2.2 Formsand Quarztagebau Frechen

2.2 Formsand 2.2.1 Quarz - Siliziumdioxid - SiO2 – Kieselsäureanhydrid ist in der Natur weit verbreitet und gehört zu den wichtigsten gesteinsbildenden Mineralien. Quarz ist hart, Mos‘sche Härte 7, chemisch inert und hat wegen der starken Bindung zwischen den Atomen einen hohen Schmelzpunkt. Die Kornform kann scharf und kantig oder abgerundet sein. Ihr Kieselsäuregehalt beträgt bis zu 99 %. Dichte: 2,65g/cm³ Quarzsand H 32³ ³ Gießerei-Lexikon - Quarz

2.2 Formsand Aufgrund der hervorragenden gießereitechnischen Eigenschaften wird Quarzsand sowohl als Formstoff, als auch zur Kernherstellung in Aluminium-, Eisen- und Stahlgießereien eingesetzt. Wichtige Merkmale für die zu verwendenden der Sande sind die kantengerundete Kornform und die glatte Kornoberfläche, die extreme Kernfestigkeiten bedingen und die Rieselfähigkeit der Sande begünstigen. Ein hochreiner Quarzsand wird nur dann als Gießereisand klassifiziert, wenn er folgende Qualitätskriterien erfüllt: hoher SiO2-Gehalt - geringer Schlämmstoffanteil - geringer Glühverlust - hoher Trocknungsgrad - geringe Abrasivität - hohe Temperaturbeständigkeit Besonders bei der Kernfertigung sind diese Grundeigenschaften entscheidend für einen niedrigen Bindemittelbedarf. Daraus resultieren Vorteile für den Gießer wie hohe Wirtschaftlichkeit, geringes Gasbildungspotential sowie geringe Emissionen und Geruchsfrachten beim Abguss.

2.2 Formsand Nachteile des Quarzsandes Quarzsand macht in Abhängigkeit von der Temperatur 3 Modifikationswechesel durch, bei denen er Längen- und Dichteänderungen aufweist. Modifikationsänderung <-> reversibel, -> irreversibel Umwandlungstemperatur °C Volumenänderung % β <-> α- Quarz 573 0,8 – 1,3 α- Quarz -> α Cristobalit 1250 17,4 β <-> α Cristobalit ~ 260 2 – 2,8 α- Quarz -> α- Tridymit ~ 870 14,4 α-> γ -Tridymit 117 – 163 0,5 α- Tridymit-> α Cristobalit 1470 α Cristobalit -> Schmelze 1713 +- 10 - α- Tridymit -> Schmelze 1670 +- 10 Kieselglas -> α Cristobalit ab ~1150 ~0 http://www.pd-refractories.com/website/files/Dokumente/Publikationen/Routschka.pdf , S. 34

2.2 Formsand Nachteile des Quarzsandes Durch den Volumensprung bei 573°C treten beim Gießen Druckspannungen in der Sandform auf, die zu Gußfehlern führen können, die Formstoffbedingt sind. Fehlerarten sind: Blattrippen, Formrisse Schülpen Rattenschwänze…….. Für besonders anspruchsvolle Gußstücke werden Sande mit geringerer Ausdehnung eingesetzt bzw. dem Quarzsand beigemischt, z.B. Quarzgut Zirkonsand Olivinsand Chromerzsand² ² RWTH III Gießverfahren, 18 Formguß , S 18.6

2.2 Formsand 2.2.2 Quarzgut Quarzgut ist die amorphe Modifikation von Quarz. Es wird synthetisch im Lichtbogen bei ca. 2.000°C hergestellt und zeichnet sich durch einen extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient (0,5*10-6/K) aus. Diese Eigenschaft ist für Spezialanwendungen mit großen Temperatur-Wechselbeanspruchungen von entscheidender Bedeutung. Eigenschaften Ausdehnungskoeffizient 0,5*10-6K-1(bei T 20-300°C) Härte 6,5 (Mohs) Dichte 2,2 g/cm3 chemisch inert Hauptanwendungen Feinguss Quarzwerke AG

2.2 Formsand 2.2.3 Chromerzsand / Chromitsand Chromerzsand (Chromitsand) ist ein Formgrundstoff, der überwiegend aus dem Mineral Chromit besteht. Dieser wird aus natürlichen Lagerstätten gewonnen und meistes, mit flüssigen Bindern aufbereitet, als Gießereisand verwendet. Die typische Farbe des Chromerzsandes ist schwarz, die Kornform ist splittrig. Chromerzsand besteht aus min. 44% Cr2O3, max. 28% FeO, 0,6 – 1,0% SiO2, max. 0,15% CaO und 5 – 10% MgO, Rest Al2O3. Dichte 4,4 – 4,6 g/cm³ Die Sintertemperatur kann durch die unterschiedliche Zusammensetzung variieren. So ist der Sinterbeginn für die enthaltenen Fremdminerale bereits ab einer Temperatur von 1350°C feststellbar. Für die Chromitkörner liegt die Sintertemperatur zum Teil auch oberhalb von 1650°C.  Die Feuerfestigkeit des Chromerzsandes liegt bei ca. 1800°C. Im Vergleich zu den üblichen Formsanden wie Quarzsand weißen Formstoffe auf Chromit-/ Chromerzsandbasis höhere Packungsdichten auf. Damit ist auch eine höhere Wärmeentzugsgeschwindigkeit verbunden. Einsatz in Stahlgießereien. Wegen der Kornform ist auf eine besonders gute Verdichtung zu achten. EK-COMPANY GmbH & Co. KG www.ek-company.com

2.2 Formsand 2.2.4 Zirkonsand Zirkonsand besteht überwiegend aus dem Mineral Zirkoniumsilikat (ZrO2·SiO2 bzw. ZrSiO4). Durch elektrostatische Trennung werden Zirkonsande mit einer Reinheit von etwa 99,5 % erhalten. Die Sand liegt im Korngrößenbereich zwischen 0,06 und 0,3 mm. Eigenschaften: hitzebeständigster aller Gießereisande Sintertemperatur 1500°C wesentlich geringeren thermische Ausdehnung als Quarzsand höhere Wärmeleitfähigkeit und Dichte (2,7 – 2,9 g/cm³) als Quarzsand größeres Wärmeschluckvermögen Anwendung: Formgrundstoff bei Feinguss und Genauguss (s. Cosworth- Sandgießverfahren) Modellsand bei Gußeisen und Stahl hochfeuerfeste Formschlichten Vorteile: guten Gussteiloberfläche verminderter Putzaufwand Herabsetzung der Silikosegefahr Zirkonsandeinlagen oder Zirkonsandkerne werden deshalb mitunter in Quarzsandformen zur Erzwingung einer  gerichteten Erstarrung verwendet. Gießerei-Lexikon www.univie.ac.at/Verbreitung-naturwiss-Kenntnisse/

2.3 Bindemittel und Härter

2.3 Bindemittel und Härter Bindemittel werden benötigt um dem Formsand die notwendige Stabilität zu geben. bei Raumtemperatur zur Formherstellung und Manikulation beim Gießen – Hochtemperaturverhalten geringe Festigkeit nach dem Gießen – guter Zerfall des Sandes geringe Gas- und Schadstoffentwicklung – Qualität und Umweltschutz ökonomische Anwendbarkeit Die Festigkeitseigenschaften hängen von verschiedenen Einflußfaktoren ab, die auf die Festigkeit zwischen 2 Sandkörnern und auf die Festigkeit des gesamten Kornverbandes einwirken. F A d Festigkeit eines Kornverbandes Festigkeit einer Kornverbindung

2.3 Bindemittel und Härter 2.3.1 Einflußgrößen auf die erreichbare Festigkeit zwischen 2 Sandkörnern auf Adhäsion beruhend, anhaftend, anklebend Kontaktfläche A Haftkraft Korngröße - Art des Bindemittels Korneckigkeit - Benetzungsverhalten Struktur der Oberfläche - physikal.- Chem. Porengröße Eigenschaften der Korn- Benetzbarkeit der Kornoberfläche oberfläche Verdichtungsintensität - Art und Dicke der Adsorp- Art des Bindemittels tionsschichten Struktur der Kornoberfläche - Verhältnis der Grenzflächenspannungen F A d Adsorption = Anlagerung an einer Fläche

2.3 Bindemittel und Härter 2.3.1 Einflußgrößen auf die erreichbare Festigkeit zwischen 2 Sandkörnern auf Kohäsion beruhend: durch die Kraft der Anziehung bewirkter innerer Zusammenhalt der Atome, Ionen oder Moleküle in einem festen oder flüssigen Stoff Binderbrückenquerschnitt d Kohäsionskräfte Grenzflächenspannung - Art des Bindemittels Benetzungsverhalten - Aushärtezustand Binderschichtdicke - Feuchtigkeit und Viskosität des Bindemittels - Verunreinigungsgrad der Verdichtungsintensität Kornoberfläche Korngröße F A d Wasser Staub

2.3 Bindemittel und Härter 2.3.2 Einflußgrößen auf die erreichbare Festigkeit eines Kornverbandes Anzahl der Binderbrücken Korngröße Korngrößenverteilung Korneckigkeit Feinkorngehalt Benetzbarkeit der Kornoberfläche Struktur der Kornoberfläche Verdichtungsintensität Viskosität des Bindemittels Grenzflächenspannung des Bindemittels

2.3.3 Gießfehler bedingt durch zu geringe Festigkeit

2.3 Bindemittel und Härter 2.3.4 Bindemittelsysteme Bindemittelsysteme zur Formherstellung mit verlorener Form Binder für mechanische Verdichtungsformen Binder für chemisch härtende Verfahren Bentonit (Hauptbestandteil Montmorillonit) + Wasser Anorganische Binder Organische Binder Zement + Wasser Furanharz + Säure + Wärme + SO2 Natriumsilikat (Wasserglas) + CO2 + Ester Phenolharz + Säure + Ester + Wärme Natriumsilikat /Additive + Wärme Urethanharz + Isozyanat

Bentonit / Montmorillonit

Bentonit / Montmorillonitteilchen Klebefähigkeit wird durch Wasserbrücken und adsorbierte Kationen beeinflußt. Bentonit ist negativ geladen, die Na-Ionen positiv.

2.3.5 Verfestigungsprinzipien zur Fertigung von Formteilen Verfestigung durch physikalische Wirkprinzipien Verdichtung durch: -Schwerkraft -Stampfen -ggf. Vorverfestigung Physikalische Verfestigung Mechanische Verdichtung Vorverdichtung durch: Schwerkraft Rütteln / Vibrieren Unterdruck Überdruck Endverdichtung -Rütteln -Pressen -Slingern -Impuls Chemische Härtung Verdichtung durch: -Schwerkraft -Stampfen -Vibrieren Chemische Verfestigung

Veränderung der Kennwerte Mechanische Verdichtung Chemische Härtung Verfestigung durch physikalische Wirkprinzipien Dichte (g/cm³) Startwert Vorver-dichtung Endver-dichtung Verdich-tung Chem. Verfestigung Verdich- tung physik. 0,8–0,9 1,1-1,2 1,5-1,8 1,2-1,3 1,4-1,6 1,5-1,6 Festigkeit (Mpa) 0,02-0,05 0,1-0,3 0,01 1-5 ≤0,05 1-10

5 Kernherstellung Aufgaben von Kernen und Anforderungen an Kerne Aufgabe von Kernen: Kerne formen Bauteil-Innenkonturen, die nicht durch die Formhälften dargestellt werden können. Kern Anforderungen an Kerne: Maßgenauigkeit und Temperaturbeständigkeit Widerstand gegen Erosion beim Gießen durch die Schmelze Formbeständigkeit gegen den Druck der Schmelze Entfernbarkeit (Kernzerfall) muss gewährleistet sein (*) ü