DE2133585C3

DE2133585C3 - Verfahren zum Herstellen von Gießereiformen und -kernen aus einem selbsthärtenden fließfähigen Sandgemisch

Info

Publication number: DE2133585C3
Application number: DE19712133585
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Centre Technique des Industries de la Fonderie
Current assignee: Centre Technique des Industries de la Fonderie
Priority date: 1970-07-07
Filing date: 1971-07-06
Publication date: 1983-12-15
Also published as: CA980084A; FR2096863A1; FR2096863B1; BE769542A; DE2133585B2; LU63468A1; DE2133585A1; NL7109384A; GB1361027A; IT939309B; SU535889A3

Description

in der Me ein Alkalimetallatom oder eine Gruppe HX mit X = Amin ist und Ri, R2 und Rj jeweils ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bedeuten, oder eine Mischung von 2 oder mehreren der vorstehenden Formel entsprechenden Alkylbenzolsulfonaten in einem Anteil von 0,005 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das- Gesamtgewicht des fließfähigen Sandge.mischcs, verwendet wird und
b) auf das fließfähig gemachte Sandgemisch mechanische Kräfte durch Vibrationen oder Stöße zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Sand permeabel wird, und dem Zeitpunkt, zu dem die Härtung beginnt, ausgeübt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alkylbenzolsulfonat, bei dem Ri ein Wasserstoffatom, R2 ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 2,3 oder 6 Kohlenstoffatomen und R3 eine Alkylgruppe mit 2,3 oder 6 Kohlenstoffatomen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alkalimono- oder Alkalidi-isopropylbenzolsulfonat oder ein Alkalimono-n-propylbenzolsulfonat verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alkalidiäthylbenzolsulfonat verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alkalihexylbenzolsulfonat verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung von Alkalimono- und -diiscpropylbenzolsulfonat verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung eines Alkali-p-toluolsulfonats und eines Alkalimonoisopropylbenzolsulfonats und/oder eines Alkalidiisopropylbenzolsulfonats und/oder eines Alkalitriisopropylbenzolsulfonats und/oder eines Alkali-n-butylbenzolsulfonats und/oder eines Alkalidiäthylbenzolsulfonats verwendet wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen Von Gießereiformen und -kernen erhöhter mechanischer Festigkeit aus einem selbsthärtenden fließfähigen Sandgemisch aus Sand, einem Alkalimetailsilikat als Bindemittel, einer Hochofenschlacke oder einer Ferrochromschlacke als Härtungsmittel, einer Flüssigkeit und einem Alkylbenzolsulfonat als oberflächenaktives Mittel.
Nach den·bekannten Verfahret zur Herstellung von Gießformen wird Sand, Bindemittel, Härter, Flüssigkeit Und oberflächenaktives Mittel miteinander gemischt' und unverzüglich zur Erzeugung eines fließfähigen Schaumes durchgearbeitet Die fließfähige Mischung wird in die vorgesehene Form geschüttet Die Härtung der Mischung findet dann in einer relativ kurzen Zeit statt, so daß die hergestellten Gießformen bzw. -kerne innerhalb kurzer Zeit entnommen werden können und die vorgesehenen Formbehälter wieder zur Verfugung stehen. Die Festigkeit der Form wächst weiter an, und sie kann ohne merkliche Deformation dem Druck einer eingegossenen metallischen Schmelze widerstehen.

Die vorstehend angeführten bekannten fließfähigen Sandgemische sind selbsthärtende Sandgemische, zu deren Verfestigung keine äußeren Mittel, wie Wärme oder Kohlendioxid erforderlich sind.

Einige dieser S* adgemische enthalten als Bindemittel Natriumsilicat, und in diesem Fall kann als Härtungsmittel

Silicium oder Ferro-Silidum

Zement

Calciumsulfat oder Anhydrit Mangäncarbonat

Ferrochromschlacke
Hochofenschlacke

verwendet werden.

Es sei hierzu zunächst auf die BE-PS 7 28 908 verwiesen, woraus ein selbsthärtendes Sandgemisch mit

Natriumsilicat als Bindemittel, Ferrochromschlacke als Härtungsmittel und einem Alkylarylsulfonat mit 44%

eines gemischten Salzes der Dodecylbenzolsulfonsäure als oberflächenaktivem Mittel bekannt ist

Außerdem sind auch aus der US-PS 34 24 600

selbsthärtende fließfähige Sandgemische aus Sand, Alkalimetallsilicate!!, Ferrochromschlacke und Alkylbenzolsulfonaten bekannt, wobei im einzelnen ebenfalls von den gemischten Salzen der Dodecylbenzolsulfonsäure Gebrauch gemacht wurde.

so Schließlich ist hier die GB-PS 11 93 952 zu nennen, woraus fließfähige Sandgemische mit einem Bindemittelsystem aus Natriumsilicat und vorzugsweise Calciumsilizid und einem oberflächenaktiven Mittel bekannt sind, das einen Schaum liefert, dessen Blasen vor Härtung des Gemisches zerplatzen, wofür insbesondere 2-Äthyl-hexylsulfat verwendet wird.

Andere selbsthärtende fließfähige Sandgemische enthalten ein hydraulisches Bindemittel wie Zement. Schließlich können selbsthärtende fließfähige Sandgemische auch Harzbindemittel, gegebenenfalls mit mineralischen Bindemitteln, enthalten. So sind aus der DE-OS 19 00 950 fließfähige Sandmischungen bekannt, deren Bindemittel aus einem Schmelzzement und einem wasserlöslichen, allmählich selbstaushärtenden Harz besteht, die als Härtungsmittel einen Beschleuniger wie Lithiumchlorid enthalten und deren nicht näher definiertes oberflächenaktives Mittel mit dem Harz nicht reagieren soll.

. Alle diese bekannten Verfahren verfolgen die nachstehend genannten Zwecke:

ι - ■ ■ .

·'- Fällung der Form durch einfaches Eingießen, d h. ohne Einpreßvorgänge, mittels Fließfähigmachung des Sandgemisches durch Schaumbildung;

— eine genügende Verfestigung des Sandgemisches in möglichst kurzer Zeit, um die Form ohne große Verzögerung wieder zur Verfügung zu haben;

— die Erzeugung einer Form oder eines Kernes mit ! ausreichender mechanischer Festigkeit in einer mit

den Erfordernissen einer Fabrikation in Einklang : stehenden Zeitdauer;

j — Erzeugung einer optimalen Porosität in der Form j bzw. im Kern für die Abführung von Gasen ■ während des Gusses;

— die Erzielung einer solchen Beschaffenheit der Form, daß sich der Sand nach dem Gießformen des TeDs leicht »ablöst«.

Mit den bekannten Verfahren ist es nun nicht möglich, alle diese Ziele gleichzeitig zu erreichen. Darüber hinaus sind sie mit verschiedenen Mangeln behaftet

Ein primärer Mangel besteht darin, daß die erhaltenen Formen oder Kerne keine ausreichende mechanische Festigkeit besitzen, und zwar weder in der Kälte noch in der Wärme.

Im übrigen ist festzustellen, daß trotz der zahlreichen und umfangreichen Arbeiten niemals das Ziel einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit der nach den bekannten Verfahren erhaltenen Formen oder Kerne erreicht wurde, gleichgültig weiche physikalischen Mittel, wie Druck, Vibrationen, Stöße bzw. Erschütterungen usw, eingesetzt wurden, d.h. Mittel, die üblicherweise bei nichtfließfähigen Sandgemischen wirksam sind.

Ein zweiter Mangel ist darin zu sehen, daß die Schaumblasen erst lange Zeit nach Beginn der Härtung des Sandgemisches zerplatzen, wodurch der Oberflächenzustanö der Form schlecht ist Um eine gute Oberfläche des Gußstücks zu erreichen, muß die Formoberfläche daher mit einem Tonschlamm oder Schlicker nachbehandelt werden, wobei die kleinen Oberflächenlöcher und -Unebenheiten verschmiert werden. Eine solche Behandlung ist jedoch ungünstig; denn zum einen ist der Schlicker teuer, und zum anderen leidet die Präzision der Form, da durch diese Nachbehandlung unkontrollierte Dickenänderungen verursacht werden können.

Ein dritter Nachteil einiger der bekannten Verfahren besteht darin, daß die erhaltenen Formen bzw. der Kern nicht oder auf alle Fälle nicht genügend durchlässig sind, um eine ausreichende Abführung der Gase während des Gusses zu ermöglichen.

Ein vierter Nachteil einiger der bekannten Verfahren besteht darin, daß die Zeitdauer zur Verfestigung der Form bzw. des Kerns vor ihrer Verlagerung an den Gießplatz zu lang ist, wenn nicht der Anteil an Beschleuniger übermäßig erhöht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, so daß vor allem eine Steigerung der mechanischen Festigkeit der Formen und Kerne in der Kälte und Wärme in erheblichem Ausmaß erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) als Alkylbenzolsulfonat ein Alkylbenzolsulfoniat der Formel:

SO₁Me

ίο in-der Me ein Alkalimetallatom oder eine Gruppe HX mit X «= Amin ist und Ri, R₂ und R₃ jeweils ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bedeuten, oder eine Mischung von 2 oder mehreren der vorstehenden Formel entsprechenden Alkylbenzolsulfonaten in einem Anteil von 0,005 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des fließfähigen Sandgemisches, verwendet wird-und b) auf das fließfähig gemachte Sandgemisch mechanisehe Kräfte durch Vibrationen oder Stöße zwischen dem Zeitpunkt, zu dem <ier Sand permeabel wird, und dem Zeitpunkt, zu dt-m die Härtung beginnt, ausgeübt werden.

zs Bevorzugte oberflächenaktive Mitte! für das erfindungsgemäße Verfahren sind in den Unteransprüdhen gekennzeichnet

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Formen und Kerne können ohne irgendeine Deformation sehr hohe metallostatische Drücke aushalten, und die Präzision des erhaltenen Gußstückes, selbst wenn es aus graphitischem Gußeisen besteht, bleibt erhalten. Auch wird die Kontaktierung bzw. Verdichtung dieses Stückes erhöht, was sich in einer merklichen Zunahme der Dichte äußert Auf alle Fälle kann die für die Bildung der Form oder des Kerns notwendige Menge an fließfähigem Sand bei gleicher Festigkeit geringer sein, so daß die relativen Herstellungskosten für diesen gesenkt werden können.
Die Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Form w;>d darüber hinaus durch Vermeidung von Oberflächenlöchern vor der Verfestigung des Sandes erreicht, so daß der Oberflächenzustand der Foam oder des Kernes gut genug ist und die Anwendung von Schlicker vermieden oder erheblich vermindert werden kann.

Schließlich werden diese Vorteile unter erheblicher Verminderung für die Verfestigung des fließfähigen Sandes erreicht.

Dabei wird erfindungsgemäß die Dichte des Sandes so noch dadurch erhöht, daß er zwischen dem Zeitpunkt an dem er permeabel wird, und dem Zeitpunkt, an dem die Härtung beginnt, einem Druck und/oder wiederholten mßchanischen Belastungen ausgesetzt wird.

Das oberflächenaktive Mittel muß - wenn es gemäß der Erfindung verwendbar sein soll — zum einen die Fluidisierung der Sandmischung und zum anderen zu einem Schaum führen, dessen Lebensdauer derart ist daß der Schaum vollständig oder zumindest in einem starken Maße vor dem Beginn der Härtung des Sandgemisches zerstört bzw. gebrochen wird.

Für zahlreiche oberflächenaktive Mittel winden die oberflächenaktiven Eigenschaften und die Stabilität des Schaumes von wäßrigen Lösungen dieser Mittel bei unterschiedlichen Konzentrationen untersucht; dabei wurde gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt daß das beanspruchte oder oberflächenaktive Mittel besonders brauchbar ist
Auch wurde gefunden, daß im Falle von selbsthärten-

* den fließfähigen Sandgemischen mit einem Alkalisulfat als Bindemittel die Dichte des Sandes und damit auch die mechanische Festigkeit der Formen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ansteigt, wenn als oberflächenaktives Mittel zumindest eine erfindungsgemäße Verbindung verwendet wird.

In der angefügten Tabelle sind für eine Anzahl von Verbindungen mit oberflächenaktiven Eigenschaften die gemessenen Schaumvolumina für molare Konzentrationen von M/20, M/50 und M/100 nach 30 Sekunden, 3 Minuten und 5 Minuten nach beendetem Eingießen der Lösungen angegeben.

Die Anmelder haben an Hand zahlreicher Versuche festgestellt daß der unter Mitwirkung des oberflächenaktiven Mittels erzeugte Schaum für die Verdichtung is der Mischung vollständig oder zumindest doch in einem großen Ausmaß zerstört werden muß, bevor die Härtung der Mischung einsetzt.

Die folgenden Beispiele verdeutlichen den Ablauf bei der Verfestigung der fließfähigen Sandgemische. Es wurden folgende Kurven aufgenommen:

1) eine Kurve für das Absetzen des Sandes in Abhängigkeit von der Zeit, aus der hervorgeht, zu welchem Zeitpunkt der Sand im Behälter zusam- 2s mensackt und in welchem Ausmaß das Absetzen stattfindet;

2) eine Kurve für die Härtung bzw. Verfestigung des Sandes in Abhängigkeit von der Zeit, die zeigt, zu welchem Zeitpunkt die Konsolidierung des Sandes beginnt;

3) eine Kurve für die Permeabilität in Abhängigkeit von der Zeit, aus der ersichtlich ist, zu welchem Zeitpunkt die Schaumblasen zerplatzen unter Ausbildung einer gewissen Permeabilität des Sandes.

Diese Kurven wurden für alle Beispiele wie folgt gewonnen:

1) Alle für die Untersuchung herangezogenen selbsthärtenden fließfähigen Sandgemische wurden im Hinblick auf eine gleiche Fließfähigkeit im Zeitpunkt des Vergießens eingestellt. Zur Messung dieser Fluidität wurde ein Abrahams-Konus mit einem Durchmesser der kleinen Basis von 100 mm und einem Durchmesser der großen Basis von 200 mm bei einer Höhe von 300 mm verwendet Dieser mit der offenen großen Basis auf eine Platte gesetzte Konus wurde über die kleine Basis mit fließfähigem Sand gefüllt, indem der aus dem Mischwerk austretenden Strahl direkt in den Konus geleitet wurde. Dieser wurde dann von der Platte entfernt woraufhin der Sand sich über die Platte ausbreitete. Bei den nachfolgend erläuterten Beispielen wurde nun die Fluidität des untersuchten Sandes derart eingestellt, daß dessen Ausbreitungsdurchmesser auf der Platte zwischen 360 und 370 mm lag;

2) Für die Messung der Absetzbewegung bzw. , Senkung des Sandes wurde ein.zylindrischer Behälter mit einem Durchmesser von 160 mm und einer Höhe von 540 mm verwendet der durch Eingießen des vom Mischwerk austretenden fließfähigen Sandes gefüllt wurde. Gemessen wurde das Zusammensinken bzw. die Niveauabnahme des Sandes in Abhängigkeit von der Zeit Auf diese Weise wurden die in den zur Erläuterung der Beispiele 1 bis 7 wiedergegebenen graphischen Darstellungen allgemein mit 1 bezeichneten feinen durchgezogenen Kurven erhalten. Dabei wurden längs der Ordinate die Senkung T in mm in einem linearen Maßstab und längs der Abszisse die Zeit in Minuten in einer logarithmischen Skala aufgetragen, wobei der Nullpunkt der Zeit dem Eingießzeitpunkt des Sandes vom Ausgang des Mischwerks in den genannten Behälter entsprach;

3) die Härtung bzw. Verfestigung des Sandes wurde durch Messung der Scherkraftschwelle oder Verdikkung bzw. Konsistenz bestimmt.

Zur Messung der Scherkraftschwelle wurde der bereits genannte Behälter (Durchmesser von 160 mm und Höhe von 540 mm) durch direktes Eingießen aus dem Mischwerk mit fließfähigem Sand gefüllt, der in natürlicher Weise absetzen gelassen wurde, bis die Niveauabnahme nicht mehr merklich war, und es wurde dann am Fuß des so erhaltenen Sandzylinders eine Scheibe von 40 mm Höhe abgeschnitten. Die Dichte des Sandes in dieser Scheibe lag je nach Mischung zwischen 134 und 138. Zur Bestimmung der Scherkraftschwelle wurde eine Vicat-Nadel mit einem Querschnitt von 1 mm² verwendet. Gemessen wurde die Eindringtiefe dieser mit unterschiedlicher Masse belasteten Nadel, woraus die Scherkraftschwelle in Abhängigkeit von dieser Tiefe und der entsprechenden Gesamtmasse ausgedrückt in N/cm² bestimmt bzw. berechnet wurde. Auf diese Weise wurden in den genannten graphischen Darstellungen die feingestrichelten Kurven erhalter, die mit 2 bezeichnet sind. Dabei wurde längs der Ordinate die Scherkraftschwelle SC in N/cm' in logarithmischer Skala und längs der Abszisse die Zeit t wie weiter oben aufgetragen.

Die Härtung beginnt, wenn die rheologischen Eigenschaften der Mischung wechseln. Die Kurven 2 aller Beispiele (F i g. 1 bis 6) zeigen nun, daß die Scherkraftschwelle zunächst praktisch konstant bleibt und dann bei einem gleitenden Übergang sehr rasch ansteigt. Der abgerundete Verlauf 5 der Kurven bei diesem Übergang verhindert die präzise Bestimmung des Härtungsbeginns. Im folgenden wird daher angenommen, daß der Härtungsbeginn durch den Schnittpunkt A der die praktisch geraden Teile 6 und 7 der Kurven 2 verlängernden Tangenten definiert ist

Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt, bei dem eine zusätzliche Setzbewegung des Sandes durch Vibrationen oder Stöße bzw. Erschütterungen hervorgerufen wurde. Die Vibrationen dauerten bei allen Versuchen 10 Sekunden lang. Die Stöße hatten eine Amplitude von 40 mm und erfolgten 10- oder 20mal. In allen diesen Fällen ergab sich eine Gesamtsenkung, die je nach Mischung zwischen 60 und 160 mm veränderlich war. was einer Dichte zwischen 1,5 und 1,7 entsprach.

Diese Prüfungen ergaben in den graphischen Darstellungen die allgemein mit 3 bezeichneten dick gestrichelten Kurven.

4) Zur Messung der Permeabilität wurde ein zylindrisches Rohr von 503 mm Durchmesser verwendet dessen Boden perforiert war und in das der vom Mischwerk austretende fließfähige Sand geschüttet wurde. Die Tiefe dieses Rohres wurde so festgelegt daß die Höhe der Sandprobe nach dem natürlichen Absetzen 50,8 mm betrug. Das die Probe enthaltende Rohr wurde auf einem automatischen Permeameter montiert. Mit diesem Gerät wird ein Permeabilitätsindex angezeigt der eine Funktion der von einem bestimmten Luftvolumen benötigten Zeit ist unter einem gegebenen Druck durch die Sandprobe hindurchzutreten.

Die Meßergebnisse sind in den graphischen Darstellungen durch dicke voll ausgezogene Kurven wiederge-

geben, die allgemein mit 4 bezeichnet werden. Bei diesen Kurven 4 sind längs der Abszisse die Zeit in gleichem Maßstab wie bei den anderen Kurven und längs der Ordif.ate der Permeabilitatsindex aufgetragen. Alle Messungen wurden bei einer Temperatur von 18 bis 20° C ausgeführt.

Beispiel I
(Fig. l)

Unter Verwendung der folgenden Komponenten wurde ein fließfähiger Sand hergestellt:

- 50 kg siliciumhaltiger Sand mit einer Korngrößenverteilung von 0,2 bis 0,8 mm;

- 3,5 kg gemahlene Hochofenschlackekörner mit einer spezifischen Oberfläche 3300 ± 200 cmVg und einem Basizitätsindex von 1,35;

- 24 kg Nstriamssücat mit einer SiOj/NsiO-Zsh! von

2 und einem Trockengehalt von 51%;

— 1,6 kg Waser; und

— 50 g handelsübliches Natrium-monoisopropylbenzolsulfonat (mit 40% reinem Produkt) als oberflächenaktives Mittel.

25

In einem Behälter wurden dann die genannten trockenen Komponenten eingebracht und 1 Minute lang durchmischt, worauf dann die flüssigen Komponenten zugegeben und die Masse 10 Minuten lang durchgerührt wurden.

^schließend wurden die entsprechenden Messungen durchgeführt. .

Die Kurve 1 zeigt, daß der Schaum 30 Sekunden nach dem Eingießen beginnt, sich abzusetzen, und daß die natürliche Absetzbewegung innerhalb von 1,5 Minuten zu einer Senkung von 25 mm bei einer ursprünglichen Höhe von 540 nun führt

Die Kurve 2 zeigt, daß sich die Konsistenz der Mischung innerhalb von mehr als 10 Minuten nicht verändert, aber dann sehr rasch zunimmt, wobei der wie oben definierte Beginn der Härtung des Sandes bei 20 min nach dem Eingießen liegt

Ein Vergleich dieser beiden Kurven lehrt, daß die Mischung eine erhebliche Absetzbewegung und mithin Verdichtung erlitten hat, bevor die Härtung beginnt

Die Kurve 4 zeigt, daß die Permeabilität der Mischung während 2,5 Minuten gleich Null ist und dann sehr rasch ansteigt

Man kann nun den Sand wiederholten mechanischen Belastungen aussetzen, indem man ihn entweder mit Hilfe eines äußeren Vibrators, einer Nadel, eines vibrierenden Tisches oder anderer Mittel Vibrationen aussetzt oder indem man ihn beispielsweise unter Verwendung eines Rütteltisches Erschütterungen unterwirft Wenn diese Beanspruchungen 2$ Minuten nach dem Vergießen des Sandes angewandt werden, d. h. zu Beginn der Permeabilitätsentwicklung, während die Härtung noch nicht eingesetzt hat, so findet man, daß die Senkung der Mischung sehr viel.stärker als bei natürlicher Absetzbewegung ist und von 25 auf 125 mm zunimmt Unter diesen Bedingungen wird der Sand dichter als zuvor, da seine effektive Dichte 1,57 an Stelle von 138 ist (wie sie durch natürliches Absetzen erhalten wird). Darüber hinaus ist — bezugnehmend auf Kurve 3

— zu bemerken, daß diese Verdichtung, obgleich sie als unmittelbare Wirkung eine leichte Erhöhung der Konsistenz hat, indessen nicht zur Auslösung der Härtung führt, da die Konsistenz noch einige Zeit nach der Vibration konstant bleibt und erst nach 20 Minuten ansteigt, d. h. einige Zeit nach Beginn der Permeabilität.

Beispiel 2
(F ig. 2)

Mit den gleichen Komponenten wie in Beispiel 1 wurde ein fließfähiger Sand hergestellt, wobei allerdings to 2,5 kg an Stelle von 3,5 kg Hochofenschlacke und als oberflächenaktives Mittel 8 g Natriumdiisopropylbenzolsulfonat (handelsüblich mit 40% reinem Produkt) verwendet wurden.

Die erhaltenen Kurven 1 bis 4 sind in Fig.2 wiedergegeben. Diese Kurven bestätigen die Ergebnisse von Beispiel 1, und zwar:

- daß sich der Sand vor dem Härten absetzt und verdichtet 'Vergleich der Kurven 1 und 3):

- daß der Beginn der Härtung noch hinter dem Zeitpunkt liegt, zu dem die Permeabilität auftritt (Vergleich der Kurven 3 und 4), was es ermöglicht, die Verdichtung des Sandes durch Vibration, sobald er permeabel wird, zu erhöhen.

Andererseits findet die Senkung des Schaums später statt als bei Beispiel 1, so daß mehr Zeit für das Vergießen des. Sandes zur Verfügung steht, während welcher er noch fließfähig ist.

Beispiel 3
(F ig. 3)

Mit den gleichen Komponenten wie in Beispiel 1 wurde ein fließfähiger Sand hergestellt, aber unter Verwendung einer Mischung von 25 g Natriummonoisopropylbenzolsulfonat und 5 g Natriumdüsopropylbenzolsulfonat als oberflächenaktives Mittel (jedes der Produkte mit 40prozentiger Reinheit).

Die erhaltenen Kurven 1 bis 4 sind in Fig. 1 wiedergegeben. Diese Kurven bestätigen die vorangehend erhaltenen Ergebnisse und zeigen, daß die Verwendung der oberflächenaktiven Mischung dieses Beispiels zu besonders günstigen Bedingungen bezüglich der Erzielung von Gießformen aus fließfähigem Sand gemäß der Erfindung führt

Das Zusammenwirken des Schaumes findet nämlich erst nach 4 Minuten statt so daß der Sand eine ausreichende Zeit für das Vergießen fließfähig bleibt Andererseits beginnt die Härtung des Sandes erst 20 Minuten nach dem Zeitpunkt, in dem der Sand permeabel wird, was es ermöglicht, ihn durch Vibrationen zu verdichten, bevor er aushärtet

Beispiel 4
(F ig-4)

In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 und unter Verwendung der gleichen Komponenten wie in diesem. Beispiel wurde ein fließfähiger Sand hergestellt, nur daß das oberflächenaktive Mittel in diesem Falle durch

- 9 g Natriumdiisopropylbenzolsulfonat (mit 40% Reinheit) und 12 g Kalium-p-toluolsulfonat (mit 90% Reinheit) gebildet wurde.

Die erhaltenen Kurven 1 bis 4 sind in Fig.4 wiedergegeben. Diese Kurven bestätigen die Ergebnisse der vorangehenden Beispiele, und zwar:

- daß der Sand vor dem Härten zusammensinkt und sich verdichtet (Vergleich der Kurven 1 und 2);

- und daß sich der Sand stärker verdichtet, wenn er, sobald er permeabel wird, Vibrationen ausgesetzt wird (Kurven 4 und 3). Die Dichte des Sandes nach s Vibration oder Erschütterung erreicht 1,67.

Im übrigon zeigt ein Vergleich der Kurven 1 der F i g. 2 und 4, daß der Einbau von Kalium-p-toluolsulfonat das Absetzen des Sandes verstärkt.

Beispiel 5
(F ig. 5)

Mit den folgenden Komponenten: is

- 50 kg siliciumhaltiger Sand mit einer Korngrößenverteilung zwischen 02 und Oi! mm:

- 2,5 kg Schlacke aus der Fabrikation von metallischen Ferrochromlegierungen;

- 3 kg Natriumsilicat mit einer SiOj/NajO-Zahl von 2,8 und einem Trockengehalt von 48%;

- 1 kg Wasser; und

- 20 g Natriumdiisopropylbenzolsulfonat mit 40% Reinheit und 20 g Natriummonoisopropylbenzolsulfonat mit 40% Reinheit

wurde eine fließfähige Sandmasse hergestellt.

Die erhaltenen Kurven 1 bis 4 sind in Fig.5 wiedergegeben. Die Dichte des Sandes nach Vibration erreichte 1,69.

Die Kurven bestätigen die bei den Beispielen 1 bis 4 erhaltenen Ergebnisse, was besagt, daß das Verfahren nicht allein auf Sandmassen anwendbar ist, die als Härtungsmittel Hochofenschlacke enthalten, sondern auch auf Sande mit einer Ferrochromschlacke als Härtungsmittel.

Beispiel 6

(F ig. 6)

Mit den gleichen Komponenten wie in Beispiel 1, aber unter Ersatz von 70% des frischen Sandes durch regenerierten Sand der gleichen Korngröße und unter Verwendung einer Mischung von 25 g Natriumdiisopropylbenzolsulfonat (40prozentig), 5 g Natriumdiäthylbenzolsulfonat (40prozentig) und 10 g Kalium-p-toluolsulfonat (90prozentig) als oberflächenaktives Mittel wurde ein fließfähiger Sand hergestellt

Die erhaltenen Kurven 1 bis 4 sind in der Fig.6 wiedergegeben.

Der Sand zeigt eine natürliche Senkung von 40 mm, und der Schaum setzt sich vor dem Härten des Sandes ab; die Dichte kann durch Vibrationen oder Erschütterungen noch bis auf 1,59 erhöht werden.

Dieses Verfahren zeigt, daß das erfindungsgemäße Verdichtungsverfahren in dem Falle anwendbar ist, daß zumindest ein Teil des Sandes der Mischung durch regenerierten Sand ersetzt ist, d.h. durch Sand, der bereits für die Fabrikation von Gießformen und -kernen verwendet und durch bekannte Mittel von Produkten befreit wurde, die jedes Sandkorn nach dem Vergießen des Metalls bedecken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erhöhung der mechanischen Festigkeit dermit fließfähi- es gem Sand erhaltenen Formen und Kerne. Diese Eigenschaften werden durch die nachstehend beschriebenen Versuche nachgewiesen, die mit einem fließfähigen Sand mitten gleichen Komponenten wie in Beispiel 1, jedoch unter Verwendung von 14 g Natriumtriisopropylbenzolsulfonat mit 40% Reinheit und 20 g Kaliump-toluolsulfonat mit 90% Reinheit als oberflächenaktives Mittel durchgeführt wurden.

Eine erste in der Kälte durchgeführte Versuchsreihe wurde zur Bestimmung der Änderung der Druckfestigkeit von Prüfkörpern des fließfähigen Sandes mit einer Dichte von 138 in Abhängigkeit von der Lagerungszeit in einer abgeschlossenen Umgebung und bei Zimmertemperatur (22°C) durchgeführt.

Mehrere identische Prüfkörper wurden erhalten, indem der vom Mischwerk austretende fließfähige Sand in soviel Rohre geschüttet wurde, wie zur Durchführung der Messungen notwendig waren. Jedes der Rohre mit einem Durchmesser von 50,8 mm und einer Höhe von 503 mm war mit einem Aufsatz versehen, und der hineingeschüttete Sand wurde in der Weise belastet, daß er 15 Minuten lang einem Druck von 65 mbar ausgesetzt war. Nach Ablauf dieser Zeit wurde der Aufsatz entfernt, das Rohr abgestrichen, und 1 Stunde nach dem Gießen wurden die Prüfkörper aus den Rohren entnommen und unter Luftabschluß aufbewahrt. Die Dichte dieser Prüfkörper betrug wb vorangehend 1,38.

Alle 3 Stunden wurde ein Prüfkörper einer üblichen Druckfestigkeitsprüfung unterworfen. Die dabei abgelesene Bruchfestigkeit wurde in N/cm² ausgedrückt.

Die Kurve 8 der F i g. 7 zeigt die Änderung dieser Festigkeit R(aufgetragen längs der Ordinate in N/cm²) in Abhängigkeit von der längs der Abszisse aufgetragenen Zeit t (in Stunden).

Eine zweite Versuchsreihe in der Kälte wurde in der gleichen Weise an aus flüssigem Sand hergestellten Prüfkörpern mit einer Dichte von 1,57 durchgeführt. Jeder Prüfkörper mit dem gleichen Volumen wie die übrigen wurde durch Einschütten einer unter Berücksichtigung von Volumen und Dichte gewählten Sandmasse in ein Röhr von 50,8 mm Durchmesser und Druckanwendung zur Erzielung einer Höhe von 50,8 mm erhalten.

Eine dritte Versuchsreihe in der Kälte wurde mit Prüfkörpern aus flüssigem Sand durchgeführt, deren Dichte 1,67 betrug und die nach der gleichen Methode wie vorstehend beschrieben erhalten wurden, aber ausgehend von einer größeren Sandmasse und größtmöglicher Druckanwendung.

Die an diesen Prüfkörpern mit einer Dichte von 1,57 bzw. einer Dichte von 1,67 durchgeführten Festigkeitsprüfungen ergaben die Kurven 9 und 9a von F i g. 7.

Bei einer vierten Versuchsreihe in der Kälte wurde versucht, die Änderung der Druckfestigkeit bei Umgebungstemperatur (22°C) in Abhängigkeit von der Dichte des Sandes und nach Ablauf einer konstanten Zeitdauer nach dem Vergießen des Sandes zu bestimmen.

Dabei wurden mit dem gleichen Sand und in gleicher Weise wie bei der zweiten Versuchsreihe hergestellte Prüfkörper verwendet, jedoch unter Variation der in den Rohren verpreßten Sandmenge, so daß die effektiven Dichten der Prüfkörper untereinander differiertea

Die Kurve 10 von Fig.8 zeigt die Änderung der mechanischen Festigkeit der Prüfkörper, die 1 Stunde nach dem Vergießen erreicht wurde, in Abhängigkeit von der Dichte d dieser Prüfkörper. Die Kurve 11 der Fi g. 8 zeigt die gleiche Änderung 24 Stunden nach dem Vergießen.

Die Analyse dieser Kurven 8 bis 11 zeigt, daß

- die erreichte mechanische Festigkeit um so höher ist, je größer die Dichte des Sandes ist;

- eine gegebene Festigkeit um so rascher erreicht wird, je größer die Dichte des Sandes ist.

Man kann daher die Formen oder Kernabdrücke vom Bereich des Vergießens des Sandes früher abziehen. Man kann weiter das Metall oder die metallische Legierung früher eingießen, d. h. sobald eine genügende Festigkeit des Sandes erreicht ist und mithin ohne zu warten, bis diese ihr Maximum erreicht. Man kann viel widerstandsfähigere Formen erhalten (250 N/cm² für eine Dichte 1,57 und 330 N/cm^J für eine Dichte von 1,67 nach 24 Stunden, an Stelle von 120 N/cm³ für getrocknete kieselsäurehaltige tonige Sande), die mithin geeignet sind, höhere ferrostatische Drücke und stärkere Expansionen auszuhalten. Wenn eine geringere Festigkeit acJreicht, kann man Materialkosten einsparen, indem man den Anteil an verwendetem Bindemittel vermindert. Man kann weiter für eine gleiche Festigkeit der Form die Wandstärke vermindern und so die notwendige Sandmenge herabsetzen (400 kg pro Tonne Metall, an Stelle von 600 kg bei den bekannten flüssigen Sanden).

Alle diese Ergebnisse sind besonders vorteilhaft, denn sie ermöglichen letzten Endes eine Verminderuni» der Herstellungskosten eines MetallguQstückes.

Bei einer fünften Versuchsreihe in der Wärme wurde versucht, ^:die Änderung der Druckfestigkeit in der Wärme (1200°C) in Abhängigkeit von der Dichte zu bestimmen.

Die für diese Versuche verwendeten Prüfkörper wurden durch direktes Eingießen vn fließfähigem Sand vom Auslaß des Mischwerks in Rohre von 28j5 mm

Durchmesser und 50,8 mm Höhe erhalten, die mit Aufsätzen versehen waren. Der Sand wurde einem Druck von 65 g/cm² ausgesetzt. Die Rohre wurden unabhängig voneinander mehr oder minder lange und zu einem geeigneten Zeitpunkt Vibrationen ausgesetzt, so daß Prüfkörper unterschiedlichef Dichte erhalten wurden. 15 Minuten nach dem Vergießen des Sandes wurden die Aufsätze abgenommen und die Rohre glattgestrichen. Eine Stunde nach dem Vergießen wurden die Prüfkörper aus den Rohren entnommen und 24 Stunden lang in abgeschlossener Luft gelagert.

Die einzelnen Prüfkörper wurden dann in einen auf 1200° C gebrachten Ofen eingeführt und nach 30 Sekunden einer bis zum Bruch ansteigenden Druckbelastung ausgesetzt. Die Bruchbelastung beim Zusammenpressen der Prüfkörper bei einer Temperatur von 1200°C wurde für die Darstellung einer Druckfestigkeit R in der Wärme herangezogen.

Die Kurve 12 von Fig.9 veranschaulicht die Änderung dieser Festigkeit R in der Wärme in Abhängigkeit von der längs der Abszisse aufgetragenen Dichte der Prüfkörper. Diese Kurve zeigt, daß die Warmfestigkeit mit der Dichte der Prüfkörper ansteigv.

Nun weiß man, daß die Geometrie des erhaltenen Gußstücks um so genauer und seine Materialdichte und Struktur um so besser sind, je höher die Warmfestigkeit des Sandes ist. Derartige Sande sind daher für das Gießformen von graphithaltigen Gußeisenteilen oder hohen Teilen aus irgendeiner Legierung besonders geeignet.

Außerdem zeigt die Erfahrung zum einen, daß die Innenoberfläche der Form auch ohne Schlicker sehr glatt und das Aussehen der Gußstückoberfläche mithin ausgezeichnet ist, und daß sich zum anderen der Sand sehr leicht nach dem Vergießen ablöst.

Tabelle Messungen an wäßrigen Lösungen diverser oberflächenaktiver Mittel Oberflächenaktives Mittel

Schaumbildungsvermögen nach NF.T. 73.404: Schaumvolumen in ml nach 30 s, 3 min und 5 min

molare Konzentrationen der Lösungen

M/20 M/50

30 s 3 min 5 min 30 s 3 min 5 min

M/100
30 s

3 min 5 min

Na-p-toluolsulfonat Na-äthylenbenzolsulfonat Na-diäthylbenzolsulfonat Na-n-propylbenzolsulfonat Na-isopropylbenzolysulfonat Na-diisopropylbenzolsulfonat Na-triisopropylbenzolsulfonat Na-n-butylbenzolsulfonat Na-n-hexylbenzolsulfonat

10

kein Schaum -

schäumt nicht mehr ■

Schaum verschwindet in <30 s Schaum verschwindet in <30s-Schaum verschwindet in <30 s -

110	100
300	80
260	220
30	10

50

20

170

Schaum verschwindet in <30 s -

180 60 20 30 20
180 160 160 100 50
Schaum verschwindet in <30 s -

5
20

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Gießereiformen und -kernen erhöhter mechanischer Festigkeit aus einem selbsthärtendeh fließfähigenSandgemisch aus feuerfestem Sand, einem Alkalimetallsilikat als Bindemittel, einer Hochofenschlacke oder einer Ferrochromschlacke als Härtungsmittel, einer Flüssigkeit und einem Alkylbenzolsulfonat als oberflächenaktives Mittel, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als Alkylbenzolsulfonat ein Alkylbenzolsulfonat der Formel:

SO₃Me