Wasserglas-CO2-Verfahren

Allgemein

Wasserglas-CO2-Verfahren Begasungshärtendes Kern- und Formherstellungsverfahren mit einem Alkalisilikat (Wasserglas) als Binder, das durch die Begasung mit Kohlendioxid (CO2) chemisch verfestigt wird.

Das Verfahren wurde 1947 von L. Petrzela entwickelt und stellt das erste Cold-Box-Verfahren dar. Das Verfahren ist in die Gruppe der Begasungs-Cold-Box-Technologien mit anorganischen Bindern einzuordnen. Die Vorteile des Verfahrens bestehen darin, dass die Härtung und Verfestigung bei Raumtemperatur innerhalb von Sekunden bis Minuten geschehen kann, eine hohe Universalität des Verfahrens vorliegt (für Einzelfertigung genauso anwendbar wie für Klein- und Großserien), der Binder (Wasserglas) und Härter (CO2) ohne Umweltbelastung verarbeitbar sind.

    Bild 1: Begasung von Wasserglas-CO2-Formteilen a) Begasung mit Sonde b) Begasung mit Abdeckplatte© GIESSEREI LEXIKON

    Nachteilig ist die relativ schlechte Fließfähigkeit des Formstoffes, wodurch der Einsatz für dünnwandige, komplizierte Teile eingeschränkt sein kann. Die Form-und Kernteile besitzen eine geringe Elastizität und sind unter ungünstigen Bedingungen nur begrenzt lagerfähig.

    Nachdem das Form- oder Kernteil durch Schießen oder manuelle Verdichtung hergestellt ist, muss die Begasung im Formwerkzeug erfolgen, da der Formstoff praktisch keine Grünstandfestigkei aufweist. Dazu werden nach Bild 1 vorwiegend Begasungsplatten auf das gefüllte Formwerkzeug aufgesetzt oder Begasungslanzen verwendet. Durch entsprechende Düsen im Formwerkzeug ist eine gezielte, gleichmäßige Durchströmung des Formteiles zu sichern. Bei der Formenfertigung wird der Formstoff durch Öffnungen im Modell mit CO2 begast. Die Härtung erfolgt wie in Bild 2 vereinfacht dargestellt in drei Stufen.

    1. Reaktion von Kohlensäure (H2CO3) mit dem Natriumsilicat (Na2Si2O5) unter Bildung von instabiler Dikieselsäure (H2Si2O5).
    2. Die Dikieselsäure bildet mit Wasser eine kolloidale Lösung. Das elektrokinetische Potential wird vermindert.
    3. Die zunehmende Neutralisation führt zur Koagulation der Teilchen, es kommt zur Ausscheidung von SiO2-Gelen, die die eigentlichen Träger der Festigkeit des Formstoffs sind.

     

    Weiterhin bildet sich Natriumcarbonat, und bei einem CO2-Überangebot kommt es zur verstärkten Bildung amorpher Kieselsäure. Außerdem kann sich Natriumhydrogencarbonat bilden, das zu einer Verringerung der Festigkeit führt.

    Zur Erzielung optimaler Erstarrung müssen die Mengenanteile Na2O und SiO2 im verwendeten Wasserglas in einem ganz bestimmten Verhältnis zueinander stehen, das als Wasserglasmodul M bezeichnet wird:

    Der Wasserglasmodul ist in Verbindung mit der spezifischen Sandoberfläche (Sandkörnung) verantwortlich für die erreichbaren Festigkeitseigenschaften. Für Wasserglaslösungen mit niedrigem Modul (M = 2,0) wird eine hohe Festigkeit mit feinkörnigerem Sand erreicht. Mit steigendem Modul (M = 2,4 bis 3,0) erreicht man optimale Festigkeiten bei mittlerer Körnung (MK = 0,3 bis 0,4). Bild 3 zeigt den Einfluss des Wasserglasmoduls auf die Festigkeitsentwicklung unter Berücksichtigung der Begasungszeit. Niedrige SiO2/Na2O-Verhältnisse (hohe Alkalität) erzielen eine langsame Festigkeitszunahme. Diese langsame Härtung führt zu einer besseren Ausbildung der Gele und ihrer Vernetzungsstruktur, die Endfestigkeiten sind beträchtlich höher.

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