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27. August 2012

Ein neues Sandadditiv zur Unterdrückung der Blattrippenbildung und Vermeidung des Erfordernisses von feuerfesten Schlichten

Ein neues Sandadditiv zur Unterdrückung der Blattrippenbildung und Vermeidung des Erfordernisses von feuerfesten Schlichten

Jaime Prat, ASK Chemicals España, S.A.
Dr. Reinhard Stötzel, ASK Chemicals, Hilden
Ismail Yilmaz, ASK Chemicals, Hilden

Copyright – 2012 World Foundry Congress

KURZFASSUNG

In der Gießereibranche ist der Einsatz von Sandadditiven zur Unterdrückung von Blattrippenfehlern auf Oberflächen von Kerngussteilen weit verbreitet. Meist werden Sandadditive in Verbindung mit feuerfesten Schlichten verwendet, die das Oberflächenfinish verbessern und die Metallpenetration mindern, so dass zur Herstellung hochqualitativer Gussteile zwei zusätzliche Produkte und Prozesse benötigt werden. Nun ist ein neues Produkt entwickelt worden, das die positiven Effekte von Additiven und Schlichten in einer einzigen Substanz vereint. Das neue Additiv besteht aus einer Tonerde-Silikat-Keramik mit geringer Dichte („Low Density Alumina Silicate Ceramic“ - LDASC) und einer geringen Zugabe Flussmittel.

Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass dieses Material einzigartige Ausdehnungs- und Schrumpfeigenschaften hat, die zum einen die Blattrippenbildung verhindern und zum anderen ein hervorragendes Oberflächenfinish der Gussteile ergeben. Bei den meisten Anwendungen genügt ein Zugabeanteil von 5%. Eine Reihe von Gusssteilen für die Automobilindustrie wie Bremsscheiben, Bremszylinder und Achsschenkel sind ohne Erfordernis des Einsatzes von Schlichten mit guten Ergebnissen hergestellt worden. Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung des neuen Additivs und zeigt seine potenziellen Vorteile in punkto Qualität und Kosten auf.

STAND DER TECHNIK

Eine Reihe von Materialien unterschiedlicher Art sind als Sandadditive zur Vermeidung der Blattrippenbildung verwendet worden. Hierzu gehören organische Materialien wie Holzmehl, Stärke/Dextrin und pulverförmige bituminöse Kohle. Diese organischen Materialien sind gegen geringfügige Blattrippenbildung effektiv, erhöhen aber auch die Gasbildung und können zu Metallpenetration beitragen, da sie beim Verbrennen Lücken zwischen den Sandkörnern hinterlassen.

Auch anorganische Materialien werden als Quarzsandadditive oder -austauschstoffe verwendet. Hierzu gehören u.a. Zirkon- oder Chromitsand-, Quarzglas- oder künstlich hergestellte Zuschlagstoffe, die per se geringere Ausdehnungsraten als Quarzsand selbst haben. Sie werden normalerweise in relativ geringen Prozentanteilen eingesetzt und können die Rohmaterialkosten beträchtlich erhöhen.

Ebenso sind Flussmittel bzw. Substanzen, die mit der Oberfläche des Quarzsandes reagieren und sie weicher machen, erfolgreich eingesetzt worden. Rote und schwarze Eisenoxide sowie sonstige Eisen- und andere Metalloxide sind mehrere Jahrzehnte lang verwendet worden.

In jüngerer Vergangenheit sind andere, sogenannte "Engineered Sand Additives” (ESAs) entwickelt worden. Sie scheinen auf den Fließeigenschaften von natürlich vorkommenden Mineralien, wie Spodumen (ein Lithiumerz), Illmenit (ein Titanerz) und Alkalimetallen, oder aber auf behandelten Mineralien, die Fließmittel enthalten, zu basieren. Sie haben den Vorteil, dass sie bei schwierigen Anwendungen effektiv sind und in relativ geringen Anteilen (üblicherweise 2 – 8%) verwendet werden können. Ein potenzieller Nachteil ist der, dass sie vor dem Einsatz meist schwach basisch sind und unter dem Einfluss hoher Temperaturen stark basisch werden können. Dies kann sich bei vielen üblichen Bindersystemen negativ auswirken. Ein weiterer Nachteil ist der, dass sie mit dem flüssigen Metall interagieren und die Oberflächenspannung verändern können, was zu erhöhter Metallpenetration und schlechtem Oberflächenfinish fűhren kann.

Ein anderes ESA-Additiv (ASK ISOSEAL™ 2000, im Folgenden mit “ESA 2000” gekennzeichnet), beschrieben im europäischen Patent EP 0891954, basiert auf einem völlig unterschiedlichen Prinzip. Es enthält Aluminium-Silikat-Keramiken mit geringer Dichte, die beim Erhitzen zusammenfallen bzw. sich plastisch verformen, wodurch die Ausdehnung des Quarzes kompensiert wird. Gleichzeitig bilden sie aber eine Sperre gegen Metallpenetration. Das ESA 2000 hat minimale Auswirkungen auf die Chemie von Sand und Metall und verbessert sogar noch das Oberflächenfinish des Gussteils. Abbildung 1 zeigt einen Mikroschnitt des Gemischs aus Sand und LDASC.

Außerdem sorgt das ESA 2000-Additiv für einige ganz spezielle thermische Eigenschaften. Bei Verwendung in Anteilen bis zu 50 Vol.-% (20 Gew.-%) kann es die thermischen Eigenschaften des Sandgemischs dahingehend verändern, dass die Speisung verbessert und die Schwindung unterdrückt wird. Dies bewirkt wiederum die Vermeidung von Blattrippenbildung und ergibt ein gutes Oberflächenfinish ohne Erfordernis des Einsatzes von Schlichten. Bei der Verwendung des ESA 2000 zur Kernherstellung mit 50% Sandanteil und 50% Additivanteil ergab sich ebenfalls, dass kein Erfordernis für den Einsatz von Schlichten bestand. (Abbildung 2)

Das Problem mit dem ESA 2000-Additiv ist, dass es bei Verwendung in Anteilen unter 10 Gew.-% im Sandgemisch die Blattrippenbildung nicht immer vollständig verhindert. Andererseits bedeutet die Verwendung in einem hohen Anteil von 20%, dass die Lösung des Problems extrem teuer wird. Es bestand also Bedarf, ein LDASC-basiertes Additiv zu entwickeln, das in Anteilen unter 10% erfolgreich genutzt werden kann.

BEI DER ENTWICKLUNG ANGEWANDTE METHODIK

Wir gingen es also an, ein neues Sandadditiv auf Basis der LDASC-Technologie zu entwickeln, das in der Lage sein sollte, die Blattrippenbildung bei Einsatz in geringen Anteilen zu verhindern, dabei aber unverändert ein gutes Oberflächenfinish ohne Verwendung einer Schlichte zu liefern. Zunächst wurden Versuche durchgeführt, um eine Reihe unterschiedlicher LDASC-Rohmaterialien nach bestimmten chemischen und thermischen Eigenschaften zu charakterisieren. Die zur Charakterisierung herangezogenen Eigenschaften sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2: Bei den Versuchen untersuchte Eigenschaften

Eigenschaften der LDASC-Materialien
Chemische EigenschaftenThermische Eigenschaften
  • Fe2O3
Schwindungsanfangstemperatur
  • CaO
Schwindungsendtemperatur
  • MgO
Erweichungstemperatur
  • Na2O
Kugelbildungstemperatur
  • K2O
Halbkugelbildungstemperatur
  • TiO2
Schmelztemperatur
  • Al2O3

Als die unterschiedlichen LDASC-Varianten festgelegt waren, wurden ihre chemischen Zusammensetzungen analysiert (Tabelle 3). Dabei wurden große Schwankungen bei Tonerdegehalt und Menge der Verunreinigungen festgestellt.

Tabelle 3: LDASC-Zusammensetzungen in Gew.-%

Probe 73Probe 74Probe 75Probe 76Probe 76
Al2O328,816,727,830,238,2
Fe2O36,44,094,663,761,91
CaO0,752,021,85

2,41

0,96
MgO1,551,510,971,290,4
Na2O0,430,90,580,210,35
K2O4,363,922,252,140,57
TiO21,390,791,041,991,07

Die thermischen Untersuchungen wurden in einem Misura-Erhitzungsmikroskop durchgeführt. Dieses Erhitzungsmikroskop ist ein Gerät, mit dem das Verhalten einer Probe während des Erhitzungszyklus visuell aufgezeichnet werden kann. Während des Schmelzversuchs werden die Umrisse der Probe auf einem Computer aufgezeichnet. Ausgehend von den aufgezeichneten Bildern kann die Entwicklung der Schwindung der Probe in Abhängigkeit von der Temperatur unter Verwendung eines Bildanalyse-Systems ermittelt werden.

Jede Probe wurde durch Zusammenpressen des Materials zu einer zylindrischen Pastille mit 3 mm Durchmesser und 3 mm Höhe gewonnen, die dann auf eine Unterlage gelegt wurde. Diese wurde auf den Probehalter des Heizmikroskops gesetzt, wo die Probe in Schritten von 25°C/min (77°F/min) auf die maximale Temperatur von 1550º C (2822° F) erhitzt wurde.

Ausgehend von den aufgezeichneten Bildern wurde die Schwindungstemperaturkurve gezeichnet und die folgenden Kenntemperaturen ermittelt:

  1. die Schwindungsanfangstemperatur, als die Umrissfläche der Probe 99% der ursprünglichen Probefläche betrug,
  2. die Schwindungsendtemperatur, als die Schwindung der Probe endete,
  3. die Erweichungstemperatur, als die Kanten der Probe sich abzurunden begannen,
  4. die Kugelbildungstemperatur, als das Profil der Probe eine der Kugelform am nächsten kommende Form erreichte,
  5. die Halbkugelbildungstemperatur, als die Probe eine der Halbkugelform am nächsten kommende Form erreichte,
  6. die Schmelztemperatur, als die Probe die Form einer abgerundeten Kappe mit ~1/3 des Volumens einer Kugel erreichte.

Abbildung 3 und Tabelle 4 geben die Ergebnisse der thermischen Analyse im Misura-Mikroskop wieder:

Tabelle 4: Thermische Analyse der LDASC-Proben

Typische TemperaturProbe 73Probe 74Probe 75Probe 76Probe 77
Schwindungsanfangstemperatur 1045 C935 C1025 C990 C1155 C
Schwindungsendtemperatur1295 C1160 C1270 C1235 C1550 C
Erweichungstemperatur 1340 C1250 C1445 C1355 C----

Hiervon ausgehend stellten wir die chemischen Eigenschaften der LDASC-Materialien den Schwindungsanfangstemperaturen gegenüber (Abbildung 4). Außerdem wurden Blattrippenbildungsversuche an 2x2 Probekörpern (2 Zoll Durchmesser x 2 Zoll Höhe) durchgeführt, um zu ermitteln, ob ein Zusammenhang zwischen der Blattrippenbildung und den thermischen Eigenschaften besteht. Jede Kernprobe enthielt 5% LDASC und 95% Quarzsand. (Abbildung 5)

Tabelle 5 gibt den Zusammenhang zwischen Schwindungsanfangstemperatur und Blattrippenbildung wieder. Sie zeigt, dass die Tendenz zur Blattrippenbildung bei abnehmender Schwindungsanfangstemperatur geringer wird. Außerdem wirken die Na- und K-Verunreinigungen als Flussmittel auf den Sand und bewirken eine stärkere Penetration und ein schlechteres Oberflächenfinish. Abbildung 6 zeigt die Endprofile der einzelnen Proben nach den Misura-Versuchen.

Tabelle 5: Gegenüberstellung von Schwindungsanfangstemperatur und Blattrippenbildung

Typische TemperaturProbe 73Probe 74Probe 75Probe76Probe 77
Schwindungsanfangstemperatur1045 C935 C1025 C990 C1155 C
Bewertung Blattrippenbildung10610710

Im nächsten Schritt untersuchten wir den Einfluss unterschiedlicher Flussmitteltypen auf die Proben. Nach mehreren Versuchen mit unterschiedlichen Flussmitteltypen fanden wir heraus, dass 6% Li2CO3 in der Probe 77 stets eine ähnliche Schwindungsanfangstemperatur ergaben. Allerdings verringerte sich die Schwindungsendtemperatur um 230ºC (446°F), was bedeutet, dass die Schwindung während des Gießvorgangs viel schneller einsetzen würde. Zu Vergleichzwecken wurde auch der LDASC-Probe 73 Lithiumkarbonat zugegeben. (Tabelle 6)

Tabelle 6: Auswirkungen der Zugabe von Li2CO3 zu den Proben 73 und 77

Probe 77Probe 73 + 6% Li2CO3Probe 77 + 6% Li2CO3
Schwindungsanfangstemperatur1155 C1085 C1215 C
Schwindungsendtemperatur1550 C1210 C1320 C
Erweichungstemperatur1240 C1335 C
Schmelztemperatur1295 C1350 C

Die resultierende Schwindungskurve für Probe 77 mit 6% Lithiumkarbonat (Probe 98) ist in Abbildung 7 dargestellt.

In gleicher Weise wurde die thermische Analyse im Misura-Mikroskop dazu verwendet, zu Vergleichszwecken die Kurven für kantengerundeten und runden Sand (Abbildung 8) sowie für andere mineralische Sandadditive zu erstellen. (Abbildung 9)

Nach Feststellung, dass das Verhalten von Probe 77 mit 6% Li2CO3 den Kurven von anderen gegen Blattrippenbildung effektiven Sandadditiven am nächsten kam, wurden Proben zur Bewertung von Blattrippenbildung und Penetration für das neue Additiv (nunmehr als ISOSEAL™ 2011 oder ESA 2011 bezeichnet) vorbereitet.

GIESSVERSUCHE

Es wurden Kerne aus 94% kantengerundetem Sand C-70, 1,5% des Phenol-Urethan Cold-Box Binders 418/618 und 5% des Additivs ESA 2011 (94% LDASC-Probe 77 + 6% Li2CO3) hergestellt. Die drei Bestandteile wurden in einem Mischer miteinander vermischt und in den Bunker einer Kernschießmaschine aufgegeben. Das Gemisch wurde in den Kernkasten geschossen, um die Kernform zu erhalten, und dann mit DMEA begast. Die Kerne wurden anschließend ausgeworfen und für die nachfolgenden Gießversuche verwendet.

Die 2x2 Kerne werden in die Formen gesetzt und mit Grauguss übergossen. Die Gussteile wurden gereinigt und die Blattrippenbildung und das Oberflächenfinish (SF) auf einer Skala von 0 – 10 bewertet. Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse.

Tabelle 7: Ergebnisse der Gießversuche:

Gemisch100% Probe 7794% Probe 73 + 6% Li2CO394% Probe 77 + 6% Li2CO394% Probe 74 + 6% Li2CO394% Probe 74 + 6% Li2CO3100% Sand
% Zugabe zum Sand1055350
Bewertung Blattrippenbildung7001010
Bewertung Oberflächenfinish100000

Es wurde festgestellt, dass mit den 6% Lithiumkarbonat als Bestandteil des Anti-Blattrippen-Additivs keine Blattrippenbildung auftrat, unabhängig von der verwendeten LDASC-Probe. Außerdem zeigten alle Gussteile ein ausgezeichnetes Oberflächenfinish.

Dagegen ergaben die Proben aus Kernen ohne Additive (100% Sand) und die Proben mit alleiniger Verwendung von LDASC als Additiv erhebliche Blattrippenfehler mit der Bewertung 10 bzw. 7 (auf der Skala von 0-10, auf der “0” der beste und “10” der schlechteste Wert ist).

Danach wurden der Effekt der Lithiumkarbonatanteile in einem LDASC-basierten Additiv der Probe 77 wie auch der Effekt der Menge an Additiv in der Zusammensetzung des Formsandes untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 zusammengestellt.

Tabelle 8: Probenzusammensetzungen und Gießergebnisse

PROBEN-Nr.115116464980
70 AFS GFN SAND95%97%95%90%100%
Additiv5%3%5%10%0%
Additiv-Zusammensetzung
Li2CO36%6%0%0%0%
Probe 7794%94%100%100%0%
Gießergebnisse
Bewertung Blattrippenbildung018710
Bewertung Oberflächenfinish00110

Als Nächstes wurden Versuche durchgeführt, um das ausgewählte Additiv mit den beiden vorstehend erwähnten anorganischen Additivsystemen zu vergleichen. (Abbildung 10, 11 und 12).

Nach Bestätigung der zufriedenstellenden Ergebnisse gingen wir daran, industrielle Versuche durchzuführen. Dabei lag der Fokus zunächst auf Gießereien, die 70 AFS GFN-Sand verwenden, der beim vertikalen Formverfahren üblicherweise verwendet wird. Danach setzten wir die Versuche mit anderen gröberen Sanden fort. (Abbildungen 13, 14, 15, 16, 17, 18 & 19).

Alle Versuche mit den in den Gießereien verwendeten Sanden waren zufriedenstellend. Die einzige Ausnahme ist in Abbildung 15 zu sehen. Bei Bremsscheiben und Verwendung von AFS GFN 55 wurde etwas Blattrippenbildung und Penetration festgestellt. Nach dem Wechsel zu AFS GFN 65 waren die Probleme beseitigt.

Auswirkung auf die Verarbeitungszeit (Bench-life)

Bei höheren Temperaturen erhöht das Additiv den Säurebedarfswert (ADV) des Sandgemischs, wodurch sich die Verarbeitungszeit verringert. Dem kann durch Verwendung eines Cold-Box-Binders mit längerer Verarbeitungszeit, entgegengewirkt werden. (Abbildung 20)

Gasbildung
Das ESA 2011-Additiv führt gemessen an bloßem Sand zu keiner zusätzlichen Gasbildung. (Abbildung 21)

Auswirkung auf die Kerndichte
Zugaben von 5% ESA 2011-Additiv verringern das Gewicht des Kerns um ca. 10%. Das bedeutet, dass aus der gleichen Masse Sandgemisch mehr Kerne hergestellt werden können und dass diese leichter sind und einfacher gehandhabt werden können.

Auswirkung des Additivs auf Grünsand
Es wurde eine Laborstudie durchgeführt, bei der die Auswirkungen der Verbrennung des Kerns und der Verkohlung des Additivs mit anschließender Zugabe zum Formsand in einem Anteil von 2,5% simuliert wurden. Es wurden keine (nachteiligen) Effekte festgestellt. (Tabelle 8 und Abbildung 21)

Tabelle 9: Eigenschaften von Grünsand mit 2,5% verbranntem ESA 2011 

BentonitGeko SGeko S
SandLA 32LA 32
Additivohne Additiv2.5% verbranntes Additiv
Wassermenge (g)6370
% Wasser1.71.77
Verdichtbarkeit4646.5
Durchlässigkeit220215
Grün-Scherbelastung kPa3.23.10
Grün-Druckbelastung kPa102100.0
Gewicht der Probe (g)149145.5

FAZIT

  • Es ist möglich, blattrippenfreie Gussteile für die Automobilindustrie ohne Verwendung von Schlichten durch Zugabe des neuen ESA 2011-Additivs herzustellen. Die Sandkorngröße ist bei ferrostatischen Drücken von bis zu 500 mm ein kritischer Faktor, bei niedrigeren ferrostatischen Drücken ist die Partikelgröße aber nicht so kritisch.

  • Die besten Ergebnisse wurden bei Zugabe von 5% des neuen ESA 2011-Additivs mit 65/70 AFS GFN-Sand erzielt.

  • Zufriedenstellende Ergebnisse wurden mit Chromitgemischen bei großen Zylinderköpfen erzielt. Dies eröffnet die Möglichkeit der Herstellung von Kernen sowohl für Zylinderblöcke als auch für Zylinderköpfe ohne Verwendung einer Schlichte. Hinzu kommt noch der enorme technische und Wettbewerbsvorteil, der sich aus dem Wegfall der mit dem Schlichten verbundenen Schülpenfehler sowie der mit der niedrigen Durchlässigkeit und der Gasbildung verbundenen Blaslöcher ergibt.


BIBLIOGRAFIE

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  2. Europäisches Patent 0891954
  3. Spanisches Patent 2116245
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  7. Showman, R., Horvath, L., Clifford, S., Harmon, S., Lawson, E., "A Systematic Approach to Veining Control,” AFS Casting Congress Proceedings, 11-005
  8. Europäisches Patent 027700038

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