EP1095719B1 - Bindemittelsystem, Kernsandgemisch und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP1095719B1 EP00122845A EP00122845A EP1095719B1 EP 1095719 B1 EP1095719 B1 EP 1095719B1 EP 00122845 A EP00122845 A EP 00122845A EP 00122845 A EP00122845 A EP 00122845A EP 1095719 B1 EP1095719 B1 EP 1095719B1
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    • B22C15/24—Compacting by gas pressure or vacuum involving blowing devices in which the mould material is supplied in the form of loose particles
    • B22C15/245—Blowing tubes

Definitions

  • the invention relates to a waterglass-based binder system consisting of an aqueous alkali metal silicate solution of the general composition: xSiO 2 .yM 2 O .zH 2 O, where for M the alkali ions are Li + , K + or Na + and a hygroscopic base which is in the ratio 1: 4 to 1: 6 is added, wherein the module Na 2 O / SiO 2 is 2.5 to 3.5 at a solids content of 20 to 40% by mass and wherein as hygroscopic base 30% sodium hydroxide solution in an aqueous Solution is used, as well as a core sand mixture and a method for its preparation.
  • binder contained in the binder system is used for Production of core moldings for foundry purposes.
  • binder are part of a molding material, which under certain Prerequisites, such as moistening or swelling and Silicate formation, the bond between the individual Produces sand grains.
  • Prerequisites such as moistening or swelling and Silicate formation, the bond between the individual Produces sand grains.
  • Ceramic binders are also used on chemical binders Water glass base or resin-based used, the react chemically with each other and get involved solidify.
  • the known binders are either insufficient stable or show unwanted side effects or Waste products that endanger the environment. As a favorable compromise have therefore water glass bound Formed materials that are solid via dehydration Form phases and solidify. It is not always easy to control the solidification processes, that they first enter the core-box. Especially By using modern core forming machines, the Danger of early solidification of the molding sand. As a result, the required good flow properties of sand as it flows into the core canister reached.
  • DE-OS 15 08 634 (Diamond Shamrock Corp.) discloses a binder for raw materials for the production of self-hardening casting molds and casting cores.
  • the binder consists of sodium silicate with a molar ratio of Na 2 O to SiO 2 of 1: 1, 5 to 1: 3 and potassium hydroxide, which is added in the form of an aqueous solution.
  • potassium hydroxide which is added in the form of an aqueous solution.
  • hydrogen is released under exothermic reaction, wherein the setting time is shortened by the addition of potassium hydroxide.
  • a heat input from the outside is not provided, with another silicon-containing material, such as ferrosilicon, must be added, but the grain size should be below 0.15 mm.
  • the fast setting is therefore possible only under certain limited conditions and the presence of several components that need to be precisely controlled.
  • 1.0 to 2.0% by mass of sodium hydroxide solution is added to a molding material mixture in order to improve the processability in the wet casting process of waterglass-bentonite or waterglass-clay mixtures.
  • the molding material consists of 2.0 to 5.0% by mass of sodium silicate from 0.5 to 1.0% by mass of starch and 2.0 to 4.0% by mass of clay, the remainder quartz sand.
  • the molding compound is applied to the model, backfilled with filling sand and the finished green form chemically or thermally solidified. These are therefore green sand molds which are not suitable for machine core production.
  • test specimens prepared therefrom are cured by esterification during a drying of 1 hour at 200 ° C and then subjected to a pressure test, giving a maximum strength of 500 to 600 N / m 2 .
  • This maximum value was achieved only with a molding material in which the surface-active component does not exceed a total amount of 0.1%, based on the total amount of the material.
  • From DE 29 09 107 is a method in production of bodies of granular and / or fibrous material with sodium silicate or potassium silicate as a binder known, wherein the mixture of the material surfactant is added.
  • the Surfactant may consist of a surfactant, silicone oil or a silicone emulsion in one Amount of at most 0.1% by mass, on the amount by weight Material calculated.
  • GB 857 132 discloses a composition for Production of foundry cores and molds, which 90% by weight Sand and 10 wt.% Binder contains.
  • the binder is an aqueous dispersion of an alkali metal silicate with a silicon to alkali metal oxide ratio of at least 0.5: 1.
  • the binder contains in one 1 to 15% by weight of an organosilicon additive, which averages between 0.9 to 1.7 monovalent aliphatic hydrocarbon radicals per silicon atom contains.
  • Object of the present invention is a Binder system for machine core production through core shooting / core bubbles that develop slightly dry (dry, powdered State) and thereby improved Has flowability and shortened setting time.
  • the core sliding machine consists of a vertical arranged housing A, to which a horizontal Air inlet B is flanged.
  • the air intake is over a large air inlet valve. 1 controlled, with an increased air pressure in the air reservoir tank 5 is pending.
  • the Air inlet valve 1 When opening the Air inlet valve 1, the air pressure enters the Machine room 10 of the housing A, in which a slotted Sand cylinder 6 is arranged vertically.
  • the sand cylinder 6 is connected to a sand reservoir 3, over a slide 4 can be emptied.
  • the core sand mixture of the invention contains a binder amount of 1.0 to 2.5% based on the total amount of granular solid.
  • the granular solid is silica sand with a degree of granulation of 0.1 to 0.3 mm.
  • the amount of the added sodium hydroxide in the binder system is 0.01 to 0.6 mass% and the silicone oil is contained therein at 0.1 to 0.5 mass%.
  • a compressive strength test is carried out with the binder according to the invention.
  • Compressive strength average of 5 tests 1060 N / cm 2

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Description

Die Erfindung betrifft ein Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis, bestehend aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung der allgemeinen Zusammensetzung: xSiO2 · yM2O · zH2O, wobei für M die Alkalionen Li+, K+ oder Na+ stehen und einer hygroskopischen Base, die im Verhältnis 1 : 4 bis 1 : 6 zugesetzt wird, wobei der Modul Na2O/SiO2 gleich 2,5 bis 3,5 bei einem Feststoffanteil von 20 bis 40 Masse-% beträgt und wobei als hygroskopische Base 30 %ige Natronlauge in einer wässrigen Lösung verwendet wird, sowie ein Kernsandgemisch und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Der im Bindemittelsystem enthaltene Binder dient zur Herstellung von Kernformlingen für Gießereizwecke. Binder sind Bestandteil eines Formstoffes, der unter bestimmten Voraussetzungen, wie Anfeuchtung bzw. Quellung und Silikatbildung, den Verbund zwischen den einzelnen Sandkörnern herstellt. Neben den reinen Quellbindern und keramischen Bindern werden auch chemische Binder auf Wasserglasbasis oder auf Kunstharzbasis verwendet, die chemisch miteinander reagieren und sich dabei verfestigen.
Die bekannten Binder sind entweder nicht ausreichend stabil oder zeigen unerwünschte Nebenwirkungen bzw. Abfallprodukte, die die Umwelt gefährden. Als ein günstiger Kompromiß haben sich daher wasserglasgebundene Formstoffe erwiesen, die über eine Dehydratation feste Phasen bilden und dabei verfestigen. Es ist jedoch nicht immer einfach, die Verfestigungsprozesse so zu steuern, daß sie erst in der Kernbüchse eintreten. Insbesondere durch Verwendung moderner Kernformmaschinen besteht die Gefahr einer frühzeitigen Verfestigung des Formsandes. Dadurch werden die geforderten guten Fließeigenschaften des Sandes beim Einströmen in die Kernbüchse nicht erreicht.
Aus der DE-OS 15 08 634 (Diamond Shamrock Corp.) ist ein Bindemittel für Rohmassen zur Herstellung von selbsthärtenden Gießformen und Gießkernen bekannt. Das Bindemittel besteht aus Natriumsilikat mit einem Molverhältnis Na2O zu SiO2 von 1 : 1, 5 bis 1 : 3 und Kaliumhydroxid, das in Form einer wässrigen Lösung zugegeben wird. Bei der Abbindung wird unter exothermer Reaktion Wasserstoff freigegeben, wobei die Abbindezeit durch die Zugabe von Kaliumhydroxid verkürzt wird. Eine Wärmezufuhr von außen ist nicht vorgesehen, wobei ein weiteres siliziumhaltiges Material, z.B. Ferrosilizium, zugesetzt werden muß, dessen Korngröße jedoch unterhalb von 0,15 mm liegen sollte. Die schnelle Abbindung ist daher nur unter bestimmten, eng limitierten Voraussetzungen und der Anwesenheit mehrerer Komponenten möglich, die genau kontrolliert werden müssen.
Aus der DD 82 809 (DDR-Patent) wird zur Verbesserung der Verarbeitungsfähigkeit beim Naßgußverfahren von Wasserglas-Bentonit bzw. Wasserglas-Tongemischen 1,0 bis 2,0 Masse-% Natronlauge einem Formstoffgemisch zugesetzt. Der Formstoff besteht neben 2,0 bis 5,0 Masse-% Natrumsilikat aus 0,5 bis 1,0 Masse-% Stärke und 2,0 bis 4,0 Masse-% Ton, Rest Quarzsand. Die Formmasse wird dem Modell angelegt, mit Füllsand hinterfüllt und die fertige Grünform chemisch oder thermisch verfestigt. Es handelt sich daher um Grünsandformen, die für eine maschinelle Kernherstellung nicht geeignet sind. Die daraus hergestellten Probekörper werden gehärtet durch Veresterung während einer Trocknung von 1 Stunde bei 200°C und dann einer Druckprobe unterzogen, wobei sich eine maximale Festigkeit von 500 bis 600 N/m2 ergab. Dieser Maximalwert wurde nur mit einem Formstoff erreicht, bei dem die oberflächenaktive Komponente eine Gesamtmenge von 0,1 %, bezogen auf die Gesamtmenge des Materials, nicht überschreitet.
Aus der DE 29 09 107 ist ein Verfahren bei Herstellung von Körpern aus körnigem und/oder faserhaltigem Material mit Natriumsilikat oder Kaliumsilikat als Bindemittel bekannt, wobei der Mischung des Materials ein oberflächenaktiver Stoff zugesetzt wird. Der oberflächenaktive Stoff kann aus einem Tensid, Silikonöl oder einer Silikonemulsion bestehen und zwar in einer Menge von höchstens 0,1 Masse-%, auf die Gewichtsmenge Material berechnet.
Die GB 857 132 offenbart eine Zusammensetzung zur Herstellung von Gießkernen und -formen, welche 90 Gew.% Sand und 10 Gew.% Bindemittel enthält. Das Bindemittel ist eine wässrige Dispersion eines Alkalimetallsilikats mit einem Silizium- zu Alkalimetalloxidverhältnis von mindestens 0,5:1. Ferner enthält das Bindemittel in einem Anteil von 1 bis 15 Gew.% ein Organosiliziumadditiv, welches im Mittel zwischen 0,9 bis 1,7 monovalente aliphatische Kohlenwasserstoffradikale pro Siliziumatom enthält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bindemittelsystem für die maschinelle Kernherstellung durch Kernschießen /Kernblasen zu entwickeln, das sich leicht im Trockenverfahren (im trockenen, pulverisierten Zustand) verarbeiten läßt und dabei eine verbesserte Fließfähigkeit und verkürzte Abbindezeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.
Das neue Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis besteht aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung der allgemeinen Zusammensetzung: xSiO2 · yM2O · zH2O, wobei für M die Alkalionen Li+, K+ oder Na+ stehen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich eine hygroskopische Base enthält. Als hygroskopische Base wird Natronlauge im Verhältnis 1 : 4 bis 1 : 6 eingesetzt. Sofern der Modul Na2O/SiO2 gleich 2,5 bis 3,5 bei einem Feststoffanteil von 20 bis 40 Masse-% beträgt, wird unter allen Betriebszuständen verhindert, daß sich der Formsand frühzeitig verfestigt. Als hygroskopische Base wird 30 %ige Natronlauge in einer wässrigen Lösung verwendet. Zur Steuerung der hygroskopischen Eigenschaften wird ein oberflächenaktiver Stoff zugesetzt. Als oberflächenaktiver Stoff wird dem Bindemittelsystem Silikonöl mit einem Siedepunkt ≥ 250° zugesetzt. Somit kann die Fließfähigkeit des Formsandes in der Kernschießmaschine wesentlich gesteigert werden. Dem Bindemittelsystem wird eine Emulsionslösung mit 8 bis 10 Masse-% Silikonöl bezogen auf die Bindermenge zugesetzt. Ferner sind folgende vorteilhafte Weiterbildungen möglich:
  • a) die Silikon-Emulsionslösung weist anionische, kationische, nicht-ionogene Eigenschaften auf,
  • b) in der Emulsionslösung wird ein Emulgator eingesetzt, der die Viskosität des Basisöls erhöht und gleichzeitig die Grenzflächenspannung des Bindemittelsystems herabsetzt. Der Emulgator weist einen hydrophilen und einen lipophilen Molkekülteil auf, der in die Ölphase hineinragt,
  • c) als Basisöl für die Silikon-Emulsionslösung wird ein Öl eingesetzt, das in dem Bindemittelsystem einen Natriumoleat-Film ausbildet, der in der Grenzfläche des dispersen Systems eine mechanisch stabile Schutzschicht erzeugt.
  • d) die Silikonöl-Emulsionslösung weist folgende Struktur auf:
    • die Si-Atome sind mit jeweils zwei CH3-Gruppen verbunden,
    • die Si-Atome sind untereinander über Sauerstoffatome verbunden und bilden eine Kette, wobei die CH3-Gruppen der jeweils benachbarten Si-Atome um die Sauerstoffatome räumlich verschiebbar angeordnet sind.
    • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Vergleichsbeispieles näher erläutert. Dabei wird eine Kernschießmaschine gemäß Figur 1 verwendet, die den folgenden Aufbau aufweist:
    Die Kernschiebmaschine besteht aus einem vertikal angeordneten Gehäuse A, an das ein horizontaler Lufteintritt B angeflanscht ist. Der Lufteintritt wird über ein großflächiges Lufteintrittsventil 1 gesteuert, wobei ein erhöhter Luftdruck in dem Luftvorratstank 5 ansteht. Beim Öffnen des Lufteintrittsventils 1 gelangt der Luftdruck in den Maschinenraum 10 des Gehäuses A, in dem ein geschlitzter Sandzylinder 6 vertikal angeordnet ist. Der Sandzylinder 6 ist mit einem Sandvorratsbehälter 3 verbunden, der über einen Schieber 4 entleert werden kann.
    Im Fall der Betätigung des Lufteintrittsventils wird Sand aus dem geschlitzten Sandzylinder 6 in den Schießkopf 7 mit Sandaustrittsöffnung befördert und tritt in die Kernbüchse 8 ein, wobei eine Kernsandentlüftung 9a, 9b für die Erzeugung des verdichteten Kernsandes 11 sorgt.
    Zur Beurteilung des Feuchtigkeitsgehalts des Formsandes ist im Luftaustrittsventil 2 eine Feuchtigkeitsmessung integriert. Mit dieser Anordnung wurde festgestellt, daß bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kernsandes wesentlich höhere Feuchtigkeitsgehalte und damit eine bessere Viskosität und ein besseres Fließvermögen des Formsandes erreicht werden konnte.
    Das erfindungsgemäße Kernsandgemisch enthält eine Bindermenge von 1,0 bis 2,5 % bezogen auf die Gesamtmenge an körnigem Feststoff. Vorzugsweise ist der körnige Feststoff Quarzsand mit einem Körnungsgrad von 0,1 bis 0,3 mm. Die Menge der zugesetzten Natronlauge im Bindemittelsystem beträgt 0,01 bis 0,6 Masse-% und das Silikonöl ist darin mit 0,1 bis 0,5 Masse-% enthalten. Im folgenden wird eine Druckfestigkeitsuntersuchung mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel durchgeführt.
    Serie 1, Gattierung:
    2,4 Masse-% Binder, 0,4 Masse-% Emulsion, Rest Quarzsand
    Probengewicht 158 g, Probekörper - Normhöhe 50 mm
    Nach der Entnahme aus der Kernschießmaschine 2 Minuten Mikrowellentrocknung.
    Prüfung nach 30 Minuten bei Raumtemperatur.
    Druckfestigkeit: Mittelwert aus 5 Prüfungen 1060 N/cm2
    Serie 2, Gattierung:
    2,4 Masse-% Binder, 0,4 Masse-% NaOa, 0,2 Masse-% Silikonöl, Rest Quarzsand
    Probengewicht: 157 g, Prüfkörper - Normhöhe 50 mm
    Nach der Entnahme aus der Kernschießmaschine 2 Minuten Mikrowellentrocknung.
    Druckfestigkeitsprüfung nach 30 Minuten bei Raumtemperatur. Festigkeitsmittelwert aus 5 Prüfungen: 1164 N/cm2.
    Aus diesem Vergleichsversuch ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Bindemittelsystem mit einer üblichen Kernschießmaschine zu hochfesten Formkörpern verarbeitet werden kann. Die Prüfkörper weisen eine ca. 10%ige Verbesserung an der Druckfestigkeit auf, wenn der Prüfmischung 0,2 Masse-% Silikonöl zugesetzt wird. Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 10 würde sich die Druckfestigkeit noch weiter steigern lassen.

    Claims (8)

    1. Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis, bestehend aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung der allgemeinen Zusammensetzung: xSiO2 · yM2O · zH2O, wobei für M die Alkalionen Li+, K+ oder Na+ stehen und einer hygroskopischen Base, die im Verhältnis 1 : 4 bis 1 : 6 zugesetzt wird, wobei der Modul Na2O/SiO2 gleich 2,5 bis 3,5 bei einem Feststoffanteil von 20 bis 40 Masse-% beträgt, und wobei als hygroskopische Base 30 %ige Natronlauge in einer wäßrigen Lösung verwendet wird, dadurch ggekennzeichnet, dass die wässrige Alkalisilikatlösung eine Silikon-Emulsionslösung mit 8 bis 10 Masse-% Silikonöl bezogen auf die Bindermenge enthält, wobei das Silikonöl einen Siedepunkt ≥ 250 °C aufweist.
    2. Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silikon-Emulsionslösung anionische, kationische, nicht-ionogene Eigenschaften aufweist.
    3. Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silikonöl-Emulsionslösung folgende Struktur aufweist:
      die Si-Atome sind mit jeweils zwei CH3-Gruppen verbunden,
      die Si-Atome sind untereinander über Sauerstoffatome verbunden und bilden eine Kette,
      wobei die CH3-Gruppen der jeweils benachbarten Si-Atome um die Sauerstoffatome räumlich verschiebbar angeordnet sind.
    4. Kernsandgemisch enthaltend ein Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindermenge 1,0 bis 2,5 Masse-%, bezogen auf die Gesamtmenge an körnigem Feststoff beträgt.
    5. Kernsandbindemittelsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass körniger Feststoff Quarzsand mit einem Körnungsgrad von 0,1 bis 0,3 mm verwendet wird.
    6. Kernsandbindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bindemittelsystem 0,01 bis 0,6 Masse-% Natronlauge enthalten ist.
    7. Kernsandbindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bindemittelsystem 0,1 bis 0,5 Masse-% Silikonöl enthalten ist.
    8. Verfahren zur Herstellung eines Kernsandgemisches enthaltend ein Bindemittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kernschießmaschine, bestehend aus einem vertikal angeordneten Gehäuse mit einem horizontalen Lufteintritt, das Kernsandgemisch über einen Trichter in einen geschlitzten Sandzylinder eingegeben wird, wobei die Verbindung zwischen Trichter und Sandzylinder während des Einschießens verschlossen ist und dass das im geschlitzten Sandzylinder befindliche Kernsandgemisch mit einem Luftdruck von p1 verdichtet und dann bei einem Druck p2 > p1 in die Kernbüchse geschossen wird.
    EP00122845A 1999-10-26 2000-10-20 Bindemittelsystem, Kernsandgemisch und Verfahren zu seiner Herstellung Expired - Lifetime EP1095719B1 (de)

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