DE102005011019B4 - Herstellung und Verwendung eines zerstörbaren Formkerns für den metallischen Guss - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung von zerstörbaren Formkernen für den metallischen Guss, insbesondere von zerstörbaren Formkernen aus grüner Keramik. DOLLAR A Zur Herstellung von keramischen Gussformen bedient man sich häufig dem Schlickerguss, dei dem die Formgebung über das Abgießen von flüssigen Schlickern in eine Urform erfolgt. Bei diesem Guss entstehen leicht Blasen, die im späteren Formkern zu nicht tolerierbaren Oberflächen- und Gefügefehlern des Formkerns führen. Dem kann durch den Einsatz von so genannten Steigern und vorsichtigem Gießen nur bedingt entgegengewirkt werden. DOLLAR A Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Formkernen aus Schlicker-Keramik für den Metallguss bereitzustellen, bei dem die Blasenproblematik zumindest reduziert wird. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine porös ausgestaltete Urform verwendet wird. Dies bietet den Vorteil, dass eingeschlossene Luftblasen durch die Poren der Urform entweichen können, während der Schlicker aufgrund seiner Oberflächenspannung nicht in die Poren eindringen kann.
Description
- Die Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung von zerstörbaren Formkernen für den metallischen Guss, insbesondere von zerstörbaren Formkernen aus grüner Keramik. Derartige Formkerne sind beispielsweise aus der
DE 38 84 613 T2 bekannt. Gussformen sind bekannt ausEP 0892704 B1 ,EP 0756922 B1 ,EP 0561613 B1 ,EP 0516224 B1 EP 0474346 B1 . Die Verwendung von zerstörbaren Formkernen ist bekannt ausDE 2659168 A1 ,GB 2096523 A US 3508602 oderUS 1549819 . - Die Herstellung von Gussteilen mit Aussparungen Hinterschneidungen und Hohlstrukturen stellt hohe Anforderungen an die Herstellungsmethoden und die Materialien der entsprechenden Gussformen. Im Bereich des metallischen Gusses werden in der Regel auf Grund der hohen auftretenden Temperaturen keramische Gussformen eingesetzt.
- Zur Herstellung der keramischen Gussformen bedient man sich häufig dem Schlickerguss, bei dem die Formgebung über das Abgießen von flüssigen Schlickern in eine Urform erfolgt.
- Bei diesem Guss entstehen leicht Blasen, die im späteren Formkern zu nicht tolerierbaren Oberflächen- und Gefügefehlern des Formkerns führen. Dem kann durch den Einsatz von sogenannten Steigern und vorsichtigem Guss nur bedingt entgegen gewirkt werden.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Formkernen aus Schlicker-Keramik für den Metallguss bereitzustellen, bei dem die Blasenproblematik zumindest reduziert wird.
- Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren zur Herstellung eines Formkerns durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Durch die Merkmale der Patentansprüche 9 und 10 werden vorteilhafte Verwendungen damit hergestellter Formkerne angegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung eines zerstörbaren Formkerns für den metallischen Guss erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
- – Bereitstellen einer porösen Urform,
- – Bereitstellen eines Schlickers, enthaltend keramische Mikropartikeln,
- – Befüllen der Urform mit dem Schlicker,
- – Gefrieren des Schlickers zum grünen Formkern,
- – Herauslösen des grünen Formkerns aus der Urform,
- – Trocknen des grünen Formkerns,
- – Erhitzen des grünen Formkerns zu dessen Verfestigung,
- Ein derartig ausgestaltetes Verfahren bietet den Vorteil, dass beim Gießen sich ausbildende oder eingeschlossene Luftblasen durch die Poren der Urform entweichen können, währen der Schlicker aufgrund seiner Oberflächenspannung nicht in die Poren eindringen kann. Dies erlaubt den Verzicht auf die üblichen Steiger und andere Entlüftungen sowie beliebige Eingussrichtungen. Bei großen und/oder komplexen Bauteilen kann der Einguss von mehreren Stellen aus in unterschiedliche Richtungen gleichzeitig erfolgen – ohne die Gefahr von Lufteinschlüssen.
- Die porös ausgestaltete Urform kann auf unterschiedliche Art hergestellt werden. Z.B. kann sie aus porösem Material gefräst werden und zwar (vor allem bei einfacher Form) einteilig oder mehrteilig, wobei die Einzelteile zur Urform zusammengefügt, vorzugsweise geklebt, werden. Das poröse Material kann natürlicher (z.B. Zeolith) oder künstlicher Herkunft (z.B. Sinterprodukt) sein.
- Eine vorteilhafte Herstellungsvariante der Urform stellen die bekannten Rapid Prototyping Verfahren, insbesondere die pulverbasierten Verfahren 3d-Drucken und Selektives Laser Sintern, aufgrund ihrer Schnelligkeit und Exaktheit dar. Auch das Rapid Verfahren Laminated Object Manufacturing erlaubt die Herstellung poröser Urformen wie beispielsweise die
DE 10157757 B4 zeigt. - Mit den Rapid Verfahren kann die Urform ebenfalls einteilig oder mehrteilig hergestellt werden. Bei einteiligen Urformen kann das verbleibende, nicht verbundene Pulver durch Ausblasen oder Ausschwemmen aus der Urform entfernt werden. Vorteil der pulverbasierten Rapid Verfahren ist die sich ohne zusätzliche Maßnahmen ausbildende Porosität der Urform. Darüber hinaus lassen sich problemlos auch Urformen dünner Wandstärke (1 bis 3mm) herstellen, was insbesondere bei der später notwendigen Entfernung der Urform von dem Formkern vorteilhaft ist. Auch bezüglich der Materialauswahl bestehen keine Einschränkungen: sowohl metallische, keramische als auch organische Werkstoffe sind einsetzbar.
- Die notwendige Entfernung der Urform von dem Formkern lässt sich durch chemisches Lösen der Urform durchführen. Dabei ist darauf zu achten, dass der Formkern von dem Lösungsmittel nicht ebenfalls angegriffen wird.
- Gut geeignet sind deshalb Urformen aus organischem Material, insbesondere Kunststoffen, z.B. Polystyrol, die gut in organischen Lösungsmitteln, z.B. Toluol, Aceton, Ethylmetylketon, Butanon-2 oder andere, lösbar sind, welche den Formkern nicht angreifen.
- Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn das Lösungsmittel der Urform und die Schlickerflüssigkeit (meist Wasser) nicht mischbar sind, um ein Eindringen des Lösungsmittels in den Formkern durch Dispersion zu vermeiden. Dies ist z.B. bei Toluol und Wasser weitestgehend der Fall.
- Vorzugsweise werden die Ausgasungen während des Lösens der Urform abgesaugt, da sie je nach Lösungsmittel eine Geruchsbelästigung oder gar eine Gesundheitsstörung hervorrufen können.
- Vorteilhaft ist es auch, wenn ein Schlicker mit einer Oberflächenspannung verwendet wird, welche ein Eindringen des Schlickers in die Poren der porösen Urform verhindert.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch das Aufbringen von kolloidalen Nanopartikeln auf den grünen Formkern gekennzeichnet, wobei das Erhitzen zum Aushärten des Formkerns derart durchgeführt wird, dass organische Bestandteile des grünen Formkerns ausgasen und die kolloidalen Nanopartikeln unter Ausbildung einer stabilen Außenhaut des Formkerns versintern.
- Produkt eines solchen Verfahrens ist ein Formkern mit einem Inneren aus Mikropartikeln und einer Außenhaut aus Mikro- und Nanopartikeln. Mikropartikel sind Partikel mit Durchmessern im Mikrometerbereich, entsprechend sind Nanopartikel Partikel mit Durchmessern im Nanometerbereich.
- Erfindungsgemäß erfolgt das Befüllen der Urform mit Schlicker, durch Eingießen, Einspritzen oder Eintauchen – jeweils unter keinem oder geringem Druck. Das Aufbringen der kolloidalen Nanopartikeln auf den grünen Formkern erfolgt durch Aufsprühen oder Aufstreichen einer Dispersion, z.B. mit einem Pinsel. Denkbar ist aber auch ein Bestäuben oder ein Eintauchen des Formkerns in die Dispersion.
- Bei den organischen Bestandteilen des grünen Formkerns handelt es sich vorwiegend um Binder sowie um geringe Anteile von Zusätzen. Durch deren Ausgasung während der Erwärmung des grünen Formkerns verbleiben die Mikropartikeln im Inneren des Formkerns im Wesentlichen in loser Anordnung zurück. Der Zusammenhalt des Formkerns erfolgt vorwiegend durch die Außenhaut, die über Sinterbrücken der an- und/oder aufgeschmolzenen Nanopartikeln zwischen den Mikropartikeln ihre Stabilität ausbildet. Diese Sinterbrücken weisen ausreichende Festigkeit auf, um den Formkern nach der Entformung aus der Urform zu handhaben sowie den metallischen Guss unbeschadet zu überstehen. Jedoch werden sie durch den metallischen Guss und dadurch auftretende Druckspannungen derart geschwächt, dass sie mit einem Wasserstrahl aufgebrochen werden können und so der Formkern aus dem Gussling ausgeschwemmt werden kann.
- Außerdem wird durch die Beschränkung der Sinterung auf die dünne Außenhaut die typische Sinterschwindung auf ein Minimum reduziert, woraus eine wesentlich verbesserte Maßhaltigkeit der Formkerne resultiert.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Mikropartikeln und/oder Nanopartikeln aus refraktären Oxiden, Carbiden oder Nitriden verwendet, insbesondere der Elemente Al, Zr, Si, Mg, Ca oder Ti. Vorzugsweise bestehen die Mikropartikeln aus Zirkonsilikat und die Nanopartikeln aus Siliziumdioxid.
- Derartige Materialien weisen eine ausreichende Temperaturbeständigkeit, eine gute Verarbeitbarkeit sowie geeignete Marktverfügbarkeit und Preise in geeigneten Partikelgrößen auf.
- Vorzugsweise werden mindestens zwei Partikelgrößenklassen an Mikropartikeln zur Herstellung des Schlickers verwendet, um eine bessere Volumenfüllung zu erzielen.
- Der Schlicker wird vorzugsweise mit Wasser angemacht, insbesondere mit deionisiertem Wasser, um Beeinflussungen von Zusätzen möglichst auszuschließen. Derartige Zusätze sind z.B. Dispergatoren, Entschäumer und Antifrostmittel. Letztere können zugesetzt werden, um die Bildung großer Eiskristalle beim Einfrieren des Schlickers zu verhindern, die anderenfalls zu Gefügefehlstellen im Formkern führen könnten.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Erhitzen eine Maximaltemperatur zwischen 750 und 1200 °C, vorzugsweise 800 °C, erreicht, wobei die Maximaltemperatur 30 bis 120 Minuten, vorzugsweise 60 Minuten, konstant gehalten wird.
- Bei einer derartigen Maximaltemperatur und Verweildauer wird für die vorgenannten Materialien eine Versinterung der Nano partikeln erreicht, die eine ausreichende Stabilität des Formkerns gewährleistet.
- In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Maximaltemperatur durch einen kontinuierlichen, vorzugsweise linearen Temperaturanstieg zwischen 100 und 150 °C/h, vorzugsweise 120 °C/h, erreicht.
- Dies gewährleistet eine gleichmäßige und vollständige Ausgasung der organischen Bestandteile.
- Vorzugsweise werden die Ausgasungen während des Erhitzens abgesaugt, da sie je nach Zusammensetzung eine Geruchsbelästigung oder gar eine Gesundheitsstörung hervorrufen können.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Aufbringen der Nanopartikeln durch Besprühen oder Bestreichen mit einer Dispersion der Nanopartikeln, vorzugsweise mit einer wässrigen Dispersion. Dies ermöglicht die Ausbildung einer gleichmäßigen Außenhaut. Eine wässrige Dispersion ist vorteilhaft in Hinsicht auf eine ungefährliche Verarbeitung und die nachfolgende Ausgasung.
- Die Aufgabe wird bezüglich der anzugebenden Verwendung eines zerstörbaren Formkerns für den metallischen Guss erfindungsgemäß gelöst durch den Guss von Bauteilen für Verbrennungskraftmaschinen aus Stählen, Leichtmetallen oder deren Legierungen, insbesondere dem Feinguss nach dem Wachsausschmelzverfahren, vorzugsweise dem Aluminiumfeinguss. Außerdem eignet es sich zur Herstellung von aus mehreren Teilen zusammengesetzten keramischen Gussformen.
- Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäße Formkern, das Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung näher erläutert:
Zunächst wird eine Urform für einen Radkastenkern bereitgestellt. Diese besteht aus 1 bis 3 mm dicken, porösen, miteinander verklebten Polystyrolhälften, die mittels selektiven Lasersinterns aus einem 3D-Datensatz des Radkastens aufgebaut wurden. - Außerdem wird ein Schlicker bereitgestellt. Zur Herstellung des Schlickers werden die Komponenten gemäß Tabelle 1 in einen Mischbehälter eingewogen und in einem Topfroller über einen Zeitraum von 12 Stunden miteinander vermischt. Danach werden sukzessive die Mikropartikeln II hinzu gegeben und erneut 12 Stunden gemischt. Zur Verbesserung des Mischvorgangs werden keramische Kugeln mit einem Durchmesser von 20 Millimetern beigegeben.
- Das Antifrostmittel dient dazu die Bildung von großen Eiskristallen beim Einfrieren des Schlickers zu verhindern.
- Als Dispergator wird eine 25-prozentige wässrige Lösung aus einem Polyelektrolyten verwendet, die unter dem Handelsnamen Dolapix PC33 ® erhältlich ist.
- Als Mikropartikeln werden Zirkonsilikat-Partikeln unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung verwendet. Die Fraktion I weist eine mittlere Partikelgröße von circa 2 μm auf (Handelsname: Ultrox Standard), die Fraktion II von circa 23 μm (Handelsname: Zircon 200 mesh).
- Kurz vor dem Ende der Mischzeit werden der Mischung noch 10 Tropfen Entschäumer (Kombination aus flüssigen Kohlenwasserstoffen, Kieselsäure, synth. Copolymeren und nichtionogenen Emulgatoren; Handelsname Agitan 280) beigemischt.
- Der fertige Schlicker weist eine Dichte von 2,7 g/cm3 sowie einen Wassergehalt von 9-10 Gewichtsprozent auf. Er wird rührend gelagert.
- Der bereitgestellte Schlicker wird gleichmäßig in die bereit gestellte poröse Urform aus lasergesintertem Polystyrolpulver eingegossen. Eingeschlossene Luftblasen entwichen durch die Poren der Urform. Der Schlicker kann aufgrund der Oberflächenspannung nicht in die Poren eindringen.
- Danach wird der Schlicker zum grünen Formkern gefroren. Dazu wird die mit dem Schlicker gefüllte Urform in einem Kühlgerät gleichmäßig auf –40 °C abgekühlt und darin für 1 Stunde belassen.
- Anschließend erfolgt das Herauslösen des grünen Formkerns aus der Urform. Dazu wird der gefrorene Formkern bei etwa –20 °C in ein Toluolbad in einem Kühlgerät gelegt. Das Toluol löst das Polystryrol der Urform auf ohne den Formkern zu schädigen. Der Lösungsvorgang dauert circa 12 Stunden. Aufsteigende Dämpfe werden abgesaugt. Anschließend lässt man den Formkern noch circa 15 Minuten über dem Toluolbad abtropfen.
- Der noch feuchte grüne Formkern wird bis zum Umlufttrocknen bei –20 °C, d.h. deutlich unter dem Gefrierpunkt der Keramiksuspension, gelagert.
- Für das Trocknen wird ein handelsüblicher Umluftofen bereitgestellt. Zunächst wird der gefrorene Formkern bei Raumtemperatur unter Verwendung eines trockenen Luftstroms für eine Stunde angetrocknet. Danach wird die Temperatur gleichmäßig auf 50 °C erhöht und die Trocknung für weitere 3 Stunden fortgesetzt.
- Anschließend wird die Temperatur über einen Zeitraum von 5 Stunden gleichmäßig auf 500 °C erhöht und dabei für eine weitere Stunde belassen. Danach erfolgt freies Abkühlen auf Raumtemperatur. Dieses Ausheizen dient dazu, organische Bestandteile auszugasen, die in Form von Polystyrolresten sowie Antifrostmittel, Dispergator und Entschäumer vorliegen. Die dabei entstehenden Ausgasungen werden abgesaugt.
- Danach werden die kolloidalen Nanopartikeln auf den grünen Formkern aufgebracht. Dazu wird eine wässrige Dispersion von Silizium-Dioxid-Nanopartikeln (Handelsname Syton® X30, Hersteller DuPont) mit einem Pinsel dünn aufgestrichen. Die Partikeln haben eine mittlere Größe von circa 40 nm und entsprechen circa 30 Gewichtsprozent der Dispersion.
- Danach wird der grüne bestrichene Formkern gesintert. Dazu wird er mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 150 °C/h auf eine Maximaltemperatur von 800 °C aufgeheizt und bei dieser Maximaltemperatur für 60 Minuten belassen. Danach wird er gleichmäßig auf Raumtemperatur abgekühlt.
- Die Nanopartikeln bilden bei einer derartigen Temperaturführung Sinterbrücken zwischen den Mikropartikeln, so dass sich eine stabile Außenhaut des Formkerns ausbildet.
- Der stabile Formkern wird in eine Form (Gießtraube) eingesetzt und diese mit einer metallischen Schmelze befüllt. Nach dem Guss schrumpft das erkaltende Metall auf den Formkern auf, woraus Druckspannungen resultieren. Diese Druckspannungen schwächen die Stabilität der Außenhaut ausreichend, um sie mit einem Wasserstrahl ausbrechen zu können und so die Außenhaut und den losen Innenbereich des Formkerns leicht aus dem Gussling ausschwemmen zu können.
- Der erfindungsgemäße Formkern und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung erweisen sich in der Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für den metallischen Guss, insbesondere für den Aluminium-Feinguss, in der Automobilindustrie.
- Insbesondere können so erhebliche Vorteile bezüglich der Qualität innerer Oberflächen erzielt werden.
- Die Erfindung ist nicht nur auf das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
- Anstatt des Polystyrolpulvers kann beispielsweise auch Polyamid- (PA) oder PMMA-Pulver verwendet werden.
- Statt des Lasersinterns des Pulvers kann auch 3D-Drucken für die Herstellung der Urform angewendet werden.
- So ist zum Beispiel denkbar, dass anstelle der zwei Größen-Fraktionen von Mikropartikeln aus Zirkonsilikat eine einzige Größenfraktion aus Al2O3- oder SiC-Mikropartikeln verwendet wird.
- Die Nanopartikeln aus Siliziumdioxid können durch solche aus Titandioxid, Zirkonsilikat, Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Mullit oder Kombinationen daraus ersetzt werden.
- Anstelle des Antifrostmittels Glycerin kann auch Gelatine, AgarAgar oder Agarose sowie Ethylenglycol Verwendung finden.
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines zerstörbaren Formkerns für den metallischen Guss mit den Schritten: – Bereitstellen einer porösen Urform, – Bereitstellen eines Schlickers, enthaltend keramische Mikropartikeln, – Befüllen der Urform mit dem Schlicker, – Gefrieren des Schlickers zum grünen Formkern, – Herauslösen des grünen Formkerns aus der Urform, – Trocknen des grünen Formkerns, – Erhitzen des grünen Formkerns zu dessen Verfestigung gekennzeichnet dadurch, dass die porös ausgestaltete Urform mittels eines Rapid Prototyping Verfahrens hergestellt wird, dass ein Lösungsmittel bereitgestellt wird, welches die poröse Urform löst, aber den Formkern nicht angreift.
- Verfahren zur Herstellung eines zerstörbaren Formkerns für den metallischen Guss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlicker mit einer Oberflächenspannung verwendet wird, welche ein Eindringen des Schlickers in die Poren der porösen Urform verhindert.
- Verfahren zur Herstellung eines Formkerns nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Herauslösen des grünen Formkerns aus der porösen Urform durch chemisches Lösen der Urform erfolgt.
- Verfahren zur Herstellung eines Formkerns nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Aufbringen von kolloidalen Nanopartikeln auf den grünen Formkern, – wobei das Erhitzen derart durchgeführt wird, – dass organische Bestandteile des grünen Formkerns ausgasen und – dass die kolloidalen Nanopartikeln unter Ausbildung einer stabilen Außenhaut des Formkerns versintern.
- Verfahren zur Herstellung eines Formkerns nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen eine Maximaltemperatur zwischen 750 und 1200 °C, vorzugsweise 800 °C, erreicht, dass die Maximaltemperatur 30 bis 120 Minuten, vorzugsweise 60 Minuten, konstant gehalten wird.
- Verfahren zur Herstellung eines Formkerns nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Maximaltemperatur durch einen kontinuierlichen, vorzugsweise linearen Temperaturanstieg zwischen 100 und 150 °C/h, vorzugsweise 120 °C/h, erreicht wird.
- Verfahren zur Herstellung eines Formkerns nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erhitzens Ausgasungen abgesaugt werden.
- Verfahren zur Herstellung eines Formkerns nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Nanopartikeln durch Besprühen oder Bestreichen mit einer Dispersion, vorzugsweise wässrigen Dispersion, der Nanopartikeln erfolgt.
- Verwendung eines zerstörbareren Formkerns, hergestellt nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, für den Guss von Bauteilen für Verbrennungskraftmaschinen aus Stählen oder Leichtmetall.
- Verwendung eines zerstörbareren Formkerns, hergestellt nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, zur Herstellung von aus mehreren Teilen zusammengesetzten keramischen Gussformen.
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