DE10144393A1 - Molding base material used in the production of molding materials for mold parts of casting molds contains quartz sand present in beta-tridymite modification with the remainder quartz sand in a lower modification stage - Google Patents
Molding base material used in the production of molding materials for mold parts of casting molds contains quartz sand present in beta-tridymite modification with the remainder quartz sand in a lower modification stageInfo
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- B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Formgrundstoff, aus dem Formstoffe für die Herstellung von Formteilen für Gießformen zum Vergießen von Leichtmetallschmelzen, insbesondere Aluminiumgußschmelzen, gemischt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen aus einem derartigen Formgrundstoff erzeugten Formstoff und Formteile, die aus einem basierend auf dem Formgrundstoff erzeugten Formstoff hergestellt sind. The invention relates to a basic molding material from which Molding materials for the production of molded parts for Casting molds for casting light metal melts, in particular cast aluminum melts. In addition, the invention relates to one of a such molding raw material produced molding material and Molded parts that are based on the basic molding material produced molding material are produced.
Als Grundstoff von Formstoffen, aus denen Formteile, wie Gießkerne, für Gießformen hergestellt werden, wird üblicherweise Quarzsand verwendet. Dieser Sand wird bei der Erzeugung der betreffenden Formteile in einen Mischer gegeben und darin mit einem Binder vermischt. Der durch diese Mischung erhaltene Formstoff wird dann in den die Form des zu erzeugenden Formteils bestimmenden Hohlraum eines Formwerkzeugs eingeschossen. Anschließend erfolgt die Verfestigung des Formteils in dem Formwerkzeug. Wird ein organischer, beispielsweise kunstharzbasierter Binder eingesetzt, wird dazu eine chemische Reaktion in dem in das Formwerkzeug eingeschossenen Formstoff hervorgerufen. Wird dagegen ein anorganischer, beispielsweise wasserglasbasierter Binder verwendet, so wird dem im Formwerkzeug enthaltenen Formstoff Wärme zugeführt, um durch Verdampfung des im Formstoff enthaltenen Wassers die Verfestigung des zu erzeugenden Formteils herbeizuführen. As the basic material of molded materials, from which molded parts, such as Casting cores that are made for molds will Usually quartz sand is used. This sand is at the production of the molded parts in question in a mixer given and mixed with a binder. The through this mixture obtained molding material is then in the Determine the shape of the molded part to be produced a mold shot. Then follows the solidification of the molded part in the mold. Becomes an organic, for example synthetic resin-based binder a chemical reaction is used in the in the molding tool caused caused molding material. In contrast, if an inorganic, for example water glass based binder is used, so in Molding tool contained molding material supplied to heat by evaporation of the water contained in the molding material the solidification of the molded part to be produced bring about.
Die Verwendung von Quarzsand als Grundstoff für die Herstellung von Gießformteilen hat sich im Bereich des Vergießens von Leichtmetallwerkstoffen in mehrfacher Hinsicht bewährt. So läßt sich derartiger Quarzsand kostengünstig beschaffen und zeichnet sich durch eine einfache Verarbeitbarkeit und eine gute Qualität bei der Abbildung der Formelemente des jeweils zu erzeugenden Gießformteils aus. The use of quartz sand as a raw material for the Manufacture of mold parts has been in the area of Casting light metal materials in multiple Proven. This is how quartz sand can be made procured inexpensively and is characterized by a easy to process and good quality at Illustration of the form elements of the one to be created Mold part.
Besonders bei aus konventionellem Quarzsand hergestellten filigranen Gießkernen, deren einzelne Formelemente jeweils einen im Vergleich zu ihrer Länge sehr kleinen Durchmesser besitzen, zeigt sich jedoch, daß es im Zuge des Gießens zu Kernbrüchen oder Geometriefehlern kommt, die das gegossene Bauteil unbrauchbar machen. Diese Probleme treten insbesondere beim Gießen von Zylinderköpfen aus Aluminiumlegierungen auf, bei denen die Ölkanalkerne, die den Verlauf eines in die jeweiligen Lager der Nockenwelle verzweigten Ölkanals festlegen, feine Verästelungen von verglichen mit ihrem Durchmesser jeweils großer Länge aufweisen. Typischerweise liegen die Durchmesser bei solchen Ölkanalkernen im Bereich von 5 mm bis 8 mm, während ihre Länge 20 cm bis 40 cm beträgt. Beim Vergießen von Aluminiumschmelzen in mit derartigen Gießkernen ausgestatteten Gießformen sind über den zulässigen Toleranzbereich hinausgehende Längen- und Lageabweichungen sowie Kernbrüche festgestellt worden. Auch im Bereich von geometrisch komplexen Sandkanten haben sich entsprechende Fehler ergeben. Especially when made from conventional quartz sand filigree casting cores, their individual form elements each very small compared to their length Have diameters, however, shows that it is in the course of core breaks or geometry errors during casting, that make the cast component unusable. This Problems occur especially when pouring Cylinder heads made of aluminum alloys on which the oil channel cores that flow into each one Determine the bearing of the camshaft branched oil channel, fine ramifications of compared to their diameter each have a great length. Typically they are Diameter in the case of such oil channel cores in the range of 5 mm to 8 mm, while their length is 20 cm to 40 cm. When casting aluminum melts in with such Casting cores equipped casting molds are above the permissible tolerance range beyond length and Deviations in position and core breaks have been found. Also in the area of geometrically complex sand edges corresponding errors have occurred.
Die voranstehend erläuterten Probleme werden dadurch verursacht, daß der im Quarzsand in der sogenannten "α-Modifikation" vorliegende Quarz bei 573°C in die sogenannte "β-Modifikation" übergeht. Dieser Übergang ist mit einer spontanen Längenänderung verbunden. Da sich die Temperaturen des vergossenen Leichtmetalls beispielsweise beim Aluminium-Guß oberhalb von 700°C bewegen, kommt es in solchen Fällen, in denen die jeweiligen Formteile aufgrund ihrer Konstruktion von der vergossenen Schmelze im Zuge des Gießvorgangs über 573°C erwärmt werden, dementsprechend zu einer sprunghaften Änderung der Geometrie des jeweiligen Formteils, die zur Unbrauchbarkeit des mit Hilfe des Gießkerns erzeugten Gußteils führen kann. This solves the problems discussed above causes that in the quartz sand in the so-called "α-modification" quartz present at 573 ° C in the so-called "β modification" passes over. This transition is associated with a spontaneous change in length. Since the Temperatures of the cast light metal, for example when casting aluminum above 700 ° C, it happens in cases where the respective molded parts due to their construction from the cast melt are heated above 573 ° C in the course of the casting process, accordingly to a sudden change in Geometry of the respective molded part, which for Uselessness of the produced with the help of the casting core Cast part can lead.
Es ist bekannt, daß sich die voranstehend erläuterten Probleme vermeiden lassen, wenn der konventionell verwendete Quarzsand durch Zirkonoxid-Sand substituiert wird. Die Vorteile des ZrO2-Sands liegen in der geringen und gleichmäßigeren Wärmedehnung. In manchen Fällen erweist sich zudem die gute Wärmeleitfähigkeit der ZrO2- Sande als vorteilhaft bei der Erstarrung des Gußteils. Nachteilig ist allerdings, daß die Dichte von ZrO2-Sanden um ca. 50% über der Dichte von Quarzsanden liegt. Diese Eigenschaft macht hohe Drücke beim Einschießen der ZrO2- Sande in das Formwerkzeug erforderlich. Die hohen Schießdrücke und die damit verbundene hohe kinetische Energie des Sandes im Schießkanal führen zu einem großen Werkzeugverschleiß. Zusätzlich treten Probleme bei einer Windsichtung für die Formstoffaufbereitung aufgrund der Dichteunterschiede zu Quarzsand auf. Schließlich ist der aktuelle Marktpreis von ZrO2-Sand um bis zu zehnfach höher als der für Quarzsand. It is known that the problems explained above can be avoided if the conventionally used quartz sand is replaced by zirconium oxide sand. The advantages of ZrO 2 sand lie in the low and more uniform thermal expansion. In some cases, the good thermal conductivity of the ZrO 2 sands also proves to be advantageous when the cast part solidifies. However, it is disadvantageous that the density of ZrO 2 sands is approximately 50% higher than the density of quartz sands. This property requires high pressures when the ZrO 2 sands are shot into the mold. The high shooting pressures and the associated high kinetic energy of the sand in the shooting channel lead to great tool wear. In addition, problems arise in a wind sifting for the molding material preparation due to the density differences compared to quartz sand. After all, the current market price for ZrO 2 sand is up to ten times higher than that for quartz sand.
Zur Vermeidung der voranstehend erläuterten Probleme und Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten quarz- oder ZrO2-basierten Grundstoffe wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Formgrundstoff für die Herstellung von Formstoffen für Formteile von zum Vergießen von Leichtmetallschmelzen, insbesondere Aluminiumgußschmelzen, verwendeten Gießformen vorgeschlagen, der einen Anteil von in β- Tridymitmodifikation vorliegendem Quarzsand und als Rest Quarzsand in einer niedrigeren Modifikationsstufe enthält oder vollständig aus Quarzsand in β-Tridymitmodifikation besteht. In order to avoid the problems and disadvantages of the quartz- or ZrO 2 -based raw materials known from the prior art, a molding raw material for the production of molding materials for molded parts of casting molds used for casting light metal melts, in particular aluminum casting melts, is proposed according to the present invention. which contains a proportion of quartz sand present in β-tridymite modification and the remainder quartz sand in a lower modification stage or consists entirely of quartz sand in β-tridymite modification.
Bei erfindungsgemäßem Formgrundstoff ist gemäß einer ersten Variante ein Teil des in einer niedrigen Modifikationsstufe, d. h. üblicherweise in der α-Modifikation, vorliegenden Quarzsandes durch Quarzsand subsituiert, der den β-tridymitmodifizierten Zustand erreicht hat. Gemäß der zweiten Variante der Erfindung besteht der Formgrundstoff vollständig aus Quarzsand, der in die β-Tridymitmodifikation übergegangen ist. In the basic molding material according to the invention, according to first variant a part of the in a low Modification level, d. H. usually in the α-modification, quartz sand present through quartz sand which substitutes the β-tridymite-modified state has reached. According to the second variant of the invention the raw material consists entirely of quartz sand, which has changed into the β-tridymite modification.
Diesen irreversiblen Zustand erreicht Quarzsand, wenn er, nachdem er bei 573°C in die β-Modifikation übergegangen ist, auf Temperaturen von mehr als 867°C erwärmt wird, also auf Temperaturen, die beim Vergießen von Leichtmetall-Legierungen in der Regel nicht erreicht werden. Der in dieser Modifikationsstufe auch als "Tridymit" bezeichnete Quarzsand zeigt zwar im Bereich von 120°C bis 160°C eine geringfügig diskontinuierliche Ausdehnung. Diese kann aber durch ein geeignetes, in diesem Temperaturbereich elastisch wirkendes Bindemittel ausgeglichen werden, das dem auf Basis des erfindungsgemäßen Grundstoffs erzeugten Formstoff zugegeben wird. Quartz sand reaches this irreversible state when it after going into the β modification at 573 ° C is heated to temperatures above 867 ° C, in other words, to temperatures that occur when casting Light metal alloys are generally not achieved become. The in this modification level also as "Tridymit" called quartz sand shows in the area from 120 ° C to 160 ° C a slightly discontinuous Expansion. But this can be done by a suitable, in this temperature range elastic binder be compensated for, which is based on the Molded material produced according to the invention is added.
Im Temperaturbereich bis 1470°C zeigt Tridymit dann ein sprungfreies Ausdehnungsverhalten, so daß die im Stand der Technik bei Verwendung von ausschließlich auf Quarzsand niedriger Modifikationsstufe basierenden Formstoffen festgestellten Probleme bei Formstoffen, die basierend auf erfindungsgemäß beschaffenen Grundstoffen hergestellt sind, nicht eintreten. In the temperature range up to 1470 ° C, Tridymit then shows jump-free expansion behavior, so that in the state the technology when using exclusively on Low modification level based quartz sand Problems with molding materials found in molding materials based on raw materials procured according to the invention manufactured, do not occur.
Praktische Versuche haben ergeben, daß durch das Zumischen einer ausreichenden Menge von Trimydit zu einem Quarzsand niedrigerer Modifikationsstufe oder durch eine ausschließliche Verwendung von Trimydit als Formgrundstoff die Probleme der spontanen Geometrieveränderungen abgefangen werden können, die bei alleiniger Verwendung von niedrig modifiziertem Quarzsand als Formgrundstoff für die Herstellung von schlanken, filigranen Gußteilen auftreten. Wesentlich ist dabei, daß der Anteil des Trimydits jeweils ausreichend hoch ist; um die andernfalls mit der Erwärmung über die kritische Temperatur einhergehende Längenänderung des in α- Modifikation befindlichen Quarzes ausgleichen zu können. Abhängig von der Dimensionierung des jeweils zu erzeugenden Formteils kann dies beispielsweise dann gewährleistet werden, wenn der Anteil des Trimydits bei einem aus einer Mischung von Trimydit und Quarzsand in einer niedrigen Modifikationsstufe gebildeten Formgrundstoff mindestens 50% beträgt. Practical tests have shown that Mix a sufficient amount of trimydite into one Quartz sand of a lower modification level or through a exclusive use of trimydite as Mold base the problems of spontaneous Geometry changes can be intercepted at sole use of low modified quartz sand as a raw material for the production of slim, filigree castings occur. It is essential that the proportion of trimydite is sufficiently high in each case; around otherwise with the warming above the critical Temperature-related change in length of the in α- To be able to compensate for the modification of the quartz. Depending on the dimensioning of each producing molding, for example be guaranteed if the proportion of trimydite at one made from a mixture of trimydite and quartz sand in a low modification level Mold base material is at least 50%.
Die Temperaturen, bei denen Quarzsand in die β- Tridymitmodifikationsstufe eintritt, werden beim Vergießen von Leichtmetallegierungen üblicherweise nicht erreicht. Beim Vergießen von Eisen- und Stahlschmelzen jedoch wird der zur Herstellung der Gießkerne und sonstigen Formteile verwendete Formstoff regelmäßig auf ein oberhalb von 867°C liegendes Temperaturniveau erwärmt. Daher können die erfindungsgemäß für den Bereich des Gießens von Leichtmetallegierungen eingesetzten Quarzsande als Regenerate zu Kosten bezogen werden, die unter denen von Quarz-Neusanden liegen. Die Erfindung eröffnet somit für den Bereich des Gießens von Leichtmetallegierungen die Nutzung eines Grundmaterials, das in einem anderen Bereich der Gießtechnik abfällt, in dem bei sehr viel höheren Temperaturen als im Leichtmetallguß gearbeitet wird. The temperatures at which quartz sand enters the β- Tridymit modification level occurs at Usually not casting light alloys reached. When casting iron and steel melts however, that is used to manufacture the casting cores and other moldings regularly used molding material a temperature level above 867 ° C heated. Therefore, according to the invention for the area casting of light metal alloys Quartz sands can be obtained as regenerates at a cost that below those of new quartz sands. The invention thus opened for the area of casting Light metal alloys the use of a base material, that falls off in another area of casting technology, in the at much higher temperatures than in Light metal casting is being worked on.
Der Vorteil der Verwendung von Tridymit besteht dabei neben seinem verbesserten Wärmeausdehnungsverhalten und seinen geringen Gestehungskosten darin, daß er sich genauso verarbeiten läßt wie Quarzsand einer niedrigeren Modifikationsstufe, der herkömmlicherweise für die Herstellung von Gießformen für das Leichtmetallgießen verwendet worden ist. Ebenso kann die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäß als Formgrundstoff eingesetzten β- tridymitmodifizierten Quarzsandes genauso genutzt werden, wie die des herkömmlich verwendeten Quarzsandes. The advantage of using Tridymit is there in addition to its improved thermal expansion behavior and its low production costs in that it is can be processed in the same way as quartz sand of a lower one Modification level, which is conventional for the Manufacture of molds for light metal casting has been used. Likewise, the thermal conductivity of the β- used as molding base according to the invention tridymite-modified quartz sand can also be used, like that of the conventionally used quartz sand.
Erfindungsgemäße Formstoffe enthalten neben einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Formgrundstoff einen mit dem Formgrundstoff vermischten Binder. Dieser Binder wird benötigt, um nach der Formgebung den aus dem Formstoff geformten Formteilen die erforderliche Festigkeit zu verleihen. Zu diesem Zweck können in bekannter Weise Binder, die aus anorganischen Komponenten hergestellt sind, oder Binder, die aus organischen Komponenten bestehen, verwendet werden. Molding materials according to the invention contain in addition to a a basic molding compound according to the invention binder mixed with the basic molding material. This binder is required in order to get the shape from the Molded molded parts the required To give strength. For this purpose, in known way binders made of inorganic components are made, or binders made from organic Components exist, are used.
Der Vorteil der Verwendung von anorganischen Bindern besteht in ihrer besseren Umweltverträglichkeit und dem Umstand, daß sich die aus derartigen Bindern enthaltenden Formstoffen hergestellten Formteile problemlos in den Kreislauf des Formstoffs zurückführen lassen. Als besonders geeignet haben sich in diesem Zusammenhang Formstoffe erwiesen, die aus einem auf Wasserglas basierenden Binder und einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Formgrundstoff gemischt sind. The advantage of using inorganic binders is their better environmental compatibility and that The fact that those containing such binders Molded parts produced easily in the molding materials Let the molding material cycle back. As have been particularly suitable in this context Molding materials proved to be from a glass of water based binder and an inventive composite molding material are mixed.
Organische Binder, insbesondere solche, die basierend auf einem Kunstharz hergestellt sind, haben sich in der Vergangenheit insbesondere bei der großtechnischen Serienfertigung von Gießkernen bewährt. Organic binders, especially those based on are made of a synthetic resin, have in the Past especially with the large-scale Series production of casting cores proven.
Formteile für Gießformen, die erfindungsgemäß aus Formstoffen hergestellt sind, die unter Verwendung von Quarzsand in β-tridymitmodifiziertem Zustand enthaltenden Formgrundstoffen erzeugt worden sind, zeichnen sich auch bei einer über 573°C hinausgehenden Erwärmung durch eine besonders gute Maßhaltigkeit aus. Daher eignen sich derartige Formteile insbesondere für Gießformen zum Vergießen von Aluminium- oder anderen Leichtmetallguß- Legierungen. Molded parts for casting molds, which according to the invention Molding materials are manufactured using Containing quartz sand in a β-tridymite-modified state Mold raw materials have also been produced if the temperature exceeds 573 ° C by a particularly good dimensional accuracy. Therefore are suitable such moldings in particular for casting molds Casting aluminum or other light metal castings Alloys.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch im Schnitt einen Nockenwellenkern 1 einer weiter nicht dargestellten Gießform für das Gießen eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumguß-Legierung. The invention is explained in more detail below on the basis of a drawing illustrating an exemplary embodiment. The single figure shows schematically in section a camshaft core 1 of a casting mold, not shown, for casting a cylinder head made of a cast aluminum alloy.
In die Unterseite 2 des Nockenwellenkerns 1 sind in Längsrichtung beabstandet zueinander zwei Ausnehmungen 3, 4 eingeformt, durch welche jeweils die Form der zur späteren Lagerung der Nockenwelle vorgesehenen Lagerböcke des herzustellenden Zylinderkopfes vorgegeben ist. In die Ausnehmungen 3, 4 reicht jeweils ein Ast 5, 6 eines sich mit seinem Hauptabschnitt 7 parallel und in einem Abstand zum Nockenwellenkern 1 erstreckenden Ölkanalkerns 8. Die Länge A der Äste 5, 6 ist dabei um ein Vielfaches größer als ihr Durchmesser B. Ebenso ist die Länge C des Hauptabschnitts 7 des Ölkanalkerns 8 um ein Vielfaches größer als sein Durchmesser D. In the underside 2 of the camshaft core 1 , two recesses 3 , 4 are formed, spaced apart from one another in the longitudinal direction, through which the shape of the bearing blocks of the cylinder head to be manufactured, which are intended for later mounting of the camshaft, is predetermined. A branch 5 , 6 of an oil channel core 8 extending in parallel with its main section 7 and at a distance from the camshaft core 1 extends into the recesses 3 , 4 . The length A of the branches 5 , 6 is many times larger than their diameter B. Likewise, the length C of the main section 7 of the oil channel core 8 is many times larger than its diameter D.
Der Ölkanalkern 8 ist in an sich bekannter Weise in einer konventionellen Formschießmaschine aus einem erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt worden, der durch Mischung eines in β-Tridymitmodifikation befindlichen, durch Recycling von im Stahlguß verwendetem Formstoff erhaltenen Trimydit-Quarzsands mit einem wasserglasbasierten anorganischen Binder erzeugt worden ist. Aufgrund der Verwendung des Trimydit-Quarzsandes ist gewährleistet, daß der Ölkanalkern 8 auch bei seiner im Zuge des Abgießens des herzustellenden Zylinderkopfes auf bis zu 700°C ansteigenden Erwärmung sich gleichmäßig und infolgedessen eindeutig vorausbestimmbar ausdehnt. The oil channel core 8 has been produced in a conventional manner in a conventional molding machine from a molding material according to the invention which has been produced by mixing a trimydite quartz sand which is in β-tridymite modification and is obtained by recycling molding material used in steel casting with a water-glass-based inorganic binder. The use of the trimydite quartz sand ensures that the oil channel core 8 expands evenly and consequently clearly predeterminably even when it heats up to 700.degree. C. in the course of the casting of the cylinder head to be produced.
Brüche im Bereich der Äste 5, 6, Dehnungen des
Hauptabschnitts 7 im Bereich zwischen den Ästen 5, 6 sowie
Krümmungen im Bereich der freien Enden des
Hauptabschnitts 7, wie sie bei in konventioneller Weise
basierend auf reinen Quarzsand enthaltenden
Formgrundstoffen Ölkanalkernen festgestellt werden,
werden auf diese Weise sicher vermieden. Durch Verwendung
eines erfindungsgemäßen Formstoffs lassen sich somit
Zylinderköpfe und vergleichbare Gußstücke, die dünne,
sich über große Länge erstreckende Kanäle aufweisen, mit
hoher Präzision in großen Stückzahlen im Leichmetallguß
zuverlässig und besonders preisgünstig herstellen.
BEZUGSZEICHEN
1 Nockenwellenkern
2 Unterseite des Nockenwellenkerns 1
3, 4 Ausnehmungen
5, 6 Äste des Ölkanalkerns 8
7 Hauptabschnitt 7 des Ölkanalkerns 8
8 Ölkanalkern
A Länge A der Äste 5, 6
B Durchmesser B der Äste 5, 6
C Länge des Hauptabschnitts 7
D Durchmesser des Hauptabschnitts 7
Fractures in the area of the branches 5 , 6 , expansions of the main section 7 in the area between the branches 5 , 6 and curvatures in the area of the free ends of the main section 7 , as are found in oil channel cores which are conventionally based on mold base materials containing pure quartz sand, are revealed avoided this way. By using a molding material according to the invention, cylinder heads and comparable castings, which have thin, long-length channels, can be produced reliably and particularly inexpensively in large quantities in light metal casting. REFERENCES 1 camshaft core
2 underside of the camshaft core 1
3 , 4 recesses
5 , 6 branches of the oil channel core 8
7 main section 7 of the oil channel core 8
8 oil channel core
A length A of branches 5 , 6
B diameter B of branches 5 , 6
C length of main section 7
D diameter of the main section 7
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Patent Citations (1)
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