DE102006031191A1 - Anorganische Kernsandbinder und Schlichten für den Aluminiumguss und ihre weitere Verwendung als Düngemittel - Google Patents
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Abstract
Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Kernformlingen
für die
Gießereitechnik dar,
basierend auf Formsand und anorganischen Bindemitteln.
Die Bindemittel sind so ausgewählt, dass die Formsandrückstände als Spezialdünger nutzbar sind.
Zum Einsatz kommen anorganische Salze, deren Kationen die Elemente Ca, K und Mg sind und deren Anionen aus Sulfat, Phosphat oder Oxiden bestehen. Es lassen sich dabei auch Salzkombinationen finden, die allein mit H2O und ohne organische Verbindungen wirken. Die Komponenten zum Verkleben des Formsandes können in modifizierter Anwendung auch als Schlichte genutzt werden. Des Weiteren wird eine weitere Neuerung in der Schlichteherstellung durch Überspritzen der Kernformen mit Metallpasten vorgestellt.
Die Bindemittel sind so ausgewählt, dass die Formsandrückstände als Spezialdünger nutzbar sind.
Zum Einsatz kommen anorganische Salze, deren Kationen die Elemente Ca, K und Mg sind und deren Anionen aus Sulfat, Phosphat oder Oxiden bestehen. Es lassen sich dabei auch Salzkombinationen finden, die allein mit H2O und ohne organische Verbindungen wirken. Die Komponenten zum Verkleben des Formsandes können in modifizierter Anwendung auch als Schlichte genutzt werden. Des Weiteren wird eine weitere Neuerung in der Schlichteherstellung durch Überspritzen der Kernformen mit Metallpasten vorgestellt.
Description
- Nachfolgend aufgeführte anorganische Bindemittel sind zur Herstellung von Gießkernen für die Gießereitechnik bekannt.
- R. Stark benutzt zum Abbinden von Formsand 3–7%-tige Mischungen aus Natriumhexametaphosphat mit ca. 0,5 bis 2% Wasser bezogen auf 100% Formsandanteil. Dieser Binder zeichnet u. a. sich dadurch aus, dass das anorganische Bindemittel sehr gut wasserlöslich ist und relativ geringe Temperaturen von 50 bis 100°C zum Aushärten der Kerne notwendig sind (
DE 195 49 469 A1 ). - Speziell zum Abgießen von Aluminiumlegierungen liegt eine Erfindung von R. Koppenhöfer vor, wo anorganische Bindemittel mit Magnesiumsulfat, Montmorillonit, Bentonit und/oder Aluminiumsilikat-Schichtmineralien eingesetzt werden (
DE 10 2004 033 053 A1 ). - In mehreren Patenten werden Bindemittel auf Wasserglasbasis dargestellt. Das AWB-Verfahren verwendet 3% Natriumwasserglas mit einem Feststoffanteil von 30% und härtet bei einem Schießdruck von 6 bar bei einer Kernkastentemperatur von 160°C in 20–30 s den Formling aus. Er besitzt eine Biegefestigkeit von 1 N/mm2 (
DE 196 32 293 A1 ). - Th. Steinhäuser bzw. R. A. Jones verwenden ebenfalls anorganische Binder auf Wasserglasbasis mit den Alkaliionen Li, K und Na (
DE 19951 622 A1 undDE 196 322 9306 ) und beschreiben das Recyceln in Form von Umlaufkernsanden (EP 0 917 499 B1 ). - Ebenfalls Natriumsilikat verwendet Th. Cobett. Diesem Binder werden Eisenoxyd, ein Schmiermittel sowie Stärkepräparate zugesetzt (
DE 3403 583 C2 ). - Laempe + Kules vertreiben einen Kernsandbinder, den Laempe Kules Binder LK 700, der auf Magnesiumsulfat, NaOH und Silikat sowie weiteren anorganischen Additiven basiert.
- A. Zentgraf benutzt die sogenannte Langbeinit-Trübe, eine wässrige Lösung aus dem Doppelsalz K2SO4·2MgSO4 (
DE 333 22 50 ). Die Trocknungstemperatur der Kernsande liegt bei 95 ≤ T ≤ 110°C. Diese Trübe wird u. a. auch zur Granulierung MgO-haltiger Düngemittel genutzt. - Aus der Sicht einer Sekundärverwertung der Kernsande als Düngemittel scheinen die Orthosilikate prinzipiell ungeeignet zu sein. Natriumwasserglas wegen des Natriums, die anderen Wassergläser wegen ihres sehr hohen pH-Wertes. Auch das Hexametaphosphat ist wegen des Natriumgehaltes als Düngerkomponente ungeeignet. Die Langbeineit-Trübe als Bindemittel stammt ursprünglich als Bindemittel aus der Mg-Kunstdüngerproduktion und besitzt mit den Elementen K, Mg sowie dem Sulfatrest gute Düngeeigenschaften, ist aber unter diesem Aspekt im obigen Patent nicht diskutiert.
- Erfindungsgemäß wird in der eingangs formulierten Aufgabenstellung, Kernsandbinder nach dem Abguss in der Weise zu recyclen, dass sie als Spezialdünger genutzt werden können, dadurch gelöst, dass als Bindemittel anorganische Salze genutzt werden. Sie müssen, um überhaupt als Klebkomponenten dienen zu können, Hydratbildner sein. Dabei schränkt sich die Zahl der denkbaren Salze durch ihren zweiten Verwendungszweck, später Düngemittel zu sein, auf die Kationen der Elemente K, Mg und Ca ein, bei den Anionenstrukturen auf Phosphate, Sulfate und Oxide.
- Diese Strukturen zeichnen sich auch dadurch aus, speziell für den Aluminiumguss, frei von Orthosilikaten zu sein. Prinzipiell wären Silikate vom 2. Verwendungszweck her gesehen als Düngemittelkomponente zwar geeignet, aber sowohl durch ihr Abbindeverhalten, relativ feste, schwer zu zerkleinerbare Strukturen zu geben, als auch ihre Eigenschaft, an der Grenzfläche Al-Guss/Kernsandbinder zur Alumosilikatbildung zu neigen, führten zu ihrem Ausschluss als Klebemittelkomponente.
- Zum Einsatz können die Verbindungen MgO, MgSO4, K2HPO4, KPO3 und Ca(PO3)2, die in verschiedenen Kombinationen miteinander mit Wasser und Kernsand angerührt werden und nach einer Vortrocknungszeit in der Mikrowelle ausgehärtet werden. Dabei erzielt man Formlinge, die bei 3 mm Schichtdicke noch bruchfest sind. Die Biegezugfestigkeit von 4 × 4 × 16 cm Prüflingen liegt bei > 3 N/mm2.
- Natürlich impliziert die Idee eines als Düngerkomponente recyclebaren Kernsandbinders auch, dass Schlichten aus ähnlichem Material bestehen sollten. Deshalb wurde eine Schlichte aus MgO, CaO und MgSO4 mit H2O und Methanol bzw. Glycerin entwickelt bzw. die Idee, beim Aluminiumguss mit metallischen Al-Blättchen den Kernsandbinder zu beschichten, umgesetzt. Beim Zerkleinern der Formen kann man die Al-Metallflitter ähnlich den üblichen Plastrecyclen zurückgewinnen.
- Nicht notwendiger Weise müssen die verwendeten Mg-Salze primär hergestellte Stoffe sein, sondern können ihrerseits Recyclate darstellen. So fällt u.a. bei der Heraklithproduktion sogenannter Kausterstaub als Abprodukt eine MgO-Verbindung an. Der MgO-haltige Staub kann mit Phosphor- oder Schwefelsäure zu entsprechenden Salzen aufgearbeitet werden. Diese daraus entstehenden Mg-Salze stellen wiederum Grundkomponenten der Kernsandbinder dar.
- Versuchsdurchführung
- A MgO/MgSO4-Binder
- 1,5 MgO werden mit 4,5 g MgSO4 trocken verrührt. Diese Mischung wird mit 94 g Gießereisand verrührt. Danach gibt man zu obigen Gemisch 10 ml H2O und verrührt noch ca. 5'. Die Topfzeit der Masse beträgt ca. 20'. Nach Vortrocknung der Formlinge kann man entweder die Kernsandformen mit 4 × 2' Mikrowelleneinstrahlung (ca. 400 W) aushärten oder bei 140°C im Trockenofen.
- B K2HPO4/MgSO4-Binder
- 2 g MgSO4 werden mit 2 g K2HPO4 trocken vermischt. Zu diesem Gemenge gibt man 94 g Gießereisand. Mit einer Mischung aus 3,4 g H2O und 2 g Glycerin rührt man den Kernsandbinder fertig. Im Unterschied zur Rezeptur A muss dieser Binder mehrere Tage an der Luft vortrocknen, ehe er in der Mikrowelle ausgehärtet werden kann.
- C Binder aus Magnesiumoxid aus Kausterstaub
- 1,5 g Kausterstaub, ein Abprodukt der MgO-Produktion, wird mit 10 ml H2O verrührt und dann mit 3,7 g H2SO4 übergossen. Nach Erkalten des Gemisches werden weitere 1,5 g Kausterstaub zugesetzt. Dieses Gemisch wird entsprechend Vorschrift A mit 94 g Sand vermengt und aus diesem Gemenge eine Gießform, wie oben beschrieben, hergestellt.
- D Herstellung von Schlichten auf MgO-Basis
- D1 Mg-Schlichte ohne Organika
- 1,5 g MgO werden mit 4,5 g MgSO4 trocken vermischt. In dieses Gemisch gibt man 10 g MeOH und anschließend 6 g H2O. Nach einer Wartezeit von ca. 2-3' kann die Schlichte durch Tauchen auf die Gießform aufgetragen werden. Das Lösungsmittel MeOH verdampft unter dem Abzug während der Vortrocknung.
- D2 Ca/Mg-Schlichte
- 1,5 g CaO werden mit 4,5 g MgSO4 trocken verrührt. Diesem Gemisch fügt man 10 g MeOH und 6 g H2O zu und verfährt wie bei D1. Die Topfzeit dieser Schlichte beträgt 10'.
- D3 Mg-Schlichte mit Restorganika
- 4 g MgO werden mit 12 g MgSO4 und 10 g Glycerin verrührt. Dann gibt man zu dieser Mischung 20 ml H2O. Diese Schlichte eignet sich nur zum Tauchen. Die Topfzeit ist gegenüber D1 wesentlich länger.
- E Herstellung von Schlichte mit Metallsuspensionen
- In die Schlichte nach Vorschrift C wird statt Ethanol ein Gemenge von suspendierten Metallen (z. B. Al-Paste) verrührt. Dabei kommen auf 3 g Metallpaste ca. 30 ml Ethanol. Die Schlichte ist spritz- und tauchfähig.
- F Abgussversuche
- Von jedem Kernsandbinder wurde nach Vorschrift A bis C ein Tiegel hergestellt und mit den Schlichten D und E überzogen. Danach wurde mit ca. 95 g Al bei einer Temperatur von 800°C ausgegossen.
- Prüfkriterien waren die Güte der erkalteten Metalloberflächen, die unmittelbar Kontakt mit dem Tiegel hatten, die Gasbildung beim Abguss und die Tiegelfestigkeit beim Abguss. Im Ergebnis konnte festgestellt werden, dass alle Tiegelrezepturen dem Abguss ohne Sprünge oder Risse standhielten, die Al-Oberflächen glatt waren und nur bei Schlichte D1 eine schwache Gasbildung auftrat. Das Formsandmaterial ließ sich gut zerkleinern.
- G Düngeraustrag
- Das Material von Versuch F mit einem Düngeanteil von ca. 6% MgO und Sulfat sowie 94% Sand lässt sich zur Bodenverbesserung Mg- und sulfatarmer schwerer Böden einsetzen, insbesondere aber im Weinbau für Chlorose anfällige Rebsorten, wie Müller-Thurgauer, Spätburgunder und Traminer.
- H Biegezugfestigkeit der Kernsandbinder
- Aus den Kernsandbindern nach Vorschrift A bis C wurden Prüfkörper mit den Abmaßen 4 × 4 × 16 cm Größe hergestellt und ausgehärtet. Ihre Biegezugfestigkeit lag bei 6%-iger Bindemittelmenge bei 3 N/mm2.
Claims (1)
- Anorganische Kernsandbinder für den Aluminiumguss und ihre Verwendung als Düngemittel dadurch gekennzeichnet, dass 1. das anorganische Bindemittel nur Elemente und Ionen enthält, die unbedenklich nach ihrer primären Verwendung als Kernsandbinder auch als Spezialdünger genutzt werden können; also nur die Kationen K+, Ca+, Mg2+ sowie die Anionen Sulfat, Phosphat und Oxid verwendet werden, 2. einige aus den Kombinationen der in Anspruch 1 aufgeführten Anorganika nur mit Wasser als Bindemittelkomponenten für den Kernsand eingesetzt werden, aber nicht notwendigerweise noch organische Komponenten enthalten müssen (z. B. Rezeptur A bis C), 3. die nach Anspruch 1 genannten Anorganika auch zur Herstellung von Schlichten entsprechend Rezepturen D1 bis D3 genutzt werden können, 4. im Falle einer Beschichtung der Kerne mit Al-Plättchen diese nach dem Abguss allein mechanisch bzw. elektromechanisch aus der Sandmatrix entfernbar sind,
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