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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schlichte zur Herstellung von
Formüberzügen durch Auftrag auf anorganisch oder
organisch gebundene Formstoffe in verlorenen Formen bzw. auf Kernen
für den Eisen- und Stahlguss.
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Das
Gießen in einer verlorenen Form ist ein verbreitetes Verfahren
zur Herstellung endkonturnaher Bauteile. Nach dem Guss wird die
Form zerstört, und das Gussstück wird entnommen.
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Formen
sind Negative, sie enthalten den auszugießenden Hohlraum,
der das zu fertigende Gussstück ergibt. Die Innenkonturen
des zukünftigen Gussstückes werden durch Kerne
gebildet. Bei der Herstellung der Form wird mittels eines Modells
des zu fertigenden Gussstücks der Hohlraum in den Formstoff
geformt. Innenkonturen werden durch Kerne dargestellt, die in einem
separaten Kernkasten geformt werden. Für verlorene Formen
und Kerne werden als Formstoffe überwiegend feuerfeste
körnige Stoffe wie z. B. gewaschener, klassifizierter Quarzsand
verwendet. Weitere Formstoffe sind z. B. Zirkon-, Chromitsande,
Schamotten, Olivinsande, feldspathaltige Sande und Andalusitsande.
Zur Herstellung der Gießformen werden die Formstoffe mit
anorganischen oder organischen Bindemitteln gebunden. Vielfach werden
als anorganische Bindemittel Bentonite oder andere Tone verwendet.
Die Formstoffe werden verdichtet, um die Festigkeit zu erhöhen.
Häufig, insbesondere zur Herstellung von Kernen, werden
aushärtende, mit anorganischen oder organischen Kunstharzbindern
gebundene Formstoffe verwendet. Die Härtung erfolgt aufgrund
einer chemischen Reaktion in einem heißen oder kalten Verfahren.
Häufig werden entsprechende Formstoffe zur Härtung
auch begast. Auch kann die Härtung des Bindemittels durch
Erwärmen des Formstoffes und Austreiben eines Lösungsmittels,
welches dann eine Härtung verursacht, erfolgen.
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Üblicherweise
werden die Oberflächen der Formen und Kerne mit einer Schlichte
beschichtet. Gebrauchsfertige Schlichten zur Beschichtung von Formen
und Kernen sind Suspensionen von feinkörnigen, feuerfesten
bis hochfeuerfesten anorganischen Materialien in einer Trägerflüssigkeit,
z. B. Wasser oder einem Lösungsmittel. Die Schlichte wird
durch ein geeignetes Auftragsverfahren, beispielsweise Sprühen,
Tauchen, Fluten oder Streichen auf die Innenkontur der Gießform
oder auf den Kern aufgebracht und dort getrocknet, so dass ein Schlichteüberzug
(Schlichtefilm) entsteht. Die Trocknung des Schlichteüberzugs
kann durch Zufuhr von Wärme oder Strahlungsenergie, z.
B. durch Mikrowellenstrahlung, oder durch Trocknung an der Raumluft
erfolgen. Im Falle von lösungsmittelhaltigen Schlichten
kann die Trocknung auch durch Abbrennen des Lösungsmittels
erfolgen.
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Die
Schlichteüberzüge sollen u. a. folgende Funktionen
erfüllen:
- 1. Verbesserung der Gussoberfläche
bezüglich ihrer Glätte
- 2. Saubere Trennung zwischen flüssigem Metall und Form
- 3. Vermeidung von chemischen Reaktionen zwischen Formstoff und
Schmelze, dadurch Erleichterung der Trennung zwischen Formstoff
und Gussstück
- 4. Vermeidung von Oberflächenfehlern am Gussstück
wie z. B. Gasblasen, Penetrationen, Blattrippen und Schülpen.
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Die
vorstehend genannten Funktionen 1 bis 3 werden in der Regel durch
Kombinationen verschiedener geeigneter Feuerfeststoffe erfüllt.
Als feuerfest werden hier Werkstoffe und Mineralien bezeichnet,
die kurzeitig der Temperaturbelastung beim Abguss durch eine Eisenschmelze
widerstehen können, als hochfeuerfest gelten Werkstoffe
und Mineralien die kurzfristig der Gießhitze einer Stahlschmelze
widerstehen können. Als Feuerfeststoff werden z. B. mineralische
Oxide wie Korund, Magnesit, Quarz, Chromit und Olivin, weiterhin Silikate
wie Zirkonsilikat, Schamotte, Andalusite, Pyrophyllite, Kaolinit,
Glimmer und andere Tonminerale einzeln oder in Kombination eingesetzt.
Graphite und Koks werden ebenfalls verwendet. Die Feuerfeststoffe
werden in einer Trägerflüssigkeit suspendiert.
Als Trägerflüssigkeit können Lösungsmittel
wie Ethanol oder Isopropanol dienen, heute wird jedoch zumeist Wasser
als Trägerflüssigkeit bevorzugt.
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Weitere
Grundstoffe für Schlichten sind Suspensionsmittel wie z.
B. in Wasser quellbare Tone wie Smectite, Attapulgite oder Sepiolithe
oder quellbare organische Verdicker wie z. B. Cellulosederivate
oder Polysaccharid. Weiterhin beinhaltet eine Schlichte ein Bindemittel,
um die Feuerfeststoffe auf dem Formstoff zu fixieren. In der Regel
werden hier Kunstharze oder Kunstharzdispersionen eingesetzt wie
z. B. Polyvinylalkohol, Polyacrylate, Polyvinylacetate und entsprechende
Copolymerisate. Auch Naturharze, Dextrine, Stärken und
Peptide können als Bindemittel eingesetzt werden. Die vorgenannten
quellbaren Tone können ebenfalls die Funktionen des Bindemittels übernehmen.
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Schlichten
können weitere Additive enthalten, im Fall wässriger
Schlichten insbesondere Konservierungsmittel sowie rheologisch wirksame
Additive und Stellmittel. Rheologisch wirksame Additive und/oder Stellmittel
werden eingesetzt, um die für die Verarbeitung gewünschte
Fließfähigkeit der Schlichte einzustellen. Im
Falle von wässrigen Schlichten können zudem Netzmittel
eingesetzt werden, um eine bessere Benetzung des Formstoffes zu
erzielen. Dem Fachmann sind ionische und nichtionische Netzmittel
bekannt. Beispielsweise werden als ionische Netzmittel Dioctylsulfosuccinate
und als nichtionische Netzmittel Alkindiole bzw. ethoxylierte Alkindiole
eingesetzt.
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Aufgrund
der Komplexität der heutigen Gussstücke gewinnt
insbesondere die Funktion der Schlichteüberzüge
zur Vermeidung von Oberflächenfehlern am Gussstück
an Bedeutung. Weil die Kerngeometrien immer filigraner und die Formen
immer komplexer werden, steigen die Anforderungen an die Formstoffe
und insbesondere die Schlichten. Aufgrund der thermischen Ausdehnung
des im Formstoff enthaltenen Sandes durch die Gießhitze
können anorganisch und insbesondere kunstharzgebundene
Formen und Kerne aufreißen, so dass das flüssige
Metall in die Form oder den Kern eindringt. Die daraus resultierenden
Oberflächenfehler, z. B. Blattrippen, lassen sich nur schwer
entfernen.
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Bei
der Pyrolyse von kunstharzgebundenen Formstoffen durch die Gießhitze
entstehen Gase. Diese können zu Gussfehlern führen.
In diesem Zusammenhang können verschiedene Ursachen, die
zur Entstehung dieser als Gasfehler bezeichneten Gussfehler führen,
unterschieden werden.
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Einerseits
können Gasfehler, wie von H. G. Levelink, F. P.
M. A. Julien und H. C. J. de Man in Gießerei 67 (1980)
109 beschrieben. durch „exogene” Gase
verursacht werden. Diese „exogenen Gase” entstehen hauptsächlich
bei der Pyrolyse von organischen Bindemitteln beim Kontakt mit der
Metallschmelze in der Form oder dem Kern. Diese Gase erzeugen einen
Gasdruck im Formstoff, der, wenn er den metallostatischen Gegendruck übersteigt,
zu Gasfehlern im Gussstück, zumeist in dessen oberem Bereich,
führen kann. Diese Gasblasen haben in der Regel eine glatte
innere Oberfläche.
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Eine
weitere Art von Gasfehlern wird z. B. von Gy. Nandori und
J. Pal. Miskoloc sowie K. Peukert in Gießerei 83 (1996)
16 beschreiben. Hier handelt es sich um Gasblasen, die
mit Schlackestellen vergesellschaftet auftreten. Als Ursache solcher
Gas-Schlackefehler sind „exogene”, d. h. aus dem
Formstoff und Formhohlraum kommende, und „endogene”,
d. h. aus der Schmelze kommende Gase anzusehen. Diese Gase reagieren
teilweise mit der Schmelze, so dass oxidreiche Schlacken entstehen.
Diese Schlacken bilden zusammen mit den verbliebenen Gasen Gasfehler.
Ein Einflussfaktor für die Bildung dieser Gasfehler ist
die Gasdurchlässigkeit des mit dem Schlichteüberzug überzogenen
Formstoffes.
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An
Stellen, an denen die Oberfläche eines Kernes oder einer
Form nicht genügend gegen das Eindringen von Schmelze geschützt
ist, entstehen häufig Penetrationen. Diese Fehler müssen
aufwändig aus dem Gussstück entfernt werden.
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Während
des Gießvorganges kann der Schlichteüberzug vom
Kern oder der Form abschülpen, falls sich im Kern ein durch
Pyrolyse des Formstoffbinders bedingter hoher Gasdruck aufbaut und
die Schlichte aufgrund einer niedrigen Gasdurchlässigkeit
diesem Druck einen hohen Widerstand entgegensetzt. Übersteigt dabei
der Gasdruck die Haftkräfte des Schlichteüberzugs
am Kern oder der Form, so wird die Schlichte abschülpen.
Gussfehler durch in der Schmelze aufsteigende Schlichtepartikel
sind die Folge.
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Es
wurde bereits versucht, Schlichten zu entwickeln, die diesen Gussfehlern
entgegenwirken. Beispielsweise durch Zusatz plättchenförmiger
Schichtsilikate wie zum Beispiel kalzinierte Kaoline, Pyrophyllite, Talkum
und Glimmer oder andere Tonmineralien zur Schlichte entstehen auf
den Formen bzw. Kernen Schlichteüberzüge, die
sich bei der Einwirkung von Zugspannungskräften gut verformen
lassen. Die einzelnen Plättchen überlappen einander
und können so gut Aufrisse überdecken, die aufgrund
der thermischen Ausdehnung des Sandes im Formstoff entstehen. Aufgrund
ihrer dichten Textur sind Schlichteüberzüge, welche
plättchenförmige Schichtsilikate enthalten, allerdings
nur wenig gasdurchlässig. Bei der thermischen Zersetzung
der Bindemittel des Formstoffes entstehende Gase können
also nur schwer diese Schichten passieren, es bilden sich hohe Gasdrücke
aus, die zu den oben genannten Gasfehlern und Schülpenfehlern
führen können.
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In
der Patentanmeldung
WO 2007/025769 werden
Schlichten (dort gemeinsam mit Formstoffmischungen auch als Formmassen
bezeichnet) beschrieben, die einen Zusatz von Borosilikatglas in
einem Anteil von mindestens 0,001%, vorzugsweise mindestens 0,005
Gewichts-%, insbesondere mindestens 0,01 Gewichts-% bezogen auf
den Feststoffanteil der Schlichte enthalten. Der Anteil des Borosilikatglases
wird bevorzugt kleiner als 5 Gewichts-%, insbesondere bevorzugt
kleiner als 2 Gewichts-% und ganz besonders bevorzugt innerhalb
eines Bereiches von 0,01 bis 1 Gewichts-% gewählt, jeweils
bezogen auf den Feststoffanteil der Schlichte. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform wird Borosilikatglas
in Form von Mikrohohlkugeln, d. h. Hohlkügelchen mit einem
Durchmesser in der Größenordnung von bevorzugt
5 bis 500 μm, besonders bevorzugt 10 bis 250 μm,
deren Schale aus Borosilikatglas aufgebaut ist, eingesetzt. Es wird
angenommen, dass das Borosilikatglas unter dem Einfluss der Temperatur
des flüssigen Metalls schmilzt und dadurch Hohlräume
freigegeben werden, welche die durch die Gießhitze bedingte
Volumenausdehnung des Formstoffs ausgleichen können. Bevorzugt
wird der Erweichungspunkt des Borosilikatglases im Bereich von weniger
als 1500°C, insbesondere bevorzugt im Bereich von 500 bis
1000°C eingestellt. Bei Verwendung dieser Schlichten soll
ein Abplatzen des Schlichteüberzugs unter dem Einfluss
des flüssigen Metalls, nur noch äußerst
selten eintreten. Außerdem wurde festgestellt, dass sich
keine Blattrippen ausbilden sowie eine glatte Gussoberfläche
erhalten wird.
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Da
gemäß
WO2007/025769 ein
Aufschmelzen der Hohlkugeln aus Borosilikatglas beabsichtigt ist, weist
der Schlichteüberzug nach dem Aufschmelzen der Hohlkugeln
Löcher auf, durch die das flüssige Metall an die
Oberfläche des Kerns bzw. der Form vordringen kann. Es
besteht also die Gefahr von Penetrationsfehlern. Dieses Problem
kann auch durch den Einsatz von Borosilikatglaskugeln mit höherem
Schmelzpunkt nicht behoben werden, denn Gläser enthalten
neben dem Netzwerkbildner Boroxid auch sogenannte Netzwerkwandler
wie Natriumoxid und Kaliumoxid, wobei alle drei Verbindungen mit
praktisch allen oben genannten Inhaltsstoffen von Schlichten (außer
Kohlenstoff bzw. Graphit), insbesondere allen plättchenförmigen
Tonmineralen und Silikaten niedrig schmelzende Verbindungen bilden.
Außerdem sind Hohlkugeln aus Borosilikatglas mechanisch
nur wenig stabil. Daher zerbrechen sie unter der Druckbelastung,
die bei der Herstellung von Schlichten unvermeidlich auftritt, sehr
leicht. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Hohlkugeln
aus Borosilikatglas ist deren starke Alkalität. Diese führt
zu einer ungünstigen Veränderung des pH-Werts
der Schlichten. Deshalb ist gemäß einer Variante
der Formmasse aus
WO2007/025769 die
Zugabe einer Säure oder einer Säurequelle vorgesehen.
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Aus
der
WO 94/26440 sind
Schlichten bekannt, die bezogen auf das Gewicht der gebrauchsfertigen Schlichte
einen Gehalt an anorganischen Hohlkugeln von 1 bis 40%, vorzugsweise
von mindestens 4%, oder sogar mindestens 10% aufweisen. Die Hohlkugeln
bestehen beispielsweise aus Silikaten insbesondere des Aluminiums,
Calciums, Magnesiums und/oder Zirkons, aus Oxiden wie Aluminiumoxid,
Quarz, Magnesit, Mullit, Chromit, Zirkonoxid und/oder Titanoxid,
aus Boriden, Carbiden und Nitriden wie Siliciumcarbid, Titancarbid, Titanborid,
Bornitrid und/oder Borcarbid, oder aus Kohlenstoff. Jedoch können
auch Hohlkugeln aus Metall oder Glas verwendet werden. Diese Hohlkugeln
sind in mehrfacher Hinsicht wirksam. So wird die dichte Packung
der Grundstoffteilchen in der Schlichte, die als Hauptursache für
die geringe Gasdurchlässigkeit angesehen werden kann, durch
die Kügelchen aufgelockert und gasdurchlässiger
gemacht. Es wird außerdem angenommen, dass zu Beginn des
Gießvorgangs die isolierenden Eigenschaften der Hohlkugeln
sowie der gasdurchlässigen Schlichteüberzüge
einen verzögerten Wärmedurchgang durch die Schlichte
in den Formstoff bewirken. Später schmelzen die Hohlkugeln
in der Gießhitze und/oder zerbrechen unter dem Gießdruck,
wodurch im Schlichteüberzug zahlreiche Mikro-Fehlstellen
entstehen, so dass die Gasdurchlässigkeit des Schlichteüberzugs
erhöht wird.
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Auch
hier besteht aufgrund der großen Menge an schmelzenden
Hohlkugeln die Möglichkeit, dass sich bei ungünstiger Überlappung
einzelner Hohlkugeln im Schlichteüberzug Löcher
bilden können, so dass das Gussstück Penetrationsfehler
aufweisen kann.
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Aufgrund
der oben dargelegten Probleme erscheint es vorteilhaft, anstelle
von Hohlkugeln aus Glas anorganische Hohlkörper aus Materialien,
die eine ähnliche oder gleichartige Zusammensetzung wie
die o. g. ebenfalls in der Schlichte enthaltenen Feuerfeststoffe,
insbesondere die plättchenförmigen Feuerfeststoffe
aufweisen und/oder die nur sehr langsam mit den in der Schlichte
enthaltenen Feuerfeststoffen reagieren. Dazu sollten die anorganischen
Hohlkörper eine hohe Erweichungstemperatur haben, so dass
sie beim Gießprozess nicht schmelzen, sowie eine höhere
mechanische Stabilität als Hohlkugeln aus Glas. Des Weiteren
ist es wünschenswert, den Bedarf an Hohlkugeln zu vermindern,
ohne eine erhöhte Häufigkeit an Gussfehlern hinnehmen
zu müssen.
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Diese
Aufgaben werden gelöst durch eine gebrauchsfertige Schlichte
zur Herstellung von Formüberzügen durch Auftrag
auf anorganisch oder organisch gebundene Formstoffe in verlorenen
Formen bzw. auf Kernen für den Eisen- und Stahlgussguss,
welche einen gewichtsbezogenen Anteil von (i) 0,001% oder mehr und
(ii) weniger als 1% an anorganischen Hohlkörpern enthält,
wobei die anorganischen Hohlkörper teilweise oder vollständig
aus kristallinem Material bestehen.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass bezogen auf das Gesamtgewicht der gebrauchsfertigen Schlichte
bereits ein Zusatz von weniger als 1% an anorganischen Hohlkörpern,
die teilweise oder vollständig aus kristallinem Material
bestehen ausreicht, um die Bildung von Gasfehlern, Penetrationen
und Blattrippen zu vermindern. Insbesondere werden solche Gasfehler,
die in Zusammenhang mit oxidreichen Schlacken auftreten, verringert.
Dies war aufgrund der Offenbarung in
WO
94/26440 keinesfalls zu erwarten. In den dort angegebenen
Ausführungsbeispielen wurden nur Schlichten mit einem gewichtsbezogenen
Gehalt an Hohlkugeln aus Aluminiumsilikat von mindestens 4% der
gebrauchsfertigen Schlichte, also dem Vierfachen des dort angegebenen
unteren Grenzwerts von 1% getestet. Aus dem Vergleich der Ausführungsbeispiele
der
WO 94/26440 mit
Anteilen von 0 sowie 4, 5 und 10% Hohlkugeln aus Aluminiumsilikat
in der gebrauchsfertigen Schlichte ist zudem klar ersichtlich, dass
die Gasdurchlässigkeit mit dem Anteil der Hohlkugeln ansteigt,
d. h. der vorteilhafte Effekt der Hohlkugeln scheint um so höher,
je größer der Anteil an Hohlkugeln in der gebrauchsfertigen
Schlichte ist.
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Bevorzugt
liegt in der erfindungsgemäßen Schlichte der Anteil
der anorganischen Hohlkörper, die teilweise oder vollständig
aus kristallinem Material bestehen, im Bereich von 0,001 bis 0,99%
des Gewichts der gebrauchsfertigen Schlichte.
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Unter
gebrauchsfertiger Schlichte wird verstanden, dass die Grundmasse
der Schlichte soweit mit einer Trägerflüssigkeit,
z. B. Wasser, verdünnt worden ist, dass eine zum Beschichten
von Formen bzw. Kernen mittels einer der o. g. Techniken in der gewünschten
Schichtdicke geeignete Suspension vorliegt. Dazu werden die Schlichten
mit einer Trägerflüssigkeit, z. B. Wasser auf
eine geeignete Viskosität verdünnt. Im Falle des Tauchauftrages
werden die Schlichten zur Erzielung der gewünschten Schichtdicke
des Schlichteüberzugs von z. B. 0,1 bis 0,6 mm typischerweise
auf Viskositäten von 11,5 sek. bis 16 sek. gemessen im
4 mm Tauchauslaufbecher in Anlehnung zur DIN 23211 verdünnt.
Bei anderen Auftragsverfahren sind entsprechend andere Viskositäten
zu wählen. Die Ermittlung geeigneter Viskositäten
und Schichtdicken gehört zu den Fertigkeiten des Fachmanns.
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Die
anorganischen Materialien, aus denen die anorganischen Hohlkörper
gebildet sind, zeichnen sich durch das Vorhandensein mittels Röntgenbeugungsanalyse
nachweisbarer kristalliner Strukturen aus. D. h. in den Materialien
der Hohlkörper liegen Bereiche mit dreidimensional-periodischer
Ordnung vor, deren Ausdehnung größer als die Kohärenzlänge
der Röntgenstrahlung (ca. 10 nm) ist, so dass bei der Röntgenbeugungsanalyse
scharfe Reflexe beobachtet werden. Bevorzugt beträgt der
kristalline Anteil 5 Gewichts-% oder mehr, besonders bevorzugt 20
Gewichts-% oder mehr. Dagegen ist das Material der aus
WO 2007/025769 bekannten Hohlkugeln
aus Borosilikatglas nichtkristallin, denn Glas ist eine unterkühlte
Schmelze, d. h. es befindet sich im amorphen Zustand.
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Bevorzugt
besitzen die anorganischen Hohlkörper einen Erweichungspunkt
von 1000°C oder höher, bevorzugt 1100°C
oder höher, bestimmt mit einem Erhitzungsmikroskop. Besonders
bevorzugt sind anorganische Hohlkörper mit einem Erweichungspunkt
zwischen 1200°C und 1450°C, bestimmt mit einem
Erhitzungsmikroskop. Die Bestimmung des Erweichungspunkts und des
Schmelzpunkts von Keramiken in einem Erhitzungsmikroskop beruht
auf der Messung der Projektionsfläche einer zylindrischen
Probe und deren Änderung mit der Temperatur. Der Erweichungspunkt
ist die Temperatur, bei der die ersten erkennbaren Schmelzerscheinungen
auftreten, die sich durch Glätten rauer Oberflächen
und Beginn einer Kantenabrundung zeigen. Der Halbkugel- oder Schmelzpunkt
ist die Temperatur, bei der die Probe durch Bildung von Schmelzphasen
zu einer Halbkugel verformt ist.
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Die
anorganischen Hohlkörper der erfindungsgemäßen
Schlichte, die teilweise oder vollständig aus kristallinem
Material bestehen, enthalten keine Boroxide, die als Netzwerkbildner
für Gläser wirken, und somit auch kein Borosilikatglas.
Als Netzwerkwandler wirkende Verbindungen wie Natriumoxid und Kaliumoxid,
die auch als Flussmittel wirken und die Schmelztemperatur herabsetzen,
sind allenfalls als Verunreinigungen enthalten. Daher ist in den
erfindungsgemäßen Schlichten die Bildung niedrig
schmelzender Verbindungen durch Reaktion der Netzwerkwandler und
Flussmittel Natriumoxid und Kaliumoxid und des Netzwerkbildners
Boroxid mit in der Schlichte üblicherweise enthaltenen
plättchenförmigen Tonmineralien und Silikaten
unterdrückt. Bevorzugt ist in den erfindungsgemäß zu
verwendenden anorganischen Hohlkörpern der Gehalt an den
als Flussmittel und Netzwerkwandler wirkenden Verbindungen Natriumoxid
und/oder Kaliumoxid vorzugsweise kleiner als 4 Gewichts-%.
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Die
anorganischen Hohlkörper bestehen beispielsweise aus Silikaten,
vorzugsweise des Aluminiums, Calciums, Magnesiums oder des Zirkons,
oder aus Oxiden, vorzugsweise Aluminiumoxid, Quarz, Mullit, Chromit,
Zirkonoxid und Titanoxid, oder aus Carbiden, vorzugsweise Siliciumcarbid
oder Borcarbid oder aus Nitriden, vorzugsweise Bornitrid oder Mischungen
dieser Materialien, oder es werden Mischungen von anorganischen
Hohlkörpern aus diesen Materialien eingesetzt.
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Unter
Hohlkörpern werden ohne Beschränkung auf die Kugelgestalt
beliebig geformte dreidimensionale Gebilde verstanden, die im Inneren
einen Hohlraum aufweisen, der 15% oder mehr, bevorzugt 40% oder mehr,
besonders bevorzugt 70% oder mehr des Volumens des dreidimensionalen
Gebildes einnimmt. Dieser Hohlraum kann von einer Schale aus anorganischem
Material vollständig umschlossen sein, wie im Falle von Hohlkugeln,
oder unvollständig umschlossen sein, wie beispielsweise
im Falle einer an den Enden offenen Röhre.
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Bevorzugt
sind diese anorganischen Hohlkörper Hohlkugeln mit einem
Durchmesser von weniger als 400 μm, bevorzugt 10 bis 300 μm,
besonders bevorzugt 10 bis 150 μm.
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Die
anorganischen Hohlkörper zeichnen sich durch eine hohe
mechanische Stabilität aus, so dass sie der Druckbelastung,
die bei der Herstellung von Schlichten unvermeidlich auftritt, widerstehen
können. Die erfindungsgemäß zu verwendenden
anorganischen Hohlkörper verfügen hierzu vorzugsweise über
Druckfestigkeiten von 10 MPa oder höher, vorzugsweise von
25 MPa oder höher. Die Druckfestigkeit von Hohlkörpern
aus Glas ist in der Regel niedriger als 10 MPa. So haben die in
den Ausführungsbeispielen der
WO2007/025769 verwendeten Mikrohohlkugeln
eine Druckfestigkeit von nur 4 MPa. Die Druckfestigkeiten können
in einem isostatischen Drucktest in Anlehnung an die
ASTM
D3102-72 bestimmt werden.
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Weiterhin
bevorzugt sind anorganische Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln,
mit einem Außendurchmesser von 10 bis 150 μm.
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Auch
bevorzugt sind anorganische Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln,
mit einer Mohs-Härte von 5 bis 6.
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Zudem
bevorzugt sind Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln mit
einer Druckfestigkeit von 25 MPa oder mehr.
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Ebenfalls
bevorzugt sind anorganische Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln,
mit einem Hohlraum, der 70% oder mehr des Gesamtvolumens des Hohlkörpers
bzw. der Hohlkugel einnimmt.
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Einzelne
oder sämtliche der bevorzugten Eigenschaften der anorganischen
Hohlkörper werden vorzugsweise in Kombination miteinander
verwirklicht.
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Besonders
bevorzugt sind in den erfindungsgemäßen Schlichten
einzelne, die Mehrzahl oder sämtliche der eingesetzten
anorganischen Hohlkörper anorganische Hohlkugeln, die sich
bei der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken als Teil der Flugasche
(fly ash) bilden. Diese Hohlkugeln werden dabei aus dem Rauchgasstrom
abgeschieden und sind unter der Bezeichnung Cenosphären
(Cenospheres CAS Nr.: 93924-19-7) beschrieben. Bevorzugt weisen
diese anorganischen Hohlkugeln folgende Eigenschaften auf:
- – einem Außendurchmesser
im Bereich von 10 bis 150 μm,
- – einem Hohlraum, der 70% oder mehr des Gesamtvolumens
der Hohlkugel einnimmt;
- – einem Erweichungspunkt von 1200°C bis 1450°C
eine Mohs-Härte von 5 bis 6 und
- – eine Druckfestigkeit von 25 MPa oder höher.
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Da
derartige Hohlkugeln jedoch nur begrenzt verfügbar sind,
stellt der geringe Gehalt der erfindungsgemäßen
Schlichten an derartigen anorganischen Hohlkörpern einen
Vorteil gegenüber dem Stand der Technik gemäß
WO 94/26440 dar.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen
Schlichte werden anorganische Hohlkörper aus Kohlenstoff
eingesetzt, vorzugsweise Nano-Hohlkörper aus Kohlenstoff,
beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nanotubes)
oder/und Fullerene. Es können auch Mischungen von anorganischen Hohlkörpern
aus Kohlenstoff und anorganischen Hohlkörpern aus einem
oder mehreren der anderen vorstehend genannten Materialien eingesetzt
werden.
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Eine
erfindungsgemäße gebrauchsfertige Schlichte enthält
- (a) anorganische Hohlkörper, die teilweise
oder vollständig aus kristallinem Material bestehen, sowie
vorzugsweise
- (b) ein oder mehrere feuerfeste oder hochfeuerfeste Materialien,
die keine Hohlkörper sind wie unter (a) definiert,
- (c) eine oder mehrere Trägerflüssigkeiten
wie z. B. Wasser,
- (d) ein oder mehrere Suspensionsmittel wie z. B. in Wasser quellbare
Tonminerale,
- (e) ein oder mehrere Biozide,
- (f) gegebenenfalls ein oder mehrere Netzmittel,
- (g) gegebenenfalls ein oder mehrere Stellmittel oder/und rheologische
Additive,
- (h) gegebenenfalls ein oder mehrere Bindemittel.
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Für
die Zwecke der Berechnung der Zusammensetzung der Schlichte werden
solche Substanzen, die mehr als einer der Komponenten (a) bis (h)
zugerechnet werden können, der jeweils erstgenannten dieser Komponenten
zuzurechnen sind.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen
Schlichte zur Herstellung eines Überzugs auf einer Form
bzw. einem Kern zur Verwendung in der Gießerei.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Form bzw. einen Kern für
den Eisen- und Stahlguss, wobei die Form bzw. der Kern auf der dem
Gießmetall zugewandten Oberfläche einen Schlichteüberzug
umfassend das Trocknungsprodukt einer erfindungsgemäßen
Schlichte aufweist, wobei die Dicke des Schlichteüberzugs 0,05
mm oder mehr, vorzugsweise 0,15 mm oder mehr und besonders bevorzugt
0,25 bis 0,6 mm beträgt, sowie die Verwendung einer derartigen
Form bzw. eines derartigen Kernes zur Herstellung eines Eisen- oder Stahlgussstückes.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch ein Konzentrat zur Herstellung
einer gebrauchsfertigen erfindungsgemäßen Schlichte,
wobei das Konzentrat bezogen auf sein Gesamtgewicht die folgende
Zusammensetzung hat:
- (a) 0,0011 bis 3,5% an
anorganischen Hohlkörpern, die teilweise oder vollständig
aus kristallinem Material bestehen,
- (b) 20 bis 75% an einem oder mehreren feuerfesten oder hochfeuerfesten
Materialien, die keine Hohlkörper sind wie unter (a) definiert,
- (c) 15 bis 80% an einer oder mehreren Trägerflüssigkeiten,
z. B. Wasser,
- (d) 0,1 bis 10% an einem oder mehreren Suspensionsmitteln wie
z. B. in Wasser quellbare Tonminerale,
- (e) 0,01 bis 0,6% an einem oder mehreren Bioziden,
- (f) 0 bis 4% an einem oder mehreren Netzmitteln,
- (g) 0 bis 2% an einem oder mehreren Stellmitteln und/oder rheologische
Additiven,
- (h) 0 bis 2% an einem oder mehreren Bindemitteln.
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Für
die Zwecke der Berechnung der Zusammensetzung des Konzentrats werden
solche Substanzen, die mehr als einer der Komponenten (a) bis (h)
zugerechnet werden können, der jeweils erstgenannten dieser Komponenten
zuzurechnen sind.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung
einer Schlichte aus einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen
Konzentrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Her- oder Bereitstellen eines Konzentrates
wie oben beschrieben,
- – Mischen des Konzentrates mit Wasser oder einer anderen
Trägerflüssigkeit in einem solchen Mischungsverhältnis,
dass eine gebrauchsfertige erfindungsgemäße Schlichte
erhalten wird.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Herstellung
eines Schlichteüberzugs auf einem Formkörper oder
Kern, umfassend die Schritte:
- – Her-
oder Bereitstellen eines zu beschichtenden Formkörpers
oder Kerns,
- – Bereitstellen einer gebrauchsfertigen erfindungsgemäßen
Schlichte oder Herstellen einer solchen Schlichte nach dem oben
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren,
- – Auftragen der gebrauchsfertigen Schlichte auf den
Kern oder den Formkörper, so dass ein Schlichteüberzug
entsteht mit einer Dicke von 0,05 mm oder mehr, vorzugsweise von
0,15 mm oder mehr und besonders bevorzugt von 0,25 mm bis 0,6 mm.
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Die
erfindungsgemäßen Schlichten werden beispielsweise
durch Tauchen, Fluten, Sprühen oder Streichen auf die verlorenen
Formen bzw. Kerne aufgetragen und anschließend vorzugsweise
durch Wärmezufuhr oder Mikrowellenstrahlung getrocknet,
so dass auf den Formen bzw. Kernen Schlichteüberzüge
ausgebildet werden.
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Ausführungsbeispiele
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Eine
Schlichte mit der in Tabelle 1 aufgeführten Zusammensetzung
wird durch Mischen der Komponenten mit einem Rührer und
anschließendem Aufschließen durch 10 Minuten andauerndes
Scheren mit einem hochtourig drehenden Dissolver hergestellt. Entsprechende
Herstellungsverfahren sind dem Fachmann bekannt und z. B. in der
Patentanmeldung
WO 94/26440 beschrieben. Tabelle 1
| Stoff | Schlichte
Grundansatz [Anteil in Gew.%] |
| Wasser | 53 |
| Aluminiumsilikat
Feuerfeststoff | 15 |
| Tonmineral | 5,8 |
| Glimmer | 18 |
| Eisenoxid | 1 |
| Graphit | 5 |
| Dextrin | 0,5 |
| Stellmittel | 0,5 |
| Konservierungsmittel | 0,3 |
| Entschäumer | 0,5 |
| Netzmittel | 0,4 |
| Summe | 100 |
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Aus
diesem Grundansatz wurden die Schlichten A, B, C, D und E, deren
Zusammensetzungen unten in Tabelle 2 angegeben sind, durch Mischen
mit einer Dissolverscheibe hergestellt und mit Wasser wie angegeben
verdünnt, so dass gebrauchsfertige Schlichten erhalten
werden.
-
Die
Schlichten wurden durch Tauchen auf im Cold Box-Verfahren hergestellte
Kerne aufgetragen. Die erzielten Schichtdicken der Schlichteüberzüge
lagen bei 0,5 mm im nassen abgematteten Zustand. Anschließend
wurden die Kerne im Trockenofen bei 150°C 30 Minuten getrocknet.
Alle weiteren Untersuchungen wurden mit den so hergestellten geschlichteten
Kernen durchgeführt (siehe Tabelle 2). Es zeigt sich, dass
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schlichten
an den Gussstücken weniger Blattrippen und Verzerrungen
gebildet werden als bei Verwendung einer Schlichte gemäß dem
Stand der Technik mit höherem Anteil an anorganischen Hohlkörpern. Tabelle 2
| Stoff | Schlichte
A Anteil [Gew.%] | Schlichte
B Anteil [Gew.%] | Schlichte
C Anteil [Gew.%] | Schlichte
D Anteil [Gew.%] | Schlichte
E Anteil [Gew.%] |
| Grundansatz | 99,5 | 99,5 | 99,5 | 97,0 | 97,0 |
| Wasser | 0,5 | 0,4 | - | 1,7 | - |
| Keramische
Hohlkugeln (Cenosphären CAS-Nr. 93924-19-7) | - | 0,1 | 0,5 | 1,3 | 3,0 |
| Summe | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Verdünnung
zur Einstellung des gebrauchsfertigen Verarbeitungszustandes | 1000
g Schlichte + 370 ml Wasser | 1000
g Schlichte + 380 ml Wasser | 1000
g Schlichte + 380 ml Wasser | 1000
g Schlichte + 340 ml Wasser | 1000
g Schlichte + 360 ml Wasser |
| Erzielte
Schichtdicke auf dem Kern* (im abgematteten Zustand) | 0,5
mm | 0,5
mm | 0,5
mm | 0,5
mm | 0,5
mm |
| Blattrippenausbildung Gussversuch
1 | | Keine
Blattrippen | Keine
Blattrippen | Keine
Blattrippen | Keine
Blattrippen |
| Penetrationen
Gussversuch 2 | | Keine
Penetrationen | Keine
Penetrationen | Leichte
Penetrationen | Leichte
Penetrationen |
- *Kern hergestellt nach dem Cold Box Polyurethanverfahren:
70 Gewichtsteile Quarzsand, 30 Gewichtsteile Chromitsand, 1,8 Gewichtsteile
Harzkomponenten, Katalysator tertiäres Amin.
-
1 zeigt
die Resultate von Messungen des Gasdrucks als Funktion der Zeit
in je einem mit der o. g. Schlichte A, B, C, D, bzw. E beschichteten
Kern. Die Messmethode zur Bestimmung des Gasdruckes in Kernen wurde
von H. G. Levelink, F. P. M. A. Julien und H. C. J. de Man
in Gießerei 67 (1980) 109 beschrieben. Die Versuchstemperatur
beträgt 1445°C. Die Zusammensetzung der Kerne
ist wie folgt:
- – 50 Gewichtsteile
feldspathaltiger Sand
- – 50 Gewichtsteile Quarzsand
- – 1,8 Gewichtsteile Harzkomponenten
-
Überraschend
zeigte es sich, dass mit den erfindungsgemäßen
Schlichten B, C und D nach dem Trocknen Schlichteüberzüge
auf Kernen und Formen erhalten werden, die trotz eines höheren
Gasdruckes im Formstoff als im Vergleichsversuch mit Schlichte E
die Bildung von Gasfehlern vermindern.
-
Wie
aus 1 ersichtlich, ist bei Abwesenheit der anorganischen
Hohlkörper in der Schlichte (Vergleichsversuch mit Schlichte
A) der Gasdruck im Formstoff deutlich höher. Daraus folgt,
dass bereits der im Vergleich zum Stand der Technik (Vergleichsbeispiel
E) geringe Anteil an anorganischen Hohlkörpern in den erfindungsgemäßen
Schlichten ausreicht, um den Gasdruck soweit zu verringern, dass
an den Gussstücken kaum Gasfehler beobachtet werden. Insbesondere
zeigt es sich in der Praxis, dass solche Gasfehler, die mit oxidreichen
Schlacken vergesellschaftet auftreten, stark vermindert vorkommen.
Schlichten mit höheren Anteilen an Hohlkugeln wirken hingegen
aufgrund ihrer hohen Gasdurchlässigkeit, vorwiegend gegen
exogene Gasblasen.
-
Die
Tests mit den Schlichten der Beispiele B–D zeigen, dass
mit den erfindungsgemäßen Schlichten mindestens
vergleichbare Vorteile wie mit den Schlichten gemäß
WO 2007/025769 erzielt
werden, d. h. die Bildung von Blattrippen wurde vermindert und ein
Abplatzen des Schlichteüberzugs verhindert. Darüber
hinaus wurde die Bildung von Penetrationen vermindert bzw. unterbunden.
-
Mit
einer Schlichte gemäß Beispiel C wurden Kerne
für die Fertigung von Motorteilen, die nach dem Cold box
Verfahren gefertigt wurden, überzogen. Bei einem Fertigungslos
von 500 Stück wurden keine exogenen Gasfehler und insbesondere
auch keine Gasfehler, die mit Schlacken vergesellschaftet waren,
beobachtet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2007/025769 [0016, 0017, 0017, 0025, 0031, 0055]
- - WO 94/26440 [0018, 0022, 0022, 0038, 0049]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - H. G. Levelink,
F. P. M. A. Julien und H. C. J. de Man in Gießerei 67 (1980)
109 [0011]
- - Gy. Nandori und J. Pal. Miskoloc sowie K. Peukert in Gießerei
83 (1996) 16 [0012]
- - DIN 23211 [0024]
- - ASTM D3102-72 [0031]
- - H. G. Levelink, F. P. M. A. Julien und H. C. J. de Man in
Gießerei 67 (1980) 109 [0052]
