EP1341626A2 - Einbettungs- bzw. formmassentrockenmischung für den metallguss, einbettungs- bzw. formmasse hieraus und deren verwendung - Google Patents

Einbettungs- bzw. formmassentrockenmischung für den metallguss, einbettungs- bzw. formmasse hieraus und deren verwendung

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EP1341626A2
EP1341626A2 EP02745215A EP02745215A EP1341626A2 EP 1341626 A2 EP1341626 A2 EP 1341626A2 EP 02745215 A EP02745215 A EP 02745215A EP 02745215 A EP02745215 A EP 02745215A EP 1341626 A2 EP1341626 A2 EP 1341626A2
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EP
European Patent Office
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dry mixture
mixture according
embedding
binder
dry
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02745215A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Darina Mitkova
Günter Schneider
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Dyckerhoff GmbH
Original Assignee
Dyckerhoff GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by Dyckerhoff GmbH filed Critical Dyckerhoff GmbH
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Publication of EP1341626A2 publication Critical patent/EP1341626A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/04—Portland cements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00939—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for the fabrication of moulds or cores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/10—Compositions or ingredients thereof characterised by the absence or the very low content of a specific material
    • C04B2111/1018—Gypsum free or very low gypsum content cement compositions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the invention relates to an embedding or molding compound dry ischung for metal casting according to the preamble of claim 1 and embedding or molding compounds thereof and their use.
  • the lost wax process is used in particular for precision casting.
  • the lost wax process requires a wax model for each cast part to be produced.
  • This wax model is coated with a liquid embedding compound, in particular made of plaster.
  • a solid container is then built around the wax model coated with the plaster and filled with a liquid embedding compound, in particular also plaster.
  • the completely dried casting compound is heated in the oven until the wax melts, evaporates and burns inside.
  • a hollow body has now been created in the container that corresponds to the model.
  • the metal casting can then be carried out.
  • the liquid metal alloy is poured into the cavity in the casting compound.
  • the casting is slowly removed let cool.
  • the sheath is broken out of the hardened embedding compound.
  • various chemicals act on the metal surface, for example to achieve an antique effect.
  • plaster molds are usually produced. Plaster molds contain up to 20 M% crystal water even after the wax has been driven out. Therefore, hot metal must not be poured into these molds at first. The plaster molds must be dried and dewatered before casting.
  • phase changes typical of the plaster take place, which, however, can bring about undesirable structural changes.
  • these cause shrinkage and thus the formation of shrinkage cracks and, after cooling, cooling cracks.
  • the. Porosity and gas permeability increased.
  • certain metals magnesium
  • can also cause chemical reactions in the gypsum which is also undesirable.
  • Another disadvantage when using gypsum is that these gypsum masses are usually produced with a vacuum stirrer in order to degas the gypsum mass before pouring.
  • the object of the invention is to provide an embedding or molding compound dry mixture for embedding or molding compounds for metal casting, which enables a long controllable processing time, high temperature resistance and simple and fast processing.
  • Another object is to provide an embedding or molding compound for metal casting, which enables a long controllable processing time, high temperature resistance and simple and quick processing, as well as castings with a given structure.
  • a binder mixture for embedding or molding compounds for metal casting has a hydraulic binder as the binder component of the constituents of the binder mixture, this binder being, according to the invention, a hydraulic binder free of sulfate carriers and in particular a hydraulic fine binder free of sulfate carriers. Finely or very finely ground Portland cement clinker is used as the sulphate carrier-free hydraulic binder.
  • a binder mixture or an embedding or molding compound can be adjusted very sensitively over a very wide range with regard to the solidification process, the hardening process and the viscosity with the sulfate-carrier-free hydraulic binder used according to the invention. It has also been found that very smooth surfaces can be achieved with the binder mixture or embedding or molding compositions according to the invention using the binder according to the invention, so that the reworking of a casting is minimized.
  • the mass according to the invention can in principle be used in all molding processes, in those with a lost one Shape is worked. Particularly in the lost wax process, when molding with half molds, etc. With a correspondingly stable design of the molding box, even high pressure die casting processes can be implemented due to the high strength of the hardened molding compound. In molding processes in which a molded body is cast in a mold with two mold halves and then removed by moving the two mold halves apart, it is also possible due to the high stability and strength of the hardened molding compound to mold the mold several times in succession, in particular for to use the production of small series.
  • influence can be exerted on the material properties of the molded part by presetting the thermal conductivity of the composition in the molding composition according to the invention, so that the cooling rates of the poured-in metal are adjustable and in particular are significantly higher than in the case of known molding compositions.
  • the binder free of sulfate carrier used according to the invention is, for example, Portland cement clinker powder.
  • Portland cement clinker is the kiln-falling good that leaves the cement rotary kiln. This kiln-falling material is usually ground together with so-called sulfate carriers such as gypsum or anhydrite or mixtures thereof to form Portland cement, then sifted and then optionally packaged.
  • the hydraulic binder that is free from sulfate carriers is a Portland cement clinker that is ground without the addition of sulfate carrier.
  • the sulfate carrier additive has the task of regulating the setting by the formation of the mineral ettringite on the surface of the tricalcium aluminate (C 3 A).
  • combinations of Portland cement clinker powders and / or latent hydraulic substances such as blastfurnace slag powders and / or pozzolanic substances such as trass and microsilica, metakaolinite, untreated or tempered zeolites, and / or inert, finely ground rock powders, such as Limestone powder and / or hydraulic limes and / or calcium silicates and / or calcium aluminates or any combination of these components can be used.
  • the fineness of the clinker flours used or the binder constituents used range from normal cement fineness to the highest fineness.
  • the binder component can also be composed of fractions of different fineness.
  • the individual components of the binder component listed can also have different finenesses.
  • the binder component preferably has the fineness of very fine cements.
  • Ultra-fine cements are very fine-grained hydraulic binders, especially with continuously and narrowly graded grain distributions and a limitation of the largest grain.
  • the properties and the usual use of ultra-fine cements can be found, for example, in a preliminary leaflet for press-in work with ultra-fine binders in loose rock (Bautechnik 70, [1993], number 9, Ernst & Sohn, pages 550 to 560, and ZTV-RISS 93, pulpblatt -Document B 5237, pulpblatt-Verlag).
  • the grain distribution of the dry batch is advantageously adjusted in accordance with a modified Gaudin-Schumann function, which is also known as the 3,r-Funk function (Funk, James G.; 3,r, Dennis R.; Predictive process control of crowded particulate suspensions; Cluver Academic Publishers Group, Distribution Center 3300AH Dordrecht, NL).
  • An exponent n ⁇ 0.2 is set in the 3,r radio function, whereby negative values are also possible. This makes it possible to produce a hardened mass with a maximally dense structure.
  • the binder mixture or the embedding or molding composition has, for example, a binder component free of sulfate carriers and a flow agent free of sulfonate groups as an additive.
  • the flow agent which is free from sulfonate groups, in particular polycarboxylates also has a delaying effect on the early solidification of the sulfate-free binder component within a short period of time, for example 2 to 10 minutes. This is attributed to the fact that the flow agents which are free from sulfonate groups, in particular polycarboxylates, apparently hinder undesired crystal growth in the short term.
  • modified polycarboxylates used are described, for example, in DE 196 53 524 AI. They are mostly homo- or copolymeric carboxyl-containing monomers whose side chains are modified. Substances from the group of polyaspartic acids and / or polyacrylates are also suitable as flow agents free of sulfonate groups.
  • the binder composition can optionally contain accelerators.
  • Suitable accelerators are, for example, alkali carbonates or alkali bicarbonates and calcium nickel alkali silicates, alkali hydroxides, alkaline earth hydroxides, chlorides of polyvalent cations (eg calcium chloride), A compounds as well as calcium formate and other known accelerators and of course mixtures of the accelerators mentioned.
  • the accelerators are used in particular when a lot of polycarboxylate is added due to the need for liquefaction with a low water-binding agent value.
  • the decelerator can be used to set the deceleration, especially if it goes beyond a desired level.
  • the sulfate-free flow agent in particular polycarboxylate, is added in particular in amounts of 0.25 to 2% by mass, based on the binder. For example, delays of 2 to 10 minutes can be achieved with very good liquefaction. Due to the strong liquefaction effect, the amount of water added and thus the porosity of the binder glue or the hardened binder stone can be reduced, which increases the strength.
  • the components of the binder mixture i.e. the binder component, the sulfate-free plasticizer (s) and, if applicable, accelerators and other known additives and / or additives, such as defoamers or additives, can, if they are present in a dry state, be kept pre-mixed as a factory dry mix, which is kept before the Manufacture of the mold only needs to be mixed with water.
  • Stabilizers can also be used in the binder mixture.
  • stabilizers from the group of the microbial polysaccharides are used. These are synthetic
  • Biopolymers of which xanthan and welan in particular are suitable for the purposes according to the invention. Particularly suitable biopolymers are described, for example, in a Velco brochure "Xanthan Gurrt", pages 1 to 24, and in particular on page 1, column "Microbial polysac ⁇ harides”. These are dextran, gellan gum, rhamsan gum, welan gum and xanthan gum.
  • a hydraulic binder composition according to the invention can hereby easily be e.g. regarding the processability, the onset of solidification, the level of early strength, the level of final strength and durability of final strength. adjusted in the factory to meet the specific requirements.
  • the binder composition can alternatively or additionally contain a solidification retarder, optionally a plasticizing solidification retarder.
  • alkali metal gluconates are used in conjunction with alkali metal carbonates and / or alkali metal bicarbonates for sensitive control of the solidification behavior.
  • customary plasticizing solidification retarders containing sulfonate groups are used in particular as additives. These are, for example, lignin sulfonates, sulfon soaps, sulfonic acids, alkylbenzene sulfonates, naphthalene sulfonates and sulfonated melamine formaldehyde condensates. However, these can in particular also be partially replaced by other sulfonate group-free retarders.
  • cellulose ethers methyl, ethyl and / or propyl ether
  • mono- and / or polysaccharides fructtose, glucose
  • acrylic acids and their salts eg citric acid
  • oxycarboxylic acids and their salts eg citric acid
  • phosphoric acids and their salts eg citric acid
  • boric acid and their salts alkylamides, styrene-butadiene.
  • the use of the polycarboxylates together with known sulfonate group-containing retarders, which at the same time also act as a plasticizer, in combination with accelerators known per se has the effect that the agents containing sulfonate groups are only effective with regard to the delay and do not influence the liquefying effect of the polycarboxylates.
  • the sulfonate-containing plasticizers can be added without observing very precise limit values, because it is sufficient to add at least the amount necessary for decelerating a predetermined amount of binder. Larger quantities do not interfere with the delaying process or the liquefying effect of the polycarboxylates.
  • the use of the additive combination mentioned not only enables the above-mentioned properties to be controlled very precisely, but also ensures that unusually high early strengths and permanently higher final strengths can be achieved. • In spite of the presence of retarders containing sulfonate groups and conventional accelerators, a sticky, rubbery consistency which interferes with the use surprisingly no longer develops.
  • Property influences serve, for example, to use grinding aids. Further control of the above-mentioned properties by means of certain grain fractions and / or grain belts can be carried out, for example, with the following clinker meal fractions from selected fine meal:
  • additives can also be saved or the processability, early strength and / or final strength controlled, e.g. be increased.
  • additives can also be saved in other hydraulic binder compositions and the processability, early strength and / or final strength can be controlled with a certain quantity and type of additives.
  • the plasticizer (superplasticizer) can be included in the factory in a factory dry mix in the binder mix.
  • Ligin sulfonates in conjunction with alkali carbonates can also be used for solidification and hardening control.
  • Sodium and potassium carbonate are used as alkali carbonates in any mixing ratio depending on the task.
  • the early strength of the binder paste that is to say the embedding compound
  • the strength development of the prepared binder mixture can thus be adjusted in the factory by a suitable mixture of sodium and potassium carbonate be, the strength development in particular in the range of 2 to 24 h can be controlled by the ratio of alkali metal carbonates.
  • the Na 2 0 equivalent - matched to these parameters - is kept constant and only the ratio of K 2 C0 3 / (K 2 C0 3 + Na 2 C0 3 ) changed within the constant Na 2 0 equivalent.
  • the processing time can be set by additional additives such as lignin sulfonate within a limited time window without sustained loss of strength at early times. In this respect, a wide variability in the beginning of the strength and the level of strength of the paste is created. Another possibility of influencing the strength development and the beginning of the strength development lies in the fineness of the binder component used.
  • these parameters can also be controlled by individually mixing the binder constituent, in this case the clinker meal, from different grain fractions for the application.
  • Quartz sand up to 2 mm grain size
  • fireclay flour sillimanite flour
  • kernel flour kernel flour
  • metakaolinite metallurgical flour
  • the temperature resistance can be increased significantly, particularly with chamotte, sillimanite, kyanite and metakaolinite.
  • the thermal conductivity of the mass is adjustable. It is known that the cooling rate of a metallic workpiece has an influence on its crystalline structure and thus on the material properties. With the invention it is possible due to the controllable, presettable thermal conductivity of the embedding compound To influence material properties in a targeted manner.
  • the thermal conductivity can be adjusted via the grain distribution of the dry batch and the controllable porosity or packing density. This is particularly successful if the already mentioned grain distribution is put together in accordance with a 1973r radio function, the exponent n in the distribution function being set, for example, to n ⁇ 0.2 and in particular being negative, in order to set the highest possible packing density and thus thermal conductivity.
  • the set porosity is ⁇ 10%.
  • the thermal conductivity can also or additionally be influenced by the type of addition of the mass.
  • the aggregates such as quartz or sand or other residue minerals are completely or partially replaced by inorganic solids with a significantly higher specific thermal conductivity.
  • silicon nitride, silicon carbide, nitrides, grenades, sintered corundum and feldspars are used for this.
  • the composition may also contain for increasing the thermal conductivity of metals, 'in particular in the form of cooling in iron rod or bar form, metallic fibers and / or metal granules and / or metal dusts. Correspondingly classified metal waste can also be used for this.
  • a model is preferably first coated with a layer of a composition according to the invention with inorganic additives and then a composition containing metal granules or dust is applied. This prevents a possible reaction of the cast metal with the metal in the mass, if one has to be expected.
  • cooling irons known per se can also be introduced into the compound. These cooling irons are metal objects in the form of bars or bars that are embedded by the mass and because of their high thermal conductivity they can absorb the heat from the casting well. Such cooling irons can also be used for a mass with only inorganic additives.
  • compositions according to the invention which enable a high thermal conductivity, with inorganic additives, thermal conductivities can already be set which are clearly above 0.006 J • s "1 • K " 1 .
  • the mixture can also contain carbon in the form of carbon black and / or graphite.
  • carbon in the form of carbon black and / or graphite As a result, the wettability of the surface of the mold with metal can be influenced and in particular reduced.
  • reaction partners in the mass which react endothermically when the metal is poured in and thereby additionally remove heat from the system. These are e.g. Mixtures of calcium carbonate and metakaolinite or calcium carbonate and microsilica.
  • the compositions according to the invention solidify and harden hydraulically in a concrete-like manner, they are completely water-resistant.
  • the mold can be filled with water both from the outside and through channels.
  • the channels can - especially in the case of larger fittings - also be formed by molding wax or the like and installed accordingly in the molding box.
  • the models of the channels are then also melted out or burned out.
  • appropriate connectors which may be present on the molding box, these channels can then be flowed through with water.
  • the structure of the cast metal can be influenced in a targeted manner. Since large-scale castings are made in metal molds, they have a different one Structure and other material properties than prototypes or small series parts, which were made in plaster or other known forms. By using the compositions according to the invention, small series or prototypes can also be produced in such a way that the material properties of the moldings come very close to those of the large series. This makes it possible for the first time to estimate the suitability of a component cast in a lost mold considerably easier using the prototype, since the prototype almost corresponds to the large-scale part.
  • burnout substances to the binder mixture according to the invention for an embedding or molding compound, which are also burned out after a thermal treatment, in particular after the wax has burned out, and specifically have pores or channels in the hardened mass leave. This is important in order to discharge the hydrogen or other gases dissolved in the metal into the mass via the channels and thus to obtain a blow-free cast body.
  • burn-out substances are polypropylene fibers (3 to 20 mm in length), dolamite fibers, generally plastic fibers which burn out up to approx. 200 °, as well as cellulose fibers and wood chips or wood flour. It has also proven to be advantageous to add animal meal or bone meal, since the fats and tissue fibers contained also produce pores and tubules in an excellent manner when burned out. In addition, the remaining phosphate increases the fire resistance significantly.
  • the setting and hardening in place of the sulfate carrier is regulated very sensitively and over a wide range by the addition of the additives mentioned.
  • binders of this type are described as inorganic systems made of clinker flour with very high specific surfaces, plasticizers and alkali salts. The observed liquefaction The effect of the additives appears to be related to their ability to effectively disperse the clinker particles in an aqueous suspension.
  • binders do not contain a sulfate carrier, lower-water calcium carboaluminates form on the surface of the tricalcium aluminate instead of ettringite (a sulfoaluminate with 32 water molecules) as the earliest hydrate phases.
  • the embedding or molding compound according to the invention based on Portland cement free from sulphate carrier resists the influence of elevated and high temperatures better than the mortar made of conventional Portland cement.
  • Their resistance to high temperatures and temperature shock corresponds to that of a mortar with alumina cement, which is the typical cement for the refractory industry, but the compositions according to the invention have a considerably higher long-term stability. Combinations with microsilica are also possible, which further improve their resistance to high temperatures.
  • the properties of the contact zone between the aggregate and the sulfate-free binder were examined. The contact zone proved to be very compact and ensured a high bond strength of the matrix.
  • the bond between the aggregate and the sulfate-free binder in the embedding or molding compound according to the invention is twice higher than the corresponding bond strength of the aggregate with Portland cement.
  • gypsum-bonded investment materials are preheated before melting, for example depending on the size of the mold with temperature increases of 40 to 60 ° C per hour with different dwell times (2 hours at temperatures up to 300 ° C, 4 hours at temperatures of about 700 ° C) this is not necessary in the case of the embedding or molding compositions according to the invention based on the sulfate-free binders used according to the invention.
  • the pre-tempering is related to the high bound and unbound water content of the gypsum mass, which leads to cracking when heated quickly.
  • the mix The ratio for gypsum-bonded investment materials is 100 parts powder to 38 to 40 parts water.
  • the processing time of the gypsum-bound investment materials is about 10 to 12 minutes.
  • the embedding or molding compounds with a binder that does not contain sulfate carriers are produced with a low water cement value. Because no ettringite forms, these systems are low in water.
  • the embedding or molding compound according to the invention flows quickly and easily into the mold, the products from this compound surprisingly showing a pore-free surface that is considerably smoother than that of a plastering compound used comparatively.
  • the processing time of the compositions according to the invention is, for example, 30 to 40 minutes at 20 °, but it is very sensitive for the respective application and can be controlled over a very wide range from a few minutes to several hours.
  • the mass results in strengths that are many times higher than the strength of known molding compositions.
  • the embedding or molding compound according to the invention can advantageously be used in a large number of molding processes.
  • the composition according to the invention can be used in the lost wax process, in particular in the production of individual castings or small series for prototype construction.
  • the invention can also be used with advantage in all other molding processes with a lost mold. All possible metals can be cast, and magnesium in particular can also be cast. Magnesium cannot be poured into molding compounds for lost molds, especially in plaster. Due to the high strength of the compositions according to the invention after hardening, molds with mold halves which can be moved towards and away from one another can also be produced, in which Small series can be produced because the high strength means that the molds are not already destroyed by a casting. Furthermore, with a suitable design of the molding box, it is also possible to produce castings using moderate pressure.
  • compositions according to the invention are also outstandingly suitable in the refractory sector as binders, refractory mortar and concrete as well as repair and ramming compositions, in particular in the case of alkaline attack.
  • the drying time of the hardened molding compound is a major advantage compared to plaster molds.
  • molding compositions according to the invention result in a shape which has a very high strength, in particular with respect to plaster molds. After hardening, the molding compositions according to the invention are resistant to high temperatures, to thermal shock and have an adjustable thermal conductivity. Ease of disposal is particularly advantageous compared to other molding materials, since the molding material is harmless from an environmental point of view and corresponds to building rubble in this regard.
  • the molding material - even if it contains iron granules to increase the thermal conductivity - can be taken back by the manufacturer and reused in a simple manner in the cement manufacturing process. It has also been found that the molding compositions can be removed from the molding easily and in particular considerably better than gypsum by sandblasting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einbettungs- bzw. Formmassentrockenmischung zur Herstellung von Einbettungs- bzw. Formmassen für Metallgiessverfahren wie das Wachsausschmelzverfahren, aufweisend eine hydraulische Bindemittelkomponente, wobei die Bindemittelkomponente als hydraulisches Bindemittel sulffatträgerfrei vermahlenes Portlandklinkermehl enthält.

Description

Einbettungs- bzw. Forπtmassentrocker-mischung für den Metallguss, Einbettungs- bzw. Formmasse hieraus und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Einbettungs- bzw. Formmassentrocken ischung für den Metallguss nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Einbettungs- bzw. Formmassen hieraus sowie deren Verwendung .
Es ist insbesondere bei einem Feinstausschmelzverfahren im Metallguss bekannt, Gießformen dadurch herzustellen; dass eine Einbettungsmasse, ein Formsand oder Ähnliches in eine Form eingefüllt werden und dabei ein Modell des zu formenden Gegenstands umgeben. Ferner ist es auch bekannt, ein Modell in eine Formmasse oder einen Formsand einzudrücken, dann zu entfernen und den entsprechenden Abdruck mit Metall aufzufüllen und dieses anschließend auszuformen.
Für den Präzisionsguss wird insbesondere das Wachsausschmelzverfahren angewandt . Beim
Wachsausschmelzverfahren wird für jedes zu produzierende Gussteil ein Wachsmodell benötigt. Dieses Wachsmodell wird mit einer flüssigen Einbettungsmasse insbesondere aus Gips überzogen. Anschließend wird um das mit dem Gips überzogene Wachsmodell ein fester Behälter gebaut und mit einer flüssigen Einbettungsmasse, insbesondere ebenfalls Gips, aufgefüllt. Die durchgetrocknete Gießmasse wird im Ofen erhitzt bis das Wachs in ihrem Innern ausschmilzt, verdampft und verbrennt. Im Behälter ist nun ein Hohlkörper entstanden, der dem Modell entspricht .
Anschließend kann der Metallguss durchgeführt werden. Hierfür wird die flüssige Metalllegierung in den Hohlraum in der Gießmasse eingegossen. Anschließend wird das Gussstück langsam aus- kühlen gelassen. Nach dem Erstarren der Metalllegierung wird der Mantel aus der erhärteten Einbettungsmasse zerschlagen. Die Fehler durch Luftblasen in der Einbettungsmasse und andere Unebenheiten werden durch sogenanntes Ziselieren beseitigt . Beim Patinieren wirken verschiedene Chemikalien auf die Metalloberfläche ein, um beispielsweise einen Antikeffekt zu erzielen. Wie bereits ausgeführt, werden üblicherweise Gipsformen hergestellt. Gipsformen enthalten bis zu 20 M-% Kristallwasser auch nach dem Austreiben des Wachses . Es darf deshalb in diese Formen zunächst kein heißes Metall eingegossen werden. Die Gipsformen müssen vor dem Metallguss getrocknet und entwässert werden. Hierbei finden die für den Gips typischen Phasenumwandlungen statt, welche jedoch unerwünschte Gefügeänderungen herbeiführen können. Diese verursachen insbesondere Schwindung und damit die Bildung von Schwindrissen und, nach dem Abkühlen, Kühlrissen. Ferner wird die . Porosität und die Gasdurchlässigkeit erhöht. Darüber hinaus können bestimmte Metalle (Magnesium) auch chemische Reaktionen im Gips verursachen, was zusätzlich unerwünscht ist. Eine weiterer Nachteil bei der Verwendung von Gips ist, dass diese Gipsmassen üblicherweise mit einem Vakuumrührgerät hergestellt werden, um die Gipsmasse vor dem Eingießen zu entgasen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einbettungs- bzw. Formmassentrockenmischung für Einbettungs- bzw. Formmassen für den Metallguss anzugeben, welche eine lange steuerbare Verarbeitungszeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine einfache und schnelle Verarbeitung ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Trockenmischung für Einbettungs- bzw. Formmassen mit den Merkmalen des Anspruch 1.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Einbettungs- bzw. Formmasse für den Metallguss anzugeben, welche eine lange steuerbare Verarbeitungszeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine einfache und schnelle Verarbeitung sowie Gussstücke mit einer vorgegebenen Struktur ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit einer Einbettungs- bzw. Formmasse mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindungen werden in den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß weist eine Bindemittelmischung für Einbettungs- bzw. Formmassen für den Metallguss ein hydraulisches Bindemittel als Binderkomponente der Bestandteile der Bindemittelmischung auf, wobei erfindungsgemäß dieses Bindemittel ein sul- fatträgerfreies hydraulisches Bindemittel und insbesondere ein sulffatträgerfreies hydraulisches Feinstbindemittel ist. Als sulffatträgerfreies hydraulisches Bindemittel wird fein- oder feinstgemahlener Portlandzementklinker verwendet . Während Einbettungs- bzw. Formmassen auf Basis hydraulischer Bindemittel wie Portlandzement Formen ergeben, die nicht temperaturstabil sind und insbesondere den Temperaturschock beim Eingießen des flüssigen Metalls kaum oder nur beschädigt überstehen, wurde überraschend herausgefunden, dass eine Einbettungs- bzw. Formmasse unter Verwendung eines sulfatträgerfreien hydraulischen Bindemittels, insbesondere unter Verwendung eines sulfatträger- frei vermahlenen Portlandzementklinkers eine überragende Temperaturbeständigkeit, eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit. (Thermoschock) und zudem eine sehr gute Langzeitt-emperaturbeständigkeit erreicht . Zudem kann eine Bindemittelmischung bzw. eine Einbettungs- bzw. Formmasse mit dem erfindungsgemäß verwendeten sulfatträgerfreien hydraulischen Bindemittel über einen sehr weiten Bereich sehr feinfühlig bezüglich des Erstarrungsverlaufs, des Erhärtungsverlaufs, sowie der Viskosität eingestellt werden. Ferner hat sich herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen Bindemittelmischung bzw. Einbettungs- bzw. Formmassen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels sich sehr glatte Oberflächen erzielen lassen, so dass die Nachbearbeitung eines Gußssstücks minimiert wird.
Die er indungsgemäße Masse kann grundsätzlich bei allen Formgussverfahren verwendet werden, bei denen mit einer verlorenen Form gearbeitet wird. Insbesondere beim Wachsausschmelzverfahren, beim Formen mit Halbformen etc. Bei entsprechend stabiler Ausgestaltung des Formkastens sind aufgrund der hohen Festigkeit der erhärteten Formmasse sogar Druckgießverfahren mit mäßigem Druck realisierbar. Bei Formgussverfahren, bei denen ein Formkörper in einer Form mit zwei Formhälften gegossen wird und anschließend dadurch entnommen wird, dass die beiden Formhälften auseinander gefahren werden, ist es durch die hohe Stabilität und Festigkeit der erhärteten Formmasse auch möglich, die Form mehrere Male hintereinander insbesondere für die Herstellung von Kleinserien zu verwenden. Ferner kann erfindungsgemäß Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften des Formstücks dadurch genommen werden, dass sich bei der erfindungsgemäßen Formmasse die Wärmeleitfähigkeit der Masse voreinstellen lässt, so dass die Abkühlraten des eingegossenen Metalls einstellbar und insbesondere bedeutend höher als bei bekannten Formmassen sind.
Das erfindungsgemäß verwendete sulfatträgerfreie Bindemittel ist beispielsweise Portlandzementklinkermehl . Portlandzement- klinker ist das ofenfallende Gut, welches den Zementdrehrohrofen verlässt . Üblicherweise wird dieses ofenfallende Gut zusammen mit sogenannten Sulfatträgern wie Gips oder Anhydrit oder Gemengen daraus zu Portlandzement vermählen, anschließend gesichtet und dann gegebenenfalls abgepackt . Das erfindungsgemäß verwendete sulfatträgerfreie hydraulische Bindemittel ist ein ohne Sul-fatträgerzusatz vermahlener Portlandzementklinker. Der Sulfatträgerzusatz hat bei den üblicherweise hergestellten Zementen die Aufgabe, das Erstarren durch die Bildung des Minerals Ettringit an der Oberfläche des Tricalciumaluminats (C3A) zu regeln.
Insbesondere können auch Kombinationen aus Portlandzementklin- kermehlen und/oder latenthydraulischen Stoffen wie Hüttensand- mehlen und/oder puzzolanischen Stoffen, wie Trass sowie Mikrosilika, Metakaolinit, unbehandelte oder getemperte Zeolit- he, und/oder inerte, feingemahlene Gesteinsmehle, wie Kalksteinmehl und/oder hydraulische Kalke und/oder Calciumsilikate und/oder Calciumaluminate oder jede Kombination aus diesen Bestandteilen verwendet werden. Die Feinheit der verwendeten Klinkermehle bzw. der verwendeten Bindemittel- bestandteile reicht von normaler Zementfeinheit bis zu höchsten Feinheiten. Zur Regelung der Frühfestigkeit, des Erstarrungsverlaufs und der Endfestigkeit kann die Bindemittelkomponente auch aus Fraktionen unterschiedlicher Feinheit zusammengesetzt sein. Darüber hinaus können auch die aufgezählten Einzelbestandteile der Bindemittelkomponente je unterschiedliche Feinheiten aufweisen.
Vorzugsweise weist die Bindemittelkomponente die Feinheit von Feinstzementen auf. Feinstzemente sind sehr feinkörnige hydraulische Bindemittel, insbesondere mit stetig und eng abgestuften Kornverteilungen und einer Begrenzung des Größtkorns . Die Eigenschaften und die übliche Verwendung von Feinstzementen ist zum Beispiel in einem vorläufigen Merkblatt für Einpress- arbeiten mit Feinstbindemitteln in Lockergesteinen (Bautechnik 70, [1993], Heft 9, Ernst & Sohn, Seiten 550 bis 560, und ZTV- RISS 93, Verkehrsblatt-Dokument B 5237, Verkehrsblatt-Verlag) dargelegt .
Die Bestandteile der Mischung sind vorzugsweise sehr genau und reproduzierbar aufeinander abgestimmt, wobei vorzugsweise alle wesentlichen Bestandteile eine Kornverteilung d95 < 24 μm, vorzugsweise d95 < 16 μm, und d50 < 7 μm, vorzugsweise d50 ≤ 5 μ , und vorzugsweise ein Verhältnis von d50 zu d95 = 0,33 + 0,04 aufweisen (d95 - Korndurchmesser bei 95 Gew. -% des Siebdurchgangs; d50 - Korndurσhmesser bei 50 Gew. - des Siebdurchgangs) . Insbesondere wenn diese Bedingungen eingehalten werden, ist es möglich, den Einfluß eines Zusatzmittels zu optimieren.
Vorteilhafterweise wird die Kornverteilung des trockenen Gemenges entsprechend einer modifizierten Gaudin-Schumann-Funktion, die auch als Dinger-Funk-Funktion bekannt ist, eingestellt (Funk, James G. ; Dinger, Dennis R. ; Predictive process control of crowded particulate suspensions; Cluver Academic Publishers Group, Distribution Center 3300AH Dordrecht, NL) . In der Dinger-Funk-Funktion wird ein Exponent n<0,2 eingestellt, wobei auch negative Werte möglich sind. Hierdurch gelingt es, eine erhärtete Masse mit maximal dichtem Gefüge zu erzeugen.
ie Funktion lautet :
Dn-Ds n
F (d) =
DL n-Dg n wobei
D = Partikelgrδße
Ds = kleinste Partikelgröße
DL = größte Partikelgröße n = Verteilungsmodul sind.
Erfindungsgemäß weist die Bindemittelmischung bzw. die Einbettungs- bzw. Formmasse beispielsweise eine sulfatträgerfreie Bindemittelkomponente sowie ein sulfonatgruppenfreies Fließmittel als Zusatzmittel auf. Das sulfonatgruppenfreie Fließmittel, insbesondere Polycarboxylate wirken innerhalb einer kurzen Zeitspanne, beispielsweise 2 bis 10 Minuten, auch verzögernd bezüglich der Früherstarrung der sulfatfreien Bindemittelkomponente. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die sulfonatgruppenfreien Fließmittel, insbesondere Polycarboxylate offenbar kurzfristig unerwünschtes Kristallwachstum behindern.
Die verwendeten modifizierten Polycarboxylate sind beispielsweise in der DE 196 53 524 AI beschrieben. Es handelt sich meist um homo- oder copolymere carboxylgruppenhaltige Monomere, deren Seitenketten modifiziert sind. Ferner sind als sulfonatgruppenfreie Fließmittel Stoffe aus der Gruppe der Polyasparaginsäuren und/oder Polyacrylate geeignet .
Zudem kann die Bindemittelzusammensetzung gegebenenfalls Beschleuniger enthalten. Geeignete Beschleuniger sind beispielsweise Alkalicarbonate oder Alkalibicarbonate sowie Calciumni- trat, Alkalisilikate, Alkalihydroxide, Erdalkalihydroxide, Chloride mehrwertiger Kationen (z.B. Calciumchlorid) , A in- verbindungen sowie Calciumformiat und andere bekannte Beschleuniger sowie selbstverständlich Mischungen aus den genannten Beschleunigern.
Die Beschleuniger werden insbesondere eingesetzt, wenn wegen einer nötigen Verflüssigung bei niedrigem Wasserbindemittelwert viel Polycarboxylat zugesetzt wird. Mit den Beschleunigern kann die Verzögerung eingestellt werden, insbesondere, wenn diese über ein gewünschtes Maß hinausgeht .
Das sulfatträgerfreie Fließmittel, insbesondere Polycarboxylat wird insbesondere in Mengen von 0,25 bis 2 Masse-% bezogen auf das Bindemittel zugesetzt. Hierdurch können beispielsweise Verzögerungen von 2 bis 10 Minuten erzielt werden bei einer sehr guten Verflüssigung. Durch die starke Verflüssigungswirkung kann die Menge des zugesetzten Wassers und damit die Porosität des Bindemittelleims bzw. des erhärteten Bindemittelsteins herabgesetzt werden, wodurch die Festigkeit steigt.
Die Komponenten der Bindemittelmischung, also die Bindemittel- komponente, der oder die sulfatfreien Verflüssiger sowie ggf. Beschleuniger und weitere bekannte Zusatzstoffe und/oder Zusatzmittel, wie Entschäumer oder Zuschlagstoffe können, sofern sie in trockenem Zustand vorliegen vorgemischt als Werktrockenmischung vorgehalten werden, welche vor dem Herstellen der Gießform lediglich noch mit Wasser angemischt werden muss .
Ferner können auch Stabilisierer in der Bindemittelmischung verwendet werden .
Nach der Erfindung werden Stabilisierer aus der Gruppe der mi- krobiellen Polysaccharide verwendet. Dies sind synthetische
Biopolymere von denen insbesondere Xanthan und Welan für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet sind. Besonders geeignete Biopolymere sind z.B. in einem Velco Prospekt "Xanthan Gurrt" , Seite 1 bis 24, beschrieben und insbesondere auf Seite 1, Spalte "Microbial polysacσharides" , genannt. Es handelt sich um Dextran, Gellan gum, Rhamsan gum, Welan gum und Xanthan gum.
Die Verwendung eines sulfatträgerfreien Bindemittels bewirkt zudem, dass die Suspension chromatfrei ist, weil die Chromkomponente im Klinkerfeinstmehl durch Hydratphasen eingebunden wird. Insofern ergibt sich ein synergistischer Effekt.
Darüber hinaus lassen sich in vorteilhafter Weise auch Zusatzmittelkombinationen der vorstehend bzw. nachstehend beschriebenen Zusatzmittel verwenden.
Eine hydraulische Bindemittelzusammensetzung gemäß der Erfindung kann hierdurch bezüglich der Verarbeitbarkeit , des Beginns des Erstarrens, der Höhe der Frühfestigkeit, der Höhe der Endfestigkeit und Dauerhaftigkeit der Endfestigkeit auf einfache Weise z.B. werkseitig auf die jeweils gestellte Anforderung genau vorbereitet eingestellt werden.
Die Bindemittelzusammensetzung kann alternativ oder zudem einen Erstarrungsverzögerer, gegebenenfalls einen plastifizierenden Erstarrungsverzögerer enthalten.
Erfindungsgemäß werden Alkaligluconate in Verbindung mit Alkalicarbonaten und/oder Alkalibicarbonaten zur feinfühligen Aussteuerung des Erstarrungsverhaltens verwendet . Des weiteren werden insbesondere die gebräuchlichen plastifizierenden sulfo- natgruppenhaltigen Erstarrungsverzögerer als Zusatzmittel verwendet. Dies sind beispielsweise Ligninsulfonate, Sulfonseifen, Sulfonsäuren, Alkylbenzolsulfonate, Naphthalinsulfonate und sulfonierte Melaminformaldehydkondensate. Diese können aber auch insbesondere teilweise durch andere sulfonatgruppenfreie Verzögerer ersetzt werden. Zum Beispiel sind teilweise verwendbar: Celluloseether (Methyl-, Ethyl- und/oder Pro- pylether) , Mono- und/oder Polysaccharide (Fructose, Glucose) , Acrylsäuren und deren Salze, Oxycarbonsäuren und deren Salze (z.B. Zitronensäure), Phosphorsäuren und deren Salze, Borsäure und deren Salze, Alkylamide, Styrol-Butadien.
Insbesondere die Verwendung der Polycarboxylate zusammen mit an sich bekannten sulfonatgruppenhaltigen Verzögerern, die gleichzeitig auch als Verflüssiger wirken, in Kombination mit an sich bekannten Beschleunigern erbringt die Wirkung, dass die sulfonatgruppenhaltigen Mittel lediglich bezüglich der Verzögerung wirksam sind und die verflüssigende Wirkung der Polycarboxylate nicht beeinflussen. Die sulfonathaltigen Verflüssiger können ohne Beachtung sehr genauer Grenzwerte zugegeben werden, weil es ausreicht, zumindest die Menge zuzugeben, die für eine vorbestimmte Bindemittelmenge zum Verzögern erforderlich ist. Größere Mengen stören weder den Verzögerungsprozeß noch die verflüssigende Wirkung der Polycarboxylate.
Ferner ermöglicht die Verwendung der genannten Zusatzmittelkombination nicht nur das sehr genaue Steuern der oben genannten Eigenschaf en, sondern gewährleistet, dass auch ungewöhnlich hohe Frühfestigkeiten und dauerhafte höhere Endfestigkeiten erzielbar sind. • Eine die Verwendung störende klebrig gummiartige Konsistenz bildet sich trotz Anwesenheit sulfonatgruppenhaltiger Verzögerer und üblicher Beschleuniger in überraschender Weise nicht mehr aus .
Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, weitere
Zusatzmittel, die die Steuerung der oben genannten
Eigenschaften nicht beeinträchtigen und anderen
Eigenschaftsbeinflussungen dienen, beispielsweise Mahlhilfsmittel, zu verwenden. Die weitergehende Steuerung der oben genannten Eigenschaften durch bestimmte Kornfraktionen und/oder Kornbänder kann z.B. mit folgenden Klinkermehlfraktionen aus ausgesichteten Feinstmehlen erfolgen:
dgs < 6 , 5 μm d95 < 9 μm d35 < 16 μm d95 < 24 μm oder beliebige Mischungen selektiver Feinstmehle.
Durch die Verwendung der Feinstmehlfraktionen kann außerdem Zusatzmittel eingespart oder die Verarbeitbarkeit , die Frühfestigkeit und/oder die Endfestigkeit gesteuert, z.B. gesteigert werden. Durch eine Verwendung bestimmter Kornfraktionen oder Kornbänder können auch in anderen hydraulischen Bindemittelzusammensetzungen Zusatzmittel eingespart und bei bestimmter Zu- satzmittelmenge und -art die Verarbeitbarkeit, die Frühfestigkeit und/oder die Endfestigkeit gesteuert werden.
Der Verflüssiger (Fließmittel) kann werksseitig in einer Werktrockenmischung zugesetzt in der Bindemittelmischung enthalten sein.
Zur Erstarrungs- und Erhärtungsregelung können zudem auch Lig- ninsulfonate in Verbindung mit Alkalicarbonaten eingesetzt werden. Als Alkalicarbonate werden Natrium und Kaliumcarbonat in beliebigen Mischungsverhältnissen je nach Aufgabenstellung eingesetzt .
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch die Variation des Verhältnisses von Kaliumcarbonat zu Natriumcarbo- nat die Frühfestigkeit der Bindemittelpaste, also der Einbettungsmasse in einem weitem Bereich variiert werden kann. Die Festigkeitsentwicklung der angemachten Bindemittelmischung kann somit zielgerichtet durch eine entsprechende Mischung aus Natrium- und Kaliumcarbonat schon werkseitig eingestellt werden, wobei die Festigkeitsentwicklung insbesondere im Bereich von 2 bis 24 h durch das Verhältnis der Alkalicarbonate steuerbar ist. Hierbei wird, bei einer vorgegebenen Mischung bzw. bei einer vorgegebenen Bindemittelkomponente und bei einem vorgegebenen Bereich der Frühfestigkeit zur Steuerung des Frühfestigkeitsverlaufs und der Frühfestigkeit das Na20-Äquiva- lent - abgestimmt auf diese Parameter - konstant gehalten und lediglich das Verhältnis von K2C03/ (K2C03 + Na2C03) innerhalb des konstanten Na20-Äquivalents verändert. Zusätzlich ist die Verarbeitungszeit durch weitere Zusatzmittel wie Ligninsulfonat innerhalb begrenzter Zeitfenster ohne nachhaltige Festigkeitsverluste zu frühen Zeitpunkten einstellbar. Insofern wird eine weite Variabilität bezüglich des Beginns der Festigkeit und der Höhe der Festigkeit der Paste geschaffen. Eine weitere Einflußmöglichkeit bezüglich der Festigkeitsentwicklung und des Beginns der Festigkeitsentwicklung liegt in der Feinheit der verwendeten Bindemittelkomponente . Darüberhinaus können diese Parameter auch dadurch gesteuert werden, dass der Bindemittelbestandteil, in diesem Fall das Klinkermehl, aus unterschiedlichen Kornfraktionen jeweils individualisiert für den Anwendungsfall zusammengemischt wird.
Als Zusatzstoffe bzw. Zuschlagstoffe zu dem sulfatträgerfreien hydraulischen Bindemittel kommen Quarzsand (bis 2 mm Korngröße) , Schamottemehl, Sillimanitmehl, Disthenmehl, Metakaolinit und Hüttenmehl in Frage, wobei diese Bestandteile einzeln oder als Mischung im Verhältnis 1:1 bis 1:3 dem Bindemittel zugeschlagen werden. Insbesondere mit Schamotte, Sillimanit, Disthen und Metakaolinit lassen sich die Temperaturbeständigkeiten deutlich erhöhen.
Erfindungsgemäß ist die Wärmeleitfähigkeit der Masse einstellbar. Es ist bekannt, dass die Abkühlgeschwindigkeit eines metallischen Werkstücks einen Einfluss auf dessen kristalline Struktur und damit die Werkstoffeigenschaften hat. Mit der Erfindung gelingt es aufgrund der steuerbaren, voreinstellbaren Wärmeleitfähigkeit der Einbettungsmasse die Werkstoffeigenschaften gezielt zu beeinflussen.
Die Wärmeleitfähigkeit kann über die Kornverteilung des trockenen Gemenges und die damit steuerbare Porosität bzw. Packungs- dichte eingestellt werden. Dies gelingt insbesondere, wenn die bereits erwähnte Kornverteilung entsprechend einer Dinger-Funk- Funktion zusammengesetzt wird, wobei der Exponent n in der Verteilungsfunktion beispielsweise auf n<0,2 eingestellt wird und insbesondere negativ ist, um eine möglichst hohe Paσkungsdichte und damit Wärmeleitfähigkeit einzustellen. Die eingestellte Porosität beträgt dabei < 10%.
Erfindungsgemäß kann die Wärmeleitfähigkeit auch oder zusätzlich durch die Art der Zuschläge der Masse beeinflusst werden. Um die Wärmeleitfähigkeit in dieser Weise zu steuern, werden die Zuschläge wie Quarz bzw. Sand oder andere Rückstandsminerale ganz oder teilweise durch anorganische Feststoffe mit wesentlich höherer spezifischer Wärmeleitfähigkeit ersetzt. Hierfür finden insbesonderer Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Nitride, Granate, Sinterkorund und Feldspäte Verwendung.
Ferner kann die Masse zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit auch Metalle, 'insbesondere in Form von Kühleisen in Stangen- oder Barrenform, metallische Fasern und/oder Metallgranulate und/oder Metallstäube enthalten. Hierfür können auch entsprechend klassierte Metallabfälle verwendet werden. Vorzugsweise wird hierbei ein Modell zunächst mit einer Schicht einer erfindungsgemäßen Masse mit anorganischen Zuschlägen umhüllt und anschließend eine metallgranulat- oder staubhaltige Masse aufgebracht. Dies verhindert eine mögliche Reaktion des gegossenen Metalls mit dem Metall in der Masse, sofern eine solche erwartet werden muss. Zusätzlich zu einer Einbettungsmasse mit metallischen Zuschlägen können auch an sich bekannte Kühleisen in die Masse eingebracht werden. Bei diesen Kühleisen handelt es sich um Metallgegenstände in Stangen- bzw. Barrenform, die von der Masse eingebettet werden und aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit die Wärme aus dem Gussstück gut aufnehmen können. Derartige Kühleisen können auch bei einer Masse mit ausschließlich anorganischen Zuschlägen verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglichenden Massen mit anorganischen Zuschlägen lassen sich bereits Wärmeleitfähigkeiten einstellen, die deutlich über 0,006 J • s"1 • K"1 betragen.
Um die Wärmeleitfähigkeit weiter zu beeinflussen und/oder Ein- fluss auf den Kontakt zwischen Formmasse und Metall zu nehmen, kann die Mischung zudem Kohlenstoff in Form von Ruß und/oder Graphit enthalten. Hierdurch kann die Benetzbarkeit der Oberfläche der Form mit Metall beeinflusst und insbesondere verringert werden. Ferner können in der Masse Reaktionspartner vorhanden sein, die beim Eingießen des Metalls endotherm reagieren und dem System dadurch zusätzlich Wärme entziehen. Dies sind z.B. Mischungen aus Calciumcarbonat und Metakaolinit bzw. Calciumcarbonat und Mikrosilika.
Dadurch, dass die erfindungsgemäßen Massen betonartig hydraulisch erstarren und erhärten, sind sie völlig wasserbeständig. Hierdurch kann die Form erfindungsgemäß sowohl von außen als auch durch Kanäle wassergefüllt werden. Die Kanäle können - insbesondere bei größeren Formstücken - ebenfalls durch Formwachs oder Ähnliches gebildet und entsprechend im Formkasten eingebaut werden. Beim Ausschmelzen und/oder Ausbrennen des Modells werden die Modelle der Kanäle dann ebenfalls ausgeschmolzen bzw. ausgebrannt. Mit entsprechenden Anschlussstücken, die am Formkasten vorhanden sein können, können diese Kanäle anschließend mit Wasser durchströmt werden.
Durch die beschriebene, erfindungsgemäße Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit kann die Struktur des gegossenen Metalls gezielt beeinflusst werden. Da bei Großserien Gussteile in Metallformen hergestellt werden, besitzen sie eine andere Struktur und andere Materialeigenschaften als Prototypen oder Kleinserienteile, die in Gips oder anderen bekannten Formen hergestellt wurden. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Massen können auch Kleinserien oder Prototypen derart hergestellt werden, dass die Materialeigenschaften der Formkörper denen der in Großserie hergestellten sehr nahe kommen. Hierdurch ist es erstmals möglich, die Eignung eines in einer verlorenen Form gegossenen Bauteils schon anhand des Prototyps erheblich leichter abzuschätzen, da der Prototyp dem Großserienteil fast entspricht.
Es wurde erfindungsgemäß herausgefunden, dass es besonders vorteilhaft ist, der erfindungsgemäßen Bindemittelmischung für eine Einbettungs- bzw. Formmasse sogenannte Ausbrennstoffe zuzugeben, welche nach einer thermischen Behandlung, insbesondere nach dem Ausbrennen des Wachses ebenfalls ausgebrannt sind und gezielt Poren bzw. Kanälchen in der erhärteten Masse hinterlassen. Dies ist wichtig, um den im Metall gelösten Wasserstoff oder andere Gase über die Kanäle in die Masse abzuleiten und so einen lunkerfreien Gusskörper zu erhalten. Als Ausbrennstoffe sind insbesondere geeignet Polypropylenfasern (3 bis 20 mm Länge) , Dolamitfasern, im Allgemeinen Kunststofffasern, welche bis ca. 200° ausbrennen, sowie Cellulosefasern und Holzspäne bzw. -mehl . Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen Tiermehl bzw. Knochenmehl zuzusetzen, da die enthaltenen Fette und Gewebefasern ebenfalls in hervorragender Weise Poren und Kanälchen beim Ausbrennen erzeugen. Zudem erhöht das verbleibende Phosphat die Feuerfestigkeit in erheblichem Masse.
Bei dem erfindungsgemäß verwendeten sulfatträgerfreien Bindemittel wird das Erstarren und Erhärten anstelle des Sulfatträgers durch die Zugabe der genannten Zusatzmittel sehr feinfühlig und in weiten Bereichen reguliert. In der Literatur sind Bindemittel dieser Art als anorganische Systeme aus Klinkermehl mit sehr hohen spezifischen Oberflächen, Verflüssigern und Alkalisalzen beschrieben. Der beobachtete Verflüssi- gungseffekt der Zusätze scheint mit deren Fähigkeit, die Klinkerpartikel in einer wässrigen Suspension effektiv zu dispergieren im Zusammenhang zu stehen. Weil diese Bindemittel kein Sulfatträger beinhalten, bilden sich auf der Oberfläche des Tricalciumaluminat statt Ettringit (einem Sulfoalu inat mit 32 Wassermolekülen) wasserärmere Calciumkarboaluminate als früheste Hydratphasen.
Die erfindungsgemäße Einbettungs- bzw. Formmasse auf der Basis von sulffattragerfreiem Portlandzement widersteht dem Einfluß von erhöhten und hohen Temperaturen besser als die Mörtel aus üblichem Portlandzement . Ihre Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und Temperaturschock entspricht dem eines Mörtels mit Tonerdeschmelzzement , der ja der typische Zement für die Feuerfestindustrie ist, die erfindungsgemäßen Massen weisen jedoch eine beträchtlich höhere Langzeitstabilität auf. Möglich sind zudem noch Kombinationen mit Microsilika, welches die Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen noch weiter verbessert . Die Eigenschaften der Kontaktzone zwischen dem Zuschlag und dem sulfatfreien Bindemittel wurden untersucht. Die Kontaktzone erwies sich als sehr kompakt und gewährleistete eine hohe Verbundfestigkeit der Matrix. Der Verbund zwischen Zuschlag und sulfatfreiem Bindemittel in der erfindungsgemäßen Einbettungs- bzw. Formmasse ist zweimal höher als die entsprechende Verbundfestigkeit des Zuschlags mit Portlandzement .
Während gipsgebundene Einbettmassen vor dem Wachsausschmelzen vortemperiert werden, z.B. je nach Größe der Form mit Temperatursteigerungen von 40 bis 60° C pro Stunde mit unterschiedlichen Verweilzeiten (2 Stunden bei Temperaturen bis 300°C, 4 Stunden bei Temperaturen von etwa 700° C) , ist dies bei den erfindungsgemäßen Einbettungs- bzw. Formmassen auf Basis der erfindungsgemäß verwendeten sulfatfreien Bindemittel nicht erforderlich. Das Vortemperieren hängt mit dem hohen gebundenen und ungebundenen Wassergehalt der Gipsmassen zusammen, der beim schnellen Erwärmen zur Rißbildung führt. Das Mischungs- Verhältnis bei gipsgebundenen Einbettmassen beträgt 100 Teile Pulver auf 38 bis 40 Teile Wasser. Die Verarbeitungszeit der gipsgebundenen Einbettmassen beträgt etwa 10 bis 12 Minuten.
Bei einer aus der erfindungsgemäßen Einbettungs- bzw. Formmasse hergestellten Form muss vor dem Wachsausschmelzen nicht vortemperiert werden. Die Einbettungs- bzw. Formmassen mit sulfatträ- gerfreiem Bindemittel werden mit niedrigem Wasserzementwert hergestellt. Weil sich kein Ettringit bildet sind diese Systeme wasserarm. Die Mischungsverhältnisse bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Bindemittelmischung betragen Formasse zu Wasser = 100:10 bis 100:25. Dabei fließt die erfindungsgemäße Einbettungs- bzw. Formmasse schnell und leicht in die Form ein, wobei die Erzeugnisse aus dieser Masse überraschend eine porenfreie Oberfläche zeigen, die erheblich glatter ist als die einer vergleichsweise verwendeten Gipsmasse. Die Verarbeitungs- zeit der erfindungsgemäßen Massen beträgt beispielsweise 30 bis 40 Minuten bei 20°, sie ist jedoch für den jeweiligen Anwendungsfall sehr feinfühlig und über einen sehr weiten Bereich von wenigen Minuten bis mehreren Stunden steuerbar. Die Masse ergibt dabei Festigkeiten, die ein Vielfaches über der Festigkeit bekannter Formmassen liegen.
Die erfin'dungsgemäße Einbettungs- bzw. Formmasse kann mit Vorteil bei einer Vielzahl von Formgussverfahren angewandt werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Masse beim Wachsaus- schmelzverfahren Anwendung finden, insbesondere bei der Herstellung von einzelnen Gussstücken oder von Kleinserien für den Prototypenbau. Aber auch bei allen anderen Formgussverfahren mit einer verlorenen Form ist die Erfindung mit Vorteil verwendbar. Dabei können alle möglichen Metalle vergossen werden, wobei insbesondere auch Magnesium vergossen werden kann. Magnesium ist in Formmassen für verlorene Formen, insbesondere in Gips, überhaupt nicht vergießbar. Durch die hohe Festigkeit der erfindungsgemäßen Massen nach dem Erhärten können jedoch auch Formen mit aufeinander zu und voneinander wegfahrbaren Formenhälften hergestellt werden, in denen Kleinserien produziert werden können, da durch die hohe Festigkeit die Formen nicht schon durch einen Einguss zerstört werden. Ferner ist es bei geeigneter Ausgestaltung des Formkastens auch möglich, Gussteile unter Anwendung von mäßigem Druck herzustellen.
Es hat sich herausgestellt, dass sich die erfindungsgemäßen Massen in hervorragender Weise auch im Feuerfestbereich als Bindemittel, feuerfester Mörtel und Beton sowie Reparatur und Stampfmassen, insbesondere bei alkalischem Angriff eignen.
Bei der erfindungsgemäßen Mischung bzw. den daraus hergestellten Formmassen ist von Vorteil, dass ein schnelles Arbeiten durch die einstellbare Verarbeitungszeit möglich ist. Ferner fällt als großer Vorteil gegenüber Gipsformen eine Trockungszeit der erhärteten Formmasse weg. Ferner ergeben erfindungsgemäße Formmassen eine Form, die eine sehr hohe Festigkeit, insbesondere gegenüber Gipsformen, aufweist. Die erfindungsgemäßen Formmassen sind nach dem Erhärten hochtemperaturfest , thermoschockbeständig und verfügen über eine einstellbare Wärmeleitfähigkeit. Besonders vorteilhaft gegenüber anderen Formwerkstoffen ist die leichte Entsorgbarkeit , da der Formwerkstoff unter Umweltaspekten unbedenklich ist und in dieser Hinsicht Bauschutt entspricht. Ferner kann der Formwerkstoff - auch wenn er Eisengranulate zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit enthält - vom Hersteller zurückgenommen und in einfacher Weise im Zementherstel- lungsprozess wieder verwendet werden. Es hat sich zudem herausgestellt, dass sich die Formmassen leicht und insbesondere erheblich besser als Gips durch Sandstrahlen vom Formstück entfernen lassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Einbettungs- bzw. Formmassentrockenmischung zur Herstellung von Einbettungs- bzw. Formmassen für Metall- gießverfahren wie das Wachsausschmelzverfahren, aufweisend eine hydraulische Bindemittelkomponente, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelkomponente als hydraulisches Bindemittel sulffatträgerfrei vermahlenes Portlandklinkermehl enthält.
2. Trockenmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelkomponente zudem latenthydraulische und/ oder puzzolanische Bindemittel wie Hüttensandmehl und/oder Trassmehl enthält.
3. Trockenmischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelkomponente der Bindemittelmischung normale Zementfeinheit aufweist.
4. Trockenmischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelkomponente der Bindemittelmischung feinst gemahlen ist und eine Feinstzement entsprechende Feinheit aufweist .
5. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzstoffe bzw. Zuschlagstoffe zu dem sulfatträgerfreien hydraulischen Bindemittel Quarzsand und/oder Schamottemehl und/oder Sillimanitmehl und/oder Disthenmehl und/oder meta-Kaolinit und/oder Zeolithe und/oder inerte, feingemahlene Gesteinsmehle und/oder hydraulische Stoffe wie Calciumsilikate und/oder Calciumaluminate und/oder hydraulische Kalke enthalten sind.
6. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit der Einbettungsbzw. Formmasse als Zuschlagsstoffe Siliciumnitrid, Silici- umcarbid, Nitride, Granate, Sinterkorund, Feldspäte oder andere anorganische Feststoffe mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit enthalten sind.
7. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit Metallpartikel und/oder Metallgranulate und/oder Metallpulver enthalten sind.
8. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstoffe bzw. Zuschlagstoffe im Verhältnis 1:1 bis 1:3 in der Bindemittelmischung enthalten sind.
9. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Ausbrennstoffe vorhanden sind.
10. Trockenmischung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausbrennstoffe Polypropylenfasern, Dolamitfasern, Kunststofffasern, Cellulosefasern, Holzmehl, Kunststoff- granulate, Tiermehl, Knochenmehl oder andere Ausbrennstoffe vorhanden sind, die beim Ausbrennen Poren und Kanälchen in der erhärteten Bindemittelmischung erzeugen.
11. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Benetzbarkeit Kohlenstoff in Form von fein verteiltem Ruß und/oder Graphit enthalten ist .
12. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als
Zusatzmittel Erhärtungsbeschleuniger und/oder Erstarrungsverzögerer und/oder Verflüssiger und/oder Stabilisierer enthalten sind.
13. Trockenmischung nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass als Fließmittel sulfonatgruppenfreie und/oder sulfonatgruppenhaltige Fließmittel enthalten sind.
14. Trockenmischung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass als sulfonatgruppenfreie Fließmittel Stoffe aus der Gruppe der Polyasparaginsäuren und/oder Polyacrylate und/oder modifizierte Polycarboxylate enthalten sind, wobei die modifizierten Polycarboxylate homo- oder copolymere carboxylgruppenhaltige Monomere sind, deren Seitenketten modifiziert sind.
15. Trockenmischung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Molmasse der Polycarboxylate zwischen 5000 und 50000 g/Mol liegt, wobei das sulfonatgruppenfreie Fließmittel, insbesondere in Mengen von 0,25 bis 2 M-% bezogen auf die Bindemittelkomponente vorhanden ist.
16. Trockenmischung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als sulfonatgruppenhaltige Fließmittel Ligninsulfonate, Sulfonseifen, Sulfonsäuren und weitere bekannte sulfonat- gruppenhaltige Fließmittel enthalten sind.
17. Trockenmischung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als sulfonatgruppenhaltige Fließmittel Fließmittel mit einem erstarrungsverzögernden Effekt enthalten sind.
18. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Erhärtungs- und/oder Erstarrungsbeschleuniger enthalten sind.
19. Trockenmischung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschleuniger Alkalicarbonate und/oder Calciumnitrat und/oder Alkalisilikate und/oder Alkalihydroxide und/oder Erdalkalihydroxide und/oder Chloride mehrwertiger Kationen und/oder Aminverbindungen und/oder Calciumformiat und/oder andere bekannte Beschleuniger oder Mischungen aus den genannten Beschleunigern enthalten sind.
20. Trockenmischung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stabilisierer aus der Gruppe der mikrobiellen Polysac- charide enthalten ist .
21. Trockenmischung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als mikrobielles Polysaccharid ein synthetisches Biopolymer wie Xanthan oder Welan enthalten ist .
22. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Erstarrungsverzögerer enthalten sind, wobei als Erstarrungsverzögerer Cellulose, Ether und/oder Mono- und/oder Polysaccharide und/oder Acyrylsäure und deren Salze und/- oder Oxycarbonsäuren und deren Salze und/oder Phosphorsäure und deren Salze und/oder Borsäure und deren Salze und/oder Alkylamid und/oder ein Styrol-Butadien enthalten sind.
23. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstarrungs- und Erhärtungsregelung Alkaligluconate und/oder Ligninsulfonat in Verbindung mit Alkalicarbonaten und/oder Alkalibicarbonaten enthalten sind, wobei als Alkalicarbonate Natrium- und Kaliumcarbonat in beliebigen Mischungsverhältnissen enthalten sind.
24. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Bindemittelmischung in trockenem Zustand zu einer Werktrockenmischung zusammengestellt, werk- seitig vorgemischt enthalten sind.
25. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die , Bindemittelkomponente abgestimmt auf eine gewünschte Frühfestigkeit und/oder Endfestigkeit und/oder Hydratationsgeschwindigkeit aus Fraktionen unterschiedlicher Korngröße bzw. -feinheit zusammengesetzt ist.
26. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten der Bindemittelmischung abgestimmt auf eine gewünschte Frühfestigkeit und/oder Endfestigkeit und/oder Hydratationsgeschwindigkeit und/oder Reaktionsgeschwindigkeit in unterschiedlichen Kornfeinheiten vorliegend zu einem einheitlichen stetigen und abgestuften Kornband zusammengesetzt enthalten sind.
27. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kornverteilung des trockenen Gemenges derart eingestellt ist, dass die Kornverteilung der folgenden Funktion nach Dinger und Funk
Dn-Dπ
F(d)
Dr n-DD
entspricht, wobei der Exponent n kleiner 0,2 und insbesondere negativ ist.
28. Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kornverteilung derart gewählt wird, dass eine Einbettungs- bzw. Formmasse mit maximal dichtem Gefüge erzielt wird.
29. Einbettungs- bzw. Formmasse unter Verwendung einer Bindemittelmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 28 und Wasser.
30. Einbettungs- bzw. Formmasse nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserbindemittelwert nach dem Anmischen mit Wasser zwischen 0,3 und 0,8 liegt.
31. Gießform für den Metallguss aufweisend eine erhärteten Einbettungs- bzw. Formmasse nach Anspruch 29 oder 30.
32. Gussteil, hergestellt in einer Form nach Anspruch 31.
33. Verwendung einer Einbettungs- bzw. Formmasse nach Anspruch 29 oder 30 als feuerfester Zement, feuerfester Mörtel, feuerfester Beton, feuerfeste Reparatur-, Spritz- oder Stampfmasse .
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