperatures) by removing the solvent, polymerization or (at higher temperatures) by baking in the surface of the carrier particles.
  • a further temperature range is therefore particularly preferred, namely a temperature range of 500-700 ° C., more preferably about 600 ° C., since this temperature range depends on the carrier material above the temperature of the quartz jump lies.
  • a different fixation of the coating material takes place. In the latter preferred range of 500-700 ° C, a condensation reaction takes place and, with the elimination of water, a mechanically loadable glass layer is formed on the substrate.
  • the layer preferably has melting point-lowering properties.
  • the coating may also contain an additive in addition to the binder (e.g., waterglass).
  • An additive in the coating material is preferably an additive selected from a group containing pigments, alkali elements, alkali salts (containing alkali ions), alkali compounds and fluoride.
  • additions of alkali elements, salts and / or compounds are suitable for lowering the melting point of the carrier particle material (the molding sand grains).
  • additives eg soda, caustic soda (and / or their Li and / or K equivalents), other alkali or alkaline earth salts and / or oxides
  • the surface of the carrier particles have increased viscosity, diffuse into the carrier particle surface and thus form layers of a comparatively viscous material, which promotes the sliding or sliding along of contacting grains to each other.
  • the waterglass layer does not have to be completely or completely applied to the carrier particles, but the surface of the (or some) carrier particles is itself converted into a glass or converted into a glassy state. This transformation can be done by casting or by prior (temperature) treatment.
  • one or more additional layers can be applied to all, one selection (for example a grain band) or a portion of the molding sand particles, or that these molding sand particles have one or more additional layers.
  • Such an additional layer could serve, for example, for the hydrophobization of the molding sand particles.
  • the molding sand has at least one coating as described above.
  • a selected grain band ie a Selection of particles of selected particle sizes or equivalence sizes or equivalent diameters
  • the coated grain band is one of the particle sizes with large particle sizes.
  • the particles of an upper (ie larger) Konbandes are surface-coated, preferably the largest 50%, preferably the largest 30%, more preferably the largest 15% and most preferably comprises the largest 5% of the particles.
  • molding sands are also possible in which the largest particle fraction is not surface-coated but, for example, the particles of a grain band are surface-coated, which covers the size range from the largest 50% to the largest 1% of the particles.
  • Another preferred size range of coated particles is that which ranges in size from the largest 20% to the largest 2% of the particles.
  • the coating of the sand preferably does not itself act as a binder. In particular, no bonds between grains of sand are preferably caused by the coating.
  • no core sand is known, which is thus coated with a melting point-lowering layer.
  • no systems which have a melting point reduction (or softening, for which the Tg of the coating is decisive), preferably above 300 ° but below 1400 ° C.
  • Suitable coatings include, for example, coatings of sand with soda, caustic soda or other alkali carrier, or the burning of sand with such coatings to form a layer of glass on the grain.
  • Particular preference is given to coatings of inorganic glass mixtures having a Tg of less than or equal to 1400 ° C., particularly preferably less than or equal to the quartz transition temperature.
  • a further preferred embodiment of the present invention accordingly provides that the glass transition temperature of the first layer is at most 1400 ° C. and is particularly preferably below the quartz transition temperature of 573 ° C.
  • water glass solution based on the weight of the sand is used in the coating of foundry sand.
  • the proportion of hardened water glass is preferably about 0.045-5% (wt .-%), preferably less than 2%, more preferably less than 1%, more preferably less than 0.5% based on the total mass of the molding sand.
  • the total mass of the molding sand here describes the mass of all molding sand grains that are part of the mold and / or the mold core.
  • the first layer consists of water glass and bound in the first layer total mass (mwb) of the water glass (7) a maximum of 0.045 - 5 wt .-%, preferably less than 2 wt .-% , particularly preferably less than 1 wt .-%, more preferably less than 0.5 wt .-% of the total mass (mQ) of the molding sand (4).
  • the grain sizes of the foundry sand are between 50 ⁇ m and 2000 ⁇ m in diameter, preferably between 100 and 500 ⁇ m in diameter.
  • a further preferred embodiment of the present invention accordingly provides that the grain size of the molding sand is between 50 ⁇ m and 2000 ⁇ m, preferably between 63 and 500 ⁇ m.
  • the entire grain spectrum of the foundry sand (ie 100%) can be coated. Preference is given to coating 1 to 25% (% by weight), more preferably 2 to 20%, more preferably 5 to 15%, of the total weight of the foundry sand. This portion is preferably removed from the coarser portion of the molding sand and coated. Preferred is only then mix the coarser coated grain spectrum with the remaining (uncoated) sand.
  • the molding sand composed of a first coated and a second uncoated portion, wherein the mass of the coated portion of the molding sand 1 to 25 wt .-%, preferably 2 to 20 wt .-%, particularly preferably 5 to 15 wt .-% of the total mass of the molding sand.
  • the sand can either be premixed with a coated and an uncoated portion used as core sand, or the coated sand content can be added later as an additive to an uncoated sand content, so that the desired particle size distribution (PPS) of the foundry sand results after the addition of the coated sand ,
  • PPS particle size distribution
  • the sand may preferably be coated by mixing with the meltdown agent, by dipping or spraying. Curing may preferably be accomplished by drying, firing or other mechanisms of fixation (e.g., gassing with waterglass).
  • the coating material can also be used to bond further additives to the grain of sand.
  • a further advantageous embodiment therefore provides that a second hydrophobic layer is arranged on the surface of the first layer.
  • the coated sand can be reused after casting and preferably fed into the normal sand cycle and treated accordingly or reused separately after treatment.
  • a core sand 10 to 15% (wt .-%) coated sand in the core sand Preferably, a core sand 10 to 15% (wt .-%) coated sand in the core sand.
  • the proportion of hardened water glass is preferably about 0.045-5 wt .-%, preferably less than 2 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-%, more preferably less than 0.5 wt .-% of the total mass of molding.
  • water glass solution based on the weight of the sand is used in the coating of foundry sand.
  • the sand is preferably coated with 5% by weight or less of water glass, preferably below 2% by weight of water glass, more preferably below 1.5% by weight of water glass, more preferably below 1% by weight of water glass.
  • the coated material Based on the weight of the coated material, it is preferred to add between 0.5-10% as coating material to a mixture of an aqueous solution of water glass and / or phosphate glass and / or borate glass. With particular preference, between 1 and 5%, more preferably between 1 and 5%, of the coating material is applied, based on the weight of the coated material. This excludes that the coating of the grains with water glass already builds up a firm bond of the core sand, as is known in the known use of water glass as a binder.
  • a further preferred embodiment of the present invention accordingly provides that the mass of the aqueous solution of the waterglass used for the application of the first layer is between 0.15 and 5% by weight, preferably less than 2% by weight, more preferably less than 1.5 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-% of the mass of the coated molding sand or used for the application of the first layer mass of the aqueous solution of the waterglass and the phosphate glass and / or borate glass between 0.15 and 10 wt .-%, preferably between 1 and 5 wt .-%, particularly preferably between 1 and 2 wt .-% of the mass of the first portion of the molding sand.
  • a method for producing a suitable for a mold and / or mold core molding in which suitable for melting point depression of the material of the molding sand grains material and / or an alkali water glass and / or phosphate glass and / or an additional binder is applied to a surface of molding sand grains and then by thermal treatment, the surface of the molding sand grains or a selection of the molding sand grains is at least partially converted into a glass or transferred into a glassy state.
  • the grain fraction> 0.355 mm was separated by sieving.
  • the sand greater than 0.355 mm was subsequently coated with sodium waterglass solution (2% by weight, based on the mass of the sand) in a mixing unit and subsequently fired at 600 ° C. for about 20 minutes.
  • a batch was coated, in addition to coating with water glass, also with 2% by weight of hematite powder, as is commonly used in core molds. This batch was also fired at 600 ° C.
  • the KGV of the original molding sand was restored by adding respectively 5, 10 and 15% by weight of the coated sand to the total sand to the previously screened sand ⁇ 0.355 mm and filling the remainder with uncoated sand> 0.355 mm.
  • the coarse grain size of the foundry sand was chosen for four reasons: Firstly, the surface-to-mass ratio of this KGV is significantly more favorable with respect to the use of the water glass, on the other hand it can be assumed that the coated larger grains are always in contact in the molding sand to smaller uncoated grains and thus the "sliding effect" of the glass coating always comes into play, and ultimately to avoid that too many coated grains have contact with each other, which could lead to a caking of the molding sand. In such a "caking" of the molding sand, the surface coating would act as a binder, which is expressly not the subject of the present invention and contrary to the inventive concept. In addition, the volume change in the quartz jump or grain jump in the largest grains is also the largest. Thus, the smaller grains will be easier to relocate in contact with the large grain.
  • Sample 1 consisted of the core sand mix with additive used in production; Sample 2 contained 15% by weight of the waterglass-coated sand, but no additive; Sample 3 contained 15% by weight of the waterglass-coated sand with hematite, but no additive.
  • the samples were poured in normal production: no difference was found in the nuclear decay between the three samples.
  • the two sandblasted coated sand bodies were identical. However, leaf vein formation was reduced by about 50% compared to the conventional sample.
  • leaf ribs The most common casting defect in hollow molds with sand cores, the so-called leaf ribs, is exemplary in the Fig. 1 shown.
  • leaf fin formation f As a function of the binder is in Fig. 2 shown.
  • FIG. 3 A comparison of the expansion behavior ⁇ (T) of different materials with respect to the strain ⁇ as a function of the temperature T is shown in the also taken from the foundry dictionary Fig. 3 shown.
  • the graphs show the expansion behavior b1 of quartz sand, b2 of feldspar, b3 of chromite sand, b4 of andalusite, b5 of chamotte, b6 of cerabeads and b7 of zircon sand. It is clear that among all other materials shown, quartz sand has the highest strain ⁇ at all temperatures T shown.
  • Fig. 4a and Fig. 4b schematically show possible interactions between an additive 12 and the quartz sand grains 5, wherein the additive 12 is used to compensate for the increase in volume of the quartz sand or quartz sand grains 5 during casting by burning it during casting.
  • the additive 12 can act only if it is located either in the binder bridges between the quartz sand grains 5 or sand particles ( Fig. 4a ) or greater than the average pore volume of the sand mixture of quartz sand grains 5 (FIG. Fig. 4b ).
  • Fig. 5 the energy balance is shown in the unstable crack propagation, wherein the energy E is plotted over the crack length a.
  • the graphs show the surface energy g1, the elastic strain energy g2 and the total energy g3.
  • the particle size distribution of a commercially available quartz sand 4 as foundry sand shows Fig. 6 , Here is the sieve size y and the mass my shown per sieve.
  • the numbers assigned to the sieve size y each mean that the sieve size y is above the given numerical value.
  • the numerical value 0 represents the sieve bottom.
  • a total mass of quartz sand grains 5 of 7.35 g can be assigned a particle size of greater than 0.090 mm, but less than or equal to 0.125 mm.
  • FIG. 7 an example of a mold 1 with mold core 2 is shown, which in the present example allow the production of a rectangular workpiece 3 with rounded corners. It should be noted that only one half of the mold is shown. Other elements that are necessary for casting, such as gates, risers, risers and vents, are not shown here.
  • the casting mold 1 and / or the casting core 2 can consist of a coated molding sand 4, as described above, completely or proportionally.
  • FIG. 8 schematically shows a section through a grain packing K, as it is present for example in a molding sand core or mold core 2 made of a coated molding sand 4 as described above. It should be noted that this arrangement, for reasons of clarity, although shown in two dimensions, but of course is present in three dimensions, that is, viewed in particular from the image plane in front of and behind the quartz grains shown 5 further quartz grains 5 are not shown.
  • the molding sand 4 whose grain packing K is shown in this case, is composed of the molding sand grains 5 and has the total mass mQ. In this example, it consists of a first portion 9 with a mass mQ1 and a second portion 10 with a mass mQ2.
  • the molding sand grains 5 illustrated in this example can be used, for example, as the quartz sand 4, which can be found in FIG Fig. 5 is described correspond.
  • the particle sizes d1, d2 are larger than the particle sizes d3, d4, d5 and d6.
  • the particle sizes d1 to d6 shown only show an exemplary section of the particle size distribution.
  • a first layer 6 is arranged, which preferably consists of water glass 7. But it can also consist of a mixture of water glass 7 and 15 phosphate glass.
  • the second portion 10 of the molding sand grains 5 is uncoated.
  • the second portion 10 of the molding sand grains 5 is formed by the molding sand grains 5 having smaller grain sizes d3, d4, d5, d6. As can be seen, both parts 9, 10 are mixed.
  • the first layer 6 is cured before, wherein based on the mass of all first layers 6 on the quartz grains 5, a total mass mWb results when a pure water glass coating is present. This layer is shown here ideally with respect to the homogeneity of the layer thickness.
  • each uncoated shaped sand grain 5 is in contact with a coated molding sand grain 5, so that an optimal friction reduction between the molding sand grains 5 can be assumed. This results not least from the selection of the particle sizes of the first portion 9 and the second portion 10.
  • Fig. 9 shows by way of example a molding sand grain 5, on the surface 5a of which a first layer 6 having a layer thickness 13 is arranged, which, as in FIG Fig. 8 described, for example, consists of water glass 7.
  • the first layer 6 is cured here before.
  • a second layer 11 with a layer thickness 14 is arranged on the surface 6a of the first layer 6, .
  • This second layer 11 may preferably be hydrophobic.
  • Fig. 10 shows by way of example a molding sand grain 5, on the surface 5a, a first layer 6b is arranged, which is analogous to the first layer 6 as in Fig. 8 described, for example, consists of water glass 7.
  • this first layer 6b is not yet cured, but is in the form of an aqueous solution 7b, for example of water glass 7, before.
  • this molding sand grain 5 shown it is of course possible for there to be a plurality of molding sand grains 5 which are present with a first layer 6b in the form of the aqueous solution 7b. Based on the mass of all first layers 6b in the form of the aqueous solution 7b on the quartz grains 5, this results in a total mass mWa for pure water glass 7.

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Abstract

Gießform und/ oder Gießformkern aus Formsand für Metallguss, wobei eine erste Schicht auf der Oberfläche von Formsandkörnern des Formsandes angeordnet ist, wobei die erste Schicht ausgehärtet ist und aus Wasserglas und/ oder Phosphatglas besteht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießform und/ oder einen Gießformkern aus beschichtetem Formsand für Metallguss.
  • Beim Gießen von Hohlformen wird der spätere Hohlraum der Form aus einem Gemisch aus Sand und Bindemittel geformt, wobei die Sandform beim Gießen idealerweise durch die Temperatureinwirkung zerfällt und aus dem erkaltetem Gussstück leicht entfernt werden kann. In der Regel geht dieser Sand zusammen mit dem Sand der äußeren Form zurück in den Sandkreislauf der Gießerei und wird in der äußeren, meist bentonitgebundenen Formenmasse wiederverwendet.
  • Als Bindemittel für Kernformen wird eine Vielzahl unterschiedlicher organischer und anorganischer Komponenten verwendet. Den größten Marktanteil bei der Herstellung von Kernformen hat aber das sogenannte Cold-Box-Verfahren. Dabei wird der Kernsand, der mit einem Polyurethanharzanteil (PU-Harz) von 0,5 - 2 Gew.-% Harz durch Mischen beschichtet wurde, in die Kernform geschossen und zum Aushärten mit Amin begast. Bei diesem Mischvorgang werden auch andere Additive sowie Glanzkohlenstoffe beigefügt. Durch das Begasen kommt es zur Aushärtung des PU-Harzes. Die Sandkörner sind nach dem Aushärten über Harzbrücken miteinander verbunden. Um die Harzmengen gering zu halten, wird die Kornverteilung des Sandes nach unten begrenzt, um so die spezifische Oberfläche (bzw. das Oberfläche/Volumen-Verhältnis) der einzelnen Partikel gering zu halten und "Oberflächen zu sparen". Wichtig ist bei der Kernherstellung eine möglichst dichte Kornpackung, um eine gute Grünfestigkeit und eine gute Formenoberfläche zu erhalten. Gleichzeitig ist aber eine gewisse offene Porosität der Kernform notwendig, um Wasserdampf und andere Gase, die beim Guss entstehen, abführen zu können.
  • Die Grünfestigkeit einer Kernform ist gemäß Gießereilexikon die Festigkeit feuchter Formsande von gleichmäßiger Stoff- und Temperaturverteilung bei Raumtemperatur (15 - 30°C).
  • Vielfach werden die Kernformen nach dem Aushärten noch mit einer Schlichte beschichtet. Eine Schlichte ist eine Suspension aus Feuerfestmaterial, die nochmals die Formenoberfläche verbessert. Teilweise wird diese Schlichte auch dazu verwendet, Gussfehler zu reduzieren. Der am häufigsten auftretende Gussfehler bei Hohlformen mit Sandkernen sind die sogenannten Blattrippen. Ein Beispiel solcher Blattrippen in einem Gussstück ist in der aus dem Gießereilexikon entnommenen Fig. 1 dargestellt.
  • Blattrippen sind gemäß dem Gießereilexikon durch Kerne verursachte unregelmäßige, filigranartige, dünne metallische Auswüchse in Winkeln oder an Ecken und Kanten der Gussstücke. Da die durch Schalenbildung entstehenden Ansätze infolge der Quarzausdehnung in den Formhohlraum hineinwachsen und nicht wie bei der Schülpe, einem weiteren Gussfehler, aufbrechen, hinterfüllt das Gießmetall den Spalt und bildet den typischen rippenartigen Ansatz. Blattrippen führen zu einem erhöhten Nacharbeitsaufwand und teilweise zum Ausschuss.
  • Die Häufigkeit dieser Blattrippenbildung hängt von verschiedenen Faktoren ab. Maßgeblich ist dabei auch das Bindemittel. Gerade PU-Binder (Cold-Box-Verfahren) schneiden dabei nur mittelmäßig ab, haben aber den Vorteil der vergleichsweisen leichten und schnellen Herstellung von Kernformen und sind dominant auf dem Markt. Die Neigung zur Blattrippenbildung in Abhängigkeit von dem Bindemittel ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Blattrippen können bei allen Metallgüssen auftreten, besonders häufig allerdings beim Grauguss, Kugelgraphitguss, Temperguss und Stahlguss. Grund hierfür ist die beim Guss dieser Metalllegierungen verwendete Temperatur von ca. 1400°C - 1600°C. Gerade bei Quarzsand als am häufigsten eingesetzten Gießereisand kommt es bei ca. 573°C zu einer Phasenumwandlung. Aus dem sogenannten Tiefquarz bildet sich spontan ab dieser Temperatur die Modifikation Hochquarz. Diese reversible Phasenumwandlung geht mit einer Zunahme des Volumens des Quarzkorns um 0,8 % einher. Da dies in der Kernform zu einer Volumenzunahme führt, ist die allgemeine Meinung, dass diese Volumenzunahme zum Aufreißen der Oberfläche der Kernform führt, und damit dem flüssigen Metall den Zutritt in das Kerninnere ermöglicht und somit die Blattrippen bildet.
  • Da dieser Gussfehler sehr häufig auftritt und mit hohen Nachbearbeitungskosten oder sogar dem Verwerfen des Gussstückes verbunden ist, wurden hier bereits einige Strategien zur Vermeidung der Blattrippen entwickelt.
  • Naheliegend ist der Ersatz von Quarzsand durch andere körnige Mineralien, die keine Phasenumwandlung im üblichen Temperaturbereich der Schmelze haben. Ein Vergleich des Ausdehnungsverhaltens verschiedener Materialien ist in der ebenfalls dem Gießereilexikon entnommenen Fig. 3 dargestellt. Dabei sind die Verhalten von Quarzsand, Feldspat, Chromitsand, Andalusit, Schamotte, Cerabeads und Zirkonsand dargestellt.
  • Neben den bereits oben erwähnten Mineralien sind aber auch Olivin, Aluminiumoxidkugeln und Mischungen aus Feldspat und Quarzsand und Keramikkugeln bekannt. Reiner Feldspat eignet sich nicht für den Grauguss, da er bei den dort herrschenden Temperaturen bereits zu schmelzen anfangen kann und somit nicht mehr aus dem Werkstück zu entfernen ist.
  • Ein allgemeiner Nachteil all dieser Quarzsandalternativen ist die Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit. Viele der Mineralien sind nur an wenigen Orten verfügbar und daher mit hohen Transportkosten belastet oder energieintensiv in der Herstellung (wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder Cerabeads). Ein weiterer Nachteil ist teilweise die Kornform. Nicht alle Mineralien kommen als runde oder gerundete natürliche Sande vor, sondern werden teilweise durch Brechen und Mahlen mit nachfolgendem Klassieren erzeugt. Derartiges Splitterkorn ist nachteilig bei der Erreichung einer dichten Partikelpackung in der Kernform und führt daher zu einer geringeren Grünfestigkeit und einem höherem Bindemittelbedarf.
  • Auch der Einsatz derartiger teurer Quarzsandalternativen ist mit hohem Aufwand belastet. Will man nicht den teuren Alternativsand beim "Ausschütteln" des Gussstücks mit dem übrigen Quarzsand vermischen und somit verlieren, sind besondere Einrichtungen erforderlich, um die Alternativsande abzutrennen und einer Wiederverwertung zuzuführen.
  • Insgesamt bleibt also der Einsatz von Quarzsandalternativen auf Sondergebiete begrenzt. Für die Massenproduktion von Gussstücken ist Quarzsand unverzichtbar.
  • Eine historisch gewachsene Methode, den Volumenzuwachs der Kernform beim Guss zu reduzieren, ist die Beimengung von organischem Material, das beim Guss verbrennen/pyrolysieren soll und dadurch freies Volumen für den Volumenzuwachs des Quarzsprungs schaffen soll. Traditionell wurde hierfür zum Beispiel Sägemehl verwendet. Diese Lösung hat allerdings Nachteile: Zum einen sinkt durch die Beimengung derart weichen Materials die Grünfestigkeit; ein Teil des Bindemittels wird vom Sägemehl aufgesogen und steht somit nicht mehr für die Bindung des Sandes zur Verfügung. Der größte Nachteil ist allerdings, dass bei der thermischen Zersetzung von Sägemehl und ähnlichen komplexen organischen Verbindungen unter Luftabschluss sogenannte VOC (Volatile Organic Compounds; Flüchtige organische Verbindungen) in den Abgasen entstehen. Dies ist zum einen eine Geruchsbelästigung für Anwohner in der Nähe von Gießereien, zum anderen stehen VOC-Abgase im Verdacht, krebserregend zu sein. Daher ist die Beibehaltung von derartigen einfachen Additiven mit hohen Kosten für die Abgasreinigung verbunden.
  • Moderne Additive, die ihre Wirkung ebenfalls aus dem Zerfall von organischem Material und die damit verbundenen Schaffung von freiem Volumen beziehen, bestehen aus Kunststoffen die sich bei der Pyrolyse im Idealfall in Wasserdampf und Kohlendioxid zersetzen, in keinem Fall aber VOC bilden. Derartige Additive werden mit ca. 0,5 - 3 %, z.B. ca. 1 %, dem Formsand zugesetzt und sind sehr teuer.
  • Grundsätzlich bleibt allerdings bei diesem Konzept ein Problem erhalten. Das Additiv kann nur wirken, wenn es sich entweder in den Bindemittelbrücken zwischen den Sandpartikeln befindet (Situation 1, siehe auch Fig. 4a), oder aber größer ist als das mittlere Porenvolumen der Sandmischung (Situation 2, siehe auch Fig. 4b).
  • Somit bedingt die Zugabe von Additiv immer auch eine Zunahme an erforderlichem, teurem Bindemittel. Zudem sind in Situation 1 deutliche Überdosierungen an Additiv unvermeidbar, da sich das Additiv beim Mischen mit dem Bindemittel gleichmäßig am Sandkorn anlagert, aber nur an den Kontaktstellen zwischen den Körnern benötigt wird.
  • In Situation 2 kann das Additiv bis zu seiner Zersetzung nachteilhaft die Poren im Formkörper verstopfen und somit den Weg für die freiwerdenden Gase verschließen. Zudem werden sich die größeren Additivpartikel, die für dieses Modell erforderlich sind, nicht nur in den Poren anlagern, sondern ebenfalls gleichmäßig über das Bindemittel und/oder auf den Sandkörnern haften und somit zu noch größerem Verbrauch an Bindemittel führen.
  • Neben dem Schaffen von freiem Volumen im Sandkern durch thermisches Zerstören von Additiven beim Gießen ist ein weiterer Ansatz bekannt: Dies wird gemeinhin als Erhöhung der Hochtemperaturplastizität beschrieben. Zum Verständnis dieses Ansatzes ist die genaue Kenntnis der die Kernform beeinflussenden Prozesse während des Gießens notwendig.
  • Ausgegangen wird beim Gießen von einer Form, die vor dem Gießen überall etwa Raumtemperatur von 20 - 30°C aufweist. In diese Form wird (z.B. beim Grauguss) das flüssige Metall mit ca. 1400°C gefüllt. Auf Grund der hohen Dichte des geschmolzenen Metalls und der hohen Temperatur steht also eine sehr große Wärmemenge in sehr kurzer Zeit zur Verfügung. Diese Wärmemenge muss abgeführt werden, bis das Metall fest geworden ist. Dabei dient der Formsand als Wärmesenke. Dabei ist aber zu bedenken, dass der Wärmetransport im Kernsand trotz des hohen Elastizitätsmoduls (E-Moduls) des Sandes (hohe Wärmeleitfähigkeit) begrenzt ist.
  • Zur Beschreibung des Wärmetransports kann man das Wurzel-Zeit-Gesetz ansetzen (also: doppelte Eindringtiefe der Wärme in den Körper bedeutet 4-fache Zeit), mit dem ein Körper sich von der Außenhülle zum Kern hin erwärmt. Das bedeutet, dass der Sand an der Oberfläche der Kernform und damit im direkten Kontakt mit der Metallschmelze innerhalb sehr kurzer Zeit bereits die für den Quarzsprung notwendigen 580°C erreicht, während die Temperatur im Inneren der Kernform noch unter dieser Temperatur liegt. Da die Phasenumwandlung von Tiefquarz zu Hochquarz aber mit einer Volumenzunahme verbunden ist, sich aber das Volumen der Kernform aufgrund des hydrostatischen Drucks der Schmelze nicht ändern kann, führt diese Volumenzunahme im Außenbereich der Form zu Druckspannungen. Aus der Bruchmechanik ist allerdings bekannt, dass Feststoffe nicht unter Druckspannung brechen, sondern nur unter Zugspannungen. Somit ist der Quarzsprung zwar die Ursache für Blattrippenbildung, aber nicht der Auslöser.
  • Die Zugspannungen, die zur Rissbildung in der Kernform führen, entstehen vielmehr unterhalb der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Metall und der Kernform aus den Scherspannungen zwischen der Sandschicht, die eine Temperatur unterhalb 580°C aufweist (Tiefquarz), und der Sandschicht, die eine Temperatur oberhalb 580°C aufweist (Hochquarz), da eine Scherspannung immer in eine Zug- und Druckspannungskomponente aufgeteilt werden kann. Blattrippen können sich erst dann bilden, wenn dieser Riss unterhalb der Oberfläche der Kernform die Oberfläche der Kernform erreicht, und flüssiges Metall in diesen Riss eindringt. Daher wird auch Schlichten ein positiver Effekt auf die Blattrippenbildung zugeschrieben, da diese einen möglichen Riss auf der Oberfläche abdichten und somit das Eindringen von flüssigem Metall in die Kernform verhindern.
  • Es ist ebenfalls aus der Bruchmechanik bekannt, dass ein Riss sich erst dann bildet, wenn an einer Fehlstelle die Zugspannung groß genug ist um den Riss zur Ausbreitung zu bringen (Griffith-Kriterium). Nach Griffith tritt Rissfortschritt dann ein, wenn die durch Verlängerung des Anrisses freiwerdende elastische Verzerrungsenergie We gleich oder größer ist als die zur Bildung der Bruchflächen benötigte Oberflächenenergie Wo (Formel 1). W e ≥ W O
    Figure imgb0001
  • Das Kriterium der instabilen Rissausbreitung ist gemäß Formel 2 beschrieben (mit Risslänge a). ⅆ W e ⅆ a ≥ ⅆ W O ⅆ a
    Figure imgb0002
  • Formel 3 beschreibt die elastische Verzerrungsenergie We und Formel 4 die Oberflächenenergie Wo für beide Bruchflächen (mit Elastizitätsmodul E, Oberflächenspannung γo und Spannung σ). W e = πσ 2 ⁢ a 2 E
    Figure imgb0003
     W o = 4 ⁢ a ⁢ γ o
    Figure imgb0004
  • Das Kriterium der Rissausbreitung führt dann zu Formel 5. 2 ⁢ aπσ 2 E ≥ 4 ⁢ γ o
    Figure imgb0005
  • Unter diesen Bedingungen breitet sich ein vorhandener Riss instabil, d.h. ohne äußere Energiezufuhr aus. Dabei wird die elastisch gespeicherte Energie im Körper (z.B. aus Wärmeausdehnung) in Oberflächenenergie bei der Rissausbreitung umgewandelt (siehe Fig. 4 für die Energiebilanz der instabilen Rissausbreitung).
  • Für die zur Rissausbreitung erforderliche Spannung erhält man Formel 6. σ c = 2 ⁢ E ⁢ γ o πa
    Figure imgb0006
  • Formel 7 beschreibt die zugehörige kritische Risslänge (Griffith-Länge) a0. a 0 = 2 ⁢ E ⁢ γ o πσ 2
    Figure imgb0007
  • Risse, die kürzer sind als die kritische Griffith-Länge a0, sind aus energetischen Gründen stabil. Sobald die kritische Länge überschritten wird, sind Risse instabil und breiten sich mit wachsender Länge immer schneller aus.
  • Die kritische Risslänge a0 lässt sich bei einer Kernform nicht unbegrenzt erhöhen, da die Risskonzentratoren, also Faktoren, die die Rissentstehung begünstigen, zum größten Teil in den Poren zwischen den Sandkörnern vorliegen und diese nicht unbegrenzt verkleinert werden können, da sie den Abtransport der Gase in der Kernform beeinflussen. Wenn man allerdings den E-Modul des Werkstoffs senkt, kommt es bei gleicher Verformung zu einer geringeren Spannung, geringerer elastisch gespeicherter Energie und damit zu größeren Risskonzentratoren. Dies bedeutet, dass sich bei gleicher Verformung des Werkstücks (z.B. durch Quarzsprung) eine geringere Zugspannung ergibt, und damit geringere Tendenz zum Bruch.
  • Im Folgenden werden Maßnahmen zum Senken des E- Moduls der Kernform erläutert.
  • In der obersten Schicht der Kernform spielt die Bindung des Sandes durch das Polymer keine Rolle mehr, da dieses bei Temperaturen um die 580°C und darüber bereits pyrolysiert. Somit hängt der "E-Modul" der Kernform in diesem Bereich nur noch von der Reibung der Sandkörner untereinander ab. Je stärker die Reibung zwischen den Körnern ist, desto höher sind die Spannungen, die lokal bei Volumenänderungen aufgebaut werden können.
  • Somit ist es sinnvoll, die Reibung der Sandkörner untereinander zu vermindern, damit beim Quarzsprung eine Umlagerung der einzelnen Körner erfolgen kann und sich somit Spannungen, die zur Rissbildung führen können, abbauen bzw. gar nicht erst aufbauen.
  • Eine historisch gewachsene Methode, die Blattrippenbildung durch Reibungsverminderung zwischen den Sandkörnern zu reduzieren, ist das Beimengen von Eisenoxid in Form von Hämatit oder Magnetitpulver mit einer Oberfläche von > 10m2/g zum Kernsand oder die Verwendung von eisenhaltigem Sand. Dabei befindet sich das Eisenoxid vorwiegend als dünne Schicht auf dem Quarzkorn und kann gegebenenfalls durch Aufbereitung in Säure mit nachfolgender Flotation entfernt werden (z.B. zur Aufbereitung von Glassanden).
  • Nach dem Guss wird im Kernsand das Mineral Fayalit, ein Inselsilikat der Olivingruppe, gefunden. Fayalit ist ein schmelzpunkterniedrigendes Eisensilikat der Zusammensetzung 2 FeO • SiO2.
  • Der Quarzsand reagiert bei höheren Temperaturen, also zum Beispiel den Gießtemperaturen bei Eisen- und Stahlguss, mit Metalloxiden (z.B. FeO) unter Bildung niedrigschmelzender Orthosilikate nach folgendem Reaktionsschema:
  • Zunächst wird das Hämatit oder Magnetit durch Kohlenmonoxid, das sich z.B. aus der Zersetzung des Bindemittels oder des Glanzkohlenstoffes unter Luftabschluss bildet, zu Wüstit oder 2-wertigem FeO reduziert (vgl. hier den Hochofenprozess). Dieses FeO kann mit SiO2 bei Temperaturen von geschmolzenem Eisen oder Stahl zu Fayalit reagieren. Die dabei entstehende Schmelzphase erleichtert die Umlagerung von Sandkörnern und führt daher zu einem geringeren Spannungsaufbau, damit zu größeren Risskonzentratoren und letztlich zu weniger Rissen in der Kernform und damit weniger Blattrippen. Fayalit hat aber auch den Nachteil, dass es den Kontaktwinkel zwischen flüssigem Eisen und dem Quarzsand reduziert und somit flüssiges Eisen zumindest in die obersten Schichten der Kernform eindringen kann, was als Vererzung bekannt ist. Diese ist nachteilig für die Qualität der Gussoberfläche.
  • Eisenanteile können folglich sowohl aufgrund natürlicher Ursachen als auch durch das Recycling von Formsanden in den Formsand gelangen. Unabhängig von der Entstehung weisen eisenhaltige Sande insbesondere eine im Oberflächenbereich des jeweiligen Sandkorns angeordnete Eisenoxidschicht auf.
  • Ein weiterer Nachteil ist die hohe Temperatur, bei der es erst zur Bildung einer Schmelze aus Fayalit kommt. Diese liegt oberhalb 1400°C und damit weit oberhalb des Quarzsprungs. Man kann die Bildung dieser Schmelze aus Sicht der Glaschemie so erklären, dass Eisen für den Quarz ein Flussmittel ist. Eine ähnliche Wirkung hat z.B. Borsäure in Borosilikatgläsern. Erstaunlicherweise ist Eisenoxid als Flussmittel in Silikatschmelzen sogar effektiver als Borsäure. Da Eisenoxid mit Silikatschmelzen sehr gut reagiert und sich fest im Glasnetzwerk einbaut, kann man daran erkennen, dass fast alle Wirtschaftsgläser einen leichten Grünstich durch Fe2+-Ionen im Glas aufweisen. Durch diese Schmelze, die nachfolgend zu Fayalit kristallisiert, können Spannungen aus dem Volumenzuwachs des Quarzsprungs erst später abgebaut werden und nicht schon in dem Temperaturbereich, in dem der Quarzsprung erfolgt.
  • Aus diesem Grund werden in der Patentliteratur auch Additive in Korn oder Pulverform erwähnt, die an den Kontaktstellen zwischen Sandkorn und Additiv bei niedrigeren Temperaturen schmelzen, erweichen oder im Kontakt mit dem Quarzsand eine Schmelze bilden, welche die Umlagerung von Sandpartikeln nach dem Quarzsprung erleichtert und damit die lokalen Spannungen, die zur Rissbildung im Formkörper führen, reduzieren.
  • Bekannt sind z.B. Eisenglimmer, Kryolith, Spodumen (bilden als Flussmittel schon bei niedrigen Temperaturen Schmelzen mit Quarzsand), Borosilikatglasgranulat, expandierter Perlit, getemperter Perlit (schmelzen oder erweichen im Bereich der Quarzsprungtemperatur).
  • Bekannt sind außerdem organisch beschichtete Kernsande. Man nennt dieses Verfahren Croning-Verfahren. Dabei wird der Sand mit einer (sehr dicken) Schicht organischen Materials beschichtet. Hintergrund dieser Idee ist der Verzicht auf Bindemittel. Der Kernsand wird in Form gebracht und erwärmt. Dabei sintern die dicken Schichten aus organischem Material unter Bildung von Bindemittelbrücken zwischen den Körnern und geben der Form die benötigte Festigkeit. Es wird der gesamte Formsand beschichtet. Beim Guss verbrennt dann die organische Komponente. Bei derartigen Systemen ist weder eine Schmelzpunkterniedrigung zu erwarten noch bekannt.
  • All diese Lösungen haben allerdings die Nachteile aller anderen Additive zur Vermeidung von Blattrippen. Und zwar tritt die Wirkung nur punktförmig an den Kontaktstellen zwischen Sand und Additiv auf. Ferner ist von einem höheren Bindemittelverbrauch bzw. einer geringeren Grünfestigkeit auszugehen. Außerdem sind die Additive schwierig zu dosieren bzw. es besteht die Gefahr des Verschmelzens von Sand mit dem Additiv, wodurch das Additiv in den Sandkreislauf geht.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die diese Nachteile nicht aufweist.
  • Überraschend hat sich herausgestellt, dass eine praktikable Lösung darin besteht, den Formsand, oder einen gewissen Anteil und/oder Kornband des Formsandes generell so zu beschichten, dass diese Schicht bei Temperaturen um den Quarzsprung erweicht oder schmilzt und somit die Umlagerung der Sandkörner erleichtert.
  • Ein Formsand im Sinn dieser Erfindung enthält bevorzugt einen Anteil Quarzsand. Dieser Quarzsandanteil liegt bevorzugt > 2 Gew.-%, bevorzugt > 50 Gew.-% und besonders bevorzugt > 70 Gew.-%.
  • Unter Kornband sind Körner bestimmter Korngrößen (bzw. eines Korngrößenbereichs) zu verstehen. Der Begriff Korngröße beschreibt die Größe einzelner Partikel (auch Körner genannt), also zum Beispiel Sandpartikel oder Quarzsandkörner. Bei Partikeln, die in unterschiedlichsten Formen vorliegen, wird statt des Durchmessers wie bei sphärischen Partikeln stattdessen ein Äquivalentdurchmesser verwendet. Das bedeutet, dass eine andere messbare Eigenschaft bestimmt wird und die Messwerte auf gleich große (äquivalente) Kugeln bezogen werden.
  • Aus der Glaschemie ist bekannt, dass 3 - 5-wertige Elemente als Netzwerkbildner fungieren, wohingegen 1 und 2 wertige Elemente als Netzwerkwandler fungieren, die den Schmelzpunkt erniedrigen:
  • So liegt der Schmelzpunkt von reinem Quarz bei 1710°C (sehr hoch-viskose Schmelze), handelsübliches Kalknatronglas mit der Zusammensetzung 75 % SiO2, 15 % Na2O, 10 % CaO wird zwischen 780 und 1000°C verarbeitet und bei bis zu 1400°C geschmolzen (Läuterbereich, sehr dünnflüssige Schmelze). Ein exakter Schmelzpunkt kann bei Gläsern nicht angegeben werden, sondern nur ein Schmelzbereich, da das Glas eine unterkühlte Flüssigkeit ist und die Viskosität sich in Abhängigkeit von der Temperatur um mehrere Zehnerpotenzen verringert.
  • Grundsätzlich kann man aber Verarbeitungsbereiche gewissen Viskositäten und Temperaturen zuordnen. Bei der sogenannten Transformationstemperatur oder Glasübergangstemperatur Tg des Glases ist das Glas bereits eine hochviskose Flüssigkeit, die keine Scherspannungen mehr abtragen kann und verformbar ist, was zum Beispiel beim Biegen von Glas für Fahrzeugscheiben ausgenutzt wird. Bei Kalk-Natron-Glas liegt der Wert für die Tg bei ca. 600°C und damit also schon im Bereich des Quarzsprungs.
  • Die am niedrigsten schmelzenden Gläser werden als Alkali-Metasilikatgläser bezeichnet, wobei die Alkalien technisch Lithium (Li), Natrium (Na), und Kalium (K) sind. Die Viskositätserniedrigung bei Temperaturerhöhung nimmt von Li über Na zu K hin ab. Die Schmelztemperaturen steigen von Li über Na zu K. Ein Richtwert für den Schmelzbereich von Natriummetasilikat ist 1080 °C. Somit liegt auch die Transformationstemperatur dieser Gläser deutlich unter den 600°C des Kalknatronglases. Somit ist bereits beim Erreichen der Quarzsprungtemperatur eine Glasschicht auf dem Sandkorn, welche die Umpositionierung von Körnern gegeneinander begünstigt.
  • Alkali-Metasilikatgläser werden oft als sogenannte "Wassergläser" bezeichnet und vertrieben und vorrangig als Bindemittel verwendet. Wassergläser kommen dabei als wässrige Lösungen von 30 - 70 % Feststoffanteil in den Markt. Das exakte Verhältnis von Alkalien zu SiO2 (Modul) variiert je nach Einsatzbereich, ebenso wie die Dotierung mit anderen Komponenten.
  • Eine Alternative zu den Wassergläsern sind Phosphatgläser, Boratgläser und für bestimmte Einsatzgebiete auch Chalkogenidgläser. Auch diese können teilweise als wässrige Lösungen bezogen werden und werden ebenfalls als Bindemittel eingesetzt. Da die Bindung zwischen Phosphor und Sauerstoff schwächer ist als bei Silikaten, haben Gläser, die mit Phosphor als Netzwerkbildner aufgebaut sind, auch ohne Alkalien bereits einen niedrigen Schmelzpunkt und Transformationspunkt und durch die Abwesenheit von Alkalien einen niedrigeren pH-Wert als Bindemittel auf Wasserglasbasis.
  • Auch die Mischung aus beiden Bindersystemen ist bekannt. Besonders geeignet sind demnach Alkaliwassergläser, Phosphatgläser oder Mischungen daraus oder Mischungen aus schmelzpunktreduzierenden Materialien, die mit diesen Bindemitteln auf dem Korn gebunden sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird also gelöst durch eine Gießform und/oder einen Gießformkern aus Formsand für Metallguss, wobei eine erste Schicht auf der Oberfläche von Formsandkörnern des Formsandes angeordnet ist, wobei die erste Schicht ausgehärtet ist und aus Alkali-Wasserglas und/oder Phosphatglas und/oder Boratglas und optional einem oder mehreren zusätzlichen Additiven besteht. Wie sich aus dem obigen Hinweis auf die Eignung des Formsandes zur Verwendung als Formsand für eine Gießform und/oder einen Gießformkern ergibt, kann ein derartiger Formsand als Formsand für die Hülle einer Gießereiform oder auch als sogenannter "Kernsand" (also für einen Gießformkern) genutzt werden. Im Folgenden soll daher bei der Verwendung des Begriffes Formsand immer auch "Kernsand" von dieser Formulierung eingeschlossen sein. Insbesondere bietet sich die Verwendung eines solchen beschichteten Formsandes für Gießformkerne an, jedoch kann es auch vorteilhaft sein (z.B. geometrisch aufwändigere) Hüllen einer Gießereiform (zumindest teilweise) aus einem solchen beschichteten Formsand herzustellen. Insbesondere das Recycling des Kernsandes und die anschließende Verwendung als Formsand für Hüllen einer Gießereiform bietet sich an, wodurch ebenfalls beschichteter Kernsand in den Formsand für Hüllen einer Gießereiform gelangt.
  • Eine "ausgehärtete" Schicht ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verfahrensschritt durchlaufen hat, der insbesondere zur Veränderung ihrer chemischphysikalischen Eigenschaften unterstützt durch Hitze und/oder Katalysatoren, mit oder ohne Druck, dient, und sich demzufolge ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften nicht mehr ändern. Geeignete Verfahrensschritte zum Ausbilden einer ausgehärteten Schicht werden weiter unten beschrieben.
  • Wasserglasbasierende Binder sind bei der Herstellung von Kernformen bekannt. Dabei wird der Formsand mit Wasserglas vermischt und das flüssige Wasserglas entweder durch Temperaturerhöhung oder Begasen mit Kohlendioxid zur Polymerisation gebracht. Dadurch entstehen Bindemittelbrücken aus festem Alkali-Metasilikat zwischen allen Sandkörnern des Formsandes. Diese Art der Bindung wird aber nur in sehr geringem Maße verwendet, da die Aushärtung des Wasserglases entweder sehr lange dauert, oder aber mit hohem Energieaufwand verbunden ist. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass der Kernzerfall nach dem Guss schlecht ist. Die Bindemittelbrücken aus Wasserglas bleiben nach dem Guss erhalten und zersetzen sich nicht wie die organischen Bindemittel (Coldbox-Furanharz, Croning-Sand) sondern können sich bei den Temperaturen des Gusses sogar noch verfestigen. Das Entformen des Kernsandes nach dem Guss ist mit hohem Aufwand verbunden. Grade diese Verfestigung der Kornbindung beim Guss ist der Grund, warum derartigen Bindemittesystemen ein positiver Einfluss auf die Blattrippenbildung zugeschrieben wird.
  • Bevorzugt wird ein Sand mit 5 Gew-% oder weniger Wasserglas, bevorzugt unter 2 Gew.-% Wasserglas, besonders bevorzugt unter 1,5 Gew.-% Wasserglas, weiter bevorzugt unter 1 Gew.-% Wasserglas beschichtet. Diese Anteile beziehen sich auf den nassen Sand vor einem Aushärteprozess, also auf eine zum Beschichten verwendete wässrige Lösung des Wasserglases. Höhere Anteile an Wasserglas führen dazu, dass der Sand im nassen Zustand zu klumpen anfängt. Soweit nicht anders angegeben beziehen sich alle Prozentangaben (auch zuvor genannte) auf Gewichtsprozent (Gew.-%). Im Zusammenhang mit wässrigen Lösungen wie sie z.B. für Wasserglas verbreitet sind, ergibt sich die Problematik, dass diese üblicherweise als 30 - 70 %-ige Lösungen angeboten werden. Nach dem Brennen bzw. Trocknen reduziert sich das Gewicht des auf dem Sand gebundenen Alkalisilikats dementsprechend. Die oben genannten Mengenangaben beziehen sich auf den Anteil der aufgebrachten Menge der Wasserglaslösung.
  • Wie oben beschrieben sind Phosphatgläser oder Boratgläser mögliche Alternativen zu Wassergläsern (Alkali-Metasilikatgläsern). Bevorzugt kann daher ein Anteil des Wasserglases durch einen entsprechenden Anteil eines Phosphatglases oder eines anderen alternativen Glases mit ähnlichen Eigenschaften (z.B. eines Boratglases) oder auch Mischungen daraus ersetzt werden. Chalkogenidgläser können als Additive eingesetzt werden. Bevorzugt kann der oben genannte Wasserglasanteil daher auch vollständig oder teilweise durch derartige Alternativen ersetzt werden. Dementsprechend sind auch Mischungen aus Wasserglas (oder Wassergläsern mit verschiedenen Alkalimetallen) mit einer oder mehreren der oben genannten Alternativen möglich.
  • Eine wässrige (Wasserglas-) Lösung ist natürlich hervorragend dazu geeignet, dünne Schichten auf körnigem Material zu erzeugen, also zum Beispiel dünne (Wasserglas-) Schichten auf Formsandkörnern. Dies kann durch mechanisches Mischen der wässrigen Lösung mit dem körnigen Material erfolgen oder durch Besprühen z.B. in einer Wirbelschicht.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die erste Schicht eine mittlere Schichtdicke von 0,01 - 50 µm, bevorzugt 0,1 - 20 µm, weiter bevorzugt 0,5 - 10 µm, besonders bevorzugt 1 - 5 µm aufweist.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Wasserglas mindestens eines aus Natronwasserglas, Kaliumwasserglas oder Lithiumwasserglas ist.
  • Außerdem ist, wie oben erwähnt, eine Ausführungsform bevorzugt, in der ein zusätzliches Additiv in der Beschichtung vorliegt. Dabei ist bevorzugt, dass das mindestens eine Additiv ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Alkalien, bevorzugt Alkalisalze, Alkalioxide, Alkalihydroxide, besonders bevorzugt Soda und/oder kaustisches Soda, Erdalkalien, bevorzugt Erdalkalisalze, Erdalkalioxide, Erdalkalihydroxide, Fluoride, bevorzugt Kryolith, Borate, Chalkogenidglas, Eisenoxid, Spodumen, eisenhaltige Silikate, viskositätserniedrigende Feststoffe und Kombinationen davon umfasst.
  • Das Beschichtungsmaterial wird bevorzugt bei Temperaturen von 0 - 1400 °C, bevorzugt 0-1000°C, besonders bevorzugt 0 - 300°C auf den Trägerpartikeln fixiert. Das Fixieren kann dabei (bei geringeren Temperaturen) durch Entfernen des Lösungsmittels, Polymerisation oder (bei höheren Temperaturen) durch Einbrennen in die Oberfläche der Trägerpartikeln erfolgen. Alternativ zu dem oben als besonders bevorzugt angegebenen Temperaturbereich von 0 - 300°C ist daher ein weiterer Temperaturbereich besonders bevorzugt, nämlich ein Temperaturbereich von 500 - 700 °C, besonders bevorzugt bei etwa 600°C, da dieser Temperaturbereich je nach Trägermaterial oberhalb der Temperatur des Quarzsprungs liegt. Wie oben erwähnt, erfolgt je nach Temperaturbereich eine unterschiedliche Fixierung des Beschichtungsmaterials. Im letzteren bevorzugten Bereich von 500 - 700°C erfolgt eine Kondensationsreaktion und es bildet sich unter Abspaltung von Wasser eine mechanisch belastbare Glasschicht auf dem Substrat.
  • Bei diesen und noch höheren Temperaturen liegt eine sehr starke Haftung der Beschichtung auf dem Formsand (z.B. Quarzkorn) vor, da die Grenzfläche Formsand (z.B. Quarzkorn)/Wasserglas (z.B. beim Brennen) bereits ebenfalls durch die Alkalien angeschmolzen wird und eine feste Verbindung von Schicht und Formsandkorn (z.B. Quarzkorn) entsteht.
  • Die Schicht weist bevorzugt schmelzpunkterniedrigende Eigenschaften auf.
  • Weiter bevorzugt kann die Beschichtung zusätzlich zu dem Bindemittel (z.B. Wasserglas) auch ein Additiv enthalten. Bei einem Additiv im Beschichtungsmaterial handelt es sich bevorzugt um ein Additiv, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Pigmente, Alkalielemente, Alkalisalze (enthaltend Alkaliionen), Alkaliverbindungen und Fluorid enthält. Insbesondere sind Zusätze von Alkalielementen, -salzen und/oder -Verbindungen zur Schmelzpunkterniedrigung des Trägerpartikelmaterials (der Formsandkörner) geeignet. Durch derartige Zusätze (z.B. Soda, kaustischem Soda (und/oder deren Li- und/oder K-Äquivalente), anderen Alkali-oder Erdalkalisalzen und/oder -Oxiden) ist es möglich, dass bei höheren Temperaturen, wenn die Oberfläche der Trägerpartikel eine erhöhte Viskosität aufweist, diese in die Trägerpartikeloberfläche hineindiffundieren und so Schichten eines vergleichsweise viskosen Materials bilden, das das Ab- bzw. Entlanggleiten sich kontaktierender Körner aneinander begünstigt. So kann durch eine solche Beschichtung erreicht werden, dass die Wasserglasschicht nicht oder nicht vollständig auf die Trägerpartikel aufgebracht werden muss, sondern die Oberfläche der (oder einiger) Trägerpartikel selbst in ein Glas umgewandelt bzw. in einen glasartigen Zustand überführt wird. Diese Umwandlung kann beim Gießen oder durch vorherige (Temperatur-) Behandlung erfolgen.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass auf allen, einer Auswahl (z.B. einem Kornband) oder einem Anteil der Formsandpartikel eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht werden können, bzw. diese Formsandpartikel eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufweisen. Eine derartige zusätzliche Schicht könnte beispielsweise der Hydrophobierung der Formsandpartikel dienen.
  • Bevorzugt weist lediglich ein Teil des Formsandes mindestens eine wie oben beschriebene Beschichtung auf. Besonders bevorzugt ist lediglich ein ausgewähltes Kornband (also eine Auswahl von Partikeln ausgewählter Partikelgrößen bzw. Äquivalenzgrößen oder Äquivalenzdurchmessern) oberflächenbeschichtet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem beschichteten Kornband um eines der Kornbänder mit großen Partikelgrößen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Partikel eines oberen (also größeren) Konbandes oberflächenbeschichtet, das die bevorzugt größten 50 %, bevorzugt größten 30 %, weiter bevorzugt die größten 15 % und besonders bevorzugt die größten 5 % der Partikel umfasst. Es sind jedoch auch Formsande möglich, bei denen die größte Partikelfraktion nicht oberflächenbeschichtet ist, sondern beispielsweise die Partikel eines Kornbandes oberflächenbeschichtet sind, das den Größenbereich von den größten 50 % - zu den größten 1 % der Partikel umfasst. Ein anderer bevorzugter Größenbereich beschichteter Partikel ist derjenige, der den Größenbereich von den größten 20 % - zu den größten 2 % der Partikel umfasst.
  • Die Beschichtung des Sandes wirkt bevorzugt selber nicht als Bindemittel. Insbesondere werden bevorzugt keine Bindungen zwischen Sandkörnern durch die Beschichtung hervorgerufen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen System oder auch der erfindungsgemäßen Gießform und/ oder Gießformkern ist bevorzugt weiterhin die Beibehaltung bekannter organischer Bindemittelsysteme, z.B. dem Cold-Box-Verfahren mit den Vorteilen einer schnellen Aushärtung der Kernform und dem Zerfall der Bindung beim Guss durch thermische Zersetzung des Bindemittels vorgesehen bzw. möglich. Bevorzugt ist daher die Verwendung der erfindungsgemäßen Systeme mit bekannten organischen und anorganischen Bindemitteln oder in tonerdegebundenen (z.B. bentonitgebundenen) Stampfmassen.
  • Aus dem Stand der Technik ist kein Kernsand bekannt, der derartig mit einer schmelzpunkterniedrigenden Schicht beschichtet ist. Insbesondere sind keine Systeme bekannt, die eine Schmelzpunkterniedrigung (bzw. Erweichung, wofür die Tg der Beschichtung entscheiden ist), bevorzugt oberhalb von 300° aber unterhalb 1400°C aufweisen. Besonders bevorzugt ist eine Beschichtung des Sandes mit einem Material, das selber in diesem Temperaturbereich erweicht, oder aber im Kontakt mit dem Kernsand eine Schicht bildet, die ab bzw. oberhalb von 300°C erweicht. Geeignete Beschichtungen sind z.B. Beschichtungen von Sand mit Soda, Kaustischem Soda oder anderem Alkaliträger oder das Brennen von Sand mit derartigen Beschichtungen zu Erzeugung einer Glasschicht auf dem Korn. Besonders bevorzugt sind Beschichtungen aus anorganischen Glasmischungen mit einem Tg kleiner oder gleich 1400°C, besonders bevorzugt kleiner oder gleich der Quarzsprungtemperatur.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht demnach vor, dass die Glasübergangstemperatur der ersten Schicht maximal 1400°C beträgt und besonders bevorzugt unterhalb der Quarzsprungtemperatur von 573°C liegt.
  • Bei der Beschichtung von Formsand wird je nach Korngröße, Kornoberfläche und Einsatzbereich zwischen 0,1 - 5% Wasserglas-Lösung bezogen auf das Gewicht des Sandes eingesetzt. Bevorzugt weist ein Kernsand 2 - 20% (Gew.-%) beschichteten Sand im Kernsand auf. Bevorzugt beträgt der Anteil an ausgehärtetem Wasserglas ca. 0,045 - 5 % (Gew.-%), bevorzugt weniger als 2 %, besonders bevorzugt weniger als 1%, besonders bevorzugt weniger als 0,5% bezogen auf die Gesamtmasse des Formsandes.
  • Die Gesamtmasse des Formsandes beschreibt hier die Masse aller Formsandkörner, die Teil der Gießform und/ oder des Gießformkerns sind.
  • Es ist also gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft, wenn die erste Schicht aus Wasserglas besteht und eine in der ersten Schicht gebundene Gesamtmasse (mwb) des Wasserglases (7) maximal 0,045 - 5 Gew.-%, bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-% der Gesamtmasse (mQ) des Formsandes (4) beträgt.
  • Beschichtet werden können alle kornförmigen Materialien und Materialmischungen die sich für das Gießen von Metallen eignen, besonders bevorzugt ist jedoch Quarzsand.
  • Die Korngrößen des Gießereisandes liegen je nach Anwendung und Hersteller zwischen 50 µm - 2000 µm Durchmesser, bevorzugt zwischen 100 und 500 µm Durchmesser.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht demnach vor, dass die Korngröße des Formsandes zwischen 50 µm und 2000 µm, bevorzugt zwischen 63 und 500 µm liegt.
  • Beschichtet werden kann das gesamte Kornspektrum des Gießereisandes (also 100%). Bevorzugt wird 1 - 25% (Gewichts-%) besonders bevorzugt 2 - 20 %, weiter bevorzugt 5-15 % des gesamten Gewichts des Formsandes beschichtet. Dieser Anteil wird bevorzugt aus dem gröberen Anteil des Formsandes entnommen und beschichtet. Bevorzugt wird erst anschließend das gröbere beschichtete Kornspektrum mit dem restlichen (unbeschichteten) Sand gemischt.
  • Demnach ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft, wenn sich der Formsand aus einem ersten beschichteten und einem zweiten unbeschichteten Anteil zusammensetzt, wobei die Masse des beschichteten Anteils des Formsandes 1 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-% der Gesamtmasse des Formsandes beträgt.
  • Weiterhin ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft, wenn die Korngröße des ersten Anteils des Formsandes größer ist als die Korngröße des zweiten Anteils des Formsandes.
  • Der Sand kann entweder vorgemischt mit einem beschichteten und einem unbeschichteten Anteil als Kernsand verwendet werden, oder aber der beschichtete Sandanteil kann nachträglich als Additiv einem unbeschichteten Sandanteil hinzugefügt werden, so dass sich die gewünschte Korngrößenverteilung (KGV) des Gießereisandes nach dem Beifügen des beschichteten Sandes ergibt.
  • Der Sand kann bevorzugt durch Mischen mit der schmelzpunkterniedrigenden Substanz, durch Tauchen oder Besprühen beschichtet werden. Die Aushärtung kann bevorzugt durch Trocknen, Brennen oder andere Mechanismen der Fixierung (z.B. Begasen bei Wasserglas) erfolgen.
  • Das Beschichtungsmaterial kann auch dazu verwendet werden, weitere Additive auf dem Sandkorn zu binden.
  • Optional ist es möglich, das beschichtete Sandkorn nach dessen Herstellung mit einer weiteren Beschichtung zu hydrophobieren, um damit eine bessere Bindung des Korns mit einem organischen Bindemittel zu erzielen, um beispielsweise eine höhere Grünfestigkeit zu erreichen. Es werden gelegentlich Siloxane dem organischen Bindemittel zugesetzt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht demnach vor, dass auf der Oberfläche der ersten Schicht eine zweite hydrophobe Schicht angeordnet ist.
  • Der beschichtete Sand kann nach dem Guss weiterverwertet und bevorzugt in den normalen Sandkreislauf geführt und entsprechend aufbereitet oder aber separat nach Aufbereitung wiederverwendet werden.
  • Aus dem Stand der Technik ist nicht bekannt, dass aufbereiteter Sand nach dessen Verwendung als Gussform unter Verwendung anorganischer Bindemittel einen positiven Effekt auf die Blattrippenbildung hätte. Dies wird u.a. auf die inhomogen auf der Oberfläche der Sandpartikel verteilten Reste des anorganischen Bindemittels, die Verteilung der Reste über alle Kornfraktionen (Partikelgrößen) oder auf die Tatsache, dass der Sand bereits einmal durch den Quarzsprung gegangen ist, zurückgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Sand daher in einer Modifikation vor, die noch nicht einem Quarzsprung unterzogen wurde.
  • Bevorzugt weist ein Kernsand 10 - 15% (Gew.-%) beschichteten Sand im Kernsand auf. Bevorzugt beträgt der Anteil an ausgehärtetem Wasserglas ca. 0,045 - 5 Gew.-%, bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-% der Gesamtmasse des Formkörpers.
  • Die Aufgabe wird wie oben beschrieben auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer für eine Gießform und/ oder einen Gießformkern nach Anspruch 1 geeigneten Formsandmischung gelöst, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    1. a) Aufbringen einer ersten Schicht aus Wasserglas und/oder Phosphatglas in Form einer wässrigen Lösung auf die Oberfläche eines ersten Anteils der für die Gießform und/oder den Gießformkerns verwendeten Formsandkörner mittels Mischen, Tauchen oder Besprühen, insbesondere in einer Wirbelschichtanlage,
    2. b) Aushärten der ersten Schicht durch Trocknen, Brennen oder Begasen des beschichteten ersten Anteils, sowie
    3. c) Mischen des ersten beschichteten Anteils mit einem unbeschichteten zweiten Anteil der für die Gießform und/oder den Gießformkerns verwendeten Formsandkörner, wobei die Korngröße des ersten Anteils größer ist als die des zweiten Anteils.
  • Bei der Beschichtung von Formsand wird je nach Korngröße, Kornoberfläche und Einsatzbereich zwischen 0,1 - 5% Wasserglas-Lösung bezogen auf das Gewicht des Sandes eingesetzt. Bevorzugt wird der Sand mit 5 Gew-% oder weniger Wasserglas, bevorzugt unter 2 Gew.-% Wasserglas, besonders bevorzugt unter 1,5 Gew.-% Wasserglas, weiter bevorzugt unter 1 Gew.-% Wasserglas beschichtet.
  • Bezogen auf das Gewicht des beschichteten Materials werden bevorzugt zwischen 0,5 - 10 % als Beschichtungsmaterial einer Mischung einer wässrigen Lösung aus Wasserglas und/oder Phosphatglas und/oder Boratglas zugefügt. Besonders bevorzugt werden bezogen auf das Gewicht des beschichteten Materials zwischen 1 - 5 %, weiter bevorzugt 1-2 % des Beschichtungsmaterials aufgebracht. Dadurch wird ausgeschlossen, dass die Beschichtung der Körner mit Wasserglas alleine schon eine feste Bindung des Kernsandes aufbaut, wie dies bei der bekannten Verwendung von Wasserglas als Bindemittel bekannt ist.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht demnach vor, dass die für das Aufbringen der ersten Schicht verwendete Masse der wässrigen Lösung des Wasserglases zwischen 0,15 und 5 Gew.-%, bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 1,5 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 1 Gew.-% der Masse des beschichteten Formsandes beträgt oder die für das Aufbringen der ersten Schicht verwendete Masse der wässrigen Lösung des Wasserglases und des Phosphatglases und/oder Boratglas zwischen 0,15 und 10 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 1 und 2 Gew.-% der Masse des ersten Anteils des Formsandes beträgt.
  • Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung eines für eine Gießform und/oder Gießformkern geeigneten Formsandes, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, bei dem ein zur Schmelzpunkterniedrigung des Materials der Formsandkörner geeignetes Material und/oder ein Alkali-Wasserglas und/oder Phosphatglas und/oder ein zusätzliches Bindemittel auf eine Oberfläche von Formsandkörnern aufgebracht wird und anschließend durch thermische Behandlung die Oberfläche der Formsandkörner oder einer Auswahl der Formsandkörner zumindest teilweise in ein Glas umgewandelt oder in einen glasartigen Zustand überführt wird.
    • Beispiele
  • Für die beschriebenen beispielhaften Versuche wurde ein handelsüblicher Formsand, der auch in einer Hütte als Standardprodukt verwendet wird, bezogen (siehe KGV in Fig. 6).
  • Aus diesem Sand wurde durch Siebung die Kornfraktion > 0,355 mm abgetrennt. Der Sand größer 0,355 mm wurde nachfolgend mit Natriumwasserglas-Lösung (2 Gew-% bezogen auf die Masse des Sandes) in einem Mischaggregat beschichtet und nachfolgend ca. 20 Minuten bei 600°C gebrannt. Eine Charge wurde zusätzlich zur Beschichtung mit Wasserglas auch mit 2 Gew.-% Hämatitpulver, wie es üblicherweise in Kernformen verwendet wird, beschichtet. Auch diese Charge wurde bei 600°C gebrannt.
  • Nachfolgend wurde die KGV des ursprünglichen Formsandes wieder hergestellt, indem jeweils 5, 10 und 15 Gew.-% des beschichteten Sandes bezogen auf die Gesamtmenge dem vorher abgesiebten Sand < 0,355 mm zugefügt wurden und der Rest mit unbeschichtetem Sand > 0,355 mm aufgefüllt wurde.
  • Die grobe Körnung des Formsandes wurde aus vier Gründen gewählt: Zum einen ist das Oberflächen-zu-Masse-Verhältnis dieser KGV deutlich günstiger in Bezug auf den Einsatz des Wasserglases, zum anderen ist davon auszugehen, dass im Formsand die beschichteten größeren Körner immer im Kontakt zu kleineren unbeschichteten Körnern stehen und somit die "Gleitwirkung" der Glasbeschichtung immer zum Tragen kommt, und letztlich um zu vermeiden, dass zu viele beschichtete Körner Kontakt zueinander haben, was zu einem Verbacken des Formsandes führen könnte. Bei einem solchen "Verbacken" des Formsandes würde die Oberflächenbeschichtung als Bindemittel fungieren, was ausdrücklich nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist und dem Erfindungsgedanken entgegensteht. Zudem ist die Volumenveränderung beim Quarzsprung oder Kornsprung bei den größten Körnern ebenfalls am größten. Somit werden sich die kleineren Körner im Kontakt mit dem großen Korn leichter umlagern.
    • Beispiel 2
  • Es wurden jeweils 40 kg der Mischungen aus 5, 10 und 15 Gew.-% des beschichteten Sandes mit reiner Wasserglasbeschichtung und Wasserglas + Hämatitpulver hergestellt. Geprüft wurde die Verdichtung dieser Mischungen im Vergleich zu dem unbehandelten Kernsand mit 1 % organischem Additiv. Als Ergebnis konnte kein Unterschied festgestellt werden. Untersuchungen der Grünfestigkeit ebenfalls im Vergleich zu einem unbehandelten Formsand zeigte ebenfalls keinen Unterschied.
  • Für die Gussversuche wurden drei identische Kernformen in einer Kernschussmaschine hergestellt: Probe 1 bestand aus der Kernsandmischung mit Additiv, wie sie in der Produktion verwendet wird; Probe 2 enthielt 15 Gew.-% des wasserglasbeschichteten Sandes, aber kein Additiv; Probe 3 enthielt 15 Gew.-% des wasserglasbeschichteten Sandes mit Hämatit, aber kein Additiv.
  • Die Proben wurden in der normalen Produktion gegossen: Beim Kernzerfall wurde zwischen den drei Proben kein Unterschied festgestellt. Die bei beiden wasserglasbeschichten Formsandkörpern war identisch. Gegenüber der konventionellen Probe konnte die Blattrippenbildung allerdings um etwa 50 % verringert werden.
  • Die Tatsache, dass es keinen Unterschied bei der Blattrippenbildung bei beiden wasserglasbeschichteten Proben gab, kann man als Beweis für die Annahme sehen, dass die Beimengung von Eisenoxid erst bei sehr viel höheren Temperaturen einen positiven Einfluss hat. Die Ursprünge der Blattrippenbildung, Risse in der Kernsandform, treten bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen auf. In diesem Temperaturbereich um die 600°C ist das Wasserglas bereits wirksam und erleichtert die Umlagerung der Sandkörner, verhindert dabei den Aufbau von Spannungsspitzen in der Kernform und reduziert damit die Riss- und Blattrippenbildung.
  • Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    Blattrippen in einem Gussstück;
    Figur 2
    Neigung zur Blattrippenbildung in Abhängigkeit vom Bindemittel;
    Figur 3
    Vergleich des Ausdehnungsverhaltens verschiedener Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur;
    Figuren 4a und 4b
    schematisch die Wechselwirkung zwischen Additiv und Formsandkorn;
    Figur 5
    Energiebilanz bei der instabilen Rissausbreitung;
    Figur 6
    Korngrößenverteilung des für die Versuche verwendeten Formsandes;
    Figur 7
    schematisch eine Gießform mit Gießformkern;
    Figur 8
    schematisch einen Ausschnitt aus einer Korngrößenverteilung von Formsandkörnern;
    Figur 9
    schematisch ein Formsandkorn mit erster und zweiter Schicht;
    Fig. 10
    exemplarisch ein Formsandkorn, auf dessen Oberfläche eine erste Schicht angeordnet ist.
  • Der am häufigsten auftretende Gussfehler bei Hohlformen mit Sandkernen, die sogenannten Blattrippen, ist beispielhaft in der Fig. 1 dargestellt.
  • Die Neigung zur Blattrippenbildung f in Abhängigkeit von dem Bindemittel ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei steigt die Blattrippenbildung f von Wasserglasbinder c1, Phenolharzbinder-Novolaktyp (Maskenformstoff) c2, Ölbinder c3, Urethanbinder (Ashland Cold-Box) c4, Urethanbinder (Pep-Set) c5, Phenolharzbinder-Resoltyp (Hot-Box) c6 zu Furanharzbinder (Kaltharzverfahren) c7 an.
  • Ein Vergleich des Ausdehnungsverhaltens ε(T) verschiedener Materialien bezüglich der Dehnung ε in Abhängigkeit von der Temperatur T ist in der ebenfalls dem Gießereilexikon entnommenen Fig. 3 dargestellt. Dabei zeigen die Graphen das Ausdehnungsverhalten b1 von Quarzsand, b2 von Feldspat, b3 von Chromitsand, b4 von Andalusit, b5 von Schamotte, b6 von Cerabeads und b7 von Zirkonsand. Deutlich ist, dass Quarzsand unter allen anderen gezeigten Materialien bei allen gezeigten Temperaturen T die höchste Dehnung ε aufweist.
  • Fig. 4a und Fig. 4b zeigen schematisch mögliche Wechselwirkungen zwischen einem Additiv 12 und den Quarzsandkörnern 5, wobei das Additiv 12 eingesetzt wird, die Volumenzunahme des Quarzsandes bzw. der Quarzsandkörner 5 beim Gießen auszugleichen, indem es beim Guss verbrennen soll. Das Additiv 12 kann nur wirken, wenn es sich entweder in den Bindemittelbrücken zwischen den Quarzsandkörnern 5 oder Sandpartikeln befindet (Fig. 4a), oder aber größer ist als das mittlere Porenvolumen der Sandmischung aus Quarzsandkörnern 5 (Fig. 4b).
  • In Fig. 5 ist die Energiebilanz bei der instabilen Rissausbreitung dargestellt, wobei die Energie E über die Risslänge a aufgetragen ist. Die Graphen zeigen die Oberflächenenergie g1, die elastische Verzerrungsenergie g2 und die Gesamtenergie g3.
  • Die Korngrößenverteilung eines handelsüblichen Quarzsandes 4 als Formsand zeigt Fig. 6. Hier ist die Siebgröße y und die Masse my pro Sieb gezeigt. Die der Siebgröße y zugeordneten Zahlen bedeuten jeweils, dass die Siebgröße y über dem angegebenen Zahlenwert liegt. Der Zahlenwert 0 stellt den Siebboden dar. Es ist also beispielsweise in der gezeigten Korngrößenverteilung insgesamt eine Masse der Quarzsandkörner 5 von 7,35g einer Korngröße von größer als 0,090 mm, aber kleiner oder gleich 0,125 mm zuzuordnen.
  • In Figur 7 ist ein Beispiel einer Gießform 1 mit Gießformkern 2 gezeigt, welche im vorliegenden Beispiel die Herstellung eines rechteckförmigen Werkstücks 3 mit abgerundeten Ecken ermöglichen. Es ist zu beachten, dass nur eine Hälfte der Gießform gezeigt ist. Weitere Elemente, die zum Gießen notwendig sind, wie zum Beispiel Anschnitte, Steiger, Speiser und Entlüftungen, sind hier nicht mit dargestellt. Es kann die Gießform 1 und/oder der Gießformkern 2 vollständig oder anteilig aus einem wie oben beschriebenen beschichtetem Formsand 4 bestehen.
  • Figur 8 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Kornpackung K, wie sie zum Beispiel in einem Formsandkern oder Gießformkern 2 aus einem wie oben beschriebenen beschichtetem Formsand 4 vorliegt. Es ist zu beachten, dass diese Anordnung aus Gründen der Übersichtlichkeit zwar zweidimensional dargestellt ist, aber selbstverständlich dreidimensional vorliegt, das heißt, dass sich insbesondere von der Bildebene betrachtet vor und hinter den dargestellten Quarzkörnern 5 nicht dargestellte weitere Quarzkörner 5 befinden.
  • Der Formsand 4, dessen Kornpackung K in diesem Fall dargestellt ist, setzt sich aus den Formsandkörnern 5 zusammen und hat die Gesamtmasse mQ. In diesem Beispiel besteht er aus einem ersten Anteil 9 mit einer Masse mQ1 und einem zweiten Anteil 10 mit einer Masse mQ2.
  • Die in diesem Beispiel dargestellten Formsandkörner 5 können hinsichtlich ihrer Korngrößenverteilung zum Beispiel dem Quarzsand 4, der in Fig. 5 beschrieben wird, entsprechen.
  • Es sind Partikel oder auch Formsandkörner 5 in verschiedenen Korngrößen d1, d2, d3, d4, d5, d6 zu sehen, wobei die Formsandkörner 5 als ideale Kugeln dargestellt sind. Die Korngrößen d1, d2 sind dabei größer als die Korngrößen d3, d4, d5 und d6. Selbstverständlich ist davon auszugehen, dass weitere Korngrößen vorliegen, so dass die gezeigten Korngrößen d1 bis d6 nur einen exemplarischen Ausschnitt der Korngrößenverteilung zeigen.
  • Es ist zu sehen, dass bevorzugt auf der Oberfläche 5a des ersten Anteils 9 der Formsandkörner 5, in diesem Beispiel auf der Oberfläche der Formsandkörner 5 mit größeren Korngrößen d1, d2, eine erste Schicht 6 angeordnet ist, die bevorzugt aus Wasserglas 7 besteht. Sie kann aber auch aus einer Mischung aus Wasserglas 7 und Phosphatglas 15 bestehen. Dahingegen ist der zweite Anteil 10 der Formsandkörner 5 unbeschichtet. In diesem Beispiel wird der zweite Anteil 10 der Formsandkörner 5 durch die Formsandkörner 5 mit kleineren Korngrößen d3, d4, d5, d6 gebildet. Wie zu sehen ist, liegen beide Anteile 9, 10 vermischt vor.
  • Die erste Schicht 6 liegt ausgehärtet vor, wobei sich bezogen auf die Masse aller ersten Schichten 6 auf den Quarzkörnern 5 eine Gesamtmasse mWb ergibt, wenn eine reine Wasserglasbeschichtung vorliegt. Diese Schicht ist hier idealisiert bezüglich der Homogenität der Schichtdicke gezeigt.
  • Deutlich zu sehen ist die für den Gießvorgang idealerweise dichte Kornpackung, d.h. es gibt nahezu keinen Hohlraum 8, der nicht mit Formsandkörnern 5 ausgefüllt ist.
  • Weiterhin wird deutlich, dass jedes unbeschichtete Formsandkorn 5 in Kontakt mit einem beschichteten Formsandkorn 5 steht, so dass von einer optimalen Reibungsverminderung zwischen den Formsandkörnern 5 auszugehen ist. Dies resultiert nicht zuletzt durch die Auswahl der Korngrößen des ersten Anteils 9 und des zweiten Anteils 10.
  • Fig. 9 zeigt exemplarisch ein Formsandkorn 5, auf dessen Oberfläche 5a eine erste Schicht 6 mit einer Schichtdicke 13 angeordnet ist, die wie in Fig. 8 beschrieben, zum Beispiel aus Wasserglas 7 besteht. Die erste Schicht 6 liegt hier ausgehärtet vor. Zusätzlich dazu ist auf der Oberfläche 6a der ersten Schicht 6 eine zweite Schicht 11 mit einer Schichtdicke 14 angeordnet. Diese zweite Schicht 11 kann bevorzugt hydrophob sein.
  • Fig. 10 zeigt exemplarisch ein Formsandkorn 5, auf dessen Oberfläche 5a eine erste Schicht 6b angeordnet ist, die analog zur ersten Schicht 6 wie in Fig. 8 beschrieben, zum Beispiel aus Wasserglas 7 besteht. Im Gegensatz zur ersten Schicht 6 gemäß Fig. 8 und Fig. 9 ist diese erste Schicht 6b jedoch noch nicht ausgehärtet, sondern liegt in Form einer wässrigen Lösung 7b, zum Beispiel aus Wasserglas 7, vor. Neben diesem einen gezeigten Formsandkorn 5 können selbstverständlich mehrere Formsandkörner 5 vorliegen, die mit einer ersten Schicht 6b in Form der wässrigen Lösung 7b vorliegen. Bezogen auf die Masse aller ersten Schichten 6b in Form der wässrigen Lösung 7b auf den Quarzkörnern 5 ergibt sich eine Gesamtmasse mWa bei reinem Wasserglas 7.
  • Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gießform
    2
    Gießformkern
    3
    Werkstück
    4
    Formsand
    5
    Formsandkorn
    5a
    Oberfläche
    6
    erste Schicht, ausgehärtet
    6a
    Oberfläche
    6b
    erste Schicht, nicht ausgehärtet
    6c
    erste Schicht, nicht ausgehärtet, Wasserglas und Phosphatglas
    7
    Wasserglas
    7b
    wässrige Lösung
    8
    Hohlraum
    9
    erster Anteil
    10
    zweiter Anteil
    11
    zweite Schicht
    12
    Additiv
    13
    Schichtdicke
    14
    Schichtdicke
    15
    Phosphatglas
    16
    wässrige Lösung
    a
    Risslänge
    E
    Energie
    ε
    Dehnung
    b1-b7
    Ausdehnungsverhalten, ε(T)
    c1-c7
    Binder
    d1-d6
    Korngröße
    g1
    Oberflächenenergie
    g2
    elastische Verzerrungsenergie
    g3
    Gesamtenergie
    f
    Blattrippenbildung
    K
    Kornpackung
    mWa
    Masse Wasserglas, nicht ausgehärtet
    mWb
    Masse Wasserglas, ausgehärtet
    mQ
    Gesamtmasse Formsand
    mQ1
    Masse erster Anteil
    mQ2
    Masse zweiter Anteil
    my
    Masse pro Sieb
    T
    Temperatur
    Tg
    Glasübergangstemperatur
    y
    Siebgröße

Claims (12)

  1. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) aus Formsand (4) für Metallguss,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine erste Schicht (6) auf der Oberfläche (5a) von Formsandkörnern (5) des Formsandes (4) angeordnet ist, wobei die erste Schicht (6) ausgehärtet ist und aus Alkali-Wasserglas (7) und/oder Phosphatglas (15) und/oder Boratglas und optional einem oder mehreren zusätzlichen Additiven besteht.
  2. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Schicht eine mittlere Schichtdicke von 0,01 - 50 µm, bevorzugt 0,1 - 20 µm, weiter bevorzugt 0,5 -10 µm, besonders bevorzugt 1 - 5 µm aufweist.
  3. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das mindestens eine Additiv ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Alkalien, bevorzugt Alkalisalze, Alkalioxide, Alkalihydroxide, besonders bevorzugt Soda und/oder kaustisches Soda, Erdalkalien, bevorzugt Erdalkalisalze, Erdalkalioxide, Erdalkalihydroxide, Fluoride, bevorzugt Kryolith, Borate, Chalkogenidglas, Eisenoxid, Spodumen, eisenhaltige Silikate, viskositätserniedrigende Feststoffe und Kombinationen davon umfasst.
  4. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Glasübergangstemperatur (Tg) der ersten Schicht (6) maximal 1400°C beträgt und besonders bevorzugt unterhalb der Quarzsprungtemperatur von 573°C liegt.
  5. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Schicht (6) aus Wasserglas (7) besteht und eine in der ersten Schicht (6) gebundene Gesamtmasse (mwb) des Wasserglases (7) maximal 0,045 - 5 Gew.-%, bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-% der Gesamtmasse (mQ) des Formsandes (4) beträgt.
  6. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Korngröße (d1, d2, d3, d4, d5, d6) des Formsandes (4) zwischen 50 µm und 2000 µm, bevorzugt zwischen 63 und 500 µm liegt.
  7. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich der Formsand (4) aus einem ersten beschichteten (9) und einem zweiten unbeschichteten Anteil (10) zusammensetzt, wobei die Masse (mQ1) des ersten Anteils (9) des Formsandes (4) 1 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-% der Gesamtmasse (mQ) des Formsandes (4) beträgt.
  8. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Korngröße (d1, d2) des ersten Anteils (9) des Formsandes (4) größer ist als die Korngröße (d3, d4, d5, d6) des zweiten Anteils (10) des Formsandes (4).
  9. Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf der Oberfläche (6a) der ersten Schicht (6) des Formsandes (4) eine oder mehrere weitere Schichten (11) angeordnet ist/sind, wobei die/eine der weiteren Schicht/Schichten bevorzugt eine hydrophobe Schicht (11) ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines für eine Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) nach Anspruch 1 geeigneten Formsandes (4), gekennzeichnet durch
    a) Aufbringen einer ersten Schicht (6b; 6c) aus Alkali-Wasserglas (7) und/oder Phosphatglas (15) und/oder Boratatglas in Form einer wässrigen Lösung (7b; 16) und optional einem zusätzlichen Additiv auf die Oberfläche (5a) eines ersten Anteils (9) der für die Gießform (1) und/ oder den Gießformkern (2) verwendeten Formsandkörner (5) mittels Mischen, Tauchen oder Besprühen, insbesondere in einer Wirbelschichtanlage,
    b) Aushärten der ersten Schicht (6b; 6c) durch Trocknen, Brennen oder Begasen des beschichteten ersten Anteils (9), sowie
    c) Mischen des ersten beschichteten Anteils (9) mit einem unbeschichteten zweiten Anteil (10) der für die Gießform (1) und/ oder den Gießformkern (2) verwendeten Formsandkörner (5), wobei die Korngröße (d1, d2) des ersten Anteils (9) größer ist als die Korngröße (d3, d4, d5, d6) des zweiten Anteils (10).
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die für das Aufbringen der ersten Schicht (6b) verwendete Masse (mWa) der wässrigen Lösung (7b) des Wasserglases (7) und/oder Phosphatglas (15) und/oder Boratatglas zwischen 0,15 und 10 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 1 und 2 Gew.-% der Masse (mQ1) des ersten Anteils (9) des Formsandes (4) beträgt und dabei bevorzugt die für das Aufbringen der ersten Schicht (6b) verwendete Masse (mWa) der wässrigen Lösung (7b) des Wasserglases (7) zwischen 0,15 und 5 Gew.-%, bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 1,5 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 1 Gew.-% der Masse (mQ1) des ersten Anteils (9) des Formsandes (4) beträgt.
  12. Verfahren zur Herstellung eines für eine Gießform (1) und/ oder Gießformkern (2) geeigneten Formsandes (4), dadurch gekennzeichnet, dass
    ein zur Schmelzpunkterniedrigung des Materials der Formsandkörner (5) geeignetes Material und/oder ein Alkali-Wasserglas (7) und/oder Phosphatglas (15) und/oder ein zusätzliches Bindemittel auf eine Oberfläche (5a) von Formsandkörnern (5) aufgebracht wird und anschließend durch thermische Behandlung die Oberfläche der Formsandkörner (5) oder einer Auswahl der Formsandkörner (5) zumindest teilweise in ein Glas umgewandelt oder in einen glasartigen Zustand überführt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018002206A1 (de) 2016-06-30 2018-01-04 Wobben Properties Gmbh Schlichtezusammensetzung zur herstellung von formüberzügen auf verlorenen formen bzw. auf kernen für den eisen- und stahlguss

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017111515A1 (de) 2017-05-26 2018-11-29 Gebrüder Dorfner GmbH & Co. Kaolin- und Kristallquarzsand-Werke KG Composit-Partikel mit hydrophilen und hydrophoben Oberflächenbeschichtungen
DE102019131676A1 (de) * 2019-11-22 2021-05-27 HÜTTENES-ALBERTUS Chemische Werke Gesellschaft mit beschränkter Haftung Kerne für den Druckguss

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1832357A1 (de) * 2006-03-10 2007-09-12 Minelco GmbH Form oder Formling, Giesserei-Formstoffgemisch und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102007008149A1 (de) * 2007-02-19 2008-08-21 Ashland-Südchemie-Kernfest GmbH Thermische Regenerierung von Gießereisand
EP2163328A1 (de) * 2008-09-05 2010-03-17 Minelco GmbH Mit Wasserglas beschichteter und/oder vermischter Kern- oder Formsand mit einem Wassergehalt im Bereich von >= etwa 0,25 Gew.-% bis etwa 0,9 Gew.-%
EP2937160A1 (de) * 2012-12-19 2015-10-28 Asahi Organic Chemicals Industry Co., Ltd. Beschichteter sand, herstellungsverfahren dafür und herstellungsverfahren für eine form

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1832357A1 (de) * 2006-03-10 2007-09-12 Minelco GmbH Form oder Formling, Giesserei-Formstoffgemisch und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102007008149A1 (de) * 2007-02-19 2008-08-21 Ashland-Südchemie-Kernfest GmbH Thermische Regenerierung von Gießereisand
EP2163328A1 (de) * 2008-09-05 2010-03-17 Minelco GmbH Mit Wasserglas beschichteter und/oder vermischter Kern- oder Formsand mit einem Wassergehalt im Bereich von >= etwa 0,25 Gew.-% bis etwa 0,9 Gew.-%
EP2937160A1 (de) * 2012-12-19 2015-10-28 Asahi Organic Chemicals Industry Co., Ltd. Beschichteter sand, herstellungsverfahren dafür und herstellungsverfahren für eine form

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RABBII AHMAD: "Sodium Silicate Glass as an Inorganic Binder in Foundry Industry", IRANIAN POLYMER JOURNAL, IRAN POLYMER AND PETROCHEMICAL INSTITUTE, IR, vol. 10, no. 4, 1 May 2001 (2001-05-01), pages 229 - 235, XP002613946, ISSN: 1026-1265 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018002206A1 (de) 2016-06-30 2018-01-04 Wobben Properties Gmbh Schlichtezusammensetzung zur herstellung von formüberzügen auf verlorenen formen bzw. auf kernen für den eisen- und stahlguss
DE102016211930A1 (de) * 2016-06-30 2018-01-04 Wobben Properties Gmbh Schlichtezusammensetzung zur Herstellung von Formüberzügen auf verlorenen Formen bzw. auf Kernen für den Eisen- und Stahlguss
US11027328B2 (en) 2016-06-30 2021-06-08 HÜTTENES-ALBERTUS Chemische Werke Gesellschaft mit beschränkter Haftung Refractory coating composition for making facings on temporary molds or on cores for iron and steel casting operations

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