DE1285677B - Formstoffmischung zum Herstellen von Giessformen - Google Patents
Formstoffmischung zum Herstellen von GiessformenInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Formstoffmischung zum Herstellen von selbsthärtenden Gießformen und ein Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit dieser Formmasse.
- Es sind Formstoffmischungen zum Herstellen von selbsthärtenden Gießformen bekannt, die aus feuerfestem, körnigem Material und Wasserglas bestehen. So wird bei einem bekannten Herstellungsverfahren Natriumsilikat mit Quarzsand vermischt, Kohlendioxyd in die Mischung eingeblasen und die Masse dann sofort erhärtet. Dabei entsteht jedoch unerwünschtes Natriumbicarbonat, und außerdem bleibt der ursprüngliche Wassergehalt in der entstehenden Gießfqrm erhalten. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung selbsthärtender Gießformen bekannt, bei dem auf die Oberfläche des grünen Formkörpers, der zum großen Teil aus Aluminium besteht, eine Zündmasse mit stark exothermer Wirkung aufgebracht wird, wobei die Trocknung des Formkörpers durch die von der Zündmasse und dem im Formkörper vorhandenen Aluminium abgegebene Wärme erfolgt. In anderen Worten, es wird eine stark alkalische Lösung als Zündmasse auf ein begrenztes Gebiet der Oberfläche des Formlings aufgebracht, der als Hauptbestandteil Aluminium enthält, worauf eine Reaktion auftritt, bei der während der ersten Reaktionsstufe erzeugter Wasserstoff während der zweiten Stufe zur Bildung von Natriumhydroxyd verbraucht wird, so daß eine Reaktionskette mit stark exothermer Wirkung auftritt. Während des Reaktionsablaufes bildet sich dabei ständig eine wäßrige Lösung aus NaA103. Nun besitzt aber NaA103 nicht nur selbst keinerlei Bindungskraft, sondern verschlechtert bekanntlich sogar im beträchtlichen Ausmaß die Bindungswirkung der Formmasse. Das bedeutet aber, daß die aus den vorbekannten Formstoffmischungen und mit den vorbekannten Verfahren hergestellten selbsthärtenden Gießformen eine vergleichsweise nur geringe Festigkeit aufweisen.
- Von wesentlicher Bedeutung bei der Herstellung von selbsthärtenden Gießformen ist auch die Härtungsgeschwindigkeit. So soll bei Gießformen für große Gußstücke der Härtungsvorgang relativ langsam verlaufen. während bei Gießformen für kleine Gußstücke ein möglichst schneller Härtungsprozeß erwünscht ist. Die vom Gußprozeß her für die Formen erwünschten Härtungszeiten liegen dabei in der Größenordnung von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden. Demgemäß soll die verwendete Formstoff mischung so beschaffen sein, daß ihre Härtungszeit auf einfache Weise geregelt werden kann.
- Aufgabe der Erfindung ist deshalb eine Formstoflmischung für die Herstellung selbsthärtender Gießformen, die Gießformen großer Festigkeit gewährleistet, und darüber hinaus ein Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit dieser Formstoffmischung. Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Formstoffmischung aus feuerfestem, körnigem Material und Wasserglas gelöst, die pulverförmiges Silizium oder pulverförmige Siliziumlegierungen enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit dieser Formmasse kann dabei durch Ändern der Mischzeit der Bestandteile, durch Ändern der Korngröße des Siliziums bzw. der Siliziumlegierung, durch Behandeln der Oberflächen des pulverförmigen Siliziums bzw. der Siliziumlegierung, durch Zusatz einer bestimmten Menge von Natronlauge zum Wasserglas oder durch Verwendung von Natriumsilikat mit einem unterschiedlichen Si02 jNaz0-Verhältnis- erfolgen: - -Unter dem Begriff »Siliziumlegierungen« werden nicht nur »Legierungen« im strengenmetallkundlichen Sinne verstanden, sondern allgemein Verbindungen von Silizium mit Metallen, beispielsweise Silizide.
- Die erfindungsgemäße Formstoffmischung enthält also als Hauptbestandteil Silizium bzw. Siliziumlegierungen und Wasserglas. Dabei wird bei der Reaktion zwischen dem Silizium und dem Natriumhydroxyd, -welches durch Hydrolyse in der wäßrigen Wasserglaslösung frei wird, wiederum Wasserglas erzeugt. Bei der Reaktion wird also zunächst (Reaktionsstufe 1) Natriumhydroxyd freigegeben. Wird dann der wäßrigen Lösung von Natriumsilikat Silizium zugegeben, so reagiert das in der ersten Stufe freigegebene Natriumhydroxyd mit dem Silizium unter Bildung einer Natrium-Silizium-Verbindung, von Wasserstoff und Wärme (Reaktionsstufe 2). Wenn die Reaktion gemäß Stufe 2 auftritt, wird also das Natriumhydroxyd der Stufe 1 verbraucht und damit das Gleichgewicht der Stufe 1 derart gestört, daß die Reaktion in Richtung der Freigabe weiteren Natriumhydroxyds und Siliziumsalzes fortschreitet. Damit läuft aber auch die zweite Reaktionsstufe weiter, mit dem Ergebnis weiterer Wärmebildung. Gemäß diesen Reaktionen tritt somit fortlaufend eine Dissoziation von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf, und zugleich oxydiert das Silizium zu Siliziumoxyd unter Bildung von Natriumsilikat. Die Folge ist ein Ansteigen des Siliziumdioxydgehalts im System. Dabei steigt infolge- der- Reaktionswärme die Temperatur des Systems an, wodurch die Reaktion beschleunigt und das Wasser aus dem System ausgetrieben wird. Der Wassergehalt in der Formstoffmischung sinkt damit sowohl infolge von Verdampfung als auch von Dissoziation äußerst schnell, wodurch die Viskosität der Natriumsilikate ansteigt. Ist das Wasser schließlich vollständig ausgetrieben und damit die Reaktion beendet, so liegen die Reaktionsstoffe in vollständig trockener Form vor. Besteht nun die FormstofF mischung aus mit Quarzsand vermischtem Wasserglas und Silizium, so ist beim getrockneten Endprodukt eine starke Bindung des Quarzsandes festzustellen, anders ausgedrückt, der Quarzsand wird im Verlauf der chemischen Reaktion zusammenbacken.
- Die erfindungsgemäße Formstoffmischung bedarf also keiner zusätzlichen Zündmasse, weist eine starke Bindekraft auf und gewährleistet eine hohe Festigkeit der daraus hergestellten Gießformen. Mit den angegebenen Verfahren zur Regelung der Härtungsgeschwindigkeit ist- es möglich; auf einfachste Weise den jeweils gewünschten. Härtungszeiten Rechnung zu tragen:-Die Erfindung.sdll nun an Hand der nachfolgenden Beispiele noch näher erläutert werden. Bei diesen Beispielen wurden die angegebenen Stoffe miteinander vermischt und dann aus dieser Mischung Probeformen hergestellt, welche dann bezüglich ihrer Druckfestigkeit und Gasdurchlässigkeit in verschiedenen Zeitabständen nach Entstehung der Formen geprüft wurden. Beispiel 1 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm) .. 100 KaMumsilizid (Korngröße <0,07 mm).. 2 Natriumsilikat (Molverhältnis 2; spezifisches Gewicht 1,3) .................. 4,5 2. Versuchsergebnis
Dabei soll unter »Durchlässigkeit (AFS)u ein Wert verstanden werden, der durch die Geschwindigkeit von unter einem bestimmten Druck stehender Luft, die durch eine definierte Probe hindurchgeleitet wird, ausgedrückt werden kann. Die Durchlässigkeit P ist dabei folgendermaßen gegeben: wobei o = Menge an hindurchgeleiteter Luft in cm3, h = Länge der Probe = 5 cm, p = Luftdruck = 10 cm (Wassersäule), A = Querschnitt der Probe bzw. Fläche des Luftdurchgangs = - cmz, t = für den Durchgang der Luftmenge o erforderliche Zeit in Minuten. Beispiel 2 1: Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand 1 (Korngröße etwa 0,15 mm) 100 Kalziumsilizid (Korngröße <0,07 mm) . . 4 Natriumsilikat (Molverhältnis 2; spezifisches Gewicht 1,5) .................. 14 2. VersuchsergebnisZeit, verstrichen zwischen der Her- Druckfestigkeit Durchlässigkeit stellung der Gießform und dem Versuch (Stunden) (kg/cm') (AFS) 0,5 4,7 177 2 6,9 185 24 12,2 185 Beispiel 3 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm) 100 Ferrosilizium (Korngröße <0,07 mm) 2 Natriumsilikat (Molverhältnis 2; spezifisches Gewicht 1,3) .................. 6 2. VersuchsergebnisZeit, verstrichen zwischen der Her- Druckfestigkeit Durchlässigkeit stellung der Gießform und dem Versuch (Stunden) (kg/cm2) (AFS) 0,5 13 135 2 22 140 24 70 160 Beispiel 4 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm) 100 Ferrosilizium (Korngröße <0,07 mm)... 4 Natriumsilikat (Molverhältnis 2; spezifisches Gewicht 1,5) .................. 14 2. VersuchsergebnisZeit, verstrichen zwischen der Her- Druckfestigkeit Durchlässigkeit tellung der Gießform und dem Versuch (Stunden) (kg/cm,) (AFS) 2 0,3 150 4 1,4 - 160 24 18,0 175 Bei der Herstellung der Gießform nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Notwendigkeit auftreten, die Dauer der erforderlichen Zeit (welche nachstehend als Erhärtungsdauer bezeichnet wird) vom Mischen der Bestandteile über den Härtevorgang bis zum Erhalt der endgültig erhärteten Gießform entsprechend ändern zu müssen. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Erhärtungsdauer gemäß den Erfordernissen gesteuert werden kann.Zeit, verstrichen zwischen der Her- Druckfestigkeit Durchlässigkeit stellung der Gießform und dem Versuch (Stunden) (kg/cm') (AFS) 1 20 125 2 35 135 4 55 140 24 90 140 - Die Erhärtungsdauer kann natürlich durch Regelung der Temperatur bestimmt werden, und zwar z. B. durch entsprechende Erhitzung oder Abkühlung des umgebenden Raumes und der Mischmaterialien, durch Änderung der Mischzeit und der Mischerdrehzahl sowie zusätzlich durch Verwendung einer bestimmten Korngröße der siliziumhaltigen Stoffe. Durch eine erfindungsgemäß aus einer Reihe nachstehend eingehend beschriebener Maßnahmen gewählte Arbeitsweise zum Regeln der Erhärtungsdauer jedoch kann die letztere auf eine genaue und zuverlässige Weise innerhalb eines weiten Bereiches systematisch und wirkungsvoll festgelegt werden.
- 1. Erhärtungsdauer-Regelung durch Änderung der Mischung der Stoffe erforderlichen Zeit Die Erhärtungsdauer ändert sich bis zu einem gewissen Grade mit der Zusammensetzung des Siliziummaterials, doch kann sie auch durch Änderung ' der für die Mischung der Stoffe verwendeten Zeit zusätzlich bestimmt werden. Folgende Versuchsbeispiele werden in Tabelle 1 bzw. 2 veranschaulicht: Tabelle 1 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile a) Quarzsand ........................ 100 Wasserglas (spezifisches Gewicht 1,3) 5 Kalziumsilizid (Korngröße <0,05 mm) 2 b) Quarzsand ........................ 100 Wasserglas (spezifisches Gewicht 1,3) 5 Ferrosilizium (Korngröße <0,05 mm) 2 2. Versuchsergebnis (Erhärtungsdauer) Mischung a): 4 bis 10 Minuten, Mischung b): 60 bis 240 Minuten. Tabelle 2 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand .......................... 100 Ferrosiliziumpulver ................... 2 Wasserglas (spezifisches Gewicht 1,3).... 5 2. Versuchsergebnis
2.Erhärtungsdauer-RegelungdurchÄnderungderKorngröße des Siliziummaterials bzw. der Siliziumverbindung Durch Änderung der Korngröße des Siliziums bzw. der Siliziumverbindung - wie z. B. Kalziumsilizid oder Ferrosilizium - und somit des Reaktionsbereiches kann die Abbindezeit ungeachtet des Mischungsverhältnisses ebenfalls geregelt werden. Die Versuchsergebnisse sind wie folgt: Tabelle 3 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Ferrosilizium ........................ 4 Natriumsilikat (spezifisches Gewicht 1,3) 10 2. VersuchsergebnisLufttemperatur (° C): 10 oder Erhärtungsdauer (Minuten) Mischungszeit darunter (Minuten) 1 - 36,3 53,4 35,3 32,0 2 62,5 28,0 23,8 22,0 20,0 3 53,7 23,7 20,0 18,4 15,3 4 38,3 18,0 16,8 13,8 - 5 25,6 15,2 12,4 - - 6 - - , 10,0 , - - Tabelle 4 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm)... 100 Ferrosilizium ............. ........... 2 Natriumsilikat (spezifisches Gewicht 1,3) 5 2. Versuchsergebnis Zeit, verstrichen zwischen der Herstellung der Form und dem Versuch: 24 StundenDurchschnittskorngröße des Ferrosiliziums (in Mikron) 8,34 1 6,23 ' 6,09 i 5,57 I 3,82 Umsetzungs- zeit(Minuten) 40,0 24,0 22,0 18,0 15,0 3. Erhärtungsdauer-Regelung durch Behandlung der Teilchenoberflächen der pulverförmigen Siliziumverbindungen Durch Oxydierung oder andersartige Veränderung der Teilchenoberflächen des Siliziums bzw. der pulverartigen siliziumhaltigen Verbindungen bis zu einer entsprechenden Tiefe, z. B. durch Einspritzen von Wasser, durch Luft- oder Hitzeeinwirkungen oder durch Behandlung mit entsprechenden Chemikalien mit sich dabei ergebender Änderung der Reaktionsbedingungen für Natronlauge kann die Erhärtungsdauer geändert werden. Dies wird durch das folgende Versuchsergebnis veranschaulicht. 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm) 100 Ferrosilizium (Korngröße <0,05 mm)... 2 Natriumsilikat (Molverhältnis 2; spezifisches Gewicht 1,3) .................. 5 Eine Probe der oben angegebenen Mischung wurde mit unbehandeltem Ferrosilizium und die beiden anderen Proben mit Ferrosilizium versetzt, welches so behandelt wurde, wie in Tabelle 5, worin auch die Reaktionsmeßzeiten dieser Proben angegeben sind, gezeigt ist: Tabelle 5Durchschnittskomgröße Druckfestigkeit Durchlässigkeit des Ferrosiliziums (Mikron) (kg/cm) (AFS) 8,34 25,5 200 6,23 25,0 195 6,09 26,0 181 5,57 25,5 183 3,82 24,5 196 4. Erhärtungsdauer-Regelung durch Zusetzen von Natronlauge zum Wasserglas veranschaulicht durch die folgende Tabelle: 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm) 100 Natriumsilikat (Molverhältnis 2; spezifisches Gewicht 1,3) .................. 10 Ferrosilizium (Korngröße <0,07 mm)... 4 Mehrere Proben dieser Mischung wurden mit unterschiedlichen Anteilen von Natronlauge (20% wäßrige Lösung), welche zum Natriumsilikat zugegeben wurde, hergestellt und dabei folgende Erhärtungsdauern gemessen: Bei Ferrosilizium:Durchschnitts- Erhärtungs- Behandlung von Fe-Si-Pulver korngröße dauer von Fe-$1 (Mikron) (Minuten) Keine Behandlung ....... 4,82 12 100/0 Wasser eingespritzt; Verbleib: 24 Stunden . . 4,82 24 10 % einer 3 0/0-Lösung von Wasserstoffsuperoxyd zugegeben; Verbleib: 24 Stunden ........... 4,82 23 5. Erhärtungsdauer-Regelung durch Verwendung eines Natriumsilikates mit unterschiedlichem Silikat-Natron-Verhältnis Es wurde festgestellt, daß sich die Reaktionsgeschwindigkeit entsprechend dem Verhältnis Silikat-Natron (Si02/Na20) des Natriumsilikates ändert. Durch entsprechende Änderung dieses Verhältnisses kann die Erhärtungsdauer leicht geregelt werden, wie aus dem nachfolgenden Beispiel ersichtlich ist: Drei Proben wurden durch jeweiliges Mischen von 4 g Ferrosilizium (Korngröße: 3,8 Mikron) mit 10 g Natriumsilikat (spezifisches Gewicht 1,3) hergestellt, welches mit Wasser versetzt wurde, wobei das Si02/Na20-Verhältnis des Natriumsilikates bei den drei Proben 1 bzw. 2 bzw. 3 betragen hat. Das Meßergebnis der Zeit bis zum Erhalt der Maximaltemperatur als Hinweis für die Reaktionsgeschwindigkeit ist in Tabelle 7 angegeben: Tabelle 7Menge der dem Natriumsilikat Erhärtungsdauer zugegebenen Natronlauge (°/o) (Minuten) 0 280 5 140 10 170 15 180 - 6. Erhärtungsdauer-Regelung durch Änderung des Mischungsverhältnisses zwischen den verschiedenen Siliziumverbindungen Da Kalzium und Ferrosilizium verschiedene Erhärtungsreaktionszeiten haben, kann durch entsprechende Mischung dieser Stoffe die Erhärtungsdauer geregelt werden. Die diesbezüglichen Versuchsergebnisse sind in Tabelle 8 bzw. 9 gezeigt. Tabelle 8 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm) ... 100 Mischung von Ferrosilizium/Kalziumsilizid .............................. 2 Natriumsilikat (spezifisches Gewicht 1,3) 5 2. Versuchsergebnis Tabelle 9 1. Mischung (wie in Tabelle 8) 2. VersuchsergebnisMischungsverhältnis Zur Erreichung einer maxi- Ferrosilizium/Kalziumsilizid malen Oberflächenhärte er- forderliche Zeit (Minuten) 0/100 4 20/ 80 5 40/ 60 7 60/ 40 10 80/ 20 20 100/ 0 60 7. Erhärtungsdauer-Regelung durch Kombination von zwei oder drei der in 1 bis 6 erwähnten Maßnahmen wie z. B. durch eine Kombination der Änderung der Mischdauer gemäß Punkt 1 mit einer Änderung der Korngröße des Siliziumstoffes bzw. der Siliziumverbindung gemäß Punkt 2. Dieses Beispiel ist in F i g. 2 durch Versuchsergebnisse veranschaulicht. Tabelle 10 1. Mischung (Gewichtsteile) Teile Quarzsand (Korngröße etwa 0,15 mm) ... 100 Ferrosilizium ......................... 2 Natriumsilikat (spezifisches Gewicht 1,3) 5 2. Mischer (Knetwerk) Drehzahl ............ 70 Umdrehungen/Minute Kapazität............ 100 kg/Beschickung 3. Versuchsergebnis Durchschnittskorn-Mischzeit I größe des Erhärtungsdauer Ferrosiliziums (Minuten) I (Mikron) (Minuten) 3 2,5 141 5 2,5 105 3 1,77 30 5 1,77 20 3 1,04 25 5 1,04 15 Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Gießform nicht nur eine große Festigkeit, sondern auch schon anfänglich einen niedrigen Wassergehalt aufweist, welcher im Laufe der Formbildung durch die Wasserzersetzung und die infolge der Reaktionswärme entstehende Trockenwirkung weiter herabgesetzt wird, so daß der Feuchtigkeitsgehalt der erhärteten Gießform außerordentlich niedrig ist. Da die Gießform ferner sehr gasdurchlässig ist, kann sie statt der herkömmlichen Feuchtsandgießformen vorteilhaft verwendet werden, aber auch dann, wenn bisher Trockengießformen verwendet wurden, da Feuchtsandformen nicht benutzt werden konnten, wobei bei Verwendung der erfindungsgemäßen Form der Trockenvorgang überflüssig ist.Druckfestigkeit (kg/cm') Mischungsverhältnis Zeit, verstrichen zwischen der Ferrosilizium/Kalziumsilizid Herstellung der Gießform und dem Versuch 30 69 120 (°/o) Minuten Minuten Minuten 0/100 7,2 8,4 . 12,8 . 20/ 80 5,0 6,3 9,0 40/ 60 3,8 5,0 7,2 60/ 40 2,8 4,0 6,5 80/ 20 0,8 1,8 4,5 100/ 0 0,3 0,4 3,2 - Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Möglichkeit, Bedingungen mit einer außerordentlichen Fließfähigkeit des Sandes zu wählen. Die Erfindung kann demgemäß bei all den bisherigen verschiedenen Formverfahren innerhalb eines außerordentlich weiten Anwendungsbereiches Verwendung finden, d. h. Spritz- oder Sprühverfahren USW.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es ferner möglich, die erwünschte Erhärtungsdauer der Form gemäß der Notwendigkeit willkürlich zu bestimmen.
- Selbstverständlich ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, verschiedenartige Zusatzstoffe, wie z. B. Säge- oder Holzmehl, kohlenstoffhaltige Stoffe und Pech je nach den jeweils erforderlichen Eigenschaften der Gießform zu verwenden.
Claims (7)
- Patentansprüche: 1. Formstofmischung zum Herstellen von selbsthärtenden Gießformen aus feuerfestem, körnigem Material und Wasserglas, d a d u r c h gekennzeichnet, daß sie pulverförmiges Silizium oder pulverförmige Siliziumlegierungen enthält.
- 2. Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit der Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch Ändern der Mischzeit der Bestandteile erfolgt.
- 3. Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit der Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch Ändern der Korngröße des Siliziums oder der Siliziumlegierung erfolgt.
- 4. Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit der Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch Behandlung der Oberflächen des pulverförmigen Siliziums oder der Siliziumlegierung erfolgt.
- 5. Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit der Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch Zusetzen einer bestimmten Menge von Natronlauge zum Wasserglas erfolgt.
- 6. Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit der Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch die Verwendung von Natriumsilikat mit einem « unterschiedlichen SiOa/Na20-Verhältnis erfolgt.
- 7. Verfahren zum Regeln der Härtungsgeschwindigkeit der Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Siliziumlegierungen zugegeben werden und die Regelung durch Ändern des Zugabeverhältnisses der unterschiedlichen Siliziumlegierungen erfolgt.
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