Chromsand in harzgebundenen Systemen und anorganischen Bindemitteln für Gussstücke

Was ist Chromsand?

Chromsand ist gemahlener Chromit, selbst ein natürlich vorkommendes Mineral, das aus Eisen- und Chromoxiden besteht. Als Erz ist Chromit das führende Mineral für die Chromproduktion. Als Chromsand ist es ein schwarzes, fast glänzendes Pulver, es enthält Chrom hauptsächlich im +3 Oxidationszustand (und nicht den hochgiftigen +6 Oxidationszustand). Chromsand hat einen Schmelzpunkt von 2.040°C, was ihn sehr gut für den Metallguss geeignet macht, und ist "fast chemisch inert"(1). Chromit hat Verwendung als feuerfestes Material gefunden z.B. im grünen Sandguss, zusätzlich zu einem Bestandteil in Feuerfeste Zement mit seinem hohen Chromiagehalt, das ein hochstabiles Material gewährleistet, das weitgehend benetzungsbeständig ist(2). Hier werden wir uns mit der Anwendung von Chromsand mit harzgebundenen Systemen für geschmolzene Metallgussanwendungen befassen.

Arbeiter, die an einer Chromsandform arbeiten

Harzgebundene Systeme

Harzgebundene Systeme beziehen sich fast ausschließlich auf Chromsand, wenn Chromsand als Bestandteil bei der Herstellung von Gussformen für Metalle verwendet wird und immer mit einer Art Harz als Bindemittel verwendet wird. Der dritte Hauptbestandteil ist ein Härter, um das Harz einzustellen und die Bindung zu verfestigen. Es wird oft festgestellt, dass etwa 18 aller abgebauten Chromite für feuerfeste Zwecke verwendet werden(3). In diesen Szenarien wird Chromsand für seine hohe Temperaturtoleranz verehrt. Bindemittel sind in vielen Fällen auf organischer Basis und sind in der Regel Harze. Es gibt einige Fälle, in denen anorganische Bindemittel eingesetzt wurden, in der Regel, um eine sehr spezifische Eigenschaft in der Form, dem Guss oder dem Entfernen des Gusses zu erreichen. Als Faustregel gilt, dass die Konzentration von Cr2O7 in Chromit/Chromsand für feuerfeste und
Gießereianwendungen
nicht unter 36 liegen sollte. Ungeachtet dessen, was im Folgenden diskutiert wird, haben einige Forscher festgestellt, dass die langfristige Leistung bei hohen Temperaturen von Harzen, sowohl organisch als auch anorganisch, mehr Forschung erfordert(4).

Form mit Chromsand

Die Funktion des Bindemittels besteht darin, das Aggregat physikalisch zusammenzuhalten (in diesem Fall Chromsand oder eine Mischung aus Chromsand und herkömmlichem Kieselsäuresand), chemische Bindungen bilden bietet langfristige Stabilität der Form auch bei hoher Temperatur. Frühe Gussformen verwendeten Kernöl, um Sand zu binden, der schließlich in den 1960er und 1970er Jahren durch Phenol-/Urethan-Bindemittel für viele Metallarten ersetzt wurde, und Furan-Bindemittel meist nur für Eisenmetalle(5).

Es gibt im Großen und Ganzen zwei Verfahren, die organische Harze bei der Herstellung von Gussformen verwenden; Kühlbox und No-Bake-Formung. Kaltkastenformung ist der Prozess, durch den die Gülle aus Chromsand und Bindemittel bei Umgebungstemperatur aushärten und die Form erzeugen.

No-Bake-Formung, wie Kaltschachtelformung, verwendet keine Wärme zu heilen. Der Unterschied ist, dass in No-Bake-Formung, das Harz verwendet wird, ist eine schnelle Einstellung und ein Katalysator wird oft verwendet. Harze binden chemisch an das Aggregat und liefern Festigkeit. Diese Methoden stehen im Gegensatz zum grünen Sandformen, da kein Ton verwendet wird und auch kein Anthrazit vorhanden ist. Sie sind auch aus wirtschaftlicher Sicht vorteilhaft für große Gussteile zu verwenden, da keine Ressourcen für Heizprozesse eingesetzt werden müssen. Typischerweise sind harzgebundene Formen mit Chromsand für den Fall reserviert, dass höchste Qualität/Präzisionsguss erforderlich ist, aufgrund der insgesamt höheren Kosten als bei herkömmlichem Grünsandguss - da Chromsand deutlich teurer ist als Kieselsäure/konventioneller Sand.

Harzgebundene Gussstücke

RBCs zeichnen sich durch das Harz aus, das neben Sand, Chromsand und anderen Additiven verwendet wird. Sie sind fast ausschließlich organisch in der Natur - das heißt, sie bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, ohne Metalle vorhanden. RBCs sind in der gesamten Gießindustrie weit verbreitet. Harze basieren oft auf Phenol- oder Furanstrukturen oder Urethanen. Solche Harze in Chromsandguss sind für die Herstellung von Gussprodukten aus geschmolzenen Magnesiumlegierungen(6), Titan(7) zusätzlich zu den gebräuchsenen Eisen- und Stahlprodukten rentabel. Organische Harze werden in der Regel Chromsandformen in Einem Verhältnis von nicht mehr als 10 Gewichtsklassen zugesetzt, wobei Größere als diese dazu beitragen, die Formbildung der Form in erster Linie aufgrund der Viskosität zu erschweren und nach dem Gießen schwerer zu entfernen und sicherlich nicht recycelbar(8).

Einige der häufigsten Arten von organischen RBCs werden im Folgenden beschrieben.

Eisengeschmolzenes Metall wird in Sandform gegossen

Estergehärtete alkalische Phenolharze

In diesem RBC-Verteiler ist das Bindemittel ein niedrigviskoses, hochgrundlegendes Phenolharz, kombiniert mit einem flüssigen organischen Ester als Härter. So wenig wie 1,4 Harz von Masse kann mit Chromsand verwendet werden. Die Gießfähigkeit dieses Verfahrens ist durch eine "as cast"-Oberfläche auf dem Metall gekennzeichnet , d.h. es wird keine Benetzung oder Bildung von rauen Widerhaken aus Metall oder gelöstem Sand beobachtet(9)

Phenol-Urethan-Amin-Harze

Typischerweise mit reinem Kieselsäuresand verwendet, kann dieser Prozess erfolgreich mit Chromsand verwendet werden, und ist besonders effektiv, wenn ein gemischter Kieselsäure/Chromsand verwendet wird. Dieses Harz ist auch alkalisch.

Alkalische Phenolharze mit Kohlendioxid

Ein alkalisches Harz auf Phenolbasis wird mit einem Kupplungsmittel verwendet, das zusammen mit dem Chromsand in die Box um das Muster gelegt wird. Kohlendioxid wird durch das Material geblasen, das eine Aushärtung des Harzes durch eine Absenkung von PH bewirkt.

Anorganische Bindemittel

Bis zum Jahr 2000 stützte sich die überwiegende Mehrheit der harzgebundenen Gießanwendungen ausschließlich auf organische Bindemittel über anorganische. Die Gründe dafür sind eine höhere Produktivität, eine höhere Prozesssicherheit und insgesamt bessere mechanische Eigenschaften - plus ein unübertroffenes Maß an Vertrautheit(10). Im Gießen von Nichteisenmetallen wie Aluminium werden anorganische Bindemittel aufgrund günstiger Umweltbedingungen in der
Gießerei
und eines weniger komplexen Verfahrens mit Aluminium seit dieser Zeit routinemäßig eingesetzt.

Eines der beliebtesten anorganischen Bindemittel in Chromsand-Kadenisten ist Natriumsilikat, auch bekannt als Wasser-Glas(11). Häufig zitierte Vorteile von anorganischen Bindemitteln sind ein Mangel an schädlichen Emissionen während des Gießens (im Vergleich zu einem organischen Harz, wie Phenol, das sich beim Erhitzen zersetzt) und weniger Wartung. Andererseits sind Kerne, die anorganische Bindemittel enthalten, für ihre Affinität zu Wasser bekannt und müssen daher angemessen gelagert und Feuchtigkeit ausgeschlossen werden. Im Gegensatz zu Harzen, die organische Bindemittel enthalten, können Chromsandkassetten, die anorganische Bindemittel enthalten, vor der Verwendung wärmebehandelt werden. Eine solche Erwärmung ist mit einer größeren Druck- und mechanischen Festigkeit im Gießbaren verbunden, aber keine nennenswerten Festigkeitsänderungen in den Bindungen zwischen Harz und Sand in einer unbeheizten versus erhitzten Studie(12). Die Heizung kann über einen herkömmlichen Ofen oder mit Mikrowellen-Heizgeräten erfolgen(13) und hat eine allgemeine Härtewirkung - harte und hochfeste Formen sind oft mit besseren Oberflächengüten verbunden. Ein typisches Beispiel für ein anorganisches Bindemittelharz würde das Harz mit etwa 40 bis 70 Stück Gewicht neben anderen Zusatzstoffen verwenden(14); mit der Gesamtmenge an Bindemittel im Chromsandgussmodul nicht mehr als 5 mal.

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Metallguss mit Chromsandformen

Andere Überlegungen

Viskosität ist einer der wichtigsten Parameter bei der Entwicklung eines Chromsandharzsystems. Wenn die Mischung durch einen Extruder verdichtet, gerammt oder erzwungen werden muss, wären hochviskose Gemische suboptimal. Darüber hinaus muss jede Mischung in die Gießkammer um das Muster fließen. Harze tragen häufig am stärksten zur Viskosität bei(15). Als Teil der Gesamtbilanz der Auswahl von Harzen für Chromsandplatten ist es wichtig zu beachten, dass die Durchlässigkeit des Harzes in loser Schüttung einen Einfluss auf die Gesamtporosität des Gusses haben wird - die überwacht werden sollte, um sicherzustellen, dass übermäßige Porosität nicht erreicht wird(16). Darüber hinaus spielen neben dem Harz auch Füllungen und Additive in der Sandformmischung eine Rolle, insbesondere im Hinblick auf Viskosität und Gesamtdichte(17). Die thermische Ausdehnung ist eher ein Problem mit anorganischen Bindemitteln aufgrund ihrer thermoplastischen Natur, wo der Sandkern im gebundenen System unter der intensiven Hitze und dem Druck des geschmolzenen Metalls zusammenbrechen kann. Dies kann durch den Einsatz handelsüblicher Beschichtungen zur effizienteren Wärmestreuung weitgehend vermieden werden(18).

Metallgussarbeiten

Zusätzlich zu den normalen Kastenformtechniken haben die Forscher in einer Rezension gezeigt, dass der 3D-Druck zur Erstellung von Formen für Chromsandgießverfahren verwendet werden kann(19). Eine solche Innovation kann hochspezifische Formen für das Gießen zu niedrigen Preisen in einem Verfahren namens "Binder-Jetting" produzieren. Optimale Verhältnisse für Chromsand, Bindemittel und andere Parameter für Gießanwendungen können rechnerisch ermittelt werden, was eine höhere Effizienz im gesamten Sektor ermöglicht(20). Furan-Typ Bindemittel sind verdachtauf krebserregende Stoffe und ihre Verwendung ist in Erwägung, weltweit auslaufen.

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Zusammenfassung

  • Chromsand wird mit Harzen (sowohl auf organischer/harzbasierter als auch anorganischer Basis) verwendet, um hochwertige Gussformen für die Herstellung von hochwertigen Gussmaterialien herzustellen.
  • Das Verfahren ist auf eine Vielzahl von Eisen- und Nichteisenmetallen anwendbar.
  • Bindemittel auf organischer/harzbasierter Basis sind die bei weitem am häufigsten verwendete Bindemittelklasse, wobei anorganische Stoffe weniger beliebt sind und für NE-Anwendungen reserviert sind.
  • Harzbasierte Bindemittel sind im Großen und Ganzen tendenziell kostengünstiger, aber anorganische Bindemittel haben weniger potenziell schädliche Eigenschaften, die mit ihnen verbunden sind.
  • Bindemittel arbeiten, indem sie den Chromsand zusammen mit allen anderen Additiven physikalisch und chemisch zusammenhalten
  • Die Auswahl des Bindemittels ist nur ein Teil der Geschichte bei der Schaffung eines optimierten Chromsand gießbar, andere Faktoren wie Viskosität, Additive und physikalische Manipulation wie Rammen müssen berücksichtigt werden
Chromsand

Verweise

1 J. O. Nriagu und E. Nieboer (Anm.), Chrom ium in the Natural and Human Environments, Wiley-Interscience, New York, 1988

2 N. McEwan et al., Chromite—A Cost-effective Refractory Raw Material for Refractories in various Metallurgical Applications in: Southern African Pyrometallurgy 2011, R. T. Jones and P. den Hoed (eds.), Johannesburg, 2011

3 J. Barnhart, Reg. Toxicol. pharmacol.Transportt 1997, 26, 3

4 J. Thiel, Thermal Expansion of Chemically Binded Silica Sands in: AFS Proceedings 2011, American Foundry Society, Schaumberg, USA, 2011

5 D. Weiss, Advances in the Sand Casting of Aluminium Alloys in: Fundamentals of Aluminium Metallurgy, R. N. Lumley (Ed.), Elsevier, Amsterdam, 2018

6 F. Liu et al., J. Manuf. Proc., 2017, 30, 313

7 R. M. Koch und J. M. Burns, Shape-Casting Titanium in Olivine, Garnet, Chromite und Zircon Rammed and Shell Molds, Department of the Interior, Washington DC, 1979

8 R. H. Todd, D. K. Allen und L. Alting, Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc., New York, 1994

9 J. R. Brown (Anm.), Foseco Ferrous Foundryman es Handbook, 11. Auflage, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2000

10 H. Polzin, Anorganische Bindemittel: für Schimmel und Kernproduktion in der Gießerei, Schiele & Schön, Berlin, 2014

11 M. Stachowicz et al., Arch. Gießerei Eng., 2017, 17, 95

12 . Paéyga et al., Arch. Metall. Mater., 2017, 62, 379

13 M. Stachowicz et al., Arch. Gießerei Eng., 2016, 16, 79

14 Koreanisches Patent KR101527909B1, 2004; und kanadisches Patent CA1203966A, 1982, abgelaufen

15 G. R. Chate et al., Silizium, 2018, 10, 1921

16 N. S. Reddy et al., J. Korea Gefunden. Soc., 2014, 34, 23

17 O. S. Seidu und B. J. Kutelu, J. Min. Mater. Charakter Eng., 2014, 2, 507

18 F. Mück und C. Appelt, Gießerei und Technik, 2018, 3, 12

19 T. Sivarupa et al,, J. Manuf. Proc., 2017, 29, 211

20 B. Surekha et al., Proc. Mater. Sci., 2014, 6, 919