CH646887A5 - Verfahren zum herstellen eines zerstoerbaren, aus mehreren teilen bestehenden kernes fuer metallgiessformen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zerstörbaren, aus mehreren nebeneinander gelegenen oder sich durchdringenden Teilen bestehenden Kernes für Metallgiessformen, insbesondere zum Herstellen von Zylinderköpfen für Brennkraftmaschinen, bei dem die Kernteile aus einem der Wirkung des geschmolzenen Metalls widerstehenden Material hergestellt werden, unter Zwischenschaltung von Abstandshaltern zu einer festen Einheit zusammengefügt werden und als Abstandshalter ein zellenförmiges Kunststoffmaterial verwendet wird, wobei zunächst auf wenigstens einem Teil der Umfangsfläche eines vorgeformten Kernteils direkt eine Schicht aus dem zellenförmigen Kunststoffmaterial in der Form und der Abmessung eines zwischen den Kernteilen freibleibenden Zwischenraumes ausgeformt und verfestigt und auf wenigstens einem Teil der Umfangsfläche der Kunststoffschicht ein weiterer Kernteil ausgeformt wird.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-OS 2 746 233 bekannt. Hierbei erfolgt die Herstellung der Art, dass der zellenförmige Kunststoff den freibleibenden Raum zwischen den einzelnen Kernteilen vollständig ausfüllt. Als zellenförmiger Kunststoff wird ein solcher verwendet, der unter der

Wirkung des schmelzflüssigen Metalls weitgehend vollständig verdampft oder vergast.

Die Praxis hat gezeigt, dass die Gegenwart von Kunststoff während des Metallgiessens zu Fehlern in dem Gussstück führen kann. Dies beruht darauf, dass bei der Zerstörung des Kunststoffs durch das schmelzflüssige Metall gasförmige Nebenprodukte erzeugt werden. Trotz grösster Vor-sichtsmassnahmen und geschickter Anordnung der Eingüsse ist es dabei nicht immer möglich, die Giessformen mit den eingesetzten Kernen vollständig zu entlüften, so dass während des Giessens Reste der Gase in der Form verbleiben und dort zu einer Verunreinigung des Metalls führen können. Hinzu kommt, dass etwaige Fehler in den Kernen selbst erst nach Fertigstellung des Gusswerkstückes festgestellt werden, da die Kunststoffschichten diese Fehler vollständig verdecken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und das eingangs näher bezeichnete Verfahren so weiterzubilden, dass Giessfehler durch den Kunststoff nicht mehr verursacht werden können und dass Fehler an den Kernen selbst ohne zu grosse Schwierigkeiten noch vor dem Ausgies-sen der Metallgiessformen festgestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der fertige Kern vor seiner Einlegung in eine Giessform der Einwirkung eines Lösungsmittels in solchen Mengen und für eine solche Zeitdauer ausgesetzt wird, die für die Auflösung der Kunststoffschichten in dem zusammengesetzten Kern ausreichend sind.

Auf diese Weise wird gewährleistet, dass während des Metallgiessens keinerlei Einflüsse durch Verdampfen des Kunststoffs zu befürchten sind. Ausserdem kann der fertige Kern vor dem Einsetzen in die Metallgiessform noch leicht auf Fehler an den Kernen selbst untersuch werden, so dass fehlerhafte Kerne ausgesondert oder ausgebessert werden können, und nicht Anlass für fehlerhafte Gusswerkstücke sind.

Das Verfahren eignet sich besonders zum Herstellen von Zylinderköpfen für Brennkraftmaschinen, bei denen sich häufig die notwendigen Kernteile gegenseitig durchdringen, was die genaue Herstellung und Handhabung der Kerne wesentlich erschwert.

Wenn, wie bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung der Kunststoffschichten um einen Kernteil vorexpandierte Polystyrolteilchen verteilt angeordnet werden, und zwar innerhalb einer Form, worauf man die Polystyrolteilchen expandieren lässt, wird zur Auflösung der Kunststoffschichten der zusammengesetzte Kern bevorzugt der Einwirkung von 1,1,1-Trichloräthan ausgesetzt. Die Einwirkung des Lösungsmittels erfolgt zweckmässigerweise in der Art, dass der zusammengesetzte Kern als ganzes in ein Lösungsmittelbad eingetaucht wird, und zwar so lange, bis die Kunststoffschichten vollständig aufgelöst sind.

Der Kern wird dann aus dem Lösungsmittelbad herausgenommen und vor dem Einsetzen in die Giessform getrocknet. Der Trocknungsvorgang wird dabei zweckmässigerweise so geführt, dass die Lösungsmittelreste vollständig entfernt werden. Zu diesem Zweck kann das Trocknen des zusammengesetzten Kernes vorteilhafterweise unter einem gegenüber der Umgebungsatmosphäre herabgesetzten Druck durchgeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Figuren an einem nach der Erfindung hergestellten zusammengesetzten Kern beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen zusammengesetzten Kern, der gemäss der Erfindung hergestellt ist und der die Form eines Zylinderkopfes einer sechszylindrischen Brennkraftmaschine mit Überkopf angeordneten Ventilen entspricht, und

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

646 887

Fig. 2 bis 4 perspektivische Darstellungen, welche jeweils aufeinanderfolgende Herstellungsstufen wiedergeben.

Eine bevorzugte Form eines zusammengesetzten Kerns für einen vorbestimmten Anwendungszweck ist in den Fig. 1 bis 4 wiedergegeben. Der zusammengesetzte Kern 2 weist einen ersten Kernteil 4 auf (vgl. Fig. 1 und 2). Der erste Kernteil 4 weist zur Bildung von Kanälen dienende Verlängerungen 4B auf, die in Richtung nach unten und seitlich von dem Basisabschnitt aus vorspringen. Diese liegen im wesentlichen in der gleichen Ebene wie zur Lagebestimmung dienende Abschnitte 4a an den Enden des Basisabschnittes und der Kanalverlängerungen 4B. Die Herstellung des ersten Kernteils 4 kann in jeder gewünschten bekannten Weise erfolgen. Beispielsweise kann der erste Kernteil 4 aus Quarzsand und einem entsprechenden Bindemittel, z.B. einem Bindemittel auf Phenolbasis oder einem modifizierten Phenolherzbinder in üblicher Weise hergestellt werden.

Eine Schicht Kunststoff 6 wird dann um einen Abschnitt des ersten Kernteils 4, z. B. den Kanalverlängerungen 4B desselben hergestellt. Der Kunststoff kann aus jedem geeigneten thermoplastischen Kunststoff oder einem anderen Stoff, z. B. einem zellenförmigen Stoff bestehen, der in einem geeigneten Lösungsmittel leicht lösbar ist. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, dass der Kunststoff ein poriger oder expandierter Kunststoff ist. Jedoch werden zellenförmige Kunststoffe bevorzugt. Dabei hat sich ganz besonders Polystyrol sowie Kunstharze in Form von polymerisierten Derivaten auf der Grundlage von Methacrylsäure bewährt.

Verschiedene Arten von zellenförmigen Kunststoffen, die für das Verfahren geeignet sind, sind in den US-PS'n 3 374 827 und 3 496 989 beschrieben.

Die Kunststoffschicht 6 kann an Ort und Stelle um den ersten Kernteil 4 ausgeformt werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der erste Kernteil 4 in eine Formmaschine eingebracht werden. Ein Kunststoff, z. B. teilweise vorexpandierte Polystyrolteilchen, kann dann in die Form eingebracht und um den ersten Kernteil 4 in üblicher Weise vollständig expandiert werden. Hierzu kann beispielsweise eine Dampfexpansion angewendet werden. Hierbei wird eine Kunststoffschicht gebildet, deren Innenfläche 8 innig mit der Aussenfläche 10 des ersten Kernteils 4 in Kontakt steht und dieser genau angepasst ist. Die Aussenfläche 12 der geformten Kunststoffschicht entspricht der gewünschten Form des Zylinderkopfes.

Die Kunststoffschicht 6 umgibt vollständig oder nur einen Teil des ersten Kernteils 4. Aufgrund der unregelmässigen Oberfläche des ersten Kernteils 4 ist die Schicht bleibend auf dem Kern angeordnet. Dies bedeutet, sie kann in keiner Weise relativ zum Kern bewegt oder von diesem entfernt werden.

Der erste Kernteil 4 und die zugehörige Kunststoffschicht 6 bilden einen zusammengesetzten Körper, der als einstückiger Teil behandelt werden kann. Falls es erforderlich ist, kann dieser Körper zunächst in gewünschter Weise getrocknet werden, z.B. in einem Mikrowellenofen, um restliche Wasserteilchen zu entfernen, die von der Dampfexpansion herrühren können.

Danach wird ein zweiter Kernteil 16, der bevorzugt zur Bildung des Kühlmantels dient, um einen Abschnitt des aus dem ersten Kernteil 4 und dessen Kunststoffschicht 6 gebildeten Körpers ausgeformt. Die Ausformung erfolgt so, dass der zweite Kern teil 16 dem Körper 14 genau entspricht und mit ihm in innigem Kontakt steht (vgl. die Fig. 1 und 4).

Dies kann dadurch erfolgen, dass man diesen Körper in eine zweite Form oder einen Kernkasten oder eine Kernblaseinrichtung einsetzt, und dass man die gewünschte Kernmasse, z.B. eine Mischung aus Quarzsand und Bindemittel, einbläst. Der zweite Kernteil 16 wird auf diese Weise an Ort und Stelle geblasen, und zwar in überlappender Stellung zu einem Teil der Kunststoffschicht 6, wobei diese Schicht von dem zweiten Kernteil 16 umfasst wird. Eine Innenfläche 18 des zweiten Kernteils 16 steht somit in innigem Kontakt mit der Aussenfläche 20 der Kunststoffschicht 6. Die Aussenfläche 22 des äusseren zweiten Kernteils 16 ist in Übereinstimmung mit der gewünschten endgültigen Form des Kühlmantelkanals ausgebildet. Teile des Kühlmantelkanals werden durch Ausformen des zweiten Kernteils 16 um aufrechte feste Säulenabschnitte 24 der Kunststoffschicht 6 gebildet, welche die Ventilführungsansätze des Zylinderkopfes bilden. Der zweite Kernteil 16 umfasst einstückige Lagebestimmungsteile 16A. Aufgrund der unregelmässigen Gestalt des Körpers ist der zweite Kern 16 permanent mit demselben verbunden. Auf diese Weise lässt sich der zweite Kern 16 in keiner Richtung gegenüber dem Körper, d. h. ersten Kernteil 4 mit Kunststoffschicht 6, bewegen oder von diesem abziehen.

Der erste Kernteil 4, zusammen mit der aufgeformten Kunststoffschicht 6 und dem angeformten zweiten Kernteil 16 bilden den Kern 2.

Der Kern 2 wird dann mit einem entsprechenden Lösungsmittel behandelt, um die Kunststoffschichten vollständig aufzulösen. Dadurch wird innerhalb des zweiten Kernteils 16 ein Leerraum freigelegt, der zuvor vom Kunststoff eingenommen worden war.

Der Kunststoff kann zu diesem Zweck mit dem Lösungsmittel in geeigneter Weise in Kontakt gebracht werden, solange das Lösungsmittel dabei in der Lage ist, den Kunststoff restlos aufzulösen. Bevorzugt wird jedoch der Kern in ein Bad eingetaucht, das das Lösungsmittel enthält. Dieser Tauchvorgang wird für eine ausreichende Zeit durchgeführt, um ein vollständiges Auflösen des Kunststoffs zu gewährleisten.

Die Wahl des besonderen Lösungsmittels ist nicht kritisch. Das Lösungsmittel sollte jedoch vorzugsweise in der Lage sein, den aufgebrachten Kunststoff vollständig aufzulösen, und zwar in einer möglichst kurzen Zeitspanne. Zwar ist die Zeitspanne zum Auflösen des Kunststoffs nicht besonders kritisch; jede Zeiteinsparnis beim Auflösen führt jedoch zu einer Herabsetzung der gesamten zeitperiode, die zur Herstellung des Kerns und damit zur Herstellung der Gusswerkstücke benötigt wird. Selbstverständlich variiert das Lösungsmittel in Abhängigkeit von der verwendeten Art des Kunststoffs. Die Wahl eines geeigneten Lösungsmittels liegt im Ermessen des Fachmannes.

Wenn beispielsweise expandiertes Polystyrol verwendet wird, sind aromatische oder hallogenisierte Kohlenwasserstofflösungsmittel geeignet. Zur Auflösung von Polystyrol eignen sich beispielsweise Benzol, Toluol und insbesondere 1,1,1-Trichloräthan.

Bei Kontakt mit dem Lösungsmittel, z.B. mit 1,1,1-Trichloräthan, löst sich das expandierte Polystyrol rasch, was sich durch ein kräftiges Brodeln des Bades bemerkbar macht. Normalerweise sind nur 30 Sek. erforderlich, um das Polystyrol vollständig zu lösen. Jedoch wird die Zeitspanne, die zum Auflösen unterschiedlicher Kunststoffe notwendig ist, abhängig sein von den Charakteristiken des jeweiligen Kunststoffs und des verwendeten Lösungsmittels.

Es wurde festgestellt, dass die Lösungsmittellösung die Oberfläche des Kernes während der Behandlungsstufe durchdringt. Vorteilhafterweise wird eine Schicht aus kohlenstoffhaltigem Material auf der äusseren Schicht des Kernmaterials (z. B. Sand) aufgebracht. Die Notwendigkeit zu Kernwaschschritten zum Zwecke der feuerfesten Ausbildung der Kerne wird so vermindert oder eliminiert, da die äussere Oberfläche des Kerns durch die abgelagerte Materialschicht wirksam abgedichtet ist. Dje Permiabilität des Kernes wird

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

646 887

4

dadurch drastisch vermindert, so dass gasförmiges Material, das während des Giessprozesses auftritt, den Kern selbst nicht durchdringt, sondern durch entsprechende Ausnehmungen innerhalb der Kernanordnung abgeführt wird. Einschlüsse und Fehlstellen innerhalb des Werkstückes werden so stark vermindert oder ganz eliminiert.

Nachdem der Kunststoff vollständig aufgelöst worden ist, wird der Kern ausser Kontakt mit dem Lösungsmittel gebracht. Zu diesem Zweck braucht der Kern beispielsweise nur aus dem Lösungsbad herausgenommen werden, wobei man das Lösungsmittel abtropfen lässt.

Der behandelte Kern wird vorzugsweise getrocknet, um alle Lösungsmittelreste zu verdampfen und zu entfernen. Das Trocknen kann auf geeignete Weise erfolgen. So kann der Kern in einen üblichen, mit Hitzekonvektion arbeitenden Trockenofen für ausreichende Zeit eingebracht werden. Die Trocknung kann aber auch unter Vakuum oder vermindertem Druck erfolgen, um das Verdampfen des Lösungsmittels ohne Anwendung von Hitze zu bewirken.

Der mit Lösungsmittel behandelte und getrocknete Kern 2 wird dann direkt in eine vorgeformte Ausnehmung der Grünsandform 26 eingesetzt. Dabei dienen die Kernlagebe-stimmungsabschnitte 4C, 16A des ersten 4, bzw. zweiten Kernteils 16 zur Unterstützung des Kernes 2 als ganzes innerhalb der Form. Das Ende 4A des ersten Kernteils 4 ist so ausgebildet, dass dieses auf der Grünsandform 26 aufsitzt, um so eine Abstützung auf einer Seite des Kerns 2 zu bilden. Nach der Ausrichtung und Anordnung des Kerns 2 in dem betreffenden Abschnitt können noch zusätzliche Kernteile, z. B. Kernteil 28 um den Kern 2 herum angeordnet werden.

Danach wird der andere Formteil über die Unterform gesetzt und so die Form geschlossen, so dass schmelzflüssiges Metall in die Formhöhlung eingeführt werden kann, um den Zylinderkopf auszuformen. Das Metall bildet Kanäle und Mantelwände des Zylinderkopfes in Übereinstimmung mit der Aussenfläche 10 des ersten und zweiten Kernteils 4 und 16.

Es ist ersichtlich, dass der gesamte Kern statt aus zwei Kernteilen auch aus drei oder mehr Kernteilen zusammengesetzt werden kann, wobei jeder weitere Kernteil auf dem weiter innenliegenden Kernteil und im Abstand von diesem unter Zwischenschaltung einer Schicht aus zellenförmigem Kunststoff ausgeformt wird. So könnte auf dem zweiten Kern 16 eine weitere Schicht aus zellenförmigem Kunststoff ausgeformt werden und um diese ein weiterer Kernteil gebildet werden. Der gesamte zusammengesetzte Kern kann so jede Anzahl von Schichten an Kernteilen und Kunststoff aufweisen, wobei Aufbau und Zahl der Kernteile und Zwischenschichten die Auflösung der Schichten mit Hilfe des Lösungsmittels nicht beeinträchtigen. Es kann allenfalls erforderlich sein, dass die zum Auflösen der Schichten erforderliche Zeit entsprechend dem grösseren Kunststoffvolumen länger ist.

Es ist auch ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Herstellung von Zylinderköpfen oder dgl. beschränkt ist, sondern für die Herstellung jeglicher Art von Metallgiess-werkstücken geeignet ist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel gegeben.

Ein erster Kernteil 4 wird in einer Form oder einem Kernkasten aus Quarzsand und einem Kunstharzbinder auf Phenolbasis und/oder modifizierten Phenolharzbinder ausgeformt. Der erste Kernteil 4 wird dann in eine Form oder einen Kernkasten eingelegt, der danach mit teilweise expandierten Polystyrolteilchen gefüllt wird. In die Form wird dann Dampf eingelassen, um die Teilchen vollständig zu expandieren und eine Kunststoffschicht 6 in innigen Kontakt mit dem ersten Kernteil 4 um diesen auszubilden. Der zusammengesetzte Körper, der durch den ersten Kernteil 4 und die Polystyrolschicht gebildet wird, wird in einem Mikrowellenofen getrocknet, bis die Restfeuchtigkeit von der Expansionsstufe her verdampft ist.

Dieser Körper wird dann in einen weiteren Formkasten oder Kernkasten eingelegt. Dieser wird mit Quarzsand und einem Phenolisozyanatbinder gefüllt, der mit Triäthylamin oder Dimethyläthylamin als Katalysator aktiviert worden ist. Hierdurch wird ein zweiter Kernteil 16 um die Polystyrolschicht und in innigem Kontakt mit dieser hergestellt.

Der sich ergebende Kern wird dann in ein Lösungsbad von 1,1,1-Trichloräthan eingetaucht bis die Polystyrolschicht vollständig aufgelöst ist. Dies stellt sich durch ein heftiges Brodeln für die Dauer von wenigen Sekunden dar.

Der mit dem Lösungsmittel behandelte Kern wird dann unter vermindertem Druck von etwa 50 cm Quecksilbersäule verdampft, bis alle Lösungsmittelreste entfernt worden sind.

Der behandelte und getrocknete Kern wird dann in den entsprechenden Abschnitt einer Form eingelegt, die Giess-sand enthält. Andere übliche Kernteile können um dieser Kern herum angeordnet werden, um so eine zusammengesetzte Form zu bilden, die geeignet ist, einen Zylinderkopf für eine sechszylindrische Maschine zu bilden. Danach wird der obere Teil der Form mit dem unteren Teil in üblicher Weise zusammengesetzt. Das Ausgiessen der Form kann dann in gleicher Weise erfolgen. Das innere des erhaltenen Gusswerkstückes weist glatte Flächen auf, ist frei von Vorsprüngen und Ausnehmungen und besonders gut geeignet zur Verwendung als Zylinderkopf.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

.55

60

65

S

3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

646 887

1. Verfahren zum Herstellen eines zerstörbaren, aus mehreren nebeneinander gelegenen oder sich durchdringenden Teilen (4,16) bestehenden Kernes (2) für Metallgiessformen, insbesondere zum Herstellen von Zylinderköpfen für Brennkraftmaschinen, bei dem die Kernteile (4, 16) aus einem der Wirkung des geschmolzenen Metalls widerstehenden Material hergestellt werden und unter Zwischenschaltung von Abstandshaltern (6) zu einer festen Einheit zusammengefügt werden, und bei dem als Abstandshalter (6) ein zellenförmiges Kunststoffmaterial verwendet wird, wobei zunächst auf wenigstens einem Teil der Umfangsfläche (10) eines vorgeformten Kernteils (4) direkt eine Schicht aus dem zellenförmigen Kunststoffmaterial in der Form und der Abmessung eines zwischen den Kernteilen (4,16) freibleibenden Zwischenraumes ausgeformt und verfestigt und auf wenigstens einem Teil der Umfangsfläche (20) der Kunststoffschicht (6) wenigstens ein weiterer Kernteil (16) ausgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der fertige Kern (2) vor seiner Einbringung in eine Giessform der Einwirkung eines Lösungsmittels in Mengen und für eine Zeitdauer ausgesetzt wird, die für die Auflösung der Kunststoffzwischenschicht (6) in dem zusammengesetzten Kern (2) ausreichend sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Herstellung der Kunststoffschicht (6) jeweils um den Kernteil (4) in einer Form vorexpandierte Polystyrolteilchen verteilt und in der Form expandiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auflösung der Kunststoffschicht (6) der Kern (2) der Einwirkung von 1,1,1-Trichloräthan ausgesetzt wird.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) in ein Lösungsmittelbad eingetaucht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) nach dem Auflösen der Kunststoffschicht (6) und vor dem Einsetzen in die Giessform getrocknet wird, wobei alle Lösungsmittelreste entfernt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung des Kernes (2) unter gegenüber Atmosphärendruck herabgesetztem Druck erfolgt.