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Form- und Kernsandbindemittel auf Basis von Silikaten organischer
Basen Gegenstand der Erfindung sind wasserlösliche silikatische Fc-F-und Kernsandbindemittel
sowie binderhaltige Form- und Kernsamischungen für das Kohlensäure-Erstarrungsverfahren
zur Hersv lung von Gießformen und Kernen für den Metallguß.
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Die erfindungsgemäßen Bindemittel für Sandformen und Sandkerne zur
Fertigung von Gußstücken aus metallischen Werkstoffen, it: besondere Gußeisen, Leicht-
und Schwermetallen, bestehen aus wäßrigen Lösungen von Silikaten starker organischer
Basen, vcrzugsweise aus wäßrigen Guanidinsilikatlösungen oder aus Gernisz:e=i von
Guanidinsilikatzusammensetzungen und Alkalisilikaten.
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Ferner können wäßrige quartäre Ammoniumsilikatlösungen wie T=-= -alkyl-,
Tetraäthanol-, Methyltriäthanol-, Phenyltrimethyl- u=: Dimethyldibenzylamirtoniumsilikat
als solche oder im Gemisch Alkalisilikaten als Bindemittel verwendet werden.
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Des weiteren bestehen die erfindungsgemäßen mit Kohlendioxid kalthärtenden
Form- und Kernsandmischungen für Gießformen un Kerne aus natürlichen oder synthetischen
Formsanden und Guan: silikat oder quartären Amnioniumsilikaten oder aus Quarzsand
(oder aluminiumoxidhaltigem Quarzsand oder Zirkonsand oder S-motte) und Gemischen
von Guanidinsilikat und Wasserglas oder handelsüblichen Wasserglasbindern.
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Außerdem- betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
Guanidinsilikat-Wasserglas-Gemischen als Form- und Kernsandbindemittel, indem man
wäßrige Lösungen-von Guanidiniumhydroxid mit neutralen (Modul = 3,3 - 3,4) oder
hochkieselsauren (Modul = 3,9 - 4,0) Natronwasserglaslösungen versetzt.
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Aussparungen in einem metallischen Gußstück werden dadurch erzielt,
daß im allgemeinen Sandkerne, die auf besondere Art gebunden sind, in die Form eingelegt
und von dem flüssigen Metall teilweise oder ganz umgossen werden. Diese Kerne werden
nach Erstarren des Gußstücks entfernt und ergeben dann die Aussparungen oder Hohlräume.
An die Beschaffenheit und Eigenschaften der Kerne werden in den meisten Fällen höhere,
Anforderungen gestellt als an die Form.
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In den letzten beiden Jahrzehnten ist in den Eisen- und Metallgießereien
ein Formverfahren eingeführt worden, das unter dem Namen "Kohlensäure-Erstarrungsverfahren"
bekannt geworden ist.
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Das: Verfahren beruht darauf, daß dem Form- oder Kernsand als Bindemittel
wasserlösliches Natriumsilikat (Natronwasserglas) zugesetzt und die Form oder der
Kern nach dem Ausstampfen mit dieser Formsandmischung durch Einblasen von Kohlendioxid
gehärtet wird.
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Wasserglas als mit Kohlensäure reaktives Bindemittel für Form-und
Kernsande hat neben vielen Vorteilen auch folgende Nachteile: 1.) Es ist allgemein
bekannt, daß wasserglasgebundene Formen und Kerne nach dem Abguß noch von erheblicher
Festigkeit sind und daher schlecht zerfallen. Das Entfernen der Kerne aus dem fertigen
Gußstück ist deshalb erschwert. Der schlechte Kernzerfall bedingt hohe Putzzeiten.
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Das Entkernen und Putzen der Gußstücke ist eine zeitraubende und
kostspielige Arbeit, da Hilfskräfte beschäftigt und besondere arbeitshygienische
Maßnahmen zur Lärm- und Staubverminderung getroffen werden müssen. Man hat daher
dem Wasserglas
sogenannte Zerfallsförderer, wiePechkohle, Bitumen,
Kohlenstaub, Holzmehl oder Kohlehydrate, zur Begünstigung des Kernzerfalls zugesetzt.
Dennoch ist man mit den Zerfallseigenschaften der Wasserglaskerne nicht zufrieden
-die Putzzeiten sind immer noch unverhältnismäßig hoch.
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2.) Formsand-Wasserglas-Mischungen härten beim Ablagern an der Luft
schnell aus. Diese Tatsache bereitet bei der Serienfertigung von Sandformen und
Kernen mit Wasserglas als Bindemittel Schwierigkeiten, da die binderhaltigen Sandmischungen
nicht auf Transportbändern vom Aufbereitungsort zu den Bunkern befördert werden
können.
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3.) Im Gegensatz zu den hohen Festigkeitswerten bei getrockneten Erstarrungskernen
weisen die nach dem Kohlensäure-Erstarrungsverfahren ausgehärteten Sandkerne relativ
niedrige Werte auf. Es wurden daher bereits Schritte unternommen, die Festigkeiten
wasserglasgebundener Kerne durch Zusätze zu erhöhen, um gießtechnische Schwierigkeiten
auszuschalten.
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Hierbei ist jedoch nicht zu umgehen, daß mit erhöhten Festigkeitswerten
auch ein Verlängern der Putzzeiten infolge schlechten Zerfalls eintritt.
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Die vorliegende Erfindung hatte zum Ziel, die Anwendungseigenschaften
des Kohlensäure-Erstarrungsverfahrens zu verbessern und seine Wirtschaftlichkeit
zu erhöhen. Die Aufgabe der Erfindung bestand in der notwendigen Entwicklung und
Schaffung neuer Bindemittel und Bindemittelsysteme zur Herstellung von Sandformen
und Sandkernen mit optimalen Zerfallseigenschaften für den Guß metallischer Werkstoffe.
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Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die herkömmlichen
Wasserglasbindemittel in Form- und Kernsandmischungen zur Herstellung von Gußstücken
aus metallischen Werkstoffen teilweise oder vollständig durch wasserlösliche Silikate
starker organischer Basen enthaltende, insbesondere durch Guanidinsilikat oder technisch
zugängliche quartäre Ammoniumsilikate ersetzt wurden.
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Diese silikatischen Kern- und Formsandbindemittel auf Basis starker
organischer Basen härten mit Kohlendioxid ifl der gleichen Weise wie Wasserglas
aus. Sie sind zur Herstellung von Form- und Kernsandmischungen wesentlich besser
als die herkömmlichen Wasserglasbinder geeignet. Abgegossene Kerne und Formen, die
diese neuartigen, mit Kohlensäure reaktiven Bindemittel enthalten, zerfallen wesentlich
leichter als Wasserglaskerne.
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Überraschenderweise wurde gefunden, daß wasserlösliche Guanidinsilikatzusammensetzungen
hervorragende Bindemittel zur Fertigung von Sandformen und Kerne für den Metallguß
darstellen.
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Mit Guanidinsilikat gebundene Kerne besitzen nach dem Gießen optimale
Zerfallseigenschaften, so daß die Gußstücke aus Eisen, Leicht- oder Schwermetall
sehr leicht entkernt werden können.
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Der Kernsand rieselt bereits bei leichter Erschütterung heraus, wodurch
sich erhebliche Putzkosten einsparen lassen. Die Verwendung von Guanidinsilikat
als Kernsandbindemittel bedeutet nicht nur erhebliche Kostenersparnisse in der Putzerei,
sondern gleichzeitig eine Kapazitätserweiterung, infolge beschleunigter Abwicklung
des Arbeitsvorganges.
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Guanidinsilikat, dessen Herstellung bereits in der Deutschen Auslegeschrift
1 300 927 beschrieben worden ist, stellt ein wasserglasanaloges, silikatisches und
mit Kohlensäure kalthärtendes Bindemittel dar, das aus den Einzelkomponenten Guanidin
und KieS selsäure besteht. Das Gewichtsverhältnis Guanidin : Siliciumdioxid kann
in sehr weiten Grenzen zwischen 2 : 1 und 0,7 : 1 variiert werden. Als Bindemittel
für Form- und Kernsand werden vorzugswei se Guanidinzusammensetzungen mit den Gewichtsverhältnissen
Guanidin : SiO2 = 0,8 bis 1,2 in Form ihrer lagerstabilen 40-60-%igen wäßrigen Lösungen
verwendet. Formsandmischungen zur Herstellung von Formen und Kernen mit vergleichbaren
Eigenschaften gegenüber anderen Formverfahren enthalten in der Regel 2 - 5 Gew.-%
dieser Bindemittel.
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Beispielsweise wurden beim Guß von Eisen, Aluminium- und Kupferlegierungen
sehr gute Ergebnisse erzielt, indem zur Kernherstellung dem in der Gießereiindustrie
üblichen Quarzsand 2,5 - 5 Gew.% einer etwa 50 %igen wäßrigen Guanidinsilikatlösung
mit 25 Gew.% Guanidin und 25 Gew.% Siliciumdioxid ttIolverhältnis Guanidin : SiO2
= 0,98) als Binder zugesetzt wurden.
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Form- und Kernsandmischungen mit Guanidinsilikat als Bindemittel werden
mit Kohlendioxid in analoger Weise wie wasserglashaltige Sandmischungen nach dem
Kohlens äure-Erstarrungsverfahren ausgehärtet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit
Guanidinsilikat eine höhere Anfangsfestigkeit bei kürzerer Begasungszeit erzielt
werden konnte. Zum Erreichen ausreichender Festigkeitswerte genügt daher eine erheblich
kürzere Begasungszeit.
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Das bedeutet eine wesentliche Senkung des Kohlendioxidverbrauchs-
als wichtiger Kostenfaktor.
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Guanidinsilikatgebundene Kerne können aufgrund ihrer wesentlich höheren
Anfangsfestigkeitswerte gegenüber Wasserglaskernen sofort nach ihrer Herstellung,
d.h. nach dem Begasen mit Kohlendioxid, verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil von Guanidinsilikat als Form- und Kernsandbindemittel
besteht darin, daß fertige Formstoff-Guanidinsilikat-Mischungen längere Zeit gelagert
werden können, während mit Wasserglas aufbereitete Sandmischungen beim Stehen an
der Luft schnell austrocknen und abbinden, so daß sie unter Luftabschluß zu lagern
oder zumindest vor stärkerer Berührung mit der Luft zu schützen sind. Durch Verwendung
von Guanidinsilikat ist die Möglichkeit gegeben, eine schnellere Austrocknung zu
verhindern und damit binderhaltige Sandmischungen auf Transportbändern zu fördern.
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Des weiteren hat sich gezeigt, daß Quarzsand-Guanidinsilikat-Mischungen
ein besseres Fließvermögen besitzen und die Kern-und Formherstellung dadurch erleichtert
wird.
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Außerdem wurde gefunden, daß Guanidinsilikat auch in Verhindung mit
Wasserglas oder üblichen Wasserglasbindern als Bindemittel für Kern- und Formsand
zur Herstellung von Kernen und Formen mit guten Zerfaliseigenschaften angewendet
werden kann.
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Durch Zusatz von Guanidinsilikat können die anwendungstechnischen
Eigenschaften von reinem Wasserglas und herkömmlichen Wasserglasbindern hinsichtlich
Lagerfähigkeit der fertigen Sandmischungen, Kohlendioxidverbrauch, Anfangsfestigkeit
und Zerfall der Kerne entsprechend der erfindungsgemäßen Aufgabe erheblich verbessert
werden.
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Sandmischungen, die neben Wasserglas noch Guanidinsilikat als Binderkomponente
enthalten, haben wesentlich bessere Eigenschaften als nur natriumsilikathaltige
Mischungen und lassen sich leicht aus den abgegossenen Gußstücken entfernen.
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Durch Verwendung von Guanidinsilikat-Wasserglas-Gemitchen als Kernsandbindemittel,
die durch einfaches Mischen von Guanidinsilikat mit Wasserglaslösungen hergestellt
werden können, werden ebenfalls die Putzzeiten und -kosten stark gesenkt.
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Binderkombinationen mit sehr guten Eigenschaften wurden durch Mischen
von jeweils 100 Gew.Tln. einer 40-60 %igen Guanidinsilikatlösung mit dem Gewichtsverhältnis
der Einzelkomponenten Guanidin : SiO2 = 0,8 - 1,2 mit 0 - 100 Gew.Tln. herkömmlichem
Wasserglasbinder oder 0 - 100 Gew.Tln. Wasserglas mit einem Modul von 2,0 - 3,3
erhalten. Zur Herstellung der Formen und Kerne wurden dem Quarzsand jeweils 2 -
5 Gew.% derartiger Bindermischungen zugesetzt.
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Als Bindemittel zur Herstellung von Sandkernen für den Leicht-und
Schwermetallguß sowie den Grauguß hat sich beispielsweise ein Gemisch von 62,5 Gew.Tln.
48 eisiger Guanidinsilikatlösung mit 23 Gew.% Guanidin und 24-Gew,96 Siliciumdioxid
mit 37,5 Gew.-Tln. handelsüblichem Wasserglasbinder mit Modul 2,5 und einer Dichte
1,6 g/cm³ vorzüglich bewährt.
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Es hat sich gezeigt, daß auch durch Zusatz von Guanidinbaso in Form
ihrer wäßrigen Lösungen zu neutralen oder hochkieselsauren Natronwasserglaslösungen
Modul = 3,3 - 3,4 bzw. 3,9 -4,0) in einfacher Weise Bindemittelsysteme zugänglich
sind, die in ihrer Zusammensetzung und in ihren Eigenschaften als Form- und Kernsandbindemittel
den oben beschriebenen Guanidinsilikat-Wasserglas-Lösungen entsprechen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe, Formstoffmischungen für das Kohlensäure-Erstarrungsverfahren
mit verbesserten anwendungstechnischen Eigenschaften zur Herstellung von Sandformen
und Sandkernen für den Metallguß zu schaffen, konnte dadurch gelöst werden, daß
den in der Gießereiindustrie üblichen Form- und Kerns anden als Bindemittel Silikate
von starken organischen Basen oder auch Gemische dieser Silikatzusammensetzungen
mit technischen Natronwassergläsern oder herkömmlichen Wasserglasbindern beigemischt
wurden. Die der Erfindung zugrundeliegenden Bindemittel und Bindemittelkombinationen
mit Wasserglas weisen wesentliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Wasserglasbindern
auf: 1.) Erheblich bessere Zerfaliseigenschaften der abgegossenen Formen und Kerne;
2.) bessere Lagerfähigkeit der fertigen, binderhaltigen Sandmischungen; 3.) Senkung
des Kohlensäureverbrauchs, 4.) höhere Anfangsfestigkeitswerte der Formen und Kerne
nach Begasen mit Kohlendioxid; 5.) besseres Fließvermögen der Sandmischungen.
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Das Kohlensäure-Erstarrungsverfahren konnte also durch die vorliegende
Erfindung technisch und wirtschaftlich verbessert werden.
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Beispiele Beispiel 1 Festigkeiten von Sandmischungen und -kernen mit
Guanidinsilikat allein oder Mischungen von Guanidinsilikat mit Wasserglas nach verschiedenen
Begasungszeiten.
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Die Versuche wurden mit handelsüblichem Quarzsand H 32 (Balterner
Quarzsand) durchgeführt. Zur Herstellung der Probekerne wurden als Bindemittel eine
47 'yÓige wäßrige Lösung von Guanidinsilikat (23 Gew.% Guanidin, 24 Gew.% Siliciumdioxid)
und ein handelsüblicher Wasserglasbinder (mit einem Modul 2,5 und unbekanntem Zusatz
an Zerfallförderer) sowie Gemische von beiden verwendet. Die Festigkeit wurde durch
Messung der Spaltfestigkeit nach DIN 52 401 an zylindrischen Probekörpern von 50
r1Ir1t, d und 50 mm Höhe charakterisiert. Diese Probekörper wurden immer in gleicher
Weise durch 3 Rammschläge verdichtet.
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Die Spaltfestigkeit wurde jedesmal sofort nach dem Begasen mit Kohlendioxid
gemessen. Hierbei wurden die in Tabelle 1 wiedergegebenen Ergebnisse erhalten: Tabelle
1
| 2 |
| Spaltfestigkeit in N / cm |
| Begasungszeit |
| Binderzusatz in Gew.% (Ilohlendioxid) |
| zu Quarzsand H 32 |
| 10 Sek. 20 Sek. 30 Sek. |
| 4,0 % Wasserglasbinder |
| (WG) 5,2 8,3 14,5 |
| 4,0 % Guanidinsilikat |
| (GS) 13,5 16,8 17,6 |
| 2,5 % GS + 1,5 % WG 11,6 21,2 22,2 |
| 2,0 % GS + 2,0 % WG 11,3 17,8 21,0 |
Man erkennt daraus, daß alle Sandmischungen, die Guanidinsilikat
enthalten, unmittelbar nach dem Durchleiten von Kohlendioxid erheblich höhere Festigkeit
besitzen als die mit Wasserglas gebundenen Mischungen.
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Fast gleichartige Ergebnisse erhält man bei Verwendung von Tetra
äthyl-, Methyltriäthanol- oder Phenyltrimethyl-ammoniumsilikat anstelle von Guanidinsilikat.
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Beispiel 2 Zerfallseigenschaften von Kernen mit Guanidinsilikat oder
Mischungen von Guanidinsilikat und Wasserglas als Bindemittel.
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Die Zerfallseigenschaften wurden nach einem von W. Pohl und II. Sagmeister
(Gießerei-Rundschau 16 (12), 23-28 (1969)> entwickelten Prüfverfahren untersucht.
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- -Dazu wurden Prüfkerne entsprechend Beispiel 1 nach 24 h Lagerzeit
5 Min. lang bei 1020 C wärmebehandelt. Die gewogenen Kerne wurden dann in der Prüfapparatur,
die aus einer drehbaren Siebtrommel mit Mitnehmern besteht, untersucht, wobei festgestellt
wurde, nach welcher Zeit vollständiger Zerfall (100 %) bzw. teilweiser Zerfall eingetreten
ist. Es wurden die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse erhalten: Tabelle 2
| Binderzusatz in Gew.% zu Zerfall nach Zeit |
| Binderzusatz in Gew.% zu |
| Quarzsand H 32 in % in Sek |
| 4,0 % Wasserglas (WG) 1 30 |
| 4,0 % Guanidinsilikat (GS) 100 0 |
| 2,5 % GS + 1,5 % WG 100 19 |
| 2,0 *,4 GS + 2,0 % GS 15 30 |
Beispiel 3 Praktische Gießereiversuche a) Es wurden Kernsandmischungen
mit 4 Gew.% Guanidinsilikat (entsprechend Beispiel- 1) bzw. mit 2,5 Gew.% Guanidinsilikat
+ 1,5 Gew.% Wasserglasbinder (entsprechend Beispiel 1) bzw. mit 4 Gew.% reinem Wasserglasbinder
(entsprechend Beispiel 1) geprüft, wobei nicht nur der Kern, sondern auch die äußere
Form jeweils aus der gleichen Kernsandmischung hergestellt nsLden. Die Abgüsse erfolgten
mit Stahlguß (Gießtemperatur ca. 16000 C), Grauguß (14000 ß), Messing (10500 C)
und Aluminium (7100 C). Nach dem Herausnehmen aus der Form zerfielen die Kerne und
Formen mit 4 Gew.% Guanidinsilikat bzw. mit 2,5 Gew.% Guanidinsilikat + 1,5 Gew.%
Wasserglasbinder außerordentlich leicht. Der Zerfall war umso leichter, je höher
die Gießtemperatur lag.
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- Der Zerfall war jedoch auch beim Aluminiumguß sehr gut. So konnten
z.B. die Kerne auch in den dünnen Partien bei allen Abgüssen durch leichte Schläge
von außen entfernt werden, während das bei den wasserglasgebundenen Kernen nicht
möglich war. Dort mußten die Kerne mechanisch entfernt werden.
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Die Abgüsse aus Grauguß, Messing und Aluminium erwiesen sich als
vollständig dicht. Wie metallographische Schliffe zeigten, konnten die Oberflächen
nicht von denen wasserglasgebundener Kerne unterschieden werden.
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b) Ein verhältnismäßig großer Kern von 180 kp Gewicht wurde aus einer
Sandmischung hergestellt, der 2,5 Gew.% Guanidinsilikat (Zusammensetzung entsprechend
Beispiel 1) + 1,5 Gew.% handelsüblicher Wasserglasbinder mit Modul 2,5 und der Dichte
1,6 g/crn3 als Bindemittel beigemischt worden waren. Dieser Kern wurde, ausgenonmen
die Kernmarken, mit Aluminiumlegierung vollstandig umgossen. nie Arbeitszeit zur
Entiernunq dieses Kerns nach dem Gießen betrug bei dcin guanidinsilikathaltigen
Binder nur 30 % gegentiSsr einem Kern, der mit dem entsprechenden ;dsserglashinder
+ zerfallförderer abgebunden worden war (100 %).
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c) Zur Herstellung einer Serie von Kernen (Kerngewicht: 38 kp) für
Gebläsegehäuse wurde eine Kernsandmischung aus 96 Gew.-Tin. Quarzsand, 2,5 Gew.Tln.
Guanidinsilikatlösung (23,6 % Guanidin, 24,7 % Si02) und 1,5 Gew.Tln. Wasserglasbinder
(Modul - 2,5; Dichte = 1,6 g/cm³) bereitet. Die Kerne wurden durch Begasen mit Kohlendio:-id
ausgehärtet. Hierbei ging der Kohlendioxidverbrauch gegenüber den wasserglasaebundenen
Vergleichskernen (4 Gew.% Wasserglasbinder obiger Zusammensetzung) erheblich zurück.
Die Formen wurden mit Aluminiumlegierung abgegossen. Die Abspaltung von Am-moniak
durch Zersetzung der Guanidinkomponente konnte nur beim Entleeren in heißem Zustand
und nur in unmittelbarer Nähe der Gußstücke oder des entleerten heißen Sandes wahrgenommcn
werden. Beine Geruchsbelästigung in der Halle trat auch beim heißen Entformen einer
großen Anzahl von Gußteilen über mehrere Tage hinweg nicht auf. Im Vergleich zu
den relnen Wasserglaskernen (mit- Zerfailförderer) konnten die Putzzeiten von 4
Min, 1 Sek. auf 3 Min, 7 Sek. (heiß entleert), das heißt um 22,5 %, bzw. von 4 Min,
8 Sek. auf 2 Min, 39 Sek. (kalt entleert), das heißt um 36 %,im Durchschnitt gesenkt
werden.
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d) Beim Abgießen von Getriebegehäusen in Kokillen mit Aluminium unter
Verwendung von Sandkernen (Kerngewicht 12 kp) entsprechend Beispiel 3c wurden die
in Tabelle 3 wiedergegebenen Putzzeiten erhalten:
Tabelle 3
| a) heiß entleert Verqleichskerne Guanidinsilikat- |
| Wassero,las |
| b) kalt entleert 4 Gew.% Wasser- 4 Gew.% Binder- |
| glasbinder (Mo- mischung |
| dul = 2,5, Guanidin/Wasser- |
| Dichte = 1,6 glas = |
| g/cm3) + Zer- 2,5 : 1,5 |
| fallförderer |
| a) Putzzeiten |
| in Sek.: 31 22 |
| 35 25 |
| 38 lo |
| 40 25 |
| 40 26 |
| 42 26 |
| 41' 15 |
| 39 10 |
| 38 (Mittel) 20 (Mittel) |
| b) Putzzeiten |
| in Sek.: 40 28 12 |
| 41 28 11 |
| 43 29 13 |
| 35 14 09 |
| 30 22 25 |
| 28 21 28 |
| 31 18 19 |
| 35 ia 21 |
| 32 25 23 |
| 32 16 13 |
| 10 10 |
| 09 12 |
| 35 (Mittel) 18 (Mittel) |