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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
Gießformteils,
das die Schritte Bereitstellen eines einen das herzustellende Gießformteil
abbildenden Formhohlraum aufweisenden Formwerkzeugs, Füllen des
Formhohlraums des Formwerkzeugs mit einem einen Formgrundstoff und einen
anorganischen Binder aufweisenden Formstoff, Trocknen und Aushärten des
Formstoffs in dem Formhohlraum zu dem Gießformteil über eine Trocknungs- und Aushärtezeit,
und Entnehmen des Gießformteils
aus dem Formwerkzeug umfasst.
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Derartige
Gießformteile
werden für
das Gießen
von Metallschmelze eingesetzt. Üblicherweise wird
aus mehreren Gießformteilen
eine Gießform
zusammengesetzt, die einen das herzustellende Metallgussstück abbildenden
Formhohlraum aufweist. Die Gießformteile
können
dabei beispielsweise Gießkerne
sein. Es ist natürlich
auch möglich,
dass die Gießform
aus nur einem Gießformteil
gebildet wird, das den Formhohlraum aufweist. Zur Herstellung eines
Gussstücks
wird Metallschmelze in den Formhohlraum abgegossen. Nach der Erstarrung
der Metallschmelze zu dem Gussstück
wird die Gießform von
dem Gussstück
beispielsweise durch eine Zerstörung
der Gießform
entfernt.
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Die
Gießformteile
werden in Formwerkzeugen hergestellt, die einen das herzustellende
Formteil abbildenden Formhohlraum aufweisen. Dazu wird ein Formstoff
in den Formhohlraum des Formwerkzeugs eingefüllt. Der Formstoff weist üblicherweise einen
Formgrundstoff, beispielsweise einen anorganischen, feuerfesten
Formsand, und einen anorganischen Binder auf. Bei der Verwendung
anorganischer Binder wird zum Aktivieren des Binders vor dem Einfüllen in
das Formwerkzeug üblicherweise Wasser
zu dem Gemisch aus Formgrundstoff und Binder gegeben.
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Zum
Befüllen
mit Formstoff weist das Formwerkzeug üblicherweise eine mit Schussdüsen versehene
Schießkopfplatte
auf, über
die der Formstoff mittels Druckbeaufschlagung in den Formhohlraum geschossen
wird. Die in dem Formhohlraum enthaltene Luft wird dabei über Entlüftungsöffnungen
aus dem Formwerkzeug herausgepresst. Anschließend wird der in den Formhohlraum
des Formwerkzeugs gefüllte
Formstoff über
eine Trocknungs- und
Aushärtezeit
zu dem herzustellenden Gießformteil
getrocknet und ausgehärtet.
Nachdem das Formteil vollständig
ausgehärtet
ist, frühestens
jedoch nachdem sich eine tragfähige
Randschale an dem Formteil gebildet hat, wird das Formteil aus dem
Formwerkzeug entnommen.
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Um
die erforderliche Endfestigkeit des zu erzeugenden Formteils herzustellen,
besteht einerseits die Möglichkeit,
durch Zugabe geeigneter Mittel eine chemische Reaktion katalytisch
in dem Formstoff hervorzurufen. Bei diesem so genannten "Cold-Box-Verfahren" wird ein infolge
der chemischen Reaktion ausgehärtetes
Formteil erhalten. Dieses kann allerdings so nicht mehr in den Kreislauf der
für die Formteilherstellung
verwendeten Werkstoffe zurückgeführt werden.
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Alternativ
kann die Aushärtung
bei Verwendung geeigneter Binder durch Wärmezufuhr eingeleitet werden.
Zur Durchführung
dieses so genannten "Hot-Box-Verfahrens" sind bekannte Formschießmaschinen
zum Herstellen von Formteilen mit Heizungen zum Erwärmen des
Formwerkzeugs ausgestattet. Die Aushärtung des Formstoffs wird in
diesem Fall durch die Wärmezufuhr
im Formwerkzeug bewirkt.
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Da
die Verwendung von organischen Bindern zu erheblichen Arbeitsplatz-
und Umweltbelastungen führen
kann, ist man bestrebt, die bisher für die Herstellung von Gießformteilen,
wie Gießkernen, verwendeten,
organische Binder enthaltenden Formstoffe durch solche Formstoffe
zu ersetzen, die durch anorganische Binder gebunden werden. Derartige anorganische
Binder können
durch Feuchtigkeitsentzug ausgehärtet
werden, so dass es ebenfalls zu einer Aushärtung des Formstoffs zu dem
Gießformteil kommt.
Bei anorganischen Bindern stellt sich allerdings das Problem, dass
die Aushärtung
von derartige Binder aufweisendem Formstoff im Vergleich zu organische
Binder aufweisenden Formstoffen langwierig und aufwändig ist.
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Aus
der WO 03/022488 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen,
wie Gießkernen,
für Gießformen
zum Vergießen
von Metallschmelze bekannt, das eine schnelle und gleichmäßige Durchhärtung des
Gießformteils
gewährleisten
soll. Gemäß diesem
Verfahren wird einem in ein Formwerkzeug eingefüllten, einen anorganischen
Binder aufweisenden Formstoff über
eine Aushärtezeit
Wärme zugeführt, um
den Formstoff durch Entzug von Feuchtigkeit zu verfestigen. Dabei
wird der Hohlraum des Formwerkzeugs im Verlauf der Aushärtezeit
mindestens zeitweise von einem heißen Gas, beispielsweise heißer Luft,
durchströmt,
das trocken zugeführt
und mit Feuchtigkeit beladen abgezogen wird.
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Indem
der Hohlraum des Formwerkzeugs gemäß dem aus der WO 03/022488
A1 bekannten Verfahren von einem heißen Gas durchströmt wird, wird
erreicht, dass neben der über
das Formwerkzeug eingebrachten Wärmeenergie
zusätzliche
Wärmeenergie
zum Entzug von Feuchtigkeit in das Innere des Gießformteils
eingebracht wird. Auf diese Weise wird der Aushärtevorgang des Gießformteils durch
den Entzug von Feuchtigkeit beschleunigt, da die Wärme durch
den heißen
Gasstrom direkt in das Innere des Formteils transportiert wird,
und nicht lediglich über
die Randschale des Formteils langsam in das Formteilinnere vordringt.
Um eine ausreichende Trocknung des Formstoffs zu erreichen, werden
in der Praxis Temperaturen des eingeleiteten heißen Gases von über 200 °C eingesetzt.
Auf diese Weise wird bei Verwendung anorganische Binder aufweisender
Formstoffe eine schnelle und gleichmäßige Formteilaushärtung auch
bei schwankenden Dickenverläufen
erreicht, indem dem einen anorganischen Binder aufweisenden Formstoff
Feuchtigkeit entzogen wird.
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In
der praktischen Anwendung zeigt sich jedoch, dass es durch das in
das Formwerkzeug eingeleitete heiße Gas zu einer übermäßigen Erwärmung des
Formstoffs und damit zu einer Übertrocknung und
Versprödung
des Gießformteils
kommt. Durch diese Versprödung
steigt die Gefahr der Rissbildung in dem Gießformteil, so dass es zu erhöhtem Ausschuss
in der Produktion solcher Gießformteile kommt.
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Ausgehend
von dem voranstehend erläuterten
Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Herstellen eines Gießformteils
der eingangs genannten Art bereitzustellen, wobei eine schnelle
und gleichmäßige Aushärtung von
mit anorganischen Bindern gebundenen Gießformteilen bei gleichzeitig
minimiertem Risiko von Ausschuss in der Produktion derartiger Gießformteile gewährleistet
wird.
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Zur
Lösung
der genannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gießformteils
vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst,
- – Bereitstellen
eines einen das herzustellende Gießformteil abbildenden Formhohlraum
aufweisenden Formwerkzeugs,
- – Füllen des
Formhohlraums des Formwerkzeugs mit einem einen Formgrundstoff und
einen anorganischen Binder aufweisenden Formstoff,
- – Trocknen
und Aushärten
des Formstoffs in dem Formhohlraum zu dem Gießformteil über eine Trocknungs- und Aushärtezeit,
und
- – Entnehmen
des Gießformteils
aus dem Formwerkzeug,
wobei erfindungsgemäß der Formstoff
in dem Formwerkzeug während
der Trocknungs- und Aushärtezeit
zumindest zeitweise von einem Gas durchströmt wird, dessen Temperatur
in dem Bereich von der jeweiligen Siedetemperatur von Wasser bis
180 °C liegt.
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Indem
der Formstoff in dem Formwerkzeug während der Trocknungs- und Aushärtezeit
zumindest zeitweise von einem Gas durchströmt wird, dessen Temperatur
in dem Bereich von der jeweiligen Siedetemperatur von Wasser bis
180 °C liegt,
wird eine schnelle und gleichmäßige Trocknung
und damit Aushärtung
des Formstoffes zu dem Gießformteil
erreicht, indem der warme Gasstrom direkt in das Innere des den
Formstoff enthaltenen Formhohlraums des Formwerkzeugs transportiert
wird. Der Erfindung liegt die überraschende
Erkenntnis zugrunde, dass für
eine schnelle und gleichmäßige Trocknung
und Aushärtung
des Formstoffs zu dem Gießformteil selbst
bei Verwendung anorganischer Binder eine Temperatur des in das Formwerkzeug
eingeleiteten Gases in dem Bereich von der jeweiligen Siedetemperatur
von Wasser bis 180 °C
ausreichend ist.
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Durch
das einströmende
Gas kommt es zu einer Verdampfung des in dem Formstoff, insbesondere
in dem anorganischen Binder enthaltenen Wassers. Auf diese Weise
wird dem Binder Feuchtigkeit entzogen, so dass es zu einer Aushärtung des
Binders und damit des Formstoffs kommt. Der entstehende Wasserdampf
wird dabei durch den Gasstrom aus dem Formhohlraum heraus transportiert.
Der Binder und damit der Formstoff härtet somit durch den Entzug
des Wassers zu dem Gießformteil
aus.
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Die
Erfindung basiert dabei auf der überraschenden
Erkenntnis, dass für
das Verdampfen des in dem Formstoff bzw. dem Binder enthaltenen
Wassers bereits eine Gastemperatur ausreichend ist, die der jeweiligen,
druckabhängigen
Siedetemperatur des Wassers in dem Formstoff entspricht. Die Trocknung
und Aushärtung
des Formstoffes wird also schon bei den erfindungsgemäß niedrigen
Gastemperaturen schnell und gleichmäßig erreicht, indem dem Formstoff
auf physikalischem Wege Feuchtigkeit entzogen wird.
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Gleichzeitig
wird durch die erfindungsgemäße Wahl
einer Gastemperatur in dem Bereich bis maximal 180 °C eine Übertrocknung
und damit Versprödung
des Gießformteils
sicher vermieden. Die Gefahr einer Rissbildung in dem Gießformteil
und somit die Gefahr von Ausschuss in der Produktion der Gießformteile,
wie sie beim Stand der Technik bestand, wird erfindungsgemäß minimiert.
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Ein
weiterer positiver Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin,
dass bei dem Herstellungsprozess in dem Formwerkzeug entstehende Dämpfe und
Gase durch den induzierten Gasstrom ebenfalls aus dem Formwerkzeug
heraus transportiert werden.
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Als
Gas kommt erfindungsgemäß bevorzugt Luft
zum Einsatz. Es ist jedoch auch denkbar, Stickstoff oder andere
hinsichtlich der Bestandteile des Formstoffs inerte Gase einzusetzen.
Solche Gase können
in produktionstechnisch einfacher und kostengünstiger Weise Gase sein, die
bei anderen Fertigungsschritten der Gießformherstellung oder Gießerei, wie
beispielsweise einer Inertisierung von Gießformen, anfallen.
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Bevorzugt
besitzt das Gas erfindungsgemäß eine Temperatur
in dem Bereich von 120 °C
bis 150 °C.
In diesem Temperaturbereich kommt es zu einer besonders schnellen
und sicheren Verdampfung des in dem Formstoff enthaltenen Wassers,
wobei die Gefahr einer übermäßigen Erwärmung des
Formstoffs und damit einer Übertrocknung
des Gießformteils
weiter minimiert ist. Weiterhin lässt sich das eingesetzte Gas
unter Verwendung von in der Produktionsanlage zur Verfügung stehender
Prozesswärme in
einfacher und kostengünstiger
Weise auf diesen Temperaturbereich erwärmen.
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Um
einen ausreichenden Gasvolumendurchsatz durch den im Formhohlraum
des Formwerkzeugs enthaltenen Formstoff zu gewährleisten, kann das Gas mit Überdruck
in das Formwerkzeug geleitet werden. Zu diesem Zweck kann das Gas
mit einem Druck in das Formwerkzeug einströmen, der im Bereich von 2 bar
bis 6 bar liegt, insbesondere 2,5 bar beträgt. Der Druck, mit dem das
Gas in das Formwerkzeug geleitet wird, ist dabei bevorzugt geringer als
der Druck, mit dem der Formstoff zuvor in das Formwerkzeug gefüllt worden
ist, um eine unerwünschte
ungleichförmige
Verdichtung des Formstoffes im Formholraum sicher zu vermeiden.
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Der
Volumendurchsatz an heißem
Gas durch den Formhohlraum kann zudem dadurch unterstützt werden,
dass zumindest während
der Trocknungs- und Aushärtezeit
ein Unterdruck an das Formwerkzeug angelegt wird. Dieser Unterdruck kann
beispielsweise im Bereich von 0,5 bar bis 1,0 bar unter Normaldruck
an das Formwerkzeug angelegt werden.
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Die
Gleichmäßigkeit
der Aushärtung
kann zusätzlich
dadurch unterstützt
werden, dass das Formwerkzeug zumindest während der Trocknungs- und Aushärtezeit
temperiert wird. Die Erwärmungstemperaturen
können
dazu im Bereich von 60 – 200 °C variiert
werden, wobei Temperaturen im Bereich von 70 – 150 °C bevorzugt sind. Üblicherweise
liegt die Formtemperatur im Bereich von 180 °C. Durch die Wahl der Formtemperatur
kann gezielt der Gradient eingestellt werden, mit dem die Trocknung des Kerns
fortschreitet. Angestrebt werden Kerne, die möglichst gleichmäßig getrocknet
sind. Daher ist die Temperatur der Form bezogen auf die Temperatur des
eingeblasenen Gases bevorzugt niedrig einzustellen. Auf diese Weise
wird erreicht, dass der Kern im Zentrum mindestens gleich schnell
trocknet wie im Bereich seiner Randschale. Eine zu schnelle Trocknung
der Randschale ist unerwünscht,
weil bei einer solchen Trocknung die Gefahr des Zerrieselns der Randschale
aufgrund von übermäßigem Feuchteentzug
besteht.
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Schließlich ist
es auch möglich,
die Trocknung des Kerns dadurch zu beschleunigen, dass der Formsand
des Formstoffs vorgewärmt
wird. Sandtemperaturen von 80 – 100 °C eignen
sich für
diesen Zweck. Durch die Vorwärmung
des Sandes wird sichergestellt, dass die durch das eingeblasene
Gas eingetragene Wärmeenergie
im Wesentlichen vollständig
zum Verdampfen und Abtransport des Wassers genutzt werden kann.
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Ein
besonderer Vorteil der voranstehend zusammengefassten Maßnahmen
besteht darin, dass die Menge an im Formstoff eingesetztem Binder
reduziert werden kann. Abhängig
vom jeweils verwendeten Formsand ergeben sich so Binderanteile von 1,0
bis 2,4 Gew.-% des Formstoffs. Die besonders niedrigen Anteile sind
dann ausreichend, wenn der verwendete Formsand mindestens teilweise,
bevorzugt vollständig,
aus synthetischem Mullit besteht.
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Formstoffe,
die basierend auf handelsüblichen
Mullit- oder Quarzsanden
basieren, weisen erfahrungsgemäß bei Binder-Gehalten
von mindestens 1,6 Gew.-% ausreichende Festigkeiten auf.
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Als
anorganischer Binder wird bevorzugt ein auf Basis von Wasserglas
hergestellter Binder verwendet, der sich insbesondere bei erfindungsgemäßer Behandlung
als besonders günstig
sowohl in Bezug auf seine Bindungseigenschaften als auch in Bezug
auf sein Verhalten beim nach dem Gießen erfolgenden Entkernen des
erhaltenen Gussstückes
erwiesen hat.