DE102004006600B4

DE102004006600B4 - Entfernbarer Kern zum Metallgießen und Verfahren zur Herstellung eines Kerns

Info

Publication number: DE102004006600B4
Application number: DE200410006600
Authority: DE
Inventors: Manfred Laudenklos
Original assignee: KS Aluminium Technologie GmbH
Current assignee: KS Huayu Alutech GmbH
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: DE102004006600A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Salzkerns für die Erzeugung eines Formhohlraums in einem durch ein Gießverfahren geformten Gegenstand, bei dem zuerst Salz mit einem Binder vermischt und bei dem anschließend das gemischte Salz zur Bildung eines Salzkerns in ein Formwerkzeug eingefüllt und bei dem abschließend der Salzkern unter Druck und/oder erhöhter Temperatur verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Salzkern 0,5% bis 5% eines phosphathaltigen Binders zugemischt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Salzkerns für die Erzeugung eines Formhohlraums in einem durch ein Gießverfahren geformten Gegenstand. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Salzkern zur Verwendung zum Beispiel in einer druckbeaufschlagbaren Gießform.
Bei verschiedenen Gütern, die mittels eines Gießverfahrens hergestellt werden, ist es erforderlich, Formhohlräume im Inneren dieser Güter zu erzeugen. Insbesondere beim Metallgießen, wobei hier insbesondere die Leichtmetalle und deren Legierungen angesprochen sind, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Güter zu gießen. Eine Möglichkeit, die Gießverfahren zu unterscheiden ist die Einteilung in drucklose und druckbeaufschlagte Gießverfahren. Bei den drucklosen Verfahren, wie beispielsweise das Schwerkraftgießen, wird ein Formkern aus verfestigtem Sand oder Salz innerhalb der Gießform angeordnet und mit Metallschmelze umgossen, wobei die Gießform gefüllt und der Formkern umschlossen wird. Bei den druckbeaufschlagten Gießverfahren besteht ein Hauptproblem darin, einen druckfesten Formkern zu erzeugen. Der Formkern muß einerseits druckfest, er muß andererseits aber nach dem Erkalten des Gußteils auch leicht zu entfernen sein. Darüber hinaus muß der Formkern eine Penetration des ihn umgebenden flüssigen Gießmetalls verhindern. Das flüssige Metall wird zumeist unter hohem Druck in die Gießform eingefüllt, so dass der Formkern neben der hohen Druckfestigkeit auch eine hohe Resistenz gegen das flüssige Metall besitzen sollte.

Ein Einsatzgebiet bei dem Formkörper zum Gießen verwendet werden sind Kolben von Verbrennungsmotoren. Besonders bei aufgeladenen Motoren und bei hochbelasteten Diesel- und auch Ottomotoren ist die im Kolben entstehende Wärme beim Brennvorgang so hoch, dass eine intensive Kolbenkühlung notwendig wird. In diesem Fall kann der Kolben durch einen im Kolbenboden angeordneten Kühlkanal besonders ausgerüstet werden, damit die notwendige Wärmeabfuhr gesichert ist. Dazu werden beim Gießen die vorgefertigten Salzkerne in die Gießform eingelegt, die die Geometrie des späteren Kühlkanals besitzen und die nach dem Erstarren des Metalls mit Wasser und Druckluft wieder ausgespült werden. Salzkerne zum Gießen sind aber nur zum Schwerkraftgießen geeignet, da sie wenig druckbeständig und gleichzeitig zur Penetration neigen, so dass im fertigen Kühlkanal Unebenheiten oder sogar kleine Trennwände entstehen, die den Kühlöldurchfluß behindern. Um das Eindringen von Metallschmelze in den Salzkern zu verhindern und den Salzkern gleichzeitig druckfest zu gestalten, sind verschiedene Verfahren bekannt geworden. In der EP 0 501 549 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns beschrieben. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Mischens eines aus groben Teilchen bestehenden Salzpulvers mit einem aus feinen Teilchen bestehenden Salzpulver im Verhältnis von 50 : 50 bis 70 : 30 grob zu fein, wobei das grobe Pulver eine maximale Teilchengröße von 250 Mikrometern und das feine Pulver eine maximale Teilchengröße von 25 Mikrometern aufweist, ferner des Beimengens eines Schmiermittels, des Pressens der Mischung zum Formen einer gewünschten Kernform und des Sinterns bei einer Temperatur im Bereich von 650° C bis 775 ° C. Neben dem Beimengen eines Schmiermittels, ist auch die Zugabe eines oberflächenaktiven Mittels vorgesehen.

Ein weiteres Verfahren, bei dem unter Verwendung eines gepressten Sandkerns ein Gießteil erzeugt wird, ist aus der US 4,298,051 bekannt. In der Druckschrift wird ein Verfahren beschrieben, mittels dem ein Sandkern mit Hinterschnitten erzeugbar ist. Dazu wird ein Binder aus Aluminium, Bor und Phosphor dem Sand zugemischt. Der Sandkern kann ebenfalls mit den genannten Elementen beschichtet werden.

Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung eines Sandkerns ist in der EP 0 465 947 B1 offenbart. Hierin werden die den Grundstoff bildenden Sandteilchen mittels eines Bindemittels vollständig gebunden. Um unter anderem die Penetration des den Sandkern umfließenden Gießmetalls zu minimieren, wird in der Druckschrift vorgeschlagen, den Sandkern mit anorganischen, schwer schmelzbaren Stoffen zu beschichten, so dass beim Hochdruckgießen kein geschmolzenes Metall in den Sandkern eindringen kann. Nach dem Entfernen des Sandes aus dem erstarrten Produkt bleibt kein Sand auf der Gießfläche des Produktes zurück.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Salzkerns zu entwickeln, mit dem ein Salzkern hergestellt werden kann, der sich leicht entfernen läßt, eine gute Beständigkeit gegen das umgießende Metall aufweist und der gleichzeitig eine geringe Penetration des flüssigen Metalls zuläßt. Darüber hinaus soll das Verfahren kostengünstig und in den vorhanden Verfahrensablauf integrierbar sein.

Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Salzkern zur Verwendung in einer Gießform zu entwickeln, der ohne Vorwärmen einsetzbar ist und der darüber hinaus leicht aus dem fertigen Gießteil zu entfernen ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe zur Herstellung eines wasserlöslichen Salzkerns für die Erzeugung eines Formhohlraumes in einem durch ein Gießverfahren geformten Gegenstand, bei dem zuerst Salz mit einem Binder vermischt und bei dem anschließend das gemischte Salz zur Bildung eines Salzkerns in ein Formwerkzeug eingefüllt und bei dem abschließend der Salzkern unter Druck und/oder erhöhter Temperatur verdichtet wird, wird in verfahrenstechnischer Hinsicht dahingehend gelöst, dass dem Salzkern 0,5% bis 5% eines phosphathaltigen Binders zugemischt wird.

Mit den Mitteln nach der Erfindung ist nun die Möglichkeit geschaffen, einen druckbeständigen Salzkern zu schaffen, der leicht zu entfernen ist, der dem flüssigen Metall einen ausreichenden Widerstand gegenüberstellt und der sich darüber hinaus durch eine ausgezeichnete Oberflächenglätte auszeichnet, so dass eine Penetration des flüssigen Metalls verhindert wird. Durch die Zumischung eines handelsüblichen Binders auf Phosphatbasis ist der Salzkern äußerst kostengünstig herzustellen und kann ebenfalls ohne zusätzliche Verfahrensschritte in den Fertigungsablauf eines Gießverfahrens integriert werden.

Die verwendungstechnische Aufgabe wird dahingehend gelöst, dass der mit dem phosphathaltigen Binder versehene Salzkern ohne Vorwärmen in die Gießform eingelegt und anschließend mittels eines druckbeaufschlagbaren Gießverfahrens mit einem niedrig schmelzenden Metall umgossen wird und das abschließend der gebundene Salzkern mittels Wasser entfernt wird. Durch den Einsatz eines phosphathaltigen Binders wird die Thermoschockfähigkeit des Salzkerns in der Weise gesteigert, dass ein Vorwärmen des Salzkerns nicht erforderlich ist. Der Salzkern kann somit unmittelbar, das heißt aus dem Vorratsbehälter oder der Herstellung in die Gießform eingelegt werden. Dies bietet den erfindungsgemäßen Vorteil, dass der Verfahrensschritt des Vorwärmens des Salzkerns entfällt.

Zur Herstellung des Salzkerns wird das in körniger Form vorliegende Salz mit einem Binder auf Phosphatbasis vermischt. Die Mischung erfolgt so lange, bis ein homogenes Gemisch aus Salz und Binder vorliegt. Dabei werden dem Salz 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% des Binders zugemischt. Als phosphathaltige Binder können dabei zum Beispiel Phosphate der Form Natriumhexametaphosphat, das auch unter dem Handelsnamen Budit 6 vertrieben wird, Borphosphatmonohydrat, das unter dem Handelsnamen FFB 761 vertrieben wird, Monoaluminiumdihydrogenorthophosphat, das unter dem Handelsnamen FFB 716 vertrieben wird oder eine Kombination aus anorganischen Boraten und Phosphaten, die unter dem Handelsnamen FFB 102 vertrieben werden und zu denen zum Beispiel die Monozink-Phosphate gehören, eingesetzt werden. Es ist erfindungsgemäß ebenfalls vorstellbar, eine Kombination aus den verschiedenen Phosphatbindern in einer Menge, die in der Summe nicht mehr als 5 Gew.-% der Mischung darstellen, einzusetzen.
Nach dem Mischen des Salzes mit dem phosphathaltigen Binder wird die Mischung in ein Formwerkzeug zur Bildung des Salzkerns gefüllt. Das Formwerkzeug ist eine Dauerform, die zum Beispiel einen Kühlkanal für einen Kolben oder ein Zylinderkurbelgehäuse darstellen kann. Im Formwerkzeug wird die Mischung aus Salz und Binder unter einem Druck von ca. 800 Bar verdichtet und bei einer erhöhten Temperatur von ca. 350°C zur Bildung des Salzkerns verpresst. Unter dem hohen Druck und dem Einfluß der erhöhten Temperatur polymerisiert der Binder, wobei es auch zu einem Anschmelzen des Binders kommen kann, so dass ein druckbeständiger, gegen das flüssige Metall widerstandsfähiger Salzkern gebildet wird. Durch die Polymerisation oder das Anschmelzen des Binders wird eine sehr glatte Oberfläche am Salzkern erzeugt, die ein Penetrieren des flüssigen Metalls in den Salzkern verhindert. Es ist erfindungsgemäß ebenso vorstellbar, das homogene Gemisch aus Salz und Binder lediglich unter einem hohen Druck zu Verpressen.
Durch den Einsatz des phosphathaltigen Binders ist erfindungsgemäß ein Salzkern geschaffen, der leicht aufzulösen ist und der mittels Wasser aus dem gegossenen Bauteil sehr leicht herausgespült werden kann. Der Phosphatbinder und das Salz sind in der erfindungsgemäß vorliegenden Form wasserlöslich, bieten aber gleichzeitig den Vorteil eines druckbeständigen Salzkerns und einer resistenten Oberfläche. Es können somit Gußteile hergestellt werden, die einerseits Hinterschnittkonturen aufweisen und die frei von die Oberfläche des fertigen Gußteils aufrauhenden Penetrationen oder sogar Trennwänden durch Brüche in den Salzkernen sind.
Anzumerken bleibt noch, dass die erfindungsgemäßen Salzkerne natürlich auch in den sogenannten Squeeze-Castingverfahren einsetzbar sind. In diesen Verfahren wird zuerst die Form zum größten Teil ohne Druckbeaufschlagung gefüllt und nachträglich, zum Beispiel zur Infiltration von porösen Körpern unter Druckbeaufschlagung vollständig gefüllt und anschließend unter Druckbeaufschlagung gehalten, bis dass das flüssige Metall zur Erstarrung gelangt ist. Insbesondere wegen der hohen Fließgeschwindigkeiten der Metallschmelze beim Druckgußverfahren muß der Salzkern eine hohe Widerstandsfähigkeit aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Salzkerns für die Erzeugung eines Formhohlraums in einem durch ein Gießverfahren geformten Gegenstand, bei dem zuerst Salz mit einem Binder vermischt und bei dem anschließend das gemischte Salz zur Bildung eines Salzkerns in ein Formwerkzeug eingefüllt und bei dem abschließend der Salzkern unter Druck und/oder erhöhter Temperatur verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Salzkern 0,5% bis 5% eines phosphathaltigen Binders zugemischt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phosphatbinder der Form Natriumhexametaphosphat oder Borphosphat Monohydrat oder Monoaluminiumdihydrogenorthophosphat oder einer Kombination aus anorganischen Boraten und Phosphaten zugemischt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Gemisch aus körnigem Salz und phosphathaltigem Binder unter einem Druck von ca. 600 bis 2000 bar, vorzugsweise ca. 800 bar, und unter einer erhöhten Temperatur von ca. 350°C zur Bildung des Salzkerns verpresst wird.
Gießverfahren, bei dem ein wasserlöslicher Salzkern mit einem phosphathaltigen Binder ohne Vorwärmen in eine Gießform eingelegt wird, anschließend mittels eines druckbeaufschlagten Gießverfahrens mit einem niedrig schmelzenden Metall umgossen wird, und abschließend der gebundene Salzkern mittels eines Lösungsmittels entfernt wird, wobei als Lösungsmittel vorzugsweise Wasser eingesetzt wird.
Wasserlöslicher Salzkern, der durch Verdichten einer Mischung aus wasserlöslichen Salzen und eines Binders unter Druck und anschließender Wärmebehandlung hergestellt wird, wobei der Binder ein Phosphat oder eine Mischung anorganischer Phosphate mit einem Anteil von zwischen 0,5% und 5% der Mischung ist.
Wasserlöslicher Salzkern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Phosphat ein Natriumhexametaphosphat oder ein Borphosphat Monohydrat oder ein Monoaluminiumdihydrogenorthophosphat oder eine Kombination aus anorganischen Boraten und Phosphaten ist.
Wasserlöslicher Salzkern nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Salzkern eine Kombination aus verschiedenen polymerisierten, anorganischen Phosphaten enthalten ist.