BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Formstoffmischung zur Herstellung von Gießformen für die Metallverarbeitung, welche mindestens einen rieselfähigen feuerfesten Formgrundstoff sowie ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel umfasst. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Gießformen für die Metallverarbeitung unter Verwendung der Formstoffmischung sowie eine mit dem Verfahren erhaltene Gießform.

Gießformen für die Herstellung von Metallkörpern werden im We¬ sentlichen in zwei Ausführungen hergestellt. Eine erste Gruppe bilden die so genannten Kerne oder Formen. Aus diesen wird die Gießform zusammengesetzt, welche im Wesentlichen die Negativform des herzustellenden Gussstücks darstellt. Eine zweite Gruppe bilden Hohlkörper, sog. Speiser, welche als Ausgleichsreservoir wirken. Diese nehmen flüssiges Metall auf, wobei durch entspre¬ chende Maßnahmen dafür gesorgt wird, dass das Metall länger in der flüssigen Phase verbleibt, als das Metall, das sich in der die Negativform bildenden Gießform befindet. Erstarrt das Metall in der Negativform, kann flüssiges Metall aus dem Ausgleichsre¬ servoir nachfließen, um die beim Erstarren des Metalls auftre¬ tende Volumenkontraktion auszugleichen.

Gießformen bestehen aus einem feuerfesten Material, beispiels¬ weise Quarzsand, dessen Körner nach dem Ausformen der Gießform durch ein geeignetes Bindemittel verbunden werden, um eine aus¬ reichende mechanische Festigkeit der Gießform zu gewährleisten. Für die Herstellung von Gießformen verwendet man also einen feu¬ erfesten Formgrundstoff, welcher mit einem geeigneten Bindemit¬ tel behandelt wurde. Der feuerfeste Formgrundstoff liegt bevor¬ zugt in einer rieselfähigen Form vor, so dass er in eine geeig¬ nete Hohlform eingefüllt und dort verdichtet werden kann. Durch das Bindemittel wird ein fester Zusammenhalt zwischen den Parti¬ keln des Formgrundstoffs erzeugt, so dass die Gießform die er¬ forderliche mechanische Stabilität erhält.

Gießformen müssen verschiedene Anforderungen erfüllen. Beim Gießvorgang selbst müssen sie zunächst eine ausreichende Stabi¬ lität und Temperaturbeständigkeit aufweisen, um das flüssige Metall in die aus einem oder mehreren Gieß (teil) formen gebildete Hohlform aufzunehmen. Nach Beginn des Erstarrungsvorgangs wird die mechanische Stabilität der Gießform durch eine erstarrte Metallschicht gewährleistet, die sich entlang der Wände der Hohlform ausbildet. Das Material der Gießform muss sich nun un¬ ter dem Einfluss der vom Metall abgegebenen Hitze in der Weise zersetzen, dass es seine mechanische Festigkeit verliert, also der Zusammenhalt zwischen einzelnen Partikeln des feuerfesten Materials aufgehoben wird. Dies wird erreicht, indem sich bei¬ spielsweise das Bindemittel unter Hitzeeinwirkung zersetzt. Nach dem Abkühlen wird das erstarrte Gussstück gerüttelt, wobei im Idealfall das Material der Gießformen wieder zu einem feinen Sand zerfällt, der sich aus den Hohlräumen der Metallform aus¬ gießen lässt.

Zur Herstellung der Gießformen können sowohl organische als auch anorganische Bindemittel eingesetzt werden, deren Aushärtung jeweils durch kalte oder heiße Verfahren erfolgen kann. Als kal¬ te Verfahren bezeichnet man dabei Verfahren, welche im Wesentli¬ chen bei Raumtemperatur ohne Erhitzen der Gießform durchgeführt werden. Die Aushärtung erfolgt dabei meist durch eine chemische Reaktion, die beispielsweise dadurch ausgelöst wird, dass ein Gas als Katalysator durch die zu härtende Form geleitet wird. Bei heißen Verfahren wird die Formstoffmischung nach der Formge¬ bung auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, um beispiels¬ weise das im Bindemittel enthaltene Lösungsmittel auszutreiben oder um eine chemische Reaktion zu initiieren, durch welche das Bindemittel beispielsweise durch Vernetzen ausgehärtet wird.

Gegenwärtig werden für die Herstellung von Gießformen vielfach solche organischen Bindemittel eingesetzt, bei denen die Här¬ tungsreaktion durch einen gasförmigen Katalysator beschleunigt wird oder die durch Reaktion mit einem gasförmigen Härter ausge¬ härtet werden. Diese Verfahren werden als "Cold-Box"-Verfahren bezeichnet.

Ein Beispiel für die Herstellung von Gießformen unter Verwendung organischer Bindemittel ist das so genannte Ashland-Cold-Box- Verfahren. Es handelt sich dabei um ein Zweikomponenten-System. Die erste Komponente besteht aus der Lösung eines Polyols, meis¬ tens eines Phenolharzes. Die zweite Komponente ist die Lösung eines Polyisocyanates. So werden gemäß der US 3,409,579 A die beiden Komponenten des Polyurethanbinders zur Reaktion gebracht, indem nach der Formgebung ein gasförmiges tertiäres Amin durch das Gemisch aus Formgrundstoff und Bindemittel geleitet wird. Bei der Aushärtereaktion von Polyurethanbindern handelt es sich um eine Polyaddition, d.h. eine Reaktion ohne Abspaltung von Nebenprodukten, wie z.B. Wasser. Zu den weiteren Vorteilen die¬ ses Cold-Box-Verfahrens gehören gute Produktivität, Maßgenauig¬ keit der Gießformen sowie gute technische Eigenschaften, wie die Festigkeit der Gießformen, die Verarbeitungszeit des Gemisches aus Formgrundstoff und Bindemittel, usw.

Zu den heißhärtenden organischen Verfahren gehört das Hot-Box- Verfahren auf Basis von Phenol- oder Furanharzen, das Warm-Box- Verfahren auf Basis von Furanharzen und das Croning-Verfahren auf Basis von Phenol-Novolak-Harzen. Beim Hot-Box- sowie beim Warm-Box-Verfahren werden flüssige Harze mit einem latenten, erst bei erhöhter Temperatur wirksamen Härter zu einer Form- stoffmischung verarbeitet. Beim Croning-Verfahren werden Form¬ grundstoffe, wie Quarz, Chromerz-, Zirkonsande, etc. bei einer Temperatur von ca. 100 bis 1600C mit einem bei dieser Temperatur flüssigen Phenol-Novolak-Harz umhüllt. Als Reaktionspartner für die spätere Aushärtung wird Hexamethylentetramin zugegeben. Bei den oben genannten heißhärtenden Technologien findet die Formge¬ bung und Aushärtung in beheizbaren Werkzeugen statt, die auf eine Temperatur von bis zu 3000C aufgeheizt werden. Unabhängig vom Aushärtemechanismus ist allen organischen Systemen gemein¬ sam, dass sie sich beim Einfüllen des flüssigen Metalls in die Gießform thermisch zersetzen und dabei Schadstoffe, wie z.B. Benzol, Toluol, Xylole, Phenol, Formaldehyd und höhere, teilwei¬ se nicht identifizierte Crackprodukte freisetzen können. Es ist zwar durch verschiedene Maßnahmen gelungen, diese Emissionen zu minimieren, völlig vermeiden lassen sie sich bei organischen Bindemitteln jedoch nicht. Auch bei anorganisch-organischen Hyb¬ ridsystemen, die, wie die z.B. beim Resol-CC>2-Verfahren einge¬ setzten Bindemittel, einen Anteil an organischen Verbindungen enthalten, treten solche unerwünschten Emissionen beim Gießen der Metalle auf. Um die Emission von Zersetzungsprodukten während des Gießvor¬ gangs zu vermeiden, müssen Bindemittel verwendet werden, die auf anorganischen Materialien beruhen bzw. die höchstens einen sehr geringen Anteil an organischen Verbindungen enthalten. Solche Bindemittelsysteme sind bereits seit längerem bekannt. Es sind Bindemittelsysteme entwickelt worden, welche sich durch Einlei¬ tung von Gasen aushärten lassen. Ein derartiges System ist bei¬ spielsweise in der GB 782 205 beschrieben, in welcher ein Alka¬ liwasserglas als Bindemittel verwendet wird, das durch Einlei¬ tung von CO2 ausgehärtet werden kann. In der DE 199 25 167 wird eine exotherme Speisermasse beschreiben, die ein Alkalisilikat als Bindemittel enthält. Ferner sind Bindemittelsysteme entwi¬ ckelt worden, welche bei Raumtemperatur selbsthärtend sind. Ein solches, auf Phosphorsäure und Metalloxiden beruhendes System ist z.B. in der US 5,582,232 beschrieben. Schließlich sind noch anorganische Bindemittelsysteme bekannt, die bei höheren Tempe¬ raturen ausgehärtet werden, beispielsweise in einem heißen. Werk¬ zeug. Solche heißhärtenden Bindemittelsysteme sind beispielswei¬ se aus der US 5,474,606 bekannt, in welcher ein aus Alkaliwas¬ serglas und Aluminiumsilikat bestehendes BindemittelSystem be¬ schrieben wird.

Anorganische Bindemittel haben im Vergleich zu organischen Bin¬ demitteln den Nachteil, dass die daraus hergestellten Gießformen relativ geringe Festigkeiten aufweisen. Dies tritt besonders deutlich unmittelbar nach der Entnahme der Gießform aus dem Werkzeug zutage. Gute Festigkeiten zu diesem Zeitpunkt sind aber besonders wichtig für die Produktion komplizierter, dünnwandiger Formteile und deren sichere Handhabung. Der Grund für die nied¬ rigen Festigkeiten besteht in erster Linie darin, dass die Gie߬ formen noch Restwasser aus dem Bindemittel enthalten. Längere Verweilzeiten im heißen geschlossenen Werkzeug helfen nur be¬ dingt, da der Wasserdampf nicht in ausreichendem Maß entweichen kann. Um eine möglichst vollständige Trocknung der Gießformen zu erreichen, wird in der WO 98/06522 vorgeschlagen, die Formstoff¬ mischung nach dem Ausformen nur solange in einem temperierten Kernkasten zu belassen, dass sich eine formstabile und tragfähi¬ ge Randschale ausbildet. Nach dem Öffnen des Kernkastens wird die Form entnommen und anschließend unter Einwirkung von Mikro¬ wellen vollständig getrocknet. Die zusätzliche Trocknung ist jedoch aufwändig, verlängert die Produktionszeit der Gießformen und trägt, nicht zuletzt auch durch die Energiekosten, erheblich zur Verteuerung des Herstellungsprozesses bei.

Eine weitere Schwachstelle der bisher bekannten anorganischen Bindemittel ist die geringe Stabilität der damit hergestellten Gießformen gegen hohe Luftfeuchtigkeit. Damit ist eine Lagerung der Formkörper über einen längeren Zeitraum, wie bei organischen Bindemitteln üblich, nicht gesichert möglich.

In der EP 1 122 002 wird ein Verfahren beschrieben, das sich zur Herstellung von Gießformen für den Metallguss eignet. Zur Her¬ stellung des Bindemittels wird ein Alkalihydroxid, insbesondere Natronlauge, mit einem teilchenförmigen Metalloxid vermischt, welches in Gegenwart der Alkalilauge ein Metallat ausbilden kann. Die Teilchen werden getrocknet, nachdem sich am Rand der Teilchen eine Schicht aus dem Metallat ausgebildet hat. Im Kern der Teilchen verbleibt ein Abschnitt, in welchem das Metalloxid nicht umgesetzt wurde. Als Metalloxid wird vorzugsweise ein disperses Siliciumdioxid oder auch feinteiliges Titanoxid oder Zinkoxid verwendet.

In der WO 94/14555 wird eine Formstoffmischung beschrieben, wel¬ che auch zur Herstellung von Gießformen geeignet ist und die neben einem feuerfesten Formgrundstoff ein Bindemittel enthält, welches aus einem Phosphat- oder Boratglas besteht, wobei die Mischung weiter ein feinteiliges feuerfestes Material enthält. Als feuerfestes Material kann beispielsweise auch Siliciumdioxid verwendet werden. In der EP 1 095 719 A2 wird ein Bindemittelsystem für Formsande zur Herstellung von Kernen beschrieben. Das Bindemittelsystem auf Wasserglasbasis besteht aus einer wässrigen Alkalisilikatlö¬ sung und einer hygroskopischen Base, wie beispielsweise Natrium¬ hydroxid, die im Verhältnis 1:4 bis 1:6 zugesetzt wird. Das Was¬ serglas weist ein Modul SiO2/M2O von 2,5 bis 3,5 und einen Fest¬ stoffanteil von 20 bis 40 % auf. Um eine rieselfähige Formstoff- mischung zu erhalten, welche auch in komplizierte Kernformen eingefüllt werden kann, sowie zur Steuerung der hygroskopischen Eigenschaften, enthält das Bindemittelsystem noch einen oberflä¬ chenaktiven Stoff, wie Silikonöl, das einen Siedepunkt > 2500C aufweist. Das Bindemittelsystem wird mit einem geeigneten Feuer¬ feststoff, wie Quarzsand, vermischt und kann dann mit einer Kernschießmaschine in einen Kernkasten eingeschossen werden. Die Aushärtung der Formstoffmischung erfolgt durch Entzug des noch enthaltenen Wassers. Die Trocknung bzw. Aushärtung der Gießform kann auch unter Einwirkung von Mikrowellen erfolgen.

Die bisher bekannten Formstoffmischungen zur Herstellung von Gießformen weisen noch Raum für eine Verbesserung der Eigen¬ schaften beispielsweise hinsichtlich der Festigkeit der herge¬ stellten Gießformen sowie hinsichtlich deren Beständigkeit ge¬ genüber Luftfeuchtigkeit bei einer Lagerung über einen längeren Zeitraum auf. Weiter wird angestrebt, nach dem Guss bereits eine hohe Qualität der Oberfläche des Gussstücks zu erreichen, sodass die Nachbearbeitung der Oberfläche mit geringem Aufwand durchge¬ führt werden kann.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Formstoffmi¬ schung zur Herstellung von Gießformen für die Metallverarbeitung zur Verfügung zu stellen, welche mindestens einen feuerfesten Formgrundstoff sowie ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel¬ system umfasst, welche die Herstellung von Gießformen ermög- licht, die eine hohe Festigkeit sowohl unmittelbar nach der Formgebung als auch bei längerer Lagerung aufweisen.

Ferner soll die Formstoffmischung die Herstellung von Gießformen ermöglichen, mit welchen Gussstücke hergestellt werden können, die eine hohe Qualität der Oberfläche aufweisen, sodass nur eine geringe Nachbearbeitung der Oberflächen erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Formstoffmischung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Formstoffmischung sind Gegenstand der abhängi¬ gen Patentansprüche.

Überraschend wurde gefunden, dass durch die Verwendung eines Bindemittels, welches ein Alkaliwasserglas sowie ein teilchen- förmiges Metalloxid enthält, welches aus der Gruppe von Silici- umdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid und Zinkoxid ausgewählt ist, die Festigkeit von Gießformen sowohl unmittelbar nach der Form¬ gebung und Aushärtung als auch bei einer Lagerung unter erhöhter Luftfeuchtigkeit deutlich verbessert werden kann. Die oben ange¬ gebenen teilchenförmigen Metalloxide können sowohl einzeln als auch in Kombination verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Formstoffmischung zur Herstellung von Gie߬ formen für die Metallverarbeitung umfasst mindestens:

einen feuerfesten Formgrundstoff; sowie ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel.

Als feuerfester Formgrundstoff können für die Herstellung von Gießformen übliche Materialien verwendet werden. Geeignet sind beispielsweise Quarz- oder Zirkonsand. Weiter sind auch faser- förmige feuerfeste Formgrundstoffe geeignet, wie beispielsweise Schamottefasern. Weitere geeignete feuerfeste Formgrundstoffe sind beispielsweise Olivin, Chromerzsand, Vermiculit. Weiter können als feuerfeste Formgrundstoffe auch künstliche Formstoffe verwendet werden, wie z.B. Aluminiumsilikathohlkugeln (sog. Microspheres) , Glasperlen, Glasgranulat oder unter der Bezeichnung „Cerabeads" bzw. „Carboaccucast" bekannte kugelför¬ mige keramische Formgrundstoffe. Diese kugelförmigen keramischen Formgrundstoffe enthalten als Mineralien beispielsweise Mullit, Korund, ß-Cristobalit in unterschiedlichen Anteilen. Sie enthal¬ ten als wesentliche Anteile Aluminiumoxid und Siliciumdioxid. Typische Zusammensetzungen enthalten beispielsweise AI2O3 und SiO2 in etwa gleichen Anteilen. Daneben können noch weitere Be¬ standteile in Anteilen von <10 % enthalten sein, wie TiO2, Fe2C>3. Der Durchmesser der Mikrokugeln beträgt vorzugsweise weniger als 1000 um, insbesondere weniger als 600 μm. Geeignet sind auch synthetisch hergestellte feuerfeste Formgrundstoffe, wie bei¬ spielsweise Mullit (x AI2O3 • y SiO2, mit x = 2 bis 3, y = 1 bis 2; ideale Formel: Al2SiO5) . Diese künstlichen Formgrundstoffe gehen nicht auf einen natürlichen Ursprung zurück und können auch einem besonderen Formgebungsverfahren unterworfen worden sein, wie beispielsweise bei der Herstellung von Aluminiumsili- katmikrohohlkugeln, Glasperlen oder kugelförmigen keramischen Formgrundstoffen.

Besonders bevorzugt werden als feuerfeste künstliche Formgrund¬ stoffe Glasmaterialien verwendet. Diese werden insbesondere ent¬ weder als Glaskugeln oder als Glasgranulat eingesetzt. Als Glas können übliche Gläser verwendet werden, wobei Gläser, die einen hohen Schmelzpunkt zeigen, bevorzugt sind. Geeignet sind bei¬ spielsweise Glasperlen und/oder Glasgranulat, das aus Glasbruch hergestellt wird. Ebenfalls geeignet sind Boratgläser. Die Zu¬ sammensetzung derartiger Gläser ist beispielhaft in der nachfol¬ genden Tabelle angegeben. Tabelle: Zusammensetzung von Gläsern

M : Erdalkalimetall, z.B. Mg, Ca, Ba M1: Alkalimetall, z.B. Na, K

Neben den in der Tabelle aufgeführten Gläsern können jedoch auch andere Gläser verwendet werden, deren Gehalt an den oben genann¬ ten Verbindungen außerhalb der genannten Bereiche liegt. Ebenso können auch Spezialgläser verwendet werden, die neben den Ge¬ nannten Oxiden auch andere Elemente bzw. deren Oxide enthalten.

Der Durchmesser der Glaskugeln beträgt vorzugsweise weniger als 1000 μm, insbesondere weniger als 600 μm.

In Gießversuchen mit Aluminium wurde gefunden, dass bei Verwen¬ dung künstlicher Formgrundstoffe, vor allem bei Glasperlen, Glasgranulat bzw. Microspheres, nach dem Gießen weniger Formsand an der Metalloberfläche haften bleibt als bei Verwendung von reinem Quarzsand. Der Einsatz künstlicher Formgrundstoffe ermög¬ licht daher die Erzeugung glätterer Gussoberflächen, wobei eine aufwändige Nachbehandlung durch Strahlen nicht oder zumindest in erheblich geringerem Ausmaß erforderlich ist. Es ist nicht notwendig, den gesamten Formgrundstoff aus den künstlichen Formgrundstoffen zu bilden. Der bevorzugte Anteil der künstlichen Formgrundstoffe liegt bei mindestens etwa 3 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise bei mindestens etwa 15 Gew.-%, besonders bevorzugt bei mindestens etwa 20 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Menge des feuerfesten Formgrundstoffs. Der feuerfeste Formgrundstoff weist vorzugsweise einen rieselfä¬ higen Zustand auf, so dass die erfindungsgemäße Formstoffmi¬ schung in üblichen Kernschießmaschinen verarbeitet werden kann.

Als weitere Komponente umfasst die erfindungsgemäße Formstoffmi¬ schung ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel. Als Wasser¬ glas können dabei übliche Wassergläser verwendet werden, wie sie bereits bisher als Bindemittel in Formstoffmischungen verwendet werden. Diese Wassergläser enthalten gelöste Natrium- oder Kali¬ umsilikate und können durch Lösen von glasartigen Kalium-, und Natriumsilikaten in Wasser hergestellt werden. Das Wasserglas weist vorzugsweise ein Modul im Bereich von 1,6 bis 4,0, insbesondere 2,0 bis 3,5, auf, wobei M für Natrium und/oder Kalium steht. Die Wassergläser weisen vorzugsweise einen Fest- stoffanteil im Bereich von 30 bis 60 Gew.-% auf. Der Feststoff¬ anteil bezieht sich auf die im Wasserglas enthaltene Menge an SiO2 und M2O.

Erfindungsgemäß enthält die Formstoffmischung einen Anteil eines teilchenförmigen Metalloxids, das ausgewählt ist aus der Gruppe von Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid und Zinkoxid. Die Teilchengröße dieser Metalloxide beträgt vorzugsweise weniger als 300 μm, bevorzugt weniger als 200 μm, insbesondere bevorzugt weniger als 100 μm. Die Teilchengröße lässt sich durch Siebana¬ lyse bestimmen. Besonders bevorzugt beträgt der Siebrückstand auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 63 μm weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.-%. Besonders bevorzugt wird als teilchenförmiges Metalloxid Silici- umdioxid verwendet, wobei hier synthetisch hergestelltes amor¬ phes Siliciumdioxid besonders bevorzugt ist.

Als teilchenförmiges Siliciumdioxid wird vorzugsweise Fällungs¬ kieselsäure und/oder pyrogene Kieselsäure verwendet. Fällungs¬ kieselsäure wird durch Reaktion einer wässrigen Alkalisilikatlö¬ sung mit Mineralsäuren erhalten. Der dabei anfallende Nieder¬ schlag wird anschließend abgetrennt, getrocknet und vermählen. Unter pyrogenen Kieselsäuren werden Kieselsäuren verstanden, die bei hohen Temperaturen durch Koagulation aus der Gasphase gewon¬ nen werden. Die Herstellung pyrogener Kieselsäure kann bei¬ spielsweise durch Flammhydrolyse von Siliciumtetrachlorid oder im Lichtbogenofen durch Reduktion von Quarzsand mit Koks oder Anthrazit zu Siliciummonoxidgas mit anschließender Oxidation zu Siliciumdioxid erfolgen. Die nach dem Lichtbogenofen-Verfahren hergestellten pyrogenen Kieselsäuren können noch Kohlenstoff enthalten. Fällungskieselsäure und pyrogene Kieselsäure sind für die erfindungsgemäße Formstoffmischung gleich gut geeignet. Die¬ se Kieselsäuren werden im weiteren als "synthetisches amorphes Siliciumdioxid" bezeichnet.

Die Erfinder nehmen an, dass das stark alkalische Wasserglas mit den an der Oberfläche des synthetisch hergestellten amorphen Siliciumdioxids angeordneten Silanolgruppen reagieren kann und dass beim Verdampfen des Wassers eine intensive Verbindung zwi¬ schen dem Siliciumdioxid und dem dann festen Wasserglas herge¬ stellt wird.

Die erfindungsgemäße Formstoffmischung stellt eine intensive Mischung aus zumindest den genannten Bestandteilen dar. Dabei sind die Teilchen 'des feuerfesten Formgrundstoffs vorzugsweise mit einer Schicht des Bindemittels überzogen. Durch Verdampfen des im Bindemittel vorhandenen Wassers (ca. 40 - 70 Gew.-%, be¬ zogen auf das Gewicht des Bindemittels) kann dann ein fester Zusammenhalt zwischen den Teilchen des feuerfesten Formgrund¬ stoffs erreicht werden.

Das Bindemittel, d.h. das Wasserglas sowie das teilchenförmige Metalloxid, insbesondere synthetisches amorphes Siliciumdioxid, ist in der Formstoffmischung bevorzugt in einem Anteil von weni¬ ger als 20 Gew.-% enthalten. Werden massive Formgrundstoffe ver¬ wendet, wie beispielsweise Quarzsand, ist das Bindemittel vor¬ zugsweise in einem Anteil von weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 8 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 5 Gew.-% enthalten. Werden feuerfeste Formgrundstoffe verwendet, welche eine geringe Dichte aufweisen, wie beispielsweise die oben beschriebenen Mikrohohlkugeln, erhöht sich der Anteil des Bindemittels entsprechend.

Das teilchenförmige Metalloxid, insbesondere das synthetische amorphe Siliciumdioxid, ist, bezogen auf das Gewicht des Binde¬ mittels, vorzugsweise in einem Anteil von 2 bis 60 Gew.-% ent¬ halten, vorzugsweise zwischen 3 und 50 Gew.-%, insbesondere be¬ vorzugt zwischen 4 und 40 Gew.-%.

Das Verhältnis von Wasserglas zu teilchenförmigem Metalloxid, insbesondere synthetischem amorphem Siliciumdioxid, kann inner¬ halb weiter Bereiche variiert werden. Dies bietet den Vorteil, die Anfangsfestigkeit der Gießform, d.h. die Festigkeit unmit¬ telbar nach Entnahme aus dem heißen Werkzeug, und die Feuchtig¬ keitsbeständigkeit zu verbessern, ohne die Endfestigkeiten, d.h. die Festigkeiten nach dem Erkalten der Gießform , gegenüber ei¬ nem Wasserglasbindemittel ohne amorphes Siliciumdioxid wesent¬ lich zu beeinflussen. Dies ist vor allem im Leichtmetallguss von großem Interesse. Auf der einen Seite sind hohe Anfangsfestig¬ keiten erwünscht, um nach der Herstellung der Gießform diese problemlos transportieren oder mit anderen Gießformen zusammen¬ setzen zu können. Auf der anderen Seite sollte die Endfestigkeit nach dem Aushärten nicht zu hoch sein, um Schwierigkeiten beim Binderzerfall nach dem Abguss zu vermeiden, d.h. der Formstoff sollte nach dem Gießen problemlos aus Hohlräumen der Gussform entfernt werden können.

Der in der erfindungsgemäßen Formstoffmischung enthaltene Form¬ grundstoff kann in einer Ausführungsform der Erfindung zumindest einen Anteil von Mikrohohlkugeln enthalten. Der Durchmesser der Mikrohohlkugeln liegt normalerweise im Bereich von 5 bis 500 um, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 350 um und die Dicke der Schale liegt gewöhnlich im Bereich von 5 bis 15 % des Durchmes¬ sers der Mikrokugeln. Diese Mikrokugeln weisen ein sehr geringes spezifisches Gewicht auf, so dass die unter Verwendung von Mik¬ rohohlkugeln hergestellten Gießformen ein niedriges Gewicht auf¬ weisen. Besonders vorteilhaft ist die Isolierwirkung der Mikro¬ hohlkugeln. Die Mikrohohlkugeln werden daher insbesondere dann für die Herstellung von Gießformen verwendet, wenn diese eine erhöhte Isolierwirkung aufweisen sollen. Solche Gießformen sind beispielsweise die bereits in der Einleitung beschriebenen Spei¬ ser, welche als Ausgleichsreservoir wirken und flüssiges Metall enthalten, wobei das Metall solange in einem flüssigen Zustand erhalten werden soll, bis das in die Hohlform eingefüllte Metall erstarrt ist. Ein anderes Anwendungsgebiet von Gießformen, wel¬ che Mikrohohlkugeln enthalten, sind beispielsweise Abschnitte einer Gießform, welche besonders dünnwandigen Abschnitten der fertigen Gussform entsprechen. Durch die isolierende Wirkung der Mikrohohlkugeln wird sichergestellt, dass das Metall in den dünnwandigen Abschnitten nicht vorzeitig erstarrt und damit die Wege innerhalb der Gießform verstopft.

Werden Mikrohohlkugeln verwendet, wird das Bindemittel, bedingt durch die geringe Dichte dieser Mikrohohlkugeln, vorzugsweise in einem Anteil im Bereich von vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%, insbesondere bevorzugt im Bereich von 10 bis 18 Gew.-% verwen¬ det. Die Mikrohohlkugeln bestehen vorzugsweise aus einem Aluminiumsi- likat. Diese Aluminiumsilikatmikrohohlkugeln weisen vorzugsweise einen Gehalt an Aluminiumoxid von mehr als 20 Gew.-% auf, können jedoch auch einen Gehalt von mehr als 40 Gew.-% aufweisen. Sol¬ che Mikrohohlkugeln werden beispielsweise von der Omega Minerals Germany GmbH, Norderstedt, unter den Bezeichnungen Omega- Spheres® SG mit einem Aluminiumoxidgehalt von ca. 28 - 33 %, O- mega-Spheres® WSG mit einem Aluminiumoxidgehalt von ca. 35 - 39 % und E-Spheres® mit einem Aluminiumoxidgehalt von ca. 43 % in den Handel gebracht. Entsprechende Produkte sind bei der PQ Corporation (USA) unter der Bezeichnung „Extendospheres®" er¬ hältlich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Mikrohohlkugeln als feuerfester Formgrundstoff verwendet, welche aus Glas aufgebaut sind.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die Mikrohohlkugeln aus einem Borsilikatglas. Das Borsilikatglas weist dabei einen Anteil an Bor, berechnet als B2O3, von mehr als 3 Gew.-% auf. Der Anteil der Mikrohohlkugeln wird vorzugs¬ weise kleiner als 20 Gew.-% gewählt, bezogen auf die Formstoff¬ mischung. Bei Verwendung von Borsilikatglas-Mikrohohlkugeln wird bevorzugt ein geringer Anteil gewählt. Dieser beträgt vorzugs¬ weise weniger als 5 Gew.-%, bevorzugt weniger als 3 Gew.-%, und liegt insbesondere bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 2 Gew..-%.

Wie bereits erläutert, enthält die erfindungsgemäße Formstoffmi¬ schung in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest einen An¬ teil an Glasgranulat und/oder Glasperlen als feuerfesten Form¬ grundstoff.

Es ist auch möglich, die Formstoffmischung als exotherme Form¬ stoffmischung auszubilden, die beispielsweise für die Herstel¬ lung exothermer Speiser geeignet ist. Dazu enthält die Form- stoffmischung ein oxidierbares Metall und ein geeignetes Oxida- tionsmittel. Bezogen auf die Gesamtmasse der Formstoffmischung bilden die oxidierbaren Metalle bevorzugt einen Anteil von 15 bis 35 Gew.-%. Das Oxidationsmittel wird bevorzugt in einem An¬ teil von 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Formstoffmischung zugesetzt. Geeignete oxidierbare Metalle sind beispielsweise Aluminium oder Magnesium. Geeignete Oxidationsmittel sind bei¬ spielsweise Eisenoxid oder Kaliumnitrat.

Bindemittel, welche Wasser enthalten, weisen im Vergleich zu Bindemitteln auf Basis organischer Lösungsmittel eine schlechte¬ re Fließfähigkeit auf. Dies bedeutet, dass sich Formwerkzeuge mit engen Durchgängen und mehrere Umlenkungen schlechter füllen lassen. Als Folge davon besitzen die Gießformen Abschnitte mit ungenügender Verdichtung, was wiederum beim Abguss zu Gussfeh¬ lern führen kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ent¬ hält die erfindungsgemäße Formstoffmischung einen Anteil an plättchenförmigen Schmiermitteln, insbesondere Grafit oder MoS2. Überraschend hat sich gezeigt, dass bei einem Zusatz derartiger Schmiermittel, insbesondere von Grafit, auch komplexe Formen mit dünnwandigen Abschnitten hergestellt werden können, wobei die Gießformen durchgängig eine gleichmäßig hohe Dichte und Festig¬ keit aufweisen, so dass beim Gießen im Wesentlichen keine Guss¬ fehler beobachtet wurden. Die Menge des zugesetzten plättchen¬ förmigen Schmiermittels, insbesondere Grafits, beträgt vorzugs¬ weise 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-%, bezogen auf den Formgrundstoff.

Neben den genannten Bestandteilen kann die erfindungsgemäße Formstoffmischung noch weitere Zusätze umfassen. Beispielsweise können interne Trennmittel zugesetzt werden, welche die Ablösung der Gießformen aus dem Formwerkzeug erleichtern. Geeignete in¬ terne Trennmittel sind z.B. Calciumstearat, Fettsäureester, Wachse, Naturharze oder spezielle Alkydharze. Weiter können auch Silane zur erfindungsgemäßen Formstoffmischung gegeben werden. So enthält die erfindungsgemäße Formstoffmischung in einer be¬ vorzugten Ausführungsform ein organisches Additiv, welches einen Schmelzpunkt im Bereich von 40 bis 180 0C, vorzugsweise 50 bis 175 0C aufweist, also bei Raumtemperatur fest ist. Unter organi¬ schen Additiven werden dabei Verbindungen verstanden, deren Mo¬ lekülgerüst überwiegend aus Kohlenstoffatomen aufgebaut ist, also beispielsweise organische Polymere. Durch die Zugabe der organischen Additive kann die Güte der Oberfläche des Gussstücks weiter verbessert werden. Der Wirkmechanismus der organischen Additive ist nicht geklärt. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen nehmen die Erfinder jedoch an, dass zumindest ein Teil der organischen Additive beim Gießvorgang verbrennt und dabei ein dünnes Gaspolster zwischen flüssigem Metall und dem die Wand der Gießform bildenden Formstoff entsteht und so eine Reaktion zwischen flüssigem Metall und Formstoff verhindert wird. Ferner nehmen die Erfinder an, dass ein Teil der organischen Additive unter der beim Gießen herrschenden reduzierenden Atmosphäre eine dünne Schicht von so genanntem Glanzkohlenstoff bildet, der e- benfalls eine Reaktion zwischen Metall und Formstoff verhindert. Als weitere vorteilhafte Wirkung kann durch die Zugabe der orga¬ nischen Additive eine Steigerung der Festigkeit der Gießform nach dem Aushärten erreicht werden.

Die organischen Additive werden bevorzugt in einer Menge von 0,01 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt 0,05 bis 1,3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 1,0 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Formstoff, zugegeben.

Überraschend wurde gefunden, dass eine Verbesserung der Oberflä¬ che des Gussstücks mit sehr unterschiedlichen organischen Addi¬ tiven erreicht werden kann. Geeignete organische Additive sind beispielsweise Phenol-Formaldehydharze, wie z.B. Novolake, Epo¬ xidharze, wie beispielsweise Bisphenol-A-Epoxidharze, Bisphenol- F-Epoxidharze oder epoxidierte Novolake, Polyole, wie beispiels- weise Polyethylenglykole oder Polypropylenglykole, Polyolefine, wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, Copolymere aus Olefinen, wie Ethylen oder Propylen, und weiteren Comonomeren, wie Vinylacetat, Polyamide, wie beispielsweise Polyamid-6, PoIy- amid-12 oder Polyamid-6, 6, natürliche Harze, wie beispielsweise Balsamharz, Fettsäureester, wie beispielsweise Cetylpalmitat, Fettsäureamide, wie beispielsweise Ethylendiaminbisstearamid, sowie Metallseifen, wie beispielsweise Stearate oder Oleate zwei- oder dreiwertiger Metalle. Die organischen Additive können sowohl als reiner Stoff enthalten sein, als auch als Gemisch verschiedener organischer Verbindungen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Formstoffmischung einen Anteil zumindest eines Silans.' Geeignete Silane sind beispielsweise Aminosilane, Epoxy- silane, Mercaptosilane, Hydroxysilane und Ureidosilane. Beispie¬ le für geeignete Silane sind γ-Aminopropyl-trimethoxysilan, γ-Hydroxypropyltrimethoxysilan, 3-Ureidopropyltriethoxysilan, γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxy- silan, ß- (3,4-Epoxycyclohexyl)trimethoxysilan und N-ß (Aminoethyl) -Y-aminopropyltrimethoxysilan.

Bezogen auf das teilchenförmige Metalloxid werden typischerweise ca. 5 - 50 % Silan eingesetzt, vorzugsweise ca. 7 - 45 %, beson¬ ders bevorzugt ca. 10 - 40 %.

Trotz der mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel erreichbaren hohen Festigkeiten zeigen die mit der erfindungsgemäßen Form¬ stoffmischung hergestellten Gießformen, insbesondere Kerne und Formen, nach dem Abguss einen guten Zerfall, insbesondere beim Aluminiumguss. Die Verwendung der aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung hergestellten Formkörper ist jedoch nicht auf den Leichtmetallguss beschränkt. Die Gießformen eignen sich ge¬ nerell zum Gießen von Metallen. Solche Metalle sind beispiels¬ weise Buntmetalle, wie Messing oder Bronzen, sowie Eisenmetalle. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung von Gießformen für die Metallverarbeitung, wobei die erfindungsgemä¬ ße Formstoffmischung verwendet wird. Das erfindungsgemäße Ver¬ fahren umfasst die Schritte:

Herstellen der oben beschriebenen Formstoffmischung;

Formen der Formstoffmischung;

Aushärten der Formstoffmischung, indem die Formstoffmi¬ schung erwärmt wird, wobei die ausgehärtete Gießform erhal¬ ten wird.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung wird im Allgemeinen so vorgegangen, dass zunächst der feuerfeste Formgrundstoff vorgelegt und dann unter Rühren das Bindemittel zugegeben wird. Dabei kann das Wasserglas sowie das teilchenför- mige Metalloxid, insbesondere das synthetische amorphe Silicium- dioxid, an sich in beliebiger Reihenfolge zugegeben werden. Es ist jedoch vorteilhaft, die flüssige Komponente als erstes zu¬ zugeben. Die Zugabe erfolgt unter heftigem Rühren, so dass das Bindemittel gleichmäßig im feuerfesten Formgrundstoff verteilt wird und diesen beschichtet.

Die Formstoffmischung wird anschließend in die gewünschte Form gebracht. Dabei werden für die Formgebung übliche Verfahren ver¬ wendet. Beispielsweise kann die Formstoffmischung mittels einer Kernschießmaschine mit Hilfe von Druckluft in das Formwerkzeug geschossen werden. Die Formstoffmischung wird anschließend durch Wärmezufuhr ausgehärtet, um das im Bindemittel enthaltene Wasser zu verdampfen. Das Erwärmen kann beispielsweise im Formwerkzeug erfolgen. Es ist möglich, die Gießform bereits im Formwerkzeug vollständig auszuhärten. Es ist aber auch möglich, die Gießform nur in ihrem Randbereich auszuhärten, so dass sie eine ausrei¬ chende Festigkeit aufweist, um aus dem Formwerkzeug entnommen werden zu können. Die Gießform kann dann anschließend vollstän- dig ausgehärtet werden, indem ihr weiteres Wasser entzogen wird. Dies kann beispielsweise in einem Ofen erfolgen. Der Wasserent¬ zug kann beispielsweise auch erfolgen, indem das Wasser bei ver¬ mindertem Druck verdampft wird.

Die Aushärtung der Gießformen kann durch Einblasen von erhitzter Luft in das Formwerkzeug beschleunigt werden. Bei dieser Ausfüh¬ rungsform des Verfahrens wird ein rascher Abtransport des im Bindemittel enthaltenen Wassers erreicht, wodurch die Gießform in für eine industrielle Anwendung geeigneten Zeiträumen verfes¬ tigt wird. Die Temperatur der eingeblasenen Luft beträgt vor¬ zugsweise 1000C bis 18O0C, insbesondere bevorzugt 1200C bis 1500C. Die Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft wird vor¬ zugsweise so eingestellt, dass eine Aushärtung der Gießform in für eine industrielle Anwendung geeigneten Zeiträumen erfolgt. Die Zeiträume hängen von der Größe der hergestellten Gießformen ab. Angestrebt wird eine Aushärtung im Zeitraum von weniger als 5 Minuten, vorzugsweise weniger als 2 Minuten. Bei sehr großen Gießformen können jedoch auch längere Zeiträume erforderlich sein.

Die Entfernung des Wassers aus der Formstoffmischung kann auch in der Weise erfolgen, dass das Erwärmen der Formstoffmischung durch Einstrahlen von Mikrowellen bewirkt wird. Die Einstrahlung der Mikrowellen wird aber bevorzugt vorgenommen, nachdem die Gießform aus dem Formwerkzeug entnommen wurde. Dazu muss die Gießform jedoch bereits eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Wie bereits erläutert, kann dies beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass zumindest eine äußere Schale der Gießform bereits im Formwerkzeug ausgehärtet wird.

Wie bereits weiter oben erläutert, kann durch den Zusatz von plättchenförmigen Schmiermitteln, insbesondere Grafit und/oder MoS2, die Fließfähigkeit der erfindungsgemäßen Formstoffmischung verbessert werden. Bei der Herstellung kann das plättchenförmige Schmiermittel, insbesondere Grafit dabei getrennt von den beiden Binderkomponenten der Formstoffmischung zugesetzt werden. Es ist aber genauso gut möglich, das plättchenförmige Schmiermittel, insbesondere Grafit, mit dem teilchenförmigen Metalloxid, insbe¬ sondere dem synthetischen amorphen Siliciumdioxid, vorzumischen und erst dann mit dem Wasserglas und dem feuerfesten Formgrund¬ stoff zu vermengen.

Umfasst die Formstoffmischung ein organisches Additiv, so kann die Zugabe des organischen Additivs an sich zu jedem Zeitpunkt der Herstellung der Formstoffmischung erfolgen. Die Zugabe des organischen Additivs kann dabei in Substanz oder auch in Form einer Lösung erfolgen.

Wasserlösliche organische Additive können in Form einer wässri- gen Lösung eingesetzt werden. Sofern die organischen Additive im Bindemittel löslich und darin unzersetzt über mehrere Monate lagerstabil sind, können sie auch im Bindemittel gelöst und so gemeinsam mit diesem dem Formstoff zugegeben werden. Wasserun¬ lösliche Additive können in Form einer Dispersion oder einer Paste verwendet werden. Die Dispersionen oder Pasten enthalten bevorzugt Wasser als Lösungsmittel. An sich können Lösungen oder Pasten der organischen Additive auch in organischen Lösemitteln hergestellt werden. Wird für die Zugabe der organischen Additive jedoch ein Lösungsmittel verwendet, so wird vorzugsweise Wasser eingesetzt.

Vorzugsweise erfolgt die Zugabe der organischen Additive als Pulver oder als Kurzfaser, wobei die mittlere Teilchengröße bzw. die Faserlänge bevorzugt so gewählt wird, dass sie die Größe der Formstoffpartikel nicht übersteigt. Besonders bevorzugt lassen sich die organischen Additive durch ein Sieb mit der Maschenwei¬ te von ca. 0,3 mm sieben. Um die Anzahl der dem Formstoff zuge¬ gebenen Komponenten zu reduzieren, werden das teilchenförmige Metalloxid und das bzw. die organischen Additive dem Formsand vorzugsweise nicht getrennt zugesetzt, sondern vorab gemischt.

Enthält die Formstoffmischung Silane, so erfolgt die Zugabe der Silane üblicherweise in der Form, dass sie vorab in das Binde¬ mittel eingearbeitet werden. Die Silane können dem Formstoff aber auch als getrennte Komponente zugegeben werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, das teilchenförmige Metalloxid zu silanisieren, d.h. das Metalloxid mit dem Silan zu mischen, so dass seine Oberfläche mit einer dünnen Silanschicht versehen ist. Setzt man das so vorbehandelte teilchenförmige Metalloxid ein, so findet man gegenüber dem unbehandelten Metalloxid erhöh¬ te Festigkeiten sowie eine verbesserte Resistenz gegen hohe Luftfeuchtigkeit. Setzt man, wie beschrieben, der Formstoffmi¬ schung bzw. dem teilchenförmigen Metalloxid ein organisches Ad¬ ditiv zu, ist es zweckmäßig, dies vor der Silanisierung zu tun.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich an sich für die Her¬ stellung aller für den Metallguss üblicher Gießformen, also bei¬ spielsweise von Kernen und Formen. Insbesondere bei Zusatz von isolierendem feuerfestem Formgrundstoff oder bei Zusatz von exo¬ thermen Materialien zur erfindungsgemäßen Formstoffmischung eig¬ net sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Speisern.

Die aus der erfindungsgemäßen Formstoffmischung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gießformen weisen eine hohe Festigkeit unmittelbar nach der Herstellung auf, ohne dass die Festigkeit der Gießformen nach dem Aushärten so hoch ist, dass Schwierigkeiten nach der Herstellung des Gussstücks beim Entfernen der Gießform auftreten. Weiterhin weisen diese Gie߬ formen eine hohe Stabilität bei erhöhter Luftfeuchtigkeit auf, d.h. die Gießformen können auch über längere Zeit hinweg prob¬ lemlos gelagert werden. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher eine Gießform, welche nach dem oben beschriebenen er¬ findungsgemäßen Verfahren erhalten wurde.

Die erfindungsgemäße Gießform eignet sich allgemein für den Me- tallguss, insbesondere Leichtmetallguss. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden beim Aluminiumguss erhalten.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Beispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1: einen Querschnitt durch ein zur Prüfung der Fließfä¬ higkeit verwendetes Formwerkzeug;

Fig. 2: einen Querschnitt durch eine Gießform, welche zur Prüfung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung ver¬ wendet wurde.

Beispiel 1

Einfluss von synthetisch hergestelltem amorphem Siliciumdioxid auf die Festigkeit von Formkörpern mit Quarzsand als Formgrund¬ stoff

1. Herstellung und Prüfung der Formstoffmischung

Für die Prüfung der Formstoffmischung wurden sog. Georg-Fischer- Prüfriegel hergestellt. Unter Georg-Fischer-Prüfriegeln werden quaderförmige Prüfriegel mit den Abmessungen 150 mm x 22,36 mm x 22,36 mm verstanden.

Die Zusammensetzung der Formstoffmischung ist in Tabelle 1 ange¬ geben. Zur Herstellung der Georg-Fischer-Prüfriegel wurde wie folgt vorgegangen: - Die in Tabelle 1 aufgeführten Komponenten wurden in einem La¬ borflügelmischer (Firma Vogel & Schemmann AG, Hagen, DE) ge¬ mischt. Dazu wurde zunächst der Quarzsand vorgelegt und unter Rühren das Wasserglas zugegeben. Als Wasserglas wurde ein Natriumwasserglas verwendet, das Anteile von Kalium aufwies. In den nachfolgenden Tabellen ist das Modul daher mit SiO2 : M2O angegeben, wobei M die Summe aus Natrium und Kalium an¬ gibt. Nachdem die Mischung für eine Minute gerührt worden war, wurde ggf. das amorphe Siliciumdioxid (erfindungsgemäße Beispiele) unter weiterem Rühren zugegeben. Die Mischung wur¬ de anschließend noch für eine weitere Minute gerührt;

- Die Formstoffmischungen wurden in den Vorratsbunker einer H 2,5 Hot-Box-Kernschießmaschine der Firma Röperwerk - Gieße¬ reimaschinen GmbH, Viersen, DE, überführt, deren Formwerkzeug auf 2000C erwärmt war;

- Die Formstoffmischungen wurden mittels Druckluft (5 bar) in das Formwerkzeug eingebracht und verblieben für weitere 35 Sekunden im Formwerkzeug;

- Zur Beschleunigung der Aushärtung der Mischungen wurde wäh¬ rend der letzten 20 Sekunden Heißluft (2 bar, 1200C beim Ein¬ tritt in das Werkzeug) durch das Formwerkzeug geleitet;

- Das Formwerkzeug wurde geöffnet und die Prüfriegel entnommen.

Zur Bestimmung der Biegefestigkeiten wurden die Prüfriegel in ein Georg-Fischer-Festigkeitsprüfgerät, ausgerüstet mit einer 3- Punkt-Biegevorrichtung (DISA Industrie AG, Schaffhausen, CH) eingelegt und die Kraft gemessen, welche zum Bruch der Prüfrie- gel führte.

Die Biegefestigkeiten wurden nach folgendem Schema gemessen: - 10 Sekunden nach der Entnahme (Heißfestigkeiten) ; - ca. 1 Stunde nach der Entnahme (Kaltfestigkeiten) ; - Nach 3 Stunden Lagerung der erkalteten Kerne im Klimaschrank bei 250C und 75 % relativer Luftfeuchte. Die gemessenen Biegefestigkeiten sind in Tabelle 2 zusammenge- fasst. Tabelle 1

Zusammensetzung der Formstoffmischungen

amorphes Quarzsand Alkali¬ H 32 Siliciumdi- wasserglas oxid

1.1 100 GT 2,5 GT a) - Vergleich, nicht erfin¬ dungsgemäß

, nicht erfin- 1.2 100 GT 2,5 GT b) - Vergleich dungsgerαäß

1.3 100 GT nicht erfin¬ 2,5 GT c) - Vergleich, dungsgemäß

1.4 100 GT' 2,5 GT a) 0,2 GT d) erfindungsgemäß

1.5 100 GT 2,5 GT a) 0,6 GT d) erfindungsgemäß

1.6 100 GT 2,5 GT a) 1/0 GT d) erfindungsgemäß

1.7 100 GT 2,5 GT a) 1/5 GT d) erfindungsgemäß

1.8 100 GT 2,5 GT b) 0,2 GT d) erfindungsgemäß

1.9 100 GT 2,5 GT c) 0,2 GT d) erfindungsgemäß

1.10 100 GT 2,5 GT a) 0,2 GT e) erfindungsgemäß

1.11 100 GT 2,5 GT a) 0,2 GT f) erfindungsgemäß

a) Alkaliwasserglas mit Modul SiO2: M2O von ca. 2,3 b> Alkaliwasserglas mit Modul Siθ2: M2O von ca. 3,35 c) Alkaliwasserglas mit Modul SiO2: M2O von ca. 2,03 d) Elkem Microsilica 971 (pyrogene Kieselsäure; Herstellung im Lichtbogenofen) e) Degussa Sipernat 360 (Fällungskieselsäure) f) Wacker HDK N 20 (pyrogene Kieselsäure, Herstellung durch Flammhydrolyse) Tabelle 2

Biegefestigkeiten

2. Ergebnis

a) Einfluss der zugesetzten Menge an amorphem Siliciumdioxid

In den Beispielen 1.4 bis 1.7 wurde den Formstoffmischungen

steigende Mengen an amorphem Siliciumdioxid zugesetzt, welches

im Lichtbogenofen hergestellt worden war. Die Menge an Form¬

grundstoff sowie an Wasserglas wurde jeweils konstant gehalten.

Im Vergleichsbeispiel 1.1 wurde eine Formstoffmischung herge¬

stellt, welche die gleiche Zusammensetzung aufwies, wie die

Formstoffmischungen der Beispiele 1.4 bis 1.7., wobei jedoch kein

amorphes Siliciumdioxid zugesetzt worden war. — Z o ~

Die Ergebnisse aus Tabelle 2 zeigen, dass der Zusatz von amor¬ phem, im Lichtbogen hergestellten Siliciumdioxid die Biegefes¬ tigkeit der Prüfriegel deutlich erhöht. Besonders stark erhöht sich dabei die Biegefestigkeit der Prüfriegel bei einer Messung nach Lagerung im Klimaschrank bei erhöhter Luftfeuchtigkeit. Dies bedeutet, dass die mit der erfindungsgemäßen Formstoffmi¬ schung hergestellten Prüfriegel auch nach längerer Lagerung ihre Festigkeit im Wesentlichen beibehalten. Steigende Mengen an zu¬ gegebenem amorphem Siliciumdioxid führen zu steigenden Biegefes¬ tigkeiten. Dabei ist bei den Biegefestigkeiten, gemessen nach Lagerung im Klimaschrank, zunächst ein starker Anstieg der Bie¬ gefestigkeiten zu beobachten, der sich mit zunehmender Menge an zugesetztem amorphem Siliciumdioxid abflacht.

b) Einfluss des Verhältnisses SiO2 : M2O des Alkaliwasserglases

In den Beispielen 1.4, 1.8 und 1.9 wurden jeweils gleiche Mengen an Formgrundstoff, Wasserglas und amorphem Siliciumdioxid (im Lichtbogen hergestellt) verarbeitet, wobei jedoch das Verhältnis SiO2 : M2O des Alkaliwasserglases verändert wurde. In den Ver¬ gleichsbeispielen 1.1, 1.2 und 1.3 wurden jeweils gleiche Mengen an Formgrundstoff sowie Wasserglas verarbeitet, wobei jedoch ebenfalls das Verhältnis SiO2 : M2O des Alkaliwasserglases vari¬ iert wurde. Wie die in Tabelle 2 aufgeführten Biegefestigkeiten zeigen, ist das amorphe Siliciumdioxid, hergestellt im Lichtbo¬ genofen, unabhängig vom Verhältnis SiO2 : M2O des Alkaliwasser¬ glases wirksam.

c) Einfluss der Art des synthetischen amorphen Siliciumdioxids

In den Beispielen 1.4, 1.10 und 1.11 wurden jeweils gleiche Men¬ gen an Formgrundstoff, Wasserglas und amorphem Siliciumdioxid verarbeitet, wobei jedoch die Art des synthetischen amorphen Siliciumdioxids variiert wurde. Die in Tabelle 2 aufgeführten Biegefestigkeiten zeigen, dass gefällte und pyrogene, durch Flainmhydrolyse hergestellte Kieselsäuren ebenso wirksam sind,

wie im Lichtbogenofen hergestelltes amorphes Siliciumdioxid.

Beispiel 2

Einfluss des Verhältnisses Alkaliwasserglas : amorphes Silicium¬

dioxid auf die Festigkeiten von Formkörpern bei konstanter Ge¬

samtbindermenge mit Quarzsand als Formgrundstoff.

1. Herstellung und Prüfung der Formstoffmischung

Die Herstellung der Formstoffmischungen und ihre Prüfung erfolg¬

te analog Bsp. 1. Die Zusammensetzungen der für die Herstellung

der Prüfriegel verwendeten Formstoffmischungen sind in Tabelle 3

aufgeführt. Die bei den Tests zur Biegefestigkeit gefundenen

Werte sind in Tabelle 4 zusammengefasst.

Tabelle 3

Zusammensetzung der Formstoffmischungen

a) entspricht Versuch 1.1 b) Alkaliwasserglas mit Modul SiO2: M2O von ca. 2,3 c) Elkem Microsilica 971 Tabelle 4

Biegefestigkeiten

2. Ergebnis

Durch Variation des Verhältnisses Wasserglas : amorphes Silici- umdioxid unter Beibehaltung der Gesamtmenge an Wasserglas und amorphem Siliciumdioxid können die Heißfestigkeiten und die Re¬ sistenz gegen hohe Luftfeuchtigkeit verbessert werden, ohne gleichzeitig die Kaltfestigkeiten anzuheben.

Beispiel 3

Einfluss von Silanen auf die Festigkeiten der Formkörper

1. Herstellung und Prüfung der Formstoffmischungen

Die Herstellung der Formstoffmischungen und ihre Prüfung erfolg¬ te analog Bsp.l. Die Zusammensetzung der für die Herstellung der Prüfriegel verwendeten Formstoffmischungen sind in Tabelle 5 aufgeführt. Die bei den Tests zur Biegefestigkeit gefundenen Werte sind in Tab. 6 zusammengefasst. Tabelle 5

Zusammensetzung der Formstoffmischungen

a> entspricht Versuch 1.1 b) entspricht Versuch 1.4 c) Alkaliwasserglas mit Modul SiC>2 : M2O von ca. 2,3 d) • Elkem Microsilica 971 e) Dynasilan Glymo (Degussa AG) , vor dem Versuch mit .dem amor¬ phen Siliciumdioxid vermischt f) Dynasilan Ameo T (Degussa AG) , vor dem Versuch mit dem amor¬ phen Siliciumdioxid vermischt Tabelle 6

Biegefestigkeiten

2. Ergebnis

Die Beispiele 3.3-3.5 zeigen, dass sich die Zugabe von Silan positiv auf die Festigkeiten auswirkt, vor allem hinsichtlich der Beständigkeit gegen hohe Luftfeuchtigkeit.

Beispiel 4

Einfluss des amorphen Siliciumdioxids auf die Festigkeiten von Formkörpern mit künstlichen Formgrundstoffen

1. Herstellung und Prüfung der Formstoffmischung

Die Herstellung der Formstoffmischungen und ihre Prüfung erfolg¬ te analog Bsp. 1. Die Zusammensetzungen der für die Herstellung der Prüfriegel verwendeten Formstoffmischungen sind in Tabelle 7 aufgeführt. Die bei den Tests zur Biegefestigkeit gefundenen Werte sind in Tabelle 8 zusammengefasst. Tabelle 7

Zusammensetzung der Formstoffmischungen

a) Omegaspheres WSG der Firma Omega Minerals Germany GmbH b) Carbo Accucast LD 50 der Firma Carbo Ceramics Inc. c) Glasperlen 100-200 μm der Firma Reidt GmbH & Co.KG d) Alkaliwasserglas mit Modul SiO2 : M2O von ca. 2,3 e) Elkem Microsilica 971 Tabelle 8

Biegefestigkeiten

2. Ergebnis

Man erkennt, dass die positive Wirkung des amorphen Siliciumdio-

xids nicht auf Quarzsand als Formgrundstoff beschränkt ist, son¬

dern dass es auch bei anderen Formgrundstoffen festigkeitsstei-

gernd wirkt, z.B. bei Microspheres, Keramikkugeln und Glasper¬

len.

Beispiel 5

Einfluss des amorphen Siliciumdioxids auf die Festigkeiten von

Formkörpern mit exothermer Masse.

Als exotherme Masse wurde folgende Zusammensetzung verwendet: Aluminium (0,063 - 0,5 mm Körnung) 25 %

Kaliumnitrat 22 %

Mikrohohlkugeln (Omegaspheres® WSG der 44 %

Firma Omega Minerals Germany GmbH)

Feuerfestzuschlag (Schamotte) 9 %

1. Herstellung und Prüfung der Formstoff-Bindemittel-Gemische

Die Herstellung der Formstoff-Bindemittelgemische und ihre Prü¬

fung erfolgte analog Bsp. 1. Die Zusammensetzungen der für die

Herstellung der Prüfriegel verwendeten Formstoffmischungen sind

in Tabelle 9 aufgeführt. Die bei den Tests zur Biegefestigkeit

gefundenen Werte sind in Tabelle 10 zusammengefasst.

Tabelle 9

a) Alkaliwasserglas mit Modul Siθ2 : M2O von ca. 2,3 b) Elkem Microsilica 971 Tabelle 10

Biegefestigkeiten

2. Ergebnis

Das amorphe Siliciumdioxid wirkt auch bei exothermen Massen als Formgrundstoff festigkeitssteigernd.

Beispiel 6

Verbesserung der Fließfähigkeit der Formstoffmischung

1. Herstellung und Prüfung der Formstoffmischung

Die in Tabelle 11 aufgeführten Komponenten wurden in einem La¬ borflügelmischer (Firma Vogel & Schemmann AG, Hagen, DE) ge¬ mischt. Dazu wurde zunächst der Quarzsand vorgelegt und unter Rühren das Wasserglas zugegeben. Nachdem die Mischung für eine Minute gerührt worden war, wurde das amorphe Siliciumdioxid un¬ ter weiterem Rühren zugegeben. Die Mischung wurde anschließend noch für eine weitere Minute gerührt. Schließlich wurde bei den Beispielen 6.2 bis 6.4 noch Grafit zugegeben und die Mischung abschließend für eine weitere Minute gerührt.

Die Fließfähigkeit der Formstoffmischungen wurde mit Hilfe des Füllungsgrades des in Fig. 1 dargestellten Formwerkzeugs 1 er- mittelt. Das Formwerkzeug 1 besteht aus zwei Hälften, welche miteinander verbunden werden können, sodass sich ein Hohlraum 2 ausbildet. Der Hohlraum 2 umfasst drei Kammern 2a, 2b und 2c mit kreisförmigem Querschnitt, die einen Durchmesser von 100 mm und eine Höhe von 30 mm aufweisen. Die Kammern 2a, 2b und 2c sind jeweils durch kreisförmige Öffnungen 3a, 3b verbunden, die einen Durchmesser von 15 mm aufweisen. Die kreisförmigen Öffnungen sind in Zwischenwänden 4a, 4b eingebracht, welche eine Stärke von 8 mm aufweisen. Die Öffnungen 3a, 3b sind jeweils 37,5 mm zur Mittelachse 6 versetzt in maximalem Abstand zueinander ange¬ ordnet. In die Kammer 2a führt ferner entlang der Mittelachse 6 ein Zugang 5, durch welche die Formstoffmischung eingefüllt wer¬ den kann. Der Zugang 5 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 15 mm auf. In der Kammer 2c ist ferner eine Entlüftungsöffnung 7 vorgesehen, welche einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 9 mm aufweist und die mit einer so genannten Schlitzdüse versehen ist. Das Formwerkzeug 1 wird zum Befüllen in eine Kernschießmaschine eingesetzt.

Im Einzelnen wurde wie folgt vorgegangen:

- Mischen der in Tabelle 11 aufgeführten Komponenten;

- Überführung der Mischungen in den Vorratsbunker einer H 1- Cold-Box-Kernschießmaschine der Firma Röperwerke - Gießerei¬ maschinen GmbH, Viersen, DE;

- Einbringen der Mischungen in das nicht erwärmte Formwerkzeug 1 mittels Druckluft (5 bar) ;

- Aushärtung der Mischungen durch Einleiten von CO2;

- Entnahme der gehärteten Formkörper aus dem Werkzeug und Re¬ gistrierung ihres Gewichts. Die ermittelten Gewichte der Formkörper sind in Tabelle 12 zu-

sammengefasst.

Tabelle 11

Zusammensetzung der Formstoffmischungen

a) Alkaliwasserglas mit Modul SiO2 : M2O von ca. 2,3 b) Elkem Microsilica 971

Tabelle 12

Gewicht der Formkörper

2. Ergebnis

Durch die Zugabe von Grafit verbessert sich die Fließfähigkeit

der Formstoffmischungen, d.h. das Werkzeug wird besser gefüllt, Beispiel 7

Gießversuche

1. Herstellung und Prüfung der Formstoffmischung

Zur Durchführung der Gießversuche wurden jeweils vier der in den Beispielen 1 bis 6 hergestellten Georg-Fischer-Prüfriegel 8 je¬ weils um 90° versetzt in das Unterteil 9 der in Fig. 2 wiederge¬ gebenen Probenform eingeklebt. Anschließend wurde das trichter¬ förmige Oberteil 10 der Probenform auf das Unterteil 9 geklebt. Unterteil 9 und Oberteil 10 der Probenform wurden nach einem konventionellen Polyurethan-Cold-Box-Verfahren hergestellt. Da¬ nach wurde die Probenform mit flüssigem Aluminium (7400C) ge¬ füllt. Nach dem Erkalten des Metalls wurde die äußere Probenform entfernt und die Probeabgüsse in den Abschnitten der vier Prüf¬ körper hinsichtlich ihrer Oberflächengüte (Sandanhaftungen, Glätte) begutachtet. Die Bewertung erfolgte mit den Noten 1 (sehr gut) bis 10 (sehr schlecht) . Die Ergebnisse sind in Tabel¬ le 13 zusammengefasst. Tabelle 13

Zusammensetzung der Formstoffgemische und Gussergebnis

2. Ergebnis

Die Ergebnisse aus Tabelle 11 zeigen, dass die Verwendung von künstlichen Formgrundstoffen wie z.B. Aluminiumsilikatmikrohohl- kugeln, Keramikkugeln oder Glasperlen die Oberflächengüte der Gussstücke z.T. erheblich verbessert.

Beispiel 8

Auswirkung organischer Additive auf das Gussergebnis

1. Herstellung und Prüfung der Formstoffmischungen

Die Zusammensetzung der untersuchten Formstoffmischungen ist in Tabelle 14 aufgelistet.

Die Gießversuche und ihre Auswertung erfolgte analog Bsp.7. Das Ergebnis der Gießversuche kann ebenfalls der Tabelle 14 entnom¬ men werden. Tabelle 14

Zusammensetzung der Formstoffmischungen und Gussergebnis

a) entspricht Versuch 1.4 b) Alkaliwasserglas mit Modul SiO2 : M2O von ca. 2,3 c) Elkem Microsilica 971 d) Novolak Bakelite 0235 DP (Bakelite AG) e) Polyethylenglykol PEG 6000 (BASF AG) f) Polyol PX (Perstorp AB) g) PE-Faser Stewathix 500 (Schwarzwälder Textilwerke GmbH) h) Vinylacetat-Ethylen-Copolymer Vinnex C 50 (Wacker Chemie GmbH) i) Polyamid 12 Vestosint 1111 (Degussa AG) j) Balsamharz WW (Bassermann & Co) k) Zinkglukonat (Merck KGaA) D Zinkoleat (Peter Greven Fettchemie GmbH & Co. KG) m) Aluminiumstearat (Peter Greven Fettchemie GmbH & Co. KG)

2. Ergebnis

Tabelle 12 zeigt, dass der Zusatz von organischen Additiven die Gussoberfläche verbessert.