Verwendung eines Lösemittels zur Herstellung von Schlichten, ein Verfahren zur Herstellung einer Schlichte, eine Schlichte und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Lösemittels bestehend aus einer wässrigen, kolloidalen Suspension zur Herstellung von Schlichten, ein Verfahren zur Herstellung einer Schlichte, eine Schlichte und deren Verwendung.

In der Gießerei werden häufig Oberflächenüberzüge, sogenannte Schichten, auf Kerne oder Formen in flüssiger bis pastöser Form (Suspension), seltener in Pulverform aufgebracht, um eine verbesserte Oberflächenqualität der Gussteile, insbesondere die Erhöhung der thermischen Beständigkeit der Formstoffoberfläche und die Verringerung der Oberflächenrauheit zu erreichen, eine Verringerung der Benetzbarkeit und Reaktionsfähigkeit zur Vermeidung von Metallinfiltrationen und Sinterreaktionen, Auslösen einer Impfwirkung zur Beeinflussung des Kristallisationsablaufes oder eine Einflussnahme auf die Wärmeentzugsgeschwindigkeit zur Beeinflussung des Erstarrungsablaufes.

Schlichten sind Suspensionen, deren Feststoffkomponente die trennende bzw. glättende Wirkung des Formüberzugs gewährleistet. Verwendung finden hochdisperse, feuerfeste Stoffe, wie Oxide des Aluminiums, Siliziums, Magnesiums und Chroms sowie Silikate des Aluminiums, Zirkoniums und Magnesiums. Dazu gehören auch Graphit bzw. Koksmehl als Zusätze zur Verminderung der Reaktionsfähigkeit. Metallurgisch wirksame Bestandteile, wie Tellur, Bismut, Chrom oder Silizium, können als zusätzliche Komponenten enthalten sein. Wesentliche Anforderungen an die Grundstoffe sind eine hohe Sintertemperatur, geringe Reaktionsneigung gegenüber dem Gießgut und keine oder nur geringe Schadstoffbildung. Trägerflüssigkeiten können Wasser oder Alkohol (z.B. Iso-Propanol) sein, wobei das Lösemittel Wasser aufgrund seiner besseren Arbeitsplatz- und Umweltverträglichkeit das zukunftsträchtigere ist. Sie bilden mit dem Grundstoff eine Suspension, deren Konsistenz durch das Verhältnis Feststoffanteil zu Trägerflüssigkeit (Dispersionsmittel) bestimmt wird (Suspensionsgrad). Der Suspensionsgrad nimmt unmittelbar Einfluss auf die Verarbeitbarkeit bzw. auf die mit der angewendeten Auftragstechnologie erzielten Schichtstärke. Die Einstellung einer optimalen Konsistenz, charakterisiert durch die Viskosität oder Dichte der Suspension, ist notwendig, um eine ausreichende Schutzwirkung zu erzielen bzw. Rissgefahr und Ablöseerscheinungen zu vermeiden.

DE 10 2009 032 668 A1 beschreibt eine Schlichte zur Herstellung von Formüberzügen auf verlorenen Formen oder Kernen für den Eisen- oder Stahlguss, enthaltend einen gewichtsbezogenen Anteil im Bereich von 0,001 % bis 1 % anorganischer Hohlkörper, bevorzugt Hohlkugeln, bestehend zumindest teilweise aus kristallinen Material, bevorzugt Silikate, Oxide, Carbide, Nitride oder Mischungen daraus.

DE 102017 107655 A1 offenbart die Verwendung einer Schlichtezusammensetzung umfassend mindestens einen Feuerfeststoff und eine wässrige Phase mit einem pH-Wert von höchstens 5 zur Herstellung eines Überzugs auf einer wasserglasgebundenen Form oder einem Kern, zur Verwendung in der Gießerei. Bevorzugt enthält die wasserglasgebundene Form oder der wasserglasgebundene Kern partikuläres, amorphes Siliziumdioxid. Weiterhin bevorzugt umfasst die wässrige Phase mindestens eine Säure.

Weiterhin beschreibt DE 10 2017 107 657 A1 eine Schlichtezusammensetzung umfassend Wasser und organische Esterverbindungen, partikuläres Siliziumdioxid und mindestens einen Feuerfeststoff, zur Herstellung eines Überzugs auf einer Form bzw. einem Kern, bevorzugt einer wasserglasgebundenen Form bzw. einem wasserglasgebundenen Kern, zur Verwendung in der Gießerei, insbesondere zur Verwendung beim Eisen- oder Stahlguss.

WO 2009/007 093 A2 offenbart ein Schlichtesystem zum Schutz von Gießwerkzeugen umfassend keramische Materialien und mindestens ein Bindemittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bindemitteln auf Basis von Wasserglas und Feuerfestbindern in Kombination mit fluoridhaltigen Bestandteilen.

Bei der Anwendung von wasserbasierten Schlichten auf anorganisch gebundenen Formen und/oder Kernen ist es derzeit nicht möglich dies ohne Zusatzmaßnahmen wie z.B. ein externes Trocknungsaggregat zu realisieren. Das Wasser in der Schlichte greift den anorganischen Binder an, wobei erhebliche Festigkeitsverluste auftreten können, mit der Folge, dass die gefertigten Kerne und Formen nicht mehr für den Guss geeignet sind.

Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Schlichte bzw. ein Lösemittel zur Verwendung in einer Schlichte bereitzustellen, welches umweltfreundlich ist und Binder in Gießereiformen und/oder -kernen nicht angreift.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Lösemittels bestehend aus einer wässrigen, kolloidalen Suspension enthaltend Kieselsol mit einem Gehalt im Bereich von 3 Masse-% bis 70 Masse-% zur Herstellung von Schlichten für Gießereikerne und/oder -formen, wobei Kieselsol Polykieselsäure mit einem Siliziumdioxidgehalt im Bereich von 30 Masse-% bis 60 Masse-% umfasst. Vorteilhaft wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Lösemittels umfassend Kieselsol in Schlichten eine Verringerung des Wassergehalts erreicht, wodurch kein Trocknen (Wasser basierte Schlichte) oder Abbrennen (Alkohol-basierte Schlichte) nach der Auftragung der Schlichte auf Gießereiformen und/oder -kerne nötig ist. Weiterhin vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Lösemittel umfassend Kieselsol für Schlichten umweltfreundlich, insbesondere im Vergleich zur Verwendung organischer Lösemittel. Weiter vorteilhaft greift das erfindungsgemäße Lösemittel umfassend Kieselsol Binder in Gießereiformen unc^oder -kernen nicht an, bevorzugt schützt es anorganische Binder in Gießereiformen und/oder -kernen, da das Kieselsol mit den chemisch ähnlichen SiCk-basierten Bindemitteln reagieren kann und die Festigkeit erhöht.

Unter dem Begriff „Lösemittel” wird eine anorganische oder organische Flüssigkeit verstanden, die andere feste oder flüssige Stoffe auf physikalischem Wege zur Lösung bringen können, Voraussetzung für die Eignung als Lösemittel ist, dass sich beim Lösevorgang wederder lösende noch der gelöste Stoff chemisch verändern.

Unter dem Begriff „kolloidal“ wird das Vorhandensein, insbesondere die homogene Verteilung, von Partikeln in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Dispersionsmedium, bevorzugt flüssigen Dispersionsmedium (kolloidale Suspension), verstanden, wobei die Partikel Abmessungen im Bereich von 1 nm bis 1 pm aufweisen.

Unter dem Begriff „Kieselsol“ wird eine wässrige, kolloidale Suspension von Polykieselsäure- Molekülen verstanden. Kieselsol weist einen Natrium- und Kaliumoxidgehalt von maximal 1 Masse-% auf, bevorzugt einen Natriumoxidgehalt von maximal 1 Masse-% auf. In Ausführungsformen umfasst Kieselsol Partikel im Bereich von 5 nm bis 75 nm. Vorteilhaft ist Kieselsol langzeitstabil, insbesondere über mehrere Jahre. Mit dem geringen Natriumoxidgehalt wird vorteilhaft eine Verbesserung der Trocknung, insbesondere im Feingießverfahren erreicht.

In Ausführungsformen umfasst das Kieselsol Polykieselsäure mit einem Siliziumdioxidgehalt im Bereich von 30 Masse-% bis 60 Masse-%, bevorzugt im Bereich von 30 Masse-% bis 40 Masse-%. Unter dem Begriff „Polykieselsäure“ werden polykondensierte Sauerstoffsäuren des Siliziums verstanden, welche an der Oberfläche polare (Si-OH)-Gruppen aufweisen. In Ausführungsformen umfasst das Kieselsol Alkalioxid, bevorzugt Natriumoxid. Vorteilhaft erfolgt eine Stabilisierung des Kieselsols durch geringe Mengevon Alkalioxid. In weiteren Ausführungsformen ist das Verhältnis Kieselsol zu Alkalioxid 100:1.

Erfindungsgemäß enthält das Lösemittel Wasser.

Erfindungsgemäß erfolgt die Verwendung eines Lösemittels enthaltend Kieselsol mit einem Gehalt im Bereich von 3 Masse-% bis 70 Masse-%, bevorzugt im Bereich von 5 Masse-% bis 70 Masse-%, besonders bevorzugt im Bereich von 30 Masse-% bis 70 Masse-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Lösemittels.

Erfindungsgemäß ergänzen sich die Bestandteile des Lösemittels zu 100 Masse-%.

In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines Lösemittels bestehend aus Kieselsol zur Herstellung von Schlichten für Gießereikerne und/oder -formen.

In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines Lösemittels bestehend aus einer wässrigen, kolloidalen Suspension enthaltend weiterhin Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel.

Unter dem Begriff „Nanopartikel“ werden Partikel in einer beliebigen Form verstanden, welche Abmessungen im Bereich von 1 bis 150 nm aufweisen. Vorteilhaft tragen Nanopartikel in der Schlichte zu einer verringerten Oberflächenrauheit bzw. einer Verfeinerung der Gießereikerne und/oder -formen bei.

In Ausführungsformen sind die Nanopartikel rund.

In weiteren Ausführungsformen weist die wässrige, kolloidale Suspension Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel mit einem Gehalt im Bereich von 10 Masse-% bis 35 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des Lösemittels auf. Bevorzugt weist die wässrige, kolloidale Suspension Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel mit einem Gehalt im Bereich von 15 Masse-% bis 31 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des Lösemittels auf.

In Ausführungsformen weisen die Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel Abmessungen im Bereich von 4 nm bis 150 nm auf. In weiteren Ausführungsformen bestehen die Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid, Kaliumaluminiumsilikat, Kaliummagnesiumsilikat, Eisenaluminiumsilikat, Eisengermanaten, Titanaten oder deren Mischungen.

In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines Lösemittels bestehend aus einer wässrigen, kolloidalen Suspension enthaltend weiterhin Aluminiumphosphat.

In Ausführungsformen ist der Feststoffgehalt des Lösemittels im Bereich von 10 Masse-% bis 70 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 65 Masse-%, bezogen auf die Masse von Wasser und Feststoffen.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Schlichte umfassend

Bereitstellung eines Lösemittels bestehend aus einer wässrigen, kolloidalen Suspension enthaltend Kieselsol mit einem Gehalt im Bereich von 3 Masse-% bis 70 Masse-%, wobei Kieselsol Polykieselsäure mit einem Siliziumdioxidgehalt im Bereich von 30 Masse-% bis 60 Masse-% umfasst, und

Mischen des Lösemittels mit mindestens einem feuerfesten Bestandteil, bevorzugt ausgewählt aus Aluminiumoxid, Zirkonsilikat, Siliziumdioxid, Mullit, Olivin und Magnesit.

In Ausführungsformen erfolgt die Bereitstellung des Lösemittels durch Kontaktieren eines Kieselsols mit Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikeln in einem Massenverhältnis im Bereich von 1,2:1 bis 35:1.

In Ausführungsformen erfolgt das Mischen des Lösemittels mit mindestens einem feuerfesten Bestandteil in einem Massenverhältnis im Bereich von 1:1 bis 2:1.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Schlichte umfassend i. ein Lösemittel bestehend aus einer wässrigen, kolloidalen Suspension enthaltend Kieselsol mit einem Gehalt im Bereich von 3 Masse-% bis 70 Masse-%, wobei Kieselsol Polykieselsäure mit einem Siliziumdioxidgehalt im Bereich von 30 Masse-% bis 60 Masse-% umfasst, und ii. mindestens einen feuerfesten Bestandteil, bevorzugt ausgewählt aus Aluminiumoxid, Zirkonsilikat, Siliziumdioxid, Mullit, Olivin und Magnesit. In Ausführungsformen umfasst die Schlichte Lösemittel mit einem Gehalt im Bereich von 50 Masse-% bis 99 Masse-%, bevorzugt im Bereich von 50 Masse-% bis 70 Masse-%; und/oder den feuerfesten Bestandteil mit einem Gehalt im Bereich von 1 Masse-% bis 50 Masse-%, bevorzugt im Bereich von 30 Masse-% bis 50 Masse-%; bezogen auf die Gesamtmasse der Schlichte.

Erfindungsgemäß ergänzen sich die Bestandteile der Schlichte zu 100 Masse-%.

In Ausführungsformen umfasst die Schlichte weiterhin Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel.

In Ausführungsformen der Schlichte umfasst die wässrige, kolloidale Suspension Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel mit einem Gehalt im Bereich von 10 Masse-% bis 35 Masse-%; bevorzugt im Bereich von 15 Masse-% bis 31 Masse-%; bezogen auf die Gesamtmasse der wässrigen, kolloidalen Suspension.

In Ausführungsformen der Schlichte weisen die Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel Abmessungen im Bereich von 4 nm bis 150 nm auf.

In Ausführungsformen der Schlichte sind die Metalloxid- und/oder Metallsilikatnanopartikel aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid, Kaliumaluminiumsilikat, Kaliummagnesiumsilikat, Eisenaluminiumsilikat, Eisengermanaten, Titanaten und deren Mischungen ausgewählt.

In Ausführungsformen der Schlichte umfasst die wässrige, kolloidale Suspension weiterhin Aluminiumphosphat.

In Ausführungsformen der Schlichte weist der mindestens eine feuerfeste Bestandteil eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,05 mm bis 0,15 mm auf. Unter dem Begriff „mittlere Korngröße“ wird die Größe bzw. der Durchmesser einzelner Partikel, auch Körner genannt, des feuerfesten Formg rund Stoffs verstanden.

In Ausführungsformen der Schlichte ist der Feststoffgehalt der Schlichte im Bereich von 50 Masse-% bis 90 Masse-%, bevorzugt 65 Masse-% bis 80 Masse-%, bezogen auf die Masse von Wasser und Feststoffen. In Ausführungsformen weist die Schlichte eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 bis 20 Pa s, bevorzugt im Bereich von 1 Pa s bis 12 Pa s, und/oder eine Oberflächenspannung bei 20 °C im Bereich von 1 mN/m bis 70 mN/m, bevorzugt im Bereich von 10 mN/m bis 35 mN/m, auf.

Vorteilhaft weist die Schlichte eine Viskosität auf, welche gute Fließeigenschaften und eine vollständige Benetzung bei der Verwendung zur Oberflächenbeschichtung von ausgehärteten Formen, Formteilen oder Kernen bedingt.

Unter dem Begriff „Viskosität“ wird die dynamische Viskosität verstanden. Die Bestimmung der Viskosität erfolgt mittels handelsüblicher Messgeräte wie beispielsweise Fallkörper- oder Rotationsviskosimetern.

Die Bestimmung der Oberflächenspannung erfolgt beispielsweise mittels Messverfahren unter Nutzung des Kapillareffektes oder der Kontaktwinkelmessung.

In Ausführungsformen umfasst die Schlichte mindestens einen weiteren Bestandteil, wobei der Bestandteil ausgewählt ist aus einem Entschäumer, einem Schwebemittel einem Netzmittel, einem Pigment und/oder einem Farbstoff.

Dem Fachmann ist bekannt, dass mittels des mindestens eines weiteren Bestandteils, ausgewählt aus einem Entschäumer, einem Schwebemittel, einem Netzmittel, einem Pigment und/oder einem Farbstoff die Verarbeitungseigenschaften der Schlichte, wie bspw. Viskosität und Fließverhalten eingestellt werden.

Unter dem Begriff „Entschäumer“ wird ein Stoff verstanden, welcher grenzflächenaktiv ist und eine Schaumbildung verringert. In Ausführungsformen sind Entschäumer Silikon- oder Mineralöle.

Unter dem Begriff „Schwebemittel“ wird ein Absetzverzögerungsmittel verstanden.

Unter dem Begriff „Netzmittel“ wird ein Stoff verstanden, welcher die Benetzung von Gießereikernen und/oder -formen erhöht. In Ausführungsformen sind Netzmittel Dioctylsulfosuccinate, Alkindiole oder ethoxylierte Alkindiole. Üblicherweise sind in der erfindungsgemäßen Schlichte Farbstoffe mit einem Gehalt im Bereich von 0 bis 5 Masse-%, Entschäumer mit einem Gehalt im Bereich von 0 bis 1 Masse-%, Schwebemittel mit einem Gehalt im Bereich von 0 bis 1 Masse-% und/oder Netzmittel mit einem Gehalt im Bereich von 0 bis 1 Masse-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Schlichte enthalten.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Lösemittels und/oder der erfindungsgemäßen Schlichte zur Oberflächenbeschichtung von ausgehärteten organisch oder anorganisch gebundenen Formen, Formteilen oder Kernen, bevorzugt von anorganisch gebundenen Formen, Formteilen oder Kernen.

Zweckmäßig erfolgt die Auftragung bei der Verwendung zur Oberflächenbeschichtung durch Tauchen, Fluten, Sprühen oder Streichen auf die ausgehärteten organisch oder anorganisch gebundenen Formen, Formteile oder Kerne. Dem Fachmann ist bekannt, dass je nach Verfahren zur Herstellung der Oberflächenbeschichtung die Schlichte geeignete Verarbeitungseigenschaften, insbesondere hinsichtlich Viskosität, aufweisen muss.

In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung zur Oberflächenbeschichtung von Gießereikernen und/oder -formen, bevorzugt für den Metallguss, besonders bevorzugt für den Eisen-, Stahl-, Kupfer- oder Aluminiumguss.

Vorteilhaft weist das erfindungsgemäße Lösemittel umfassend Kieselsol eine ähnliche Zusammensetzung wie anorganische Binder für Gießereiformen unc^oder -kerne auf, wodurch die Oberfläche der beschichteten Gießereiformen und/oder -kerne eine verringerte Oberflächenrauheit bzw. eine Verfeinerung sowie eine erhöhte Festigkeit aufweist.

Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.

Fig. 1 zeigt ein Schema der Verwendung einer Schlichte zur Oberflächenbeschichtung von Gießereikernen und/oder -formen, insbesondere die Körner des Formgrundstoffes sowie die Schlichteschichtdicke im Bereich von 0,1 bis 2,0 mm. Lösemittel

In einem ersten Ausführungsbeispiel enthält das Lösemittel 37,5 Masse-% Kieselsol, 10 Masse-% ALCh-Nanopartikel, 20 Masse-% Magnesiumsilikat-Nanopartikel, 1 Masse-% FeO- Nanopartikel, 0,01 Masse-% Entschäumer und 31 ,49 Masse-% Wasser.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält das Lösemittel 50 Masse-% Kieselsol, 20 Masse-% Aluminiumphosphat mit einer mittleren Korngröße von etwa 0,1 mm, 17 Masse-% Eisen- Magnesium-Silikat-Nanopartikel und 13 Masse-% Wasser.

Schlichte

In einem ersten Ausführungsbeispiel enthält die Schlichte 60 Masse-% des Lösemittels nach dem ersten Ausführungsbeispiel und 40 Masse-% Schamotte mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,05 mm bis 0,15 mm.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält die Schlichte 65 Masse-% des Lösemittels nach dem zweiten Ausführungsbeispiel und 35 Masse-% Zirkonsilikat mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,05 mm bis 0,15 mm.