DE10153719B4

DE10153719B4 - Verfahren zum Gießen von Bohrungen in dickwandigen Gussteilen und dafür geeigneter Gießkern

Info

Publication number: DE10153719B4
Application number: DE2001153719
Authority: DE
Inventors: Heinz Robertz; Klaus Dieter Wohlfeil
Original assignee: G Siempelkamp GmbH and Co KG; Siempelkamp Giesserei GmbH
Current assignee: G Siempelkamp GmbH and Co KG; Siempelkamp Giesserei GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: DE10153719A1

Abstract

Verfahren zum Gießen von Bohrungen in dickwandigen Gussteilen, mit einem Gießkern für die Bohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz eines Gießkerns als Innenkern aus einem Feuerfeststoff auf Metalloxidbasis sowie mit einer Zentralbohrung zum Einführen eines Kühlmediums die Zentralbohrung während der Erstarrung der Gießmetallschmelze mit einem Kühlmedium beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Bohrungen in dickwandigen Gussteilen aus z. B. Grauguss, insbesondere Sphäroguss, Stahlguss oder dgl., im Formgussverfahren, mit einem Gießkern für die Bohrungen. – Bei solchen Bohrungen kann es sich beispielsweise um Zylinderbohrungen für Kolben von Zylinderkolbenantrieben handeln.
Beim Gießen von Bohrungen in dickwandigen Gussteilen kann es aufgrund der hohen Temperaturbelastungen zu starken Vererzungen der Gießkerne aus herkömmlichen Formsanden kommen. Befindet sich beispielsweise ein solcher Gießkern im Bereich des thermischen Zentrums oder unmittelbar im Zentrum des Gussteiles und nimmt die Temperatur des ihn umgehenden Gießmetalles an, dann treten regelmäßig Volumendefizite wie Porositäten, Lunker o. dgl. im Umfeld des Gießkernes auf. Beim Überschreiten einer bestimmten Gießtemperatur können die Gießkerne auch verbrennen.

Im Übrigen kennt man die Verwendung einer Gießform aus Formsand, deren Formmantel und Formkern Kühlrohre zur Wärmeabfuhr enthalten. In diesem Fall geht es um die Herstellung von dickwandigen Abschirmtransport- und Lagerbehältern aus sphärolithischem Gusseisen für bestrahlte Kernreaktor-Brennelemente mit der Maßgabe, dass ein maximaler Abstand der Kühlrohre von der Formoberfläche eingehalten wird. Auf diese Weise will man störende Formdeformationen der aus Formsand aufgebauten Gussform vermeiden. Von Bedeutung ist die Tatsache, dass in den Formsand Kühlrohre eingebettet werden (vgl. DE 31 20 221 C2 ).

Ferner kennt man eine Temperiervorrichtung für Spritzgussformen, insbesondere zur Verarbeitung von Kunststoffen unter Verwendung einer Temperierspindel mit einer schraubenförmigen Strömungsnut, die in eine Bohrung eines temperierenden Formteils an ihrem Außenumfang abgedichtet eingesetzt wird. Die Temperierspindel soll auch nach längerer Betriebszeit durch Herausziehen problemlos ausbaubar sein, wobei sich unterschiedliche Abstände zwischen der Temperierspindel und der Innenwand der Bohrung nicht nachteilig auf das Herausziehen oder den dichten Sitz der Temperierspindel in der Bohrung bemerkbar machen können (vgl. DE 30 14 330 A1 ).

Ferner kennt man ein Verfahren zur Vermeidung der Lunkerbildung bzw. Verminderung der Lunkerneigung in Gussstücken, die durch Ausgießen von Sandformen, bestehend aus Formstoff und Kern, mit flüssigem Metall erzeugt werden, wobei das Gussstück in Bereichen großer Materialanhäufungen bzw. geringer Abkühlungsgeschwindigkeiten gekühlt wird. In diesem Fall wird der Formstoff und/oder der Kern beim Formen oder unmittelbar danach zum Erreichen einer gleichmäßigen Erstarrung durch gezielte Injektion von Kühl- und Wärmemedien in den Temperaturdifferenzen beeinflusst (vgl. DE 41 34 763 A1 ).

Bei einem bekannten Gießverfahren zum Herstellen von metallischen Gießlingen, bei welchem das Gießgut im flüssigen Zustand in eine Gießform, insbesondere in eine Sandform, eingebracht wird, lässt man das Gießgut in der Gießform erstarren und abkühlen, wobei das Gießgut in der Gießform mit einem Kühlsystem gesteuert gekühlt wird. Für den gesteuerten Wärmeentzug wird das Kühlsystem an die lokalen räumlichen Bereiche angepasst, so dass der gesteuerte Wärmeentzug nur mittels strömender Luft aus diesen lokalen Bereichen erfolgt. Bei dem Kühlsystem kann es sich beispielsweise um ein Rohrsystem für die strömende Luft handeln, bei welchem mit einem Übertragungsmedium das Rohrsystem thermisch mit dem Gießgut gekoppelt wird (vgl. EP 0 890 400 B1 ). – Bei der Herstellung von gegossenen Zylinderblöcken ist im Übrigen auch die Direktinjektion eines Kühlgases in den Bereich der Zylinderbohrungen bekannt (vgl. JP-Abstract 03138068 AA). Endlich kennt man Verfahren zum Herstellen hohler Sandkerne für Gießformen, wonach während des Einbringens des Formsandes und eines Bindemittels in einen porösen Kernkasten Luft und eventuell andere gasförmige Stoffe durch die Kastenwände aus dem Kasten abgesaugt werden. Der Sand kann mittels eines in den Formhohlraum des Kernkastens eingesetzten porösen oder perforierten Rohres in den Formhohlraum eingeführt werden, wobei durch das Rohr in radialer Richtung Luft gegen den Sand geblasen wird, welche dann entlang der Außenseite des Rohres strömt (vgl. DE 26 28 390 C2 ).

Schließlich ist bei einem Verfahren zum Druckgießen eines rohrförmigen Körpers, bei dem die Bohrung des Körpers durch einen ausziehbaren Kern gebildet wird, dessen Temperatur einstellbar. Dazu wird der Kern von dem Gießen der Schmelze in die Druckgießform auf eine Temperatur nahe unterhalb der Erstarrungstemperatur der Schmelze gebracht und unmittelbar nach dem Erstarren der Schmelze in der Gießform schnell abgekühlt. Die Kühlung des Kernes wird beendet, während der Kern aus dem Druckgussstück herausgezogen wird (vgl. DE 31 27 452 C2 ).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum rationellen und funktionsgerechten Gießen von Bohrungen in dickwandigen Gussteilen und einen dazu geeigneten Gießkern anzugeben.

Diese Aufgabe löst die Erfindung in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch, dass bei Einsatz eines Gusskerns als Innenkern aus einem Feuerfeststoff auf Metalloxidbasis sowie mit einer Zentralbohrung zum Einführen eines Kühlmediums die Zentralbohrung während der Erstarrung der Gießmetallschmelze mit dem Kühlmedium beaufschlagt wird. – Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein Gießkern mit hinreichender Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit dafür sorgt, dass soviel Wärme wie möglich und nötig aus dem den Gießkern umgebenden Bereich der erstarrenden Gießmetallschmelze herausgezogen werden kann, um einerseits die Stabilität des Gießkernes zu sichern, andererseits das thermische Zentrum des Gussteiles vom Gießkern fort in einen der Gusswand ferneren unkritischen Bereich zu verlagern. Das gilt insbesondere dann, wenn der Gießkern gekühlt wird und dazu in dessen Zentralbohrung ein Kühlmedium bis zur Erstarrung der Gießmetallschmelze eingeführt wird. Danach entspricht die Kühlzeit der Erstarrungszeit des entsprechenden Bereiches des Gussteiles. Auf diese Weise werden Vererzungen sowie Porositäten verhindert. Folglich ist auch die Innenwandung der gegossenen Bohrung von einwandfreier Qualität. Als Kühlmedium kann beispielsweise Luft verwendet werden, es kommen aber auch andere Medien in Frage. Nach einem besonderen Vorschlag der Erfindung mit selbständiger Bedeutung wird zum Kühlen des Gießkernes eine Kühllanze in die Zentralbohrung eingeführt und das Kühlmedium, z. B. die Luft, mit vorgegebenem Druck durch die Kühllanze hindurch in die Zentralbohrung eingeführt. Bei dem Kühlmedium Luft wird folglich mit Druckluft gearbeitet. Bei einer als Sackbohrung ausgebildeten Zentralbohrung wird das am unteren Ende der Kühllanze austretende Kühlmedium in dem Ringraum zwischen der Wandung der zu gießenden Bohrung und der Kühllanze zurückgeführt, so dass einwandfreie Wärmeabfuhr gewährleistet ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Gießkern, der zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens besonders geeignet ist. Dieser Gießkern ist durch einen oxidischen Feuerfeststoff mit einer Zentralbohrung, z. B. Sackbohrung, zum Einführen einer Kühllanze gekennzeichnet. Im Einzelnen kann der Gießkern feuerfeste Oxide wie SiO₂ und/oder Al₂O₃ und/oder Fe₂O₃ und/oder CaO aufweisen. Aus diesen Komponenten resultiert ein Gießkern von hoher Festigkeit und ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit. Im Einzelnen lässt sich ein Gießkern aus einem Chromerzsand folgender Zusammensetzung verwenden:
Cr₂O₃ bis 50 Gew.-%,
Fe₂O₃ bis 30 Gew.-%,
SiO₂ bis 2 Gew.-%,
MgO bis 10 Gew.-%.

Die Feuerfestigkeit für einen solchen Gießkern liegt bei etwa 1.800°C.

Im Rahmen der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, einen Quarzsandkern einzusetzen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform, der selbständige Bedeutung zukommt, ist vorgesehen, dass der Gießkern als Keramikkern mit der folgenden Zusammensetzung ausgebildet ist:
Al₂O₃ 40 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 70 Gew.-%,
SiO₂ 5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-%,
SiC 5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-%,
TiO₂ vorzugsweise bis 1,0 Gew.-%.

Im Übrigen kann diese chemische Zusammensetzung auch noch solche Bestandsteile wie Fe₂O₃ bis beispielsweise 0,5%, CaO und MgO bis beispielsweise jeweils 0,2% enthalten. Ein aus einer solchen keramischen Masse gepresster und anschließend gebrannter Gießkern gewährleistet einerseits eine besonders hohe Festigkeit, gewährleistet andererseits aufgrund seines Kohlenstoffgehaltes eine optimale Wärmeleitfähigkeit. So kann die Festigkeit bei dem erfindungsgemäßen Gießkern 15 bis 25 N/mm², vorzugsweise 20 N/mm² betragen, während die Wärmeleitfähigkeit in dem Bereich von 0,4 bis 20 W/mK liegt.

Die einzige Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Gießkern 1 aus Keramik mit einer zentralen Sackbohrung 2 im Vertikalschnitt. In die Sackbohrung 2 ist eine Kühllanze 3 eingesetzt. Das Kühlen des Gießkernes 1 erfolgt mit Druckluft über die Kühllanze 3 bis zum Erstarren der den Gießkern umgebenden Gießmetallschmelze 4, die ebenso wie der Formstoff 5 lediglich angedeutet ist. Nach dem Erstarren der Gießmetallschmelze 4 wird der Gießkern 1 gezogen, so dass eine glattwandige Zylinderbohrung zum Eintauchen beispielsweise eines Kolbens zur Verfügung steht.

Claims

Verfahren zum Gießen von Bohrungen in dickwandigen Gussteilen, mit einem Gießkern für die Bohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz eines Gießkerns als Innenkern aus einem Feuerfeststoff auf Metalloxidbasis sowie mit einer Zentralbohrung zum Einführen eines Kühlmediums die Zentralbohrung während der Erstarrung der Gießmetallschmelze mit einem Kühlmedium beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Luft verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kühlen des Gießkernes eine Kühllanze in die Zentralbohrung eingeführt und das Kühlmedium, z. B. Luft, mit vorgegebenem Druck durch die Kühllanze hindurch in die Zentralbohrung eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Sackbohrung ausgebildeten Zentralbohrung das am unteren Ende der Kühllanze austretende Kühlmedium in den Ringraum zwischen der Bohrungswandung und der erstarrenden Gießmetallschmelze und der Kühllanze zurückgeführt wird.
Gießkern (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen oxidischen Feuerfeststoff mit einer Zentralbohrung (2), z. B. Sackbohrung zum Einführen einer Kühllanze (3).
Gießkern nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch feuerfeste Oxide wie SiO₂ und/oder Al₂O₃ und/oder Fe₂O₃ und/oder CaO.
Gießkern nach Anspruch 5, bestehend aus einem Chromerzsand folgender Zusammensetzung Cr₂O₃ bis 50 Gew.-%, Fe₂O₃ bis 30 Gew.-%, SiO₂ bis 2 Gew.-%, MgO bis 10 Gew.-%.
Gießkern nach Anspruch 5 in der Ausführungsform als Quarzsandkern.
Gießkern nach Anspruch 5 als Keramikkern mit folgender Zusammensetzung Al₂O₃ 40 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 70 Gew.-%, SiO₂ 5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-%, SiC 5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-%, TiO₂ vorzugsweise bis 1,0 Gew.-%.
Gießkern nach einem der Ansprüche 5 bis 9 mit einer Festigkeit von 15 bis 25 N/mm², vorzugsweise 20 N/mm² und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,4 bis 20 W/mK.