DE10059083C1 - Einlegekern zur Herstellung einer Gussform sowie Verfahren zur Herstellung eines Gussform - Google Patents
Einlegekern zur Herstellung einer Gussform sowie Verfahren zur Herstellung eines GussformInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Einlegekerns zur Verwendung in einer Gussform, beispielsweise für ein Zylinderkopfgehäuse oder einen Kolben. Es wird vorgeschlagen, dass der Einlegekern aus einem Gemisch aus Metallgranulat und einem Bindemittel hergestellt ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Einlegekern für die Herstellung einer Gussform sowie das
Verfahren zur Herstellung einer Gussform nach den Merkmalen der Oberbegriffe der
unabhängigen Hauptansprüche.
Es ist allgemeiner Stand der Technik, bei der Herstellung von Gussteilen sog. verlorene
Sandformen zu verwenden, die nach einem Gießvorgang nicht wieder verwendbar sind.
Die dabei verwendeten Sandformen bzw. Sandkerne, die zur Erstellung einer Innenkontur
bzw. eines Hohlraumes verwendet werden, können auf einfache Art und Weise schnell
durch sog. Rapid Prototyping-Verfahren hergestellt werden. So werden beispielsweise
von der Firma EOS GmbH Elektro Optical Systems Maschinen vertrieben, mit denen
Formen und Kerne für das Sandguss-Verfahren direkt aus CAD-Daten ohne Verwendung
von Modellen oder Kernkästen erzeugt werden können. Bei dem sog. Sandsinter-
Verfahren wird die Anlage durch ein integriertes Materialfördersystem automatisch mit
beschichteten Formsand gefüllt. Der als Sintermaterial beschichtete Formsand wird
entsprechend der vorgegebenen CAD-Modell-Daten schichtweise durch zwei Laser
belichtet. An den belichteten Stellen entsteht aufgrund einer chemischen Reaktion des
beschichteten Formsandes ein fester Fügeverband. Nachdem eine Schichtdicke von ca.
0,2 mm abgetastet wurde, wird der Werkzeugtisch abgesenkt und die nächste
Sandschicht aufgefüllt. Damit eignet sich das Laser-Sinter-System zum direkten
Erzeugen von Sandgussformen- und kernen beliebiger komplexer Struktur.
Aus der DE 195 33 529 A1 ist es weiterhin bekannt, bei der Herstellung von
Motorblöcken eine Kombination von Sand- und Kokillenguss vorzusehen. Dabei besteht
die zur Herstellung der Zylinderlauffläche vorgesehene Kokille aus einem
Messingwerkstoff. Damit wird erreicht, dass die eingegossene Schmelze an der
Oberfläche der Kokille in Folge der höheren Wärmeleitfähigkeit des Metalls schneller
erstarrt, wodurch u. a. Gefügeverbesserungen erzielt werden können.
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, die üblicherweise verwendeten gesinterten
Sand-Einlegekerne für die Herstellung einer Gussform durch ein Material mit höherer
Wärmeleitfähigkeit herzustellen, wobei zur Herstellung der Form für den Einlegekern
vorzugsweise auf das Sandsinter-Verfahren zurückgegriffen werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungemäß durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst.
Der Metall-Einlegekern muss nicht erst aufwendig gegossen werden, sondern kann auf
einfache Art und Weise durch das Vermischen des Metall-Granulats mit dem Bindemittel
hergestellt werden. Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit des Metall-Einlegekerns
gegenüber den sonst üblicherweise verwendeten Sandkernen erfolgt eine beschleunigte
Abkühlung der später zu gießenden Metallschmelze. Als Folge der schnell
fortschreitenden Erstarrung entsteht ein verhältnismäßig feinkörniges und dichtes
Gefüge, dass bessere Festigkeitseigenschaften aufweist. Damit steht ein insgesamt Zeit-
und kosteneffektives Verfahren zur Verfügung, das die bekannten Rapid Prototyping
Verfahren sinnvoll ergänzt.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen
des erfindungemäßen Herstellungsverfahrens sowie des erfindungsgemäßen Aufbaus des
metallischen Einlegekerns enthalten.
Zur Herstellung des Einlegekerns kann auf im Handel erhältliches Metallgranulat
zurückgegriffen werden, das in Abhängigkeit vom Einsatzfall aus Edelstahl, Messing,
Kupfer u. a. bestehen kann.
Um die Abschreckwirkung des Metall-Einlegekerns gegenüber der Metallschmelze weiter
zu erhöhen, wird vorgeschlagen, im Einlegekern eine Kühlvorrichtung, z. B. in Form einer
Kühlwasserspirale zu integrieren.
Zur Herstellung des Einlegekerns wird auf einfache Art und Weise im Sandsinter-
Verfahren eine Negativform des Einlegekerns hergestellt, in die später das Gemisch aus
Metallgranulat und Bindemittel eingefüllt wird.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und
Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Sandform für einen Brennraum-Einlegekern,
Fig. 2 ein Bodenkern mit aufgesetztem Brennraum- und Wassermantelkern,
Fig. 3 die zusammen gesetzten Kerne zur Herstellung eines Zylinderkopfgehäuses,
Fig. 4 die komplettierte Sandgussform,
Fig. 5 die Sandgussform beim Befüllen mit einer Aluminiumschmelze und
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer Sandgussform für einen Kolben mit einem
metallischen Einlegekern.
Nachfolgend wird die Herstellung eines metallischen Einlegekerns beschrieben, der
exemplarisch anhand des ersten Ausführungsbeispiels für die Herstellung eines
Zylinderkopfgehäuses im sog. Sandsinter-Verfahren verwendet bzw. eingesetzt wird.
Das in der Beschreibungseinleitung erwähnte Sandsinter-Verfahren zur Erzeugung von
Formen und Kernen aus CAD-Daten ist Stand der Technik und wird daher nur im für die
Herstellung der Gussform erforderlichen Umfang beschrieben.
In einem ersten Arbeitsschritt wird eine verlorene Form aus beschichtetem Formsand für
einen Brennraum-Einlegekern (siehe Fig. 1) im Sandsinter-Verfahren hergestellt. Als
nächster Schritt wird in die ggf. mit einem Heissluftfön o. ä. nachgehärtete Sandform für
den Brennraum-Einlegekern ein Gemisch aus Metallgranulat und Zwei-Komponenten-
Binder eingefüllt. Das Metallgranulat kann aus Edelstahl, Kupfer, Messing o. ä. Metall-
bzw. Metalllegierungen mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde dabei Edelstahlgranulat mit den
Spezifikationen:
Materialbezeichnung: 1.4825
Chemische Analyse:
C ~ 0,17%
Cr ~ 18%
Ni ~ 10%
Si ~ 1,8%
Mn ~ 1,2%
Eigenschaften: rostbeständig, kugelig
Microstruktur: austenitisch
Härte:
Anlieferungszustand ~ 300 HV,
Betriebsgemisch ~ 450 HV
Schüttdichte: ~ 4,7 kg/dm3
Mittlerer Korndurchmesser: 0,3 mm
Wärmeleitkoeffizient:
Materialbezeichnung: 1.4825
Chemische Analyse:
C ~ 0,17%
Cr ~ 18%
Ni ~ 10%
Si ~ 1,8%
Mn ~ 1,2%
Eigenschaften: rostbeständig, kugelig
Microstruktur: austenitisch
Härte:
Anlieferungszustand ~ 300 HV,
Betriebsgemisch ~ 450 HV
Schüttdichte: ~ 4,7 kg/dm3
Mittlerer Korndurchmesser: 0,3 mm
Wärmeleitkoeffizient:
Spez. Wärmekapazität:
oder Kupfergranulat mit den Spezifikationen:
Chemische Analyse: Cu ~ 99,9%
Eigenschaften: kugelig
Mittlerer Korndurchmesser: 0,2-0,4 mm
Schüttdichte: ~ 5,0 kg/dm3
Wärmeleitkoeffizient:
Chemische Analyse: Cu ~ 99,9%
Eigenschaften: kugelig
Mittlerer Korndurchmesser: 0,2-0,4 mm
Schüttdichte: ~ 5,0 kg/dm3
Wärmeleitkoeffizient:
Spez. Wärmekapazität:
verwendet.
Beim Zwei-Komponenten-Bindemittel handelt es sich im vorliegenden
Ausführungsbeispiel um NOVATHEN 540 (chem. Bezeichnung: Vorkatalysiertes Polyol der
Firma Ashland), das üblicherweise zusammen mit der zweiten Komponente NOVATHEN
260 zur Herstellung von Sandkernen und Sandformen für Aluminiumguss verwendet wird.
Zur Herstellung des Metall-Einlegekerns wird als erstes das Metallgranulat mit der ersten
Bindemittel-Komponente NOVATHEN 540 vermischt, bevor die zweite Bindemittel-
Komponente NOVATHEN 260 mit dazu gegeben und ebenfalls vermischt wird. Nach einer
Aushärtezeit von ca. 15 min. kann der Brennraum-Einlegekern aus der Form
herausgebrochen werden, wobei die Form selbst zerstört wird (verlorenen Form). Zur
weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beim späteren Gießen der Metallschmelze kann
zusätzlich in den Einlegekern z. B. eine Kupferspirale integriert werden, indem diese
während der Befüllung der Brennraum-Sandsinterform mit Metallgranulat und dem Zwei-
Komponenten-Binder darin eingebettet wird. Die restlichen für die Herstellung eines
Zylinderkopfgehäuses erforderlichen Sandformen bzw. Sandkerne werden ebenfalls im
Sandsinter-Verfahren hergestellt und wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, zu einer
Gesamt-Gussform zusammengesetzt. In Fig. 2 ist der Bodenkern 2, der
Brennraumkern 4 sowie der Wassermantel-Einlegekern 6 für das später wassergekühlte
Zylinderkopfgehäuse zu sehen. Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, besteht die Gussform
weiterhin aus vier Seitenkernen 8, 10, 12, 14, die über ein entsprechendes
Verzahnungsprofil auf dem Bodenkern 2 aufgesetzt sind. Auf die Seitenkerne 8 bis 14
wird als Abschluss ein Deckelkern 16 aufgesetzt. Der Deckelkern 16 weist drei
zylindrische Öffnungen 18 auf, in die, wie in Fig. 5 dargestellt, sog. Keramik-
Isolierspeiser 20 zur Aufnahme der sich über die eigentliche Gussform hinaus
ausdehnenden Schmelze eingesteckt sind. In die im Deckelkern 16 vorgesehenen
schlitzförmigen Schächte 22 sind, wie in Fig. 5 dargestellt, Metallröhrchen 24 in die
Aluminium-Schmelze eingesteckt. Da es beim Abguss durch den Binderanteil im
Quarzsand zu einer hohen Gasentwicklung kommt, die zu erheblichen Gussfehlern führen
kann, wird damit das Gas gezielt über die Metallröhrchen nach außen abgeleitet. Die im
Deckelkern 16 diagonal versetzt zueinander angeordneten zylindrischen Öffnungen 26
dienen dabei zum Einfüllen der Metallschmelze. Dazu sind, wie in Fig. 5 dargestellt,
Einfülltigel 27 auf die Öffnungen 26 aufgesetzt.
Die Verwendung eines metallischen Einlegekerns, der aus einem Metallgranulat und einem
Zwei-Komponenten-Bindemittel hergestellt wird, ist nicht auf die Herstellung eines
Zylinderkopfgehäuses eingeschränkt. Durch die Verwendung des Sandsinterns als Rapid
Prototyping-Verfahren lassen sich beliebige Bauteilgeometrien erzeugen, die als Kerne
für die Herstellung von Metallgusskörpern verwendet werden können.
Als zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 schematisch der Werkzeugaufbau für die
Herstellung eines Kolbens dargestellt. Die Form zur Herstellung des Kolbens besteht aus
einem sandgesinterten Unterteil 28, in das ein metallischer Einlegekern 30 mit einer
zylindrischen Ausnehmung 32 zur Ausbildung eines zylindrischen Kolbenbodens
eingesetzt ist. Wie im ersten Ausführungsbeispiel bereits beschrieben, wird der
metallische Einlegekern 30 ebenfalls aus einem Metallgranulat und einem Zwei-
Komponenten-Bindemittel hergestellt, wobei als Negativform für den Einlegekern 30
ebenfalls eine sandgesinterte Form verwendet wird. Auf das Unterteil 28 ist ein
sandgesintertes Oberteil 34 aufgesetzt, das neben der Ausnehmung 36 für die
Ausbildung des Kolbenmantels einen Kanal 38 zum Eingießen der Aluminiumschmelze
sowie einen Keramik-Isolierspeiser 40 zur Aufnahme der sich über das Oberteil 34
hinaus ausdehnenden Aluminiumschmelze aufnimmt. Wie bereits im ersten
Ausführungsbeispiel beschrieben, ist in dem Metall-Einlegekern 30 eine Kühleinrichtung
in Form einer wasserführenden Kühlspirale 42 integriert. Damit wird während des
Abgießens der Aluminiumschmelze die beschleunigte Abkühlung der erstarrenden
Schmelze erreicht.
Claims (6)
1. Einlegekern für die Herstellung einer Gussform, beispielsweise für ein
Zylinderkopfgehäuse oder einen Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass der
Einlegekern (4, 30) aus einem Gemisch aus Metallgranulat und einem Bindemittel
hergestellt ist.
2. Einlegekern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallgranulat
aus Edelstahl, Kupfer oder Messing besteht.
3. Einlegekern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im
Einlegekern (4, 30) eine Kühlvorrichtung (42) integriert ist.
4. Einlegekern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Negativform für den Einlegekern (4, 30) im Sandsinter-Verfahren hergestellt
ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Gussform für ein Zylinderkopfgehäuse,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- - Fertigung einer Form aus beschichteten Sand für einen Brennraum-Einlegekern im Sandsinter-Verfahren,
- - Füllen der Sandform mit einem Gemisch aus Metallgranulat und Bindemittel,
- - Ausbrechen des Kerns aus der Sandform nach einer Aushärtezeit,
- - Einsetzen des Brennraum-Einlegekerns in einen Bodenkern aus Quarzsand,
- - Aufsetzen bzw. Positionieren eines Wassermantel-Einlegekerns auf den Bodenkern,
- - Zusammensetzen der restlichen im Sinterverfahren hergestellten Sandkerne.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum-
Einlegekern (4, 30) während des Befüllens der Gussform mit dem geschmolzenen
Metall gekühlt wird.
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- 2000-11-28 DE DE2000159083 patent/DE10059083C1/de not_active Expired - Fee Related
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- 2001-09-22 EP EP01122817A patent/EP1216771A3/de not_active Withdrawn
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