DE10145417A1

DE10145417A1 - Formgrundstoff, Formstoff und Formteil für eine Giessform

Info

Publication number: DE10145417A1
Application number: DE10145417A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Stauder; Walter Gintner
Original assignee: VAW Mandl und Berger GmbH
Current assignee: VAW Mandl und Berger GmbH
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-05-22
Also published as: ZA200401957B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Formgrundstoff für die Herstellung von Formstoffen für Formteile (8) von zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgußschmelzen, verwendeten Gießformen, enthaltend einen Anteil an synthetisch hergestelltem Aluminiumoxid(AL¶2¶SiO¶5¶)-Sand und als Rest Quarzsand. Der in erfindungsgemäßem Formgrundstoff einen Teil des Quarzsandes substituierende Aluminiumoxid-Sand weist eine runde Kornform und eine mit Quarzsand vergleichbare Dichte auf. Daher sind der erfindungsgemäße Formgrundstoff und die daraus herstellten Formstoffe wesentlich einfacher zu verarbeiten als bekannte Formstoffe.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formgrundstoff, aus dem Formstoffe für die Herstellung von Formteilen für Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtemtallschmelzen, wie 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.
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.
Die Verwendung von Quarzsand als Grundstoff für die Herstellung von Gießformteilen hat sich insbesondere 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.
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.
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.
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.
Zur Vermeidung der voranstehend erläuterten Probleme und Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten quarz- oder ZrO₂-basierten Grundstoffe wird erfindungsgemäß ein Formgrundstoff für die Herstellung von Formstoffen für Formteile von zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, verwendeten Gießformen vorgeschlagen, der einen Anteil an pulverförmigen Aluminiumoxid (Al₂SiO₅) - auch "Mullit" genannt - aufweist und als Rest Quarzsand enthält.
Der in erfindungsgemäßem Formgrundstoff einen Teil des Quarzsandes subsituierende Aluminiumoxid-Sand weist eine runde Kornform und eine mit Quarzsand vergleichbare Dichte auf. Daher sind der erfindungsgemäße Formgrundstoff und die daraus hergestellten Formstoffe wesentlich einfacher zu verarbeiten als die bekannten ZrO₂-Sande. In der Praxis führt dies zu einer vereinfachten Verarbeitbarkeit der aus erfindungsgemäßen Formgrundstoffen erzeugten Formstoffe und damit einhergehend zu einem verminderten Verschleiß der für die Herstellung der Formteile verwendeten Werkzeuge und Maschinen.
Wärmetechnisch wirkt ein erfindungsgemäß zusammengesetzter Formgrundstoff und ein daraus erzeugter Formstoff eher isolierend. Daher können diese Stoffe gezielt für solche gießtechnische Anwendungen genutzt werden, in denen es zwar zu einer über die für Quarzsande kritische Temperatur von 573°C hinausgehenden Erwärmung kommt, bei denen die Wärmeleitfähigkeit der aus den betreffenden Stoffen erzeugten Formteile jedoch eine untergeordnete Rolle spielt bzw. die Wärmeleitung bewußt eingeschränkt werden soll.
Praktische Versuche haben ergeben, daß durch das Zumischen einer ausreichenden Menge von Al₂SiO₅-Sand zu einem Quarzsand die Probleme der spontanen Geometrieveränderungen abgefangen werden können, die bei alleiniger Verwendung von Quarzsand als Formgrundstoff für die Herstellung von schlanken, filigranen Gußteilen auftreten. Wesentlich ist dabei, daß der Anteil des Al₂SiO₅-Sands jeweils ausreichend hoch ist, um die bei Quarzsand andernfalls mit der Erwärmung über die kritische Temperatur einhergehende Längenänderung des Quarzes ausgleichen zu können. Abhängig von der Dimensionierung des jeweils zu erzeugenden Formteils kann dies beispielsweise dann gewährleistet werden, wenn der Anteil des Aluminiumoxids bei einem aus einer Mischung von Quarz- und Al₂SiO₃-Sand gebildeten Formgrundstoff mindestens 30%, 50%, oder sogar bis zu 70% beträgt.
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.
Der Vorteil der Verwendung von anorganischen Bindern besteht in ihrer besseren Umweltverträglichkeit und dem Umstand, daß sich die mit derartigen Bindern 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.
Organische Binder, insbesondere solche, die basierend auf Kunstharz hergestellt sind, haben sich in der Vergangenheit insbesondere bei der großtechnischen Serienfertigung von Gießkernen bewährt.
Formteile für Gießformen, die erfindungsgemäß aus Formstoffen hergestellt sind, die unter Verwendung von Al₂O₃-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.
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.
In die Unterseite 2 des Nockenwellenkerns 1 sind in Längsrichtung beabstandet zueinander zwei Ausnehmungen 3, 4 eingeformt, durch welche jeweils die Form der zur Lagerung der Nockenwelle vorgesehenen Lagerböcke des herzustellenden Zylinderkopfes bestimmt 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.
Der Ölkanalkern 8 ist in an sich bekannter Weise in einer konventionellen Formschießmaschine aus einem erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt worden, der durch Mischung eines aus Mullit-Sand und Quarzsand bestehenden Formgrundstoffs mit einem Binder erzeugt worden ist. Aufgrund des Anteils an Mullit-Sand ist gewährleistet, daß der Ölkanalkern 8 auch bei seiner im Zuge des Abgießens des herzustellenden Zylinderkopfes auf bis über 573°C ansteigenden Erwärmung sich gleichmäßig und infolgedessen eindeutig vorausbestimmbar ausdehnt.
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 herstellen. BEZUGSZEICHENLISTE 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

Claims

1. Formgrundstoff für die Herstellung von Formstoffen für Formteile (8) von zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgußschmelzen, verwendeten Gießformen, enthaltend einen Anteil an synthetisch hergestelltem Aluminiumoxid (Al₂SiO₅)-Sand und als Rest Quarzsand.

2. Formgrundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Aluminiumoxids mindestens 50% beträgt.

3. Formgrundstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Aluminiumoxids bis zu 70% beträgt.

4. Formstoff für Formteile (8) von Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgußschmelzen, enthaltend einen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Formgrundstoff und einen mit dem Formgrundstoff vermischten Binder.

5. Formstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder aus anorganischen Komponenten hergestellt ist.

6. Formstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder basierend auf Wasserglas hergestellt ist.

7. Formstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder aus organischen Komponenten hergestellt ist.

8. Formstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder basierend auf Kunstharz hergestellt ist.

9. Formteil, insbesondere Gießkern, hergestellt aus einem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8 zusammengesetzten Formstoff.

10. Formteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß seine Länge (A, C) um ein Vielfaches größer ist als sein Durchmesser (B, D).

11. Formteil nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Ölkanalkern (8) für die gießtechnische Herstellung eines Zylinderkopfs ist.