EP-4021661-B1 - HOT-CURING MOULD MATERIAL FOR PRODUCING CORES AND MOULDS IN THE SAND CASTING PROCESS

Inventors

• ESCHRICH, Sandra
• HOLSTEIN, Daniel
• GALLERT, Thomas
• HERTEL, Tina
• GOLDACKER, Robin

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20200827

Claims (14)

1. A hot-curing mould material for producing cores and moulds in the sand casting method, at least comprising ➢ a two-component binding agent free from phenol and formaldehyde based on polyurethane, containing a resin component as a mixture of two or more compounds which are hydrogen-active with regard to isocyanate with hydroxyl and/or mercapto and/or amino and/or carbamide groups with an OH-, SH- and NH-functionality of 1.5 to 8 and equivalent weights of 9 to 2000 g/val of the individual parts and an average H-functionality of 1.8 to 4.0 and an average equivalent weight of 90 to 200 g/val of the resin component and a hardener component with one or more diisocyanates or polyisocyanates, ➢ one or more thermally activatable catalysts, whose activation temperatures are between 50 and 170°C, having Brönsted bases and/or Lewis acids promoting the polyurethane reaction, as well as their associated blocking agents, wherein the one or more thermally activatable catalysts are adducts of tertiary amines and organic acids (blocking agents) or quaternary ammonium salts and the catalytically active tertiary amine is provided for release through thermal input between 90 and 170°C, and ➢ one or more refractory pourable fillers.
2. The hot-curing mould material according to claim 1, characterised in that the two-component binding agent comprises, on the one hand, a resin component with individual compounds which are hydrogen-active with regard to isocyanate with the average functionality of 1.8 to 4.0, one or more diluents as an additive/additives, optionally one or more catalysts or retardants influencing polymerisation and, on the other hand, a hardener component, containing one or more isocyanates which possess at least functionality of 2, as well as one or more diluents as an additive.
3. The hot-curing mould material according to claim 1 or 2, characterised in that the hydrogen-active parts of the resin component of the binding agent are selected from one or more substance classes comprising polyether alcohols, reactive and non-reactive polymer polyols, polycaprolactones, polyether polyester alcohols, polythiols, aminopolyether alcohols, two- or higher functional alcohols, amines and carbamide compounds.
4. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the individual parts of the resin component are combined so that an average H-functionality of 2.2 to 3.5 results.
5. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the isocyanates of the hardener component are oligomeric or polymeric derivatives of the basic type of the 2,4'- and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and/or oligomeric or polymeric derivatives of the type of the 2,4'- and 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and/or oligomeric or polymeric derivatives of the hexamethylene diisocyanate with optionally fully or partially blocked isocyanate groups and/or isophorone diisocyanate and/or derivatives thereof.
6. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the hardener component consists of one or more isocyanates with diluents as well as additives guaranteeing processability, wherein the isocyanate proportion is in the balanced stochiometric relation to the hydrogen-active compounds of the resin component.
7. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 6, characterised in that the resin component of the binding agent has 50 to 100% hydrogen-active compounds and the hardener component of the binding agent has 50 to 100% polyisocyanates.
8. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the catalytically active tertiary amine is provided for release through thermal input between 100 and 130°C.
9. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 8, characterised in that one or more individual components of thermally activatable catalysts are pre-mixed into the mould material and/or into the resin component.
10. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 9, characterised in that the one or more thermally activatable catalysts include thermally in situ releasable, catalytically effective amine bases promoting curing of the mould material.
11. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 10, characterised in that the resin and the hardener component of the binding agent has one or more diluents, wherein these are selected from the substance classes of fatty acid esters based on renewable raw materials, synthetic mono-, di- and tricarboxylic acid esters, organosilicates, sulfonic acid esters, fractions from crude oil processing largely free from aromatics, phosphoric acid esters, cyclic and noncyclic carbonates and non-hydroxy-functionally terminal polyethers.
12. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 11, characterised in that the filler or the fillers is/are selected from quartz sand, chromite, zirconium sand, olivine sand, R-sand, magnesia, alkaline and earth alkaline halogenides, aluminium silicates such as J-sand and kerphalites, synthetic sands such as cerabeads, chamotte, M-sand, alodur, bauxite sand and silicon carbide, expanded and foam glasses, fly ash and other special sands as well as has/have a medium grain size of 0.1 to 0.9 mm.
13. The hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 12, comprising 95.9 to 99.6% of one or more refractory pourable fillers, 0.3 to 0.4% of a binding agent as well as 0.002 to 0.1% of one or more thermally activatable catalysts.
14. Use of a hot-curing mould material according to any one of claims 1 to 13 for employment in the hot box method or in the hot air method, curing between 90 and 170°C, preferably between 100 and 130°C.

Description

Die Erfindung betrifft einen warmhärtenden Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren. Es handelt sich dabei um einen Formstoff aus zweikomponentigen Polyurethan-Bindemitteln, einem oder mehreren thermisch aktivierbaren Katalysatoren und natürlichen und/oder keramischen Sanden. Dieser Formstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er schellhärtend und emissionsarm sowie für warm- und heißhärtende Kern- und Formenherstellungsverfahren geeignet ist. Zur Herstellung von "verlorenen" Formen und Kernen im Gießereiwesen werden im Allgemeinen Formstoffmischungen durch gründliche Vermischung von einem Bindemittel mit einem Formgrundstoff hergestellt, in ein Modell eingebracht und nach Aushärtung des Formstoffs ausgeschalt. Nach dem Zulegen von einem Kern(-paket) und Formteilhälften erfolgt der Abguss mit metallischer Schmelze. Dabei werden anorganische oder organische Bindemittel zur Verklebung des Formgrundstoffs, zum Beispiel Quarzsand, eingesetzt. Als anorganische Bindemittel kommen dabei quellfähige Tonmineralien wie Bentonit oder wässrige Alkalisilikat-Lösungen, insbesondere modifizierte Wassergläser, zum Einsatz. Im Bereich organischer Bindemittel werden Phenol-, Furan- oder Harnstoffharze sowie Kondensate hiervon mit Formaldehyd oder deren Gemische eingesetzt, aber auch Phenolharz-basierte zweikomponentige Polyurethane. Zur Verarbeitung von Formstoffen zu "verlorenen Formen" und Kernen kommen unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz, die sich grundsätzlich in heiß- und kalthärtende Verfahren unterteilen lassen. Diese sollen im Folgenden sowohl in Bezug auf ihre Verfahrensparameter als auch auf die dazu genutzten Bindemittel beschrieben und miteinander verglichen werden. Gemeinsam ist den Verfahren, dass der fließfähige Formstoff zunächst händisch oder mittels Druckluft beim Kernschießen in eine Form eingebracht wird. Der Verarbeitungsschritt der Härtung unterscheidet sich hingegen bei allen beschriebenen Verfahren. So wird bei kaltselbsthärtenden Formstoff-Systemen nach dem Einformen eine Zeitspanne von 10 bis 90 Minuten abgewartet, nach der der Formstoff ausgehärtet ist und aus dem Modell entnommen werden kann (Pep Set®- oder No-Bake-Verfahren). Beispielhaft lassen sich hierfür Furanharze, Phenolharze oder Polyurethane als geeignete Bindemittel-Klassen nennen. Um hohe Stückzahlen an Kernen herzustellen, müssen die Taktzeiten auf wenige Sekunden bis eine Minute reduziert werden, was kalthärtend beispielsweise durch Begasung mit einem Amin im Cold-Box-Verfahren erreicht wird. Warmhärtende Verfahren werden ebenfalls zur Verringerung der Taktzeiten eingesetzt und unterscheiden sich im Allgemeinen durch den Temperaturbereich oder die Art der Wärmezufuhr. Für die verschiedenen warm- und heißhärtenden Verfahren stehen organische und anorganische Bindemittel zur Verfügung. Für organische Bindemittel wird zunächst in Hot-Box- und Warm-Box-Verfahren unterschieden, weil sich abhängig vom eingesetzten Bindemittel unterschiedliche Härtungstemperaturen und damit Werkzeuganforderungen ergeben. Bei beiden Verfahren wird eine beheizbare Kernbüchse beziehungsweise ein beheizbares Modell verwendet, die relativ kostenintensiv aus Metall gefertigt sind. Beim Hot-Box-Verfahren finden Bindemittel auf Basis von Phenol- oder Furanharzen Anwendung, deren Aushärtung bei Temperaturen bis 300 °C erfolgt. Das Warm-Box-Verfahren wird hingegen bei nur etwa 150 °C mit besonders additivierten Furanharzen als Binder durchgeführt. Beispiele für Phenol-basierte Hot-Box-Binder sind Kondensate aus Phenol, Harnstoff, Formaldehyd und einem niedermolekularen Alkohol, denen als Härter wässrige Ammoniumchloridlösung zugegeben wird, wie zum Beispiel in der DE 15 69 023 C3 beschrieben. Ebenso sind Mischungen aus sauren latenten Härtern und Hexamethylentetramin möglich. Durch die Maskierung des Härters startet die Reaktion tatsächlich erst bei Erhitzung. Bei den Härtungsmitteln handelt es sich um Addukte starker Säuren mit schwach basischen oder polaren Substanzen, zum Beispiel Harnstoff oder Polyole, oder Schwermetallsalze von organischen Säuren, wie es beispielsweise aus der DE 37 38 902 A1 bekannt ist. Hexamethylentetramin übernimmt dabei die Aufgabe eines zusätzlichen Inhibitors, um die Verarbeitungszeit der Formstoffmischung weiter zu verlängern. Als Inhibitoren eignen sich auch Kondensationsprodukte von aromatischen Aminen mit Aldehyden, wie es auch in der DE 30 32 592 C2 beschrieben wird. Hot-Box-Binder auf Basis von Phenol-Resol-Harzen führen allerdings dazu, dass die Kerne auch unter Einsatz von Trennmittel stark in der Form haften und kaum ohne Beschädigung gelöst werden können, wie es zum Beispiel aus der DE 15 70 203 A hervorgeht. Furanharz-basierte Hot-Box-Systeme enthalten dihydroxymethyliertes Furan beziehungsweise die entsprechenden Polymere, die, wie aus der US 7 125 914 B2 bekannt ist, ebenfalls mit latenten Säurekatalysatoren bei einer Temperatur von 205 °C in 20 bis 40 Sekunden aushärten. Nachteile der bisherigen