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EP1064112A1 - Verwendung von eisenglimmer bei der herstellung von gussformen - Google Patents

Verwendung von eisenglimmer bei der herstellung von gussformen

Info

Publication number
EP1064112A1
EP1064112A1 EP99909984A EP99909984A EP1064112A1 EP 1064112 A1 EP1064112 A1 EP 1064112A1 EP 99909984 A EP99909984 A EP 99909984A EP 99909984 A EP99909984 A EP 99909984A EP 1064112 A1 EP1064112 A1 EP 1064112A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
iron
molding material
iron mica
mica
additive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP99909984A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1064112B1 (de
Inventor
Günther POKORNY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karntner Montanindustrie GmbH
Original Assignee
Karntner Montanindustrie GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karntner Montanindustrie GmbH filed Critical Karntner Montanindustrie GmbH
Priority to AT99909984T priority Critical patent/ATE240174T1/de
Publication of EP1064112A1 publication Critical patent/EP1064112A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1064112B1 publication Critical patent/EP1064112B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the use of iron mica for the production of casting molds, in particular lost casting molds, and cores for the casting of castings from non-ferrous, cast iron and cast steel alloys and mixtures of iron mica containing molding materials.
  • iron mica can also be used as an additive for coatings for molds and cores, used in the entire field of the foundry industry, and as an additive for exothermic food aids.
  • a lost mold is a sand mold, solidified by organic or inorganic binders (e.g. clays, resins) which can only be used once and must be destroyed after casting to empty the castings.
  • organic or inorganic binders e.g. clays, resins
  • Cores have the task of forming cavities or undercut external contours in the cast part. According to their usability, a distinction is made between cores for single use (lost cores, sand cores) and permanent cores (metal cores), which are used repeatedly. Sand cores are separately manufactured inner mold parts. They are inserted, inserted or hung into the outer mold parts when assembling the mold. A large percentage of both lost molds and lost cores are used in the foundry industry today mainly because they can be manufactured relatively inexpensively and the mold material can be reprocessed after the molds have been destroyed and reused to produce new molds.
  • Finishing or blackening are refractory materials that are used in liquid or pasty form to produce a thin coating on the mold walls or cores (sand cores, metal cores) and have heat-insulating, heat-conducting, smoothing, separating or blocking effects.
  • mold material coatings are refractory materials that are used in liquid or pasty form to produce a thin coating on the mold walls or cores (sand cores, metal cores) and have heat-insulating, heat-conducting, smoothing, separating or blocking effects.
  • Suitable and suitable additives are mixed with these coatings.
  • the molds required for the production of cast products in the casting process are made with molding materials that consist of binder (organic or inorganic), molding material, water and molding material additives. These terms are explained in more detail below:
  • a mold is to be understood as all molds for the production of cast products, such as Sand mold, mold, die casting mold, ceramic investment mold or shell mold. Only as examples are outer and inner mold parts, box molds, boxless molds, core molds and mask molds.
  • Molding material is the collective name for all dry, moist, pasty or liquid substances for the production of casting molds that are compacted, solidified or bound by chemical processes, e.g. Mold and core sands, flow sands, form slips and ceramic molding compounds.
  • Mold base materials are natural mineral or synthetic granules or sands, which are used for the production of molds for single use.
  • Binder is understood to mean components of molding material which, under certain conditions (.wetting, swelling, silicate formation, polymerization, etc.), create the bond between the individual grains of sand.
  • swelling binders e.g. bentonites, which swell when adding a mixing liquid
  • ceramic binders e.g. alumina, which solidify through drying or sinter in the heat
  • hydraulic binders e.g. gypsum or cement, which react with a harden
  • chemically hardening binders e.g. water glass, ethyl silicate or synthetic resins
  • molding material means an addition to binder-containing molding or core sand mixtures, which - 3 -
  • Improve shafts and / or affects the interaction between molding material and casting metal examples include glossy carbon formers, starches, calcined soda, boric acid, and wood and peat flour.
  • Defects occurring in castings can be caused by the molding material (molding defects caused by the molding material), or also metallurgically (microporosity, inclusion of slag, perspiration pearls, shrinkage and stress cracks, segregations etc.) or technologically (offset, cold casting, dimensional inaccuracy etc.).
  • Iron mica mentioned here is described in ISO 10601 (first edition 1993-08-15), the sieve residue of max. However, 0.1% on the 105 ⁇ m sieve is expressly excluded.
  • Iron mica - CAS No. 1317-60-8 - also means iron oxide (alpha-haematite), which has a higher sieve residue.
  • iron oxide (according to ISO / DIS 1248.2) - mostly as iron oxide red - as a molding material additive is known and is considered "state of the art". These are powdery, mostly amorphous, iron oxides of high fineness. The usual additional quantities are approx. 0.5-1%.
  • Iron mica is dark gray in color with a metallic sheen. Mica shows a platelet-shaped, lamellar structure and is therefore different from natural and synthetic iron oxides. For both products, the chemical composition with Fe 2 0 3 applies in pure form.
  • iron oxide iron oxide red
  • expansion errors of the sand structure in the casting heat are partially suppressed and the casting quality is improved.
  • These additives especially with higher additions, have a negative impact on the strength properties of the molds and cores to such an extent that sufficient shape stability is no longer guaranteed and the casting or the handling of the molded parts or cores is no longer possible.
  • the molding material mixture used to produce the molds and cores being 4 to 90% by mass, preferably 4 contains up to 50% by mass, in particular 4-20% by mass, of iron mica as a molding additive.
  • mica is intended for the production of coatings (finishing / blackening), the proportion of mica being 0.1 to 10% by mass in the solid mass of the coating.
  • Molded material coating is liquid or pasty and, depending on the carrier used, contains less iron mica.
  • the iron mica used according to the invention does not have the negative properties of iron oxide red.
  • the main cause of this effect is its platelet-shaped, lamellar structure, which also makes it possible to increase the percentage in the respective molding material mixture compared to iron oxide (iron oxide red) without negative effects on the strength properties of the mold / core.
  • Typical casting defects such as leaf ribs, mineralization, pinholes etc. are significantly reduced, the surface quality is improved and the microstructure, especially with AlSiMg alloys, taking into account a high packing density of the molding material / iron mica mixture is greatly refined. As a result, better mechanical properties, savings in subsequent heat treatment and lower cleaning costs can be expected.
  • GT quartz sand
  • 10 GT iron mica based on 6% bentonite and 3.5% water
  • GT glass transition temperature
  • the wet tensile strength was 0.22 or 0.20 N / cm 2 , the compressive strength - 6 - strength 16.9 or 19.2 N / cm 2 . Since the higher compressive strength of the mixture with a higher proportion of iron mica is due to the higher bentonite content, a higher bentonite content is also recommended for iron mica contents> 20%. Basically, the properties of the molding material mixtures are not negatively influenced by the addition of iron mica from a casting technology point of view, but the rate of heat removal is significantly improved, i.e. faster additions of iron mica in connection with a dense packing can be expected to cool down / solidify more quickly.
  • iron mica as an additive for exothermic food aids is provided according to the invention. Because of the surprising, highly insulating effect of iron mica as a pure, binder-free substance, such use of iron mica is particularly advantageous. Suitable addition amounts are about 0.1 to 20% by mass of iron mica.
  • Fig. 7 Cooling curves of G-AlSi7Mg when using molding material mixtures with 10 or 20% mass of iron mica additive with normal compression (M10N or M20N); as a comparison quartz sand mixture without additives (Q1N),
  • thermocouples used (they consist of two wires of different metals which are welded at the ends) generate electricity by heating the welding point of the "thermocouple". This thermal voltage is a measure of the temperature at the measuring point. Depending on the time, there are cooling or heating curves.
  • the thermocouple pairs used consisted of platinum-platinum-rhodium with a temperature range from 0 to 1300 ° C and a thermal voltage of 10.5 ⁇ V / K. - 8th -
  • the basic form 1 consisted of water glass / C0 2 hardened quartz sand, in which a copper tube 2 (diameter 30 mm, wall thickness 1.5 mm) was placed exactly in the middle. This copper tube serves as the actual shape for the cast material 3; The substance to be measured was then either poured into the area around the copper pipe or compacted in a defined manner as a mixture of molding materials. Thermocouples 5 were used at suitable locations.
  • Copper was used because this material has a very good thermal conductivity, which means that the casting heat is well transferred to the granular substances or molding material mixtures to be examined. At the same time, however, the thermal stability should be so great that the copper form does not melt and, especially when measuring the loose, pure granular substances, a form stability is guaranteed until the end of solidification.
  • the size ratios are selected so that both a constant mold compression (e.g. only by the bulk density of the pure substances) and a sufficiently sensitive measurement of the temperature gradients is possible.
  • thermophysical parameters of the materials used are an absolute prerequisite for the computer simulation, which are not available for iron mica and With these investigations, data from zircon, chromite and quartz sand were used.
  • Quartz sand 138 sec. - 9 - show the necessary sensitivity of the test facility used.
  • Shorter solidification times are synonymous with good heat removal properties of the molding material and thus with good structural and casting properties.
  • thermocouples 5 are located in the thermal center of the casting material (GG, G-AlSi7Mg) and in the granular material or in the molding material mixture 20 mm from the metal / mold interface and are constant in all tests. All measurements were taken at a rate of one value per second until the end of the test.
  • the properties of bentonite-bonded molding material are not adversely affected by iron mica additives. A significant increase in the amount of binder is not necessary.
  • the heating curves of the molding material mixtures during solidification shown in Fig. 8 show the same tendency as in Fig. 6, but the curve is different due to binder components and water addition.
  • the solidification times of the light metal alloy G-AlSi7Mg measured here are as follows:
  • Quartz sand mixture - Q1N 102 sec.
  • G-AlSi7Mg The solidification time of G-AlSi7Mg is the lowest with 20% iron mica addition and highly compressed forms (Fig. 11).
  • - 13 - Mix I high density (MIOH) was compared to mixture II high density (M20H) and the normal quartz sand mixture (QIN) and the solidification rates were measured. They are in G-AlSi7Mg for:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mold Materials And Core Materials (AREA)

Abstract

Der Einsatz von 4 bis 90 % Eisenglimmer im Gießereiwesen als Formstoffzusatz für organisch oder anorganisch gebundene Formen und Kerne führt zu einer Verbesserung der Gußqualität hinsichtlich des Gefüges (z.B. verringerter Dendritenarmabstand bei G-AlSi7Mg) und demzufolge zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei Nichteisenlegierungen. Bei Eisen-Kohlenstofflegierungen führt der Eisenglimmerzusatz bei den oben erwähnten Form- und Kernformstoffen zu einer Verringerung von Formstoffausdehnungsfehlern (z.B. Blattrippen) und demzufolge zu einer Verringerung der Nacharbeit bzw. zur Vermeidung von Ausschuß (Kostenreduzierung) sowie zu besserer Oberflächenqualität. Ähnlich gute Eigenschaften zeigt Eisenglimmer als Zusatzstoff zu Schlichten und Schwärzen, welche als Überzugsstoffe für Formen und Kerne verwendet werden. Infolge seiner guten isolierenden Wirkung als Folge einer exothermen Reaktion bei Sauerstoffangebot in der Gießform, kann Eisenglimmer als reiner Stoff, des weiteren als Zusatzstoff für exotherme Speisehilfen verwendet werden.

Description

- 1 -
Verwendung von Eisenglimmer bei der Herstellung von Gußformen
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Eisenglimmer zur Herstellung von Gußformen, insbesondere verlorenen Gußformen, und Kernen zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen sowie eisenglimmerhältige Form- stoffmischungen. Erfindungsgemäß kann Eisenglimmer auch als Zusatz zu FormstoffÜberzügen für Formen und Kerne, eingesetzt im gesamten Gebiet der Gießereiindustrie, sowie als Zusatz für exotherme Speisehilfen verwendet werden.
Unter einer verlorenen Form versteht man eine Sandform, verfestigt durch organische oder anorganische Binder (z.B. Tone, Harze) welche nur einmal verwendet werden kann und nach dem Gießen zur Gußteilentleerung zerstört werden muß. Im Gegensatz dazu stehen Dauerformen, die wiederholt verwendet werden können, z.B. Kokillen oder Druckgießformen.
Kerne haben die Aufgabe, im Gußteil Hohlräume oder unterschnit- tene Außenkonturen zu bilden. Nach ihrer Verwendbarkeit unterscheidet man analog zur Formherstellung Kerne zum einmaligen Gebrauch (verlorene Kerne, Sandkerne) und Dauerkerne (Metallkerne) , die wiederholt Verwendung finden. Sandkerne sind getrennt hergestellte Forminnenteile. Sie werden beim Zusammenbau der Form in die Formaußenteile eingesetzt, eingelegt oder eingehängt . Sowohl verlorene Formen als auch verlorene Kerne werden in der Gießereiindustrie heute hauptsächlich deswegen zu einem sehr großen Prozentsatz eingesetzt, weil sie relativ preisgünstig hergestellt werden können und der Formstoff nach Zerstörung der Formen neu aufbereitet und zur Herstellung neuer Formen wieder verwendet werden kann.
Schlichten oder Schwärzen (Formstoffüberzüge) sind feuerfeste Stoffe, die in flüssiger oder pastöser Form zur Herstellung eines dünnen Überzuges auf den Formwänden oder Kernen (Sandkerne, Metallkerne) verwendet werden und wärmeisolierende, wärmeleitende, glättende, trennende oder sperrende Wirkung haben. Je nach - 2 -
Einsatzgebiet werden diesen Überzügen entsprechende und geeignete Zusätze beigemischt.
Die zur Herstellung von Gußerzeugnissen im Gießverfahren benötigten Formen werden mit Formstoffen gefertigt, welche aus Binder (organisch oder anorganisch) , Formgrundstoff, Wasser und FormstoffZusätzen bestehen. Diese verwendeten Begriffe werden im folgenden näher erläutert :
Als Form sind in der vorliegenden Beschreibung alle Gießformen zur Herstellung von Gußerzeugnissen zu verstehen, wie z.B. Sandform, Kokille, Druckgießform, keramische Feingießform oder Schalenform. Lediglich als Beispiele seien Formaußenteile und Forminnenteile, Kastenformen, kastenlose Formen, Kernformen und Maskenformen genannt.
Formstoff ist die Sammelbezeichnung für alle trockenen, feuchten, pastösen oder flüssigen Stoffe zur Herstellung von Gießformen, die verdichtet, verfestigt oder nach chemischen Verfahren gebunden werden, z.B. Form- und Kernsande, Fließsande, Form- schlicker und keramische Formmassen. Bei Formgrundstoffen handelt es sich um natürliche mineralische oder synthetische Granulate bzw. Sande, die zur Herstellung von zum einmaligen Gebrauch dienende Formen eingesetzt werden.
Unter Binder versteht man Formstoffbestandteile, die unter bestimmten Voraussetzungen (.Anfeuchtung, Quellung, Silicatbildung, Polymerisation usw.) den Verbund zwischen den einzelnen Sandkörnern herstellen. Man unterscheidet zwischen Quellbindern (z.B. Bentonite, die durch Zusatz einer Anmachflüssigkeit aufquellen) , keramischen Bindern (z.B. Tonerde, die sich durch Trocknung verfestigen oder in der Hitze sintern), hydraulischen Bindern (z.B. Gips oder Zement, die mit einer .Anmachflüssigkeit reagieren und dabei härten) und chemisch härtende Binder (z.B. Wasserglas, Ethylsilicat oder Kunstharze) die während der Härtung verfestigen.
Unter Formstoffzusatz versteht man einen Zusatz zu binderhalti- gen Form- oder Kernsandmischungen, welcher die Gebrauchseigen- - 3 -
Schäften verbessern und/oder die Wechselwirkung zwischen Formstoff und Gießmetall beeinflußt. Beispielhaft seien Glanzkohlen- stoffbildner, Stärken, calcinierte Soda, Borsäure, sowie Holz- und Torfmehl genannt .
In Gußstücken auftretende Fehler können ihre Ursache im Formstoff haben (formstoffbedingte Gußfehler) , oder auch metallurgisch (Mikroporosität, Schlackeneinschlüsse, Schwitzperlen, Schwindungs- und Spannungsrisse, Seigerungen etc.) oder technologisch (Versatz, Kaltguß, Maßungenauigkeit etc.) bedingt sein.
In der Gießerei-Rundschau, 42. Jahrgang, Heft 1/2 vom Februar 1995 bzw. Heft 3/4 vom März/April 1995 wird bereits die Verwendung von Eisenglimmer als Formstoffzusatz zu Formstoffmischungen geoffenbart. Während bei Zusätzen von 2% Eisenglimmer zu Formstoffmischungen gute Ergebnisse erzielt werden können, führt ein Zusatz von 4% zu schlechter Druckfestigkeit der Formstoffmischung, welche erst durch eine Bentoniterhöhung ausgeglichen werden kann. Diese Erhöhung konnte jedoch eine zu geringe Naßzugfestigkeit nicht ausgleichen, weswegen von einem Zusatz von 4% Eisenglimmer und darüber abgeraten wurde.
In Abhängigkeit von der Verdichtungsintensität wurde nun überraschenderweise gefunden, daß auch höhere Zusätze von Eisenglimmer zu Formstoffmischungen zu ausgezeichneten Ergebnissen führen können. Dafür dürfte hier in erster Linie das gute Wärmeleitvermögen von Eisenglimmer in der Formstoffmischung in Verbindung mit einer dichten Packung verantwortlich sein.
Die Verwendung von Eisenglimmer in Formstoffmischungen führt zu:
Reduzierung von Blattrippenbildung
Reduzierung von Vererzungen
Reduzierung von Pinholes
Verbessertem Wärmeleitvermögen in Abhängigkeit der
Packungsdichte
Verbesserter Gefügeausbildung
Verbesserten mechanischen Eigenschaften
Reduzierung von Nacharbeiten - 4 -
Der hier genannte Eisenglimmer ist in ISO 10601 (first edition 1993-08-15) beschrieben, der Siebrückstand von max. 0,1% auf dem 105 μm Sieb wird jedoch ausdrücklich ausgenommen. So ist unter Eisenglimmer - CAS Nr. 1317-60-8 - auch Eisenoxid (alpha-Häma- tit) zu verstehen, der einen höheren Siebrückstand aufweist.
Der Einsatz von Eisenoxid (entsprechend ISO/DIS 1248.2) - zumeist als Eisenoxidrot - als Formstoffzusatz ist bekannt und gilt als "Stand der Technik". Hierbei handelt es sich um pulver- förmige, zumeist amorphe, Eisenoxide von hoher Feinheit. Die bisher üblichen Zusatzmengen liegen bei ca. 0,5-1%.
Eisenglimmer ist von dunkelgrauer Farbe mit metallischem Glanz . Eisenglimmer zeigt plättchenförmige, lamellare Struktur und unterscheidet sich damit von natürlichen und synthetischen Eisenoxiden. Für beide Produkte gilt in reiner Form die chemische Zusammensetzung mit Fe203.
Durch Zusatz von Eisenoxid (Eisenoxidrot) werden Ausdehnungsfehler des Sandgefüges in der Gießhitze teilweise unterdrückt und die Gußqualität verbessert. Es werden durch diese Zusätze, vor allem bei höheren Zusatzmengen, die Festigkeitseigenschaften der Formen und Kerne teilweise derart negativ beeinflußt, daß keine genügende Formstabilität mehr gewährleistet ist und der Abguß oder teilweise schon das Handling der Formteile bzw. Kerne nicht mehr möglich ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, Eisenglimmer zur Herstellung von Formen, insbesondere von verlorenen Formen und Kernen zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen- und Stahlgußlegierungen zu verwenden, wobei die zur Herstellung der Formen und Kerne verwendete Formstoffmischung 4 bis 90 Masse-%, vorzugsweise 4 bis 50 Masse-%, insbesondere 4-20 Masse-% Eisenglimmer als Formstoffzusatz enthält.
Desweiteren ist der Einsatz von Eisenglimmer zur Herstellung von Formstoffüberzügen (Schlichten/Schwärzen) vorgesehen, wobei der .Anteil an Eisenglimmer 0,1 bis 10 Masse-% in der Feststoffmasse des Überzugs betragen dürfte. Der zur Applikation verwendete - 5 -
FormstoffÜberzug ist flüssig bzw. pastös und enthält in Abhängigkeit von den verwendeten Trägermitteln entsprechend weniger Eisenglimmer.
Der erfindungsgemäß eingesetzte Eisenglimmer weist die negativen Eigenschaften von Eisenoxidrot nicht auf . Als Ursache dieser Wirkung ist in erster Linie seine plättchenförmige, lamellare Struktur anzusehen, die es auch gestattet, den prozentualen .Anteil in der jeweiligen Formstoffmischung gegenüber Eisenoxid (Eisenoxidrot) zu erhöhen, ohne negative Auswirkungen auf die Festigkeitseigenschaften der Form/des Kernes. Typische Gußfehler, wie Blattrippen, Vererzungen, Pinholes usw. werden deutlich vermindert, die Oberflächengüte wird verbessert und die Gefügeausbildung, vor allem bei AlSiMg-Legierungen, unter Berücksichtigung einer hohen Packungsdichte des Formstoff/Eisenglimmergemisches wird stark verfeinert. Als Folge sind bessere mechanische Eigenschaften, Einsparungen bei einer anschließenden Wärmebehandlung sowie geringere Putzkosten zu erwarten.
Bei realen Gießversuchen (Werkstoffe GG, G-AlSi7Mg) unter Einsatz von 10 Masse-% bzw. 20 Masse-% Eisenglimmer als Formstoffzusatz in Formstoffmischungen wurden im Vergleich mit einer Quarzsandmischung ohne Zusatz deutlich kürzere Erstarrungszeiten gemessen. Mit Beginn der aufgezeichneten Erstarrung von ca. 600°C wurde eine .Abkühlung auf 450°C nach ca. 250 sec (+ 10 Mas- se-%) bzw. ca. 370 sec (+ 20 Masse-%) im Vergleich zu 430 sec (Quarzsandmischung ohne Eisenglimmer) festgestellt (Bild 7) . Bei erhöhter Verdichtung der Formstoffmischung konnte eine weitere Verringerung der Abkühlzeit auf 200 sec (+ 10 Masse-%) bzw. 210 sec (+ 20 Masse-%) erreicht werden (Bilder 9 und 11) . Die Formstoffmischungen bestanden dabei aus:
90 Gewichtsteilen (GT) Quarzsand, 10 GT Eisenglimmer, darauf bezogen 6 % Bentonit und 3,5 % Wasser bzw.
80 Gewichtsteilen (GT) Quarzsand, 20 GT Eisenglimmer, darauf bezogen 8 % Bentonit und 4.0 % Wasser;
die Naßzugfestigkeit betrug 0,22 bzw. 0,20 N/cm2 , die Druckfe- - 6 - stigkeit 16,9 bzw. 19,2 N/cm2. Da die höhere Druckfestigkeit der Mischung mit höherem Eisenglimmeranteil im erhöhten Bentonitge- halt begründet liegt, ist auch bei Eisenglimmeranteilen > 20 % ein höherer Bentonitgehalt empfehlenswert. Grundsätzlich werden durch den Eisenglimmerzusatz die Eigenschaften der Formstoffmischungen aus gießtechnologischer Sicht nicht negativ beeinflußt, die Wärmeentzugsgeschwindigkeit wird jedoch deutlich verbessert, d.h. bei höheren Zusätzen von Eisenglimmer in Verbindung mit einer dichten Packung ist eine schnellere .Abkühlung/Erstarrung zu erwarten.
Weiters ist erfindungsgemäß die Verwendung von Eisenglimmer als Zusatzstoff für exotherme Speisehilfen vorgesehen. Aufgrund der überraschenden stark isolierenden Wirkung von Eisenglimmer als reiner, binderfreier Stoff ist eine derartige Verwendung von Eisenglimmer besonders vorteilhaft. Geeignete Zusatzmengen betragen etwa 0,1 bis 20 Masse-% Eisenglimmer.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figuren und der folgenden Untersuchung näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l den prinzipiellen Aufbau der Versuchseinrichtung,
Fig.2 eine rechnerische Simulation der Abkühlung von Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) bei Verwendung verschiedener Formstoffe in reiner, binderfreier Form ohne Zusätze,
Fig.3 praktisch gemessene Abkühlungskurven von GG bei Verwendung verschiedener Formstoffe in reiner, binderfreier Form ohne Zusätze,
Fig.4 Aufheizkurven der verwendeten Formstoffe aus Fig.3 bei GG,
Fig.5 praktisch gemessene Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung verschiedener Formstoffe in reiner, binderfreier Form ohne Zusätze,
Fig.6 Aufheizku.rven der verwendeten Formstoffe aus Fig.5 bei G-AlSi7Mg, - 7 -
Fig.7 .Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung von Formstoffmischungen mit 10 bzw. 20 %-Masse Eisenglimmerzusatz bei normaler Verdichtung (M10N bzw. M20N) ; als Vergleich Quarzsandmischung ohne Zusatz (Q1N) ,
Fig.8 Aufheizkurven der Sandmischungen aus Fig.7,
Fig.9 Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung von Formstoffmischungen mit 10 %-Masse Eisenglimmerzusatz bei normaler Verdichtung (M10N) bzw. bei hoher Verdichtung (M10H) ; als Vergleich Quarzsandmischung ohne Zusatz (Q1N) ,
Fig.10 Aufheizkurven der Sandmischungen aus Fig.9,
Fig.11 Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg bei Verwendung von Formstoffmischungen mit 10 bzw. 20 %-Masse Eisenglimmerzusatz bei hoher Verdichtung (M10H bzw. M20H) ; als Vergleich Quarzsandmischung ohne Zusatz (Q1N) , und
Fig.12 Auf eizku.rven der Sandmischungen aus Fig.11.
Mit Hilfe der thermischen Analyse und der daraus resultierenden Aufnahme von Erstarrungs- und Abkühlungskurven von Legierungen sowie von Aufheizkurven der zu untersuchenden Stoffe während der Erstarrung, ist es möglich, konkrete Aussagen über die Wärmeableitung von Formstoffen bzw. deren Zusätzen zu treffen.
Die eingesetzten Thermoelemente (sie bestehen aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle welche an den Enden verschweißt sind) erzeugen durch Erwärmung der Schweißstelle des "Thermopaares" Strom, der mit einem empfindlichen Millivoltmeter, das in den Leiterkreis eingebaut ist, gemessen und als Thermospannung bezeichnet wird. Diese Thermospannung ist ein Maß für die Temperatur an der Meßstelle. In Abhängigkeit der Zeit ergeben sich somit Abkühlungs- bzw. Aufheizkurven. Die verwendeten Thermoelementpaare bestanden aus Platin-Platin-Rhodium mit einem Temperaturbereich von 0 bis 1300°C und einer Thermospannung von 10,5 μV/K. - 8 -
Im Ergebnis erwies sich die Einrichtung gemäß Fig.l als optimal.
Die Grundform 1 bestand aus Wasserglas/C02 gehärtetem Quarzsand, in welche genau mittig ein Kupferrohr 2 (Durchmesser 30 mm, Wanddicke 1,5 mm) gestellt war. Dieses Kupferrohr dient als eigentliche Form für den Gußwerkstoff 3; um das Kupferrohr wurde dann der zu messende Stoff in den Bereich 4 entweder geschüttet oder genau definiert als Formstoffmischung verdichtet . Thermoelemente 5 waren an geeigneten Stellen eingesetzt .
Kupfer wurde deshalb verwendet, weil dieses Material eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, die Gießwärme also gut auf die zu untersuchenden körnigen Stoffe bzw. Formstoffmischungen übertragen wird. Gleichzeitig sollte die thermische Stabilität aber so groß sein, daß die Kupfer-Form nicht aufschmilzt und vor allem bei der Messung der losen, reinen körnigen Stoffe eine Formstabilität bis Erstarrungsende gewährleistet ist.
Die Größenverhältnisse sind als Ergebnis der rechnerischen Simulation der Formfüllungs- und Erstarrungsvorgänge so gewählt, daß sowohl eine konstante Formverdichtung (z.B. nur durch das Schüttgewicht der reinen Stoffe) als auch eine genügend empfindliche Messung der Temperaturgradienten möglich ist .
Da bei der rechnerischen Simulation thermophysikalisehe Kenngrößen der eingesetzten Materialien (Formstoff und Werkstoff) unbedingte Voraussetzung sind, welche jedoch bei Eisenglimmer nicht vorliegen und u.a. mit diesen Untersuchungen ermittelt werden sollten, wurden Daten von Zirkon-, Chromit- und Quarzsand verwendet .
Die in Fig.2 so rechnerisch simulierten, deutlichen Unterschiede in der Erstarrungszeit des Werkstoffes Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) bei Verwendung von
Zirkonsand = 104 sec.
Chromitsand = 112 sec.
Quarzsand = 138 sec. - 9 - zeigen die notwendige Sensibilität der verwendeten Versuchseinrichtung.
Kürzere Erstarrungszeiten sind gleichbedeutend mit gutem Wärmeentzugsvermögen des Formstoffes und damit mit guten Gefüge- und Gußstückeigenschaften.
Die Thermoelemente 5 (Fig.l) sind im thermischen Zentrum des Gußwerkstoffes (GG, G-AlSi7Mg) sowie im körnigen Stoff bzw. in der Formstoffmischung 20 mm von der Grenzfläche Metall/Form angebracht und bei allen Versuchen konstant . Alle Messungen wurden bis Versuchsende mit einer Meßgeschwindigkeit von einem Wert pro Sekunde aufgenommen.
Die Ergebnisse der Messung der Erstarrungsgeschwindigkeiten von GG in reinen binderfreien, unverdichteten Formgrundstoffen Zir- kon, Chromit, Quarz sowie in natürlichem Eisenglimmer zeigt Fig.3.
Diese realen Versuche zeigen für Zirkon, Chromit und Quarz prinzipiell die gleiche Tendenz wie die Ergebnisse der Simulation. Der Einsatz von Eisenglimmer als Formstoff in reinem binderfreien und unverdichteten Zustand führt aber eindeutig zu extrem langen Erstarrungszeiten, verbunden mit einem Aufschmelzen der Kupferform. Deutlich wird dieser Effekt auch in Fig.4, in dem die Aufheizung des Formstoffes während der Erstarrung dargestellt ist. Der hier deutlich werdende exotherme Effekt in der "Glimmer-Kurve" zwischen 100 und 280 sec. deutet darauf hin, daß in diesem Zeitraum Eisenglimmer derart isolierend wirkt, daß die Kupferform aufschmilzt und sich somit die Erstarrungszeit deutlich verlängert (Fig.3) .
Um dieses Phänomen der isolierenden Wirkung deutlicher nachzuweisen, aber dabei das Aufschmelzen der Kupferform und somit zusätzliche thermische Effekte zu vermeiden, wurde in einer weiteren Versuchsserie der Werkstoff G-AlSi7Mg verwendet. Die Ergebnisse sind in Fig.5 dargestellt. Obwohl bei allen vier untersuchten Stoffen die Erstarrungstemperatur annähernd gleich ist, wird sie bei Verwendung von Eisenglimmer deutlich zu längeren - 10 -
Zeiten verschoben, ein Hinweis für die stark isolierenden Wirkung dieses Stoffes in binderfreier, unverdichteter Form. Diese Eigenschaft begünstigt auch die Verwendung von Eisenglimmer als Zusatz zu exothermen Speisehilfen bei Gießverfahren.
Die Erstarrungszeiten für G-AlSi7Mg betragen in:
binderfreiem Zirkonsand = 58 sec. binderfreiem Chromitsand = 67 sec. binderfreiem Quarzsand = 80 sec. binderfreiem Eisenglimmer = 139 sec.
Bei Zirkon, Chromit und Eisenglimmer wird die aufgenommene Wärme entsprechend der Aufheizkurve in Fig.6 offensichtlich schnell an die Umgebung, d.h. in tiefer gelegene Formpartien abgegeben, der Maximalwert für Eisenglimmer von 67,16°C nach 900 sec. liegt unter dem des Quarzsandes.
Entsprechend des Versuchsplanes wurden dann zwei Formstoffmischungen mit folgender Zusammensetzung hergestellt:
Mischung I Mischung II
90 GT Quarzsand 80 GT Quarzsand
10 GT Eisenglimmer 20 GT Eisenglimmer darauf bezogen
6 % Bentonit 8 % Bentonit
3,5 % Wasser 4,0 % Wasser
Aufbereitungszeit jeweils 10 Minuten im Kollergang.
Festigkeits- und gießtechnologische Eigenschaften nach DIN 52 401 und VDG-Merkblättern P 31 bis P 43: - 11 -
Mischung I Mischung II
Schüttdichte g/1 755 782 Feuchtigkeit % 3,5 4,0
Verdichtbarkeit % 38 32
Gasdurchlässigkeit 80 68
Druckfestigkeit N/cm2 16,9 19,2 Naßzugfestigkeit N/cm2 0,22 0,20
Diese Werte sind für die praktische Formherstellung, auch aus großtechnischer Sicht, völlig in Ordnung. Die etwas geringere Verdichtbarkeit bei Mischung II trotz höherer Feuchtigkeit resultiert aus der höheren Schüttdichte, diese wiederum aus dem höheren Zusatz an Eisenglimmer. Die höhere Druckfestigkeit bei Mischung II liegt ursächlich im erhöhten Bentonitgehalt begründet, d.h. daß auch höhere Eisenglimmer-Zusätze nicht unmittelbar höhere Bentonitgehalte benötigen, ein Optimum muß gefunden werden.
Grundsätzlich werden durch Eisenglimmer-Zusätze die Eigenschaften des bentonitgebundenen Formstoffes nicht negativ beeinflußt. Eine deutliche Erhöhung der Bindemittelmenge ist nicht erforderlich.
Infolge der Ergebnisse der Versuche bei praktischen Messungen der Wärmeentzugsgeschwindigkeit von Formstoffmischungen bei unterschiedlicher Verdichtung wurde ausschließlich die Legierung G-AlSi7Mg verwendet.
Wird Eisenglimmer als Formstoffzusatz verwendet, zeigt dieser Stoff in Abhängigkeit der Packungsdichte kühlende Wirkung. In Fig.7 werden die Abkühlungskurven von G-AlSi7Mg unter Verwendung von Mischung I (M10N) und II (M20N) sowie als Vergleich einer Quarzsandmischung ohne Eisenglimmer-Zusatz (Q1N) bei normaler Verdichtung (entspricht einer üblichen Maschinenformerei) gegenübergestellt .
Die ErstarrungsZeiten von G-AlSi7Mg betragen in: - 12 -
Mischung I (10 % Eisenglimmer) = 83 sec. Mischung II (20 % Eisenglimmer) = 87 sec. Mischung ohne Zusatz = 102 sec.
Eine Erhöhung der Packungsdichte des Kornanteiles ergibt eine Erhöhung des Wärmeleitvermögens. Die isolierende Wirkung der in den Poren befindlichen Luft wird durch Vergrößerung der .Anteile der Festkörperleitung vermindert, die .Anzahl der Kontaktpunkte im Kornverband wird erhöht. Eine Veränderung der Korn- bzw. Sandart verschiebt das gesamte System zu höheren oder niedrigeren Werten (vgl. Erstarrungszeiten in Fig.5), der prinzipielle Zusammenhang bei Zugabe von Feinanteilen (Eisenglimmer) bleibt aber bestehen.
Die in Fig.8 dargestellten Aufheizkurven der Formstoffmischungen während der Erstarrung zeigen die gleiche Tendenz wie in Fig.6, der Kurvenverlauf ist jedoch infolge von Binderbestandteilen und Wasserzusatz ein anderer.
Die eben erläuterten Zusammenhänge werden durch Fig.9 und Fig.10 bestätigt. Hier wurde die Mischung I zum einen normal (MION) und zum anderen hoch verdichtet (M10H) der Quarzsandmischung (Q1N) gegenübergestellt .
Die dabei gemessenen Erstarrungszeiten der Leichtmetall- Legierung G-AlSi7Mg betragen in:
Mischung I - MION = 83 sec.
Mischung I - M10H = 43 sec.
Quarzsandmischung - Q1N = 102 sec.
Bei höher verdichteten Formen in Verbindung mit Eisenglimmer- Zusatz haben die einzelnen Sandkörner untereinander eine noch größere Kontaktfläche, die Porenräume sind noch weiter verringert, die Wärmeentzugsgeschwindigkeit wird deutlich größer.
Bei 20 % Eisenglimmer-Zusatz und hoch verdichteten Formen ist die Erstarrungszeit von G-AlSi7Mg am geringsten (Fig.11). Hier - 13 - wurde Mischung I hoch verdichtet (MIOH) der Mischung II hoch verdichtet (M20H) und der normalen Quarzsandmischung (QIN) gegenübergestellt und die Erstarrungsgeschwindigkeiten gemessen. Sie betragen in G-AlSi7Mg für:
Mischung I - MIOH = 43 sec.
Mischung II - M20H = 37 sec. Quarzsandmischung - QIN = 102 sec.
Ein Indiz für die hier offensichtlich sehr gute Packungsdichte ist die höhere Verdichtbarkeit bei einem Zusatz von 20 % Eisenglimmer; eine schnelle Erstarrung wird dadurch in jedem Fall gefördert .

Claims

- 14 -P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Verwendung von Eisenglimmer zur Herstellung von Gußformen, insbesondere verlorenen Gußformen und Kernen, sowohl organisch als auch anorganisch gebunden, zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung der Gußformen bzw. Kerne verwendete Formstoffmischung 4 bis 90 Masse-% Eisenglimmer als Formstoffzusatz enthält.
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 50 Masse-% Eisenglimmer als Formstoff- zusatz enthält.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 20 Masse-% Eisenglimmer als Formstoffzusatz enthält.
4. Verwendung von Eisenglimmer zur Herstellung von Formstoff- Überzügen für Kerne und Gußformen, organisch oder anorganisch gebunden, zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahlgußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung des Formstoffüberzuges verwendete Mischung Eisenglimmer in einer Menge von 0,1-10 Masse-%, bezogen auf die Feststoffmasse des Überzuges, enthält.
5. Verwendung von Eisenglimmer als Zusatzstoff für exotherme Speisehilfen.
6. Formstoffmischung zur Herstellung von Kernen und Gußformen zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen-, Gußeisen und Stahl- gußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 90 %-Masse Eisenglimmer als Formstoffzusatz enthält.
7. Formstoffmischung nach .Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , daß die Formstoffmischung 4 bis 50 %-Masse Eisenglimmer als Formstoffzusatz enthält. - 15 -
8. Formstoffmischung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstoffmischung 4 bis 20 %-Masse Eisenglimmer als Formstoffzusatz enthält.
9. Mischung zur Herstellung von FormstoffÜberzügen für Kerne und Gußformen, organisch oder anorganisch gebunden, zum Gießen von Gußstücken aus Nichteisen- , Gußeisen und Stahlgußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung Eisenglimmer in einer Menge von 0,1-10 Masse-%, bezogen auf die Feststoffmasse des Überzuges, enthält.
10. Exotherme Speisehilfe, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1 bis 20 %-Masse Eisenglimmer als Zusatzstoff enthält.
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