1/2 - Verein österreichischer Gießereifachleute

GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) HEFT 1/2in den achtziger Jahren Untersuchungen und Ansätze für dieBrückenstruktur durchgeführt und veröffentlicht (Bild 4). Hierbeiwurde eine dichte Binderschicht an der Oberfläche der Binderbrückemit einer inneren Globularstruktur beschrieben. DerCold-Box-Binder besteht nach diesen Ergebnissen aus zumeistunregelmäßig miteinander verklebten oder verwachsenen kugeligenPolyurethanteilchen. Diese bilden ein Gerüst von unterschiedlicherDichte mit gleichmäßig großen Globuliten von etwa0,1 bis 0,2 µm. Eine zellulare Struktur innerhalb der Brückekonnte nicht gefunden werden. Die damaligen Untersuchungenhaben gezeigt, dass es sich bei dem Bruch der Binderbrücke umtransgranulare Ablösungen handelt. Es gab keine Hinweise aufkantige oder splittrige Kugelbrüche. Hieraus wurde gefolgert,dass die Stärke der Verklebung der Polyurethanteilchen für dieFestigkeit der Gerüststrukturen wichtig ist [1].Jedoch haben sich die Cold-Box-Systeme in den letzten Jahrendeutlich weiterentwickelt. Neben dem Einsatz verbesserterPolyol- und Isocyanatkomponenten kamen auch wesentlicheLösungsmittelmodifikationen zum Tragen. Aufgrund dieser Entwicklungenbesteht der Bedarf, die Bindung unter Berücksichtigungder aktuellen Bindersysteme näher zu betrachten.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bindung des Formstoffesund somit der Aufbau und die Entstehung der Binderbrückenuntersucht. Der Fokus wurde hierbei vor allem auf die Morphologieder Binderbrücken gelegt, da diese die Grundlage für dieFestigkeits- und Kerneigenschaften legen. Hierzu wurden in Untersuchungendie Bruchflächen der Binderbrücken mittels Rasterelektronenmikroskopnäher betrachtet. Es konnte im Bereichder Außenhaut der Binderbrücken eine glatte und oberflächlichdichte Schicht beobachtet werden. Unter dieser dichten Hüllezeigt sich eine deutlich veränderte Struktur, die analog der einschlägigenPolyurethanliteratur einen zellularen Charakter aufweist[2, 3]. Innerhalb dieser Zellularstruktur sind deutlicheDichteunterschiede bis zur Mitte der Binderbrücke erkennbar.Sie reichen von feinporig im Randbereich bis korallenartig imBrückenzentrum. Diese Dichteunterschiede lassen eine Einteilungin verschiedene Phasen zu (Bild 5).Bild 5: Binderbrückenstruktur (Querschnitt) mit PhaseneinteilungBild 4:Erkenntnisseüber dieStrukturen vonBinderbrückenin den 80erJahren• Phase I: Dichte Außenschicht• Phase II: Struktur mit feinen Poren• Phase III: Struktur mit gröberen Poren• Phase IV: Korallenartige StrukturEs stellt sich jedoch die Frage, wie diese Dichteunterschiedeund somit die verschiedenartigen Strukturen entstehen bzw.wodurch sie hervorgerufen werden. Hierzu sind drei Ansätze zubeachten.• Gerichtete Aushärtung durch die Aminbegasung• Dichte der Struktur in Abhängigkeit der Härte-/ Reaktionsgeschwindigkeit• Porenstruktur in Abhängigkeit der eingesetzten LösungsmittelIm Cold-Box-Verfahren liegt durch die Begasung mit dem Katalysatoreine Art der gerichteten Aushärtung vor. Das gasförmigeAmin dringt vom Brückenäußeren zur -mitte vor. Betrachtetman hierzu im Vergleich das PU-NoBake-Verfahren (Pentex-Verfahren),so sind deutliche Unterschiede erkennbar. Die Basisdieses Verfahrens ist wie im Cold-Box eine Polyurethanbindung.In diesem Fall wird der reaktionsbeschleunigende Katalysatordirekt in die Formstoffmischung mit eingemischt. Durchdie Zugabemenge des Katalysators lässt sich die Härtegeschwindigkeitgezielt steuern. Bei den in der Praxis üblichenZugabemengen ergibt sich eine deutlich geringere Härtungsgeschwindigkeitals beim Cold-Box-Verfahren. Anhand der Ergebnisseder rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung wirdder Unterschied der inneren Binderbrückenstruktur zwischenPU-NoBake- und PU-Cold-Box-Verfahren deutlich.Beim PU-NoBake-Verfahren bildet sich über den gesamtenBrückenquerschnitt ein gleichmäßig verteiltes zellulares Polyurethangerüstaus (Bild 6). Es handelt sich hierbei um verhältnismäßiggroße Poren, die im Vergleich zum Cold-Box-Ver fahrenan die dritte Phase erinnern. Das Entfallen von unterschiedlichenPhasen ist in der gleichmäßigen Verteilung des Katalysatorsbegründet. Überall in der Brücke werden gleichzeitig dieNCO-Gruppen des Aktivators (Isocyanat-Komponente) aktiviertund es ergibt sich keine gerichtete Aushärtung mit den entsprechendenHärtungsfronten. Ferner kommt es im Allgemeinenwährend der Polyurethanbildung beim Phasenübergang flüssigfestzu einer Verdrängung der Lösungsmittel. Beim PU-NoBake-Verfahren ist eine Verdrängung ins Brückeninnere aufgrund dergleichzeitigen Härtung über den gesamten Brückenquerschnittnicht möglich. Die Lösungsmittel bleiben in dem gleichmäßigverteilten, groben Polyurethangerüst (Blasen) eingeschlossen.Desweiteren ist davon auszugehen, dass die verschiedenenDichten der Struktur durch unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeitenim Brückenquerschnitt hervorgerufen werden.Die Zellbildung steht mit der Härtungsgeschwindigkeit in direktemZusammenhang.4