Gussteile
aus verschiedenen Metallen oder metallischen Legierungen werden
mit unterschiedlichen Gießverfahren
hergestellt. Bei allen gleich ist der Einsatz von Dauermodellen
(Holz, Keramik, Kunststoff) oder verlorenen Modellen aus Sand, oder Polystyrol.
Sollen Hohlräume
in einem Gussstück realisiert
werden, so bedient man sich eines verlorenen Kernes hauptsächlich aus
Sand. Sie bestehen in der Regel wegen der im Gießereiprozess herrschenden hohen
thermischen und mechanischen Belastung aus chemisch gebundenen Formstoffen,
wie kunststoffgebundene keramischen Pulver oder kunstharzgebundene
Sande. Hierbei bestehen die Formstoffe aus Sanden, die durch Bindemittel
in der erwünschten
Form des Kernes verbunden sind mit dem Ziel nach der Gussherstellung
die Bindemittel zu zerstören
und somit den Kern zu entfernen. Nachteil der bekannten Verfahren
zur Kernherstellung ist, dass in der Regel die Entfernung der Kerne
aus dem Gussstück
nur mit hohen Aufwand möglich
ist, die Verteilung der Sande im Kern inhomogen ist oder Risskeime
existieren, die unter anderem zum Bruch unter thermisch-mechanischer
Belastung führen
können.
Heute verwendete Bindemittel für
Kernsande führen
dazu, dass Kerne nur schwer aus den Werkstücken entfernt werden können (denn
sie sind thermisch sehr stabil). Insbesondere beim Aluminiumguss
bedingen tiefe Gießtemperaturen
nur niedrigere Temperaturen zur thermischen Zersetzung des Binders.
Wenn die Bindemittelbrücken
nur unzureichend zerstört
werden bewirkt dies, dass die Kerne auch nach dem Abguss eine höhere Festigkeit
aufweisen und sich nur schwer durch mechanische Vibration oder Hochdruckwasserstrahlen
entfernen lassen. Hochdruckwasserstrahlen können zur Beschädigung des
Werkstückes,
bzw. bei geometrisch komplizierten Kernen mit Hinterschneidungen
nicht immer zur vollständigen
Auslösung
des Kernes führen.
Diese mechanische Entfernung der Kerne ist speziell beim Leichtmetallguss
kritisch, da hier die gewünschten,
filigranen Gussstrukturen leicht zerstört werden können. Bei den gängigen Kunstharz
gebundenen Kernen werden zum Teil umweltschädliche (organische) Substanzen
eingesetzt.
Der
Formgrundstoff ist ein geeigneter Sand (Formsand), der mit einem
chemischen Bindemittel bzw. einen Formstoffbindemittel versetzt
wird, die dann beispielsweise wiederum durch einen flüssigen oder
festen Katalysator oder Härter
oder durch zusätzliche
Wärmeeinwirkung
ausgehärtet
wird. Als Sand wird überwiegend
Quarzsand verwendet. Für besondere
Anwendungen kommen auch Chromit-, Zirkon- und Olivinsand zur Anwendung.
Ebenfalls werden Formgrundstoffe auf Schamott-, Magnesit-, Silimanit-
und Korundbasis eingesetzt.
Bindemittel
für die
Formsande können
anorganischer oder organischer Natur sein, wobei die anorganischen
Bindemittel in natürliche
und synthetische anorganische Bindemittel unterteilt werden. Natürliche anorganische
Bindemittel umfassen Tone wie Montmorrillonit, Glaukonit, Kaolinit,
Illit oder Attapulgit. Synthetische anorganische Bindemittel umfassen unter
anderem Wasserglas, Zement und Gips. Organische Bindemittel umfassen
Kunstharze wie die Phenol-, Harnstoff-, Furanharze sowie Ethylsilicat. Öle, Kohlehydratbinder,
wasserlösliche
Flüssigkeitsbinder
auf Basis von Sulfit-Ablaugen, Melasse, Dextrose-Abläufen,
Alkanolaminen und Pechbindern werden auch noch eingesetzt (K.E.
Höner „Gießereiwesen", Ullmanns Encyklopädie der
technischen Chemie, S. 271-287, Bd 12, 4. Auflage, Verlag Chemie Weinheim,
1976).
Die
Herstellungsverfahren der sandgebundenen Gießformen und -kerne sind in
der Literatur ausreichend dokumentiert (C.Henry, R. Showman, G. Wandtke,
Giesserei-Praxis Nr.12, 1999; P. Carey, M. Swartzlander, Sand Binder
Systems, Part II – Resin/Sand
Interactions, Foundry Management and Technology 97, 1995; W. Tilch,
E. Flemming Formstoffe und Formverfahren, dt. Verlag für Grundstoffindustrie
Leipzig/Stuttgart 1993; Giesserei Jahrbuch, Giesserei-Verlag GmbH
Düsseldorf,
Band 1, 2000; P. Carey, J. Archibald, Sand Binder Systems, Part
X – The
Phenolic Urethane Amine ColdBox system, Foundry Management and Technology
98, 1995; G. S. Cole, R. M. Nowicki, Sand Cores and Their Removal
From Aluminium Semipermanent Molded Castings, Trans. Amer. Foundrym.
Soc. 87, 1979; I. Bindernagel, Formstoffe und Formverfahren in der
Gießereitechnik,
VDG-Tschenbuch 12, Giesserei – Verlag,
Düsseldorf
1983; D. Boenisch, J. Nitsche, W. Patterson, Eigenschaften harzgebundener
Formstoffe, Aluminium 46, (3), 1970).
Insbesondere
für Aluminium-Feinguss
existiert ein Bedarf an mechanisch und thermisch stabilen Kernen,
die sich leicht aus dem Gussstück
entfernen lassen. Das Verfahren des Feingusses von Aluminiumlegierungen
beinhaltet hierbei besondere Probleme, die bei der Entwicklung eines
Kernwerkstoffes berücksichtigt
werden müssen:
- 1. Die keramischen Formen sind regelmäßig aus einem
Stück,
selten mehrfach geteilt;
- 2. das Wachsmodell wird im Heißdampfautoklaven entfernt;
- 3. die keramische Formschale wird bei 800 bis 950 °C gebrannt.
Gegenstand
der
EP 1 077 097 B1 beschreibt die
Verwendung von hochporösen,
offenporigen Kunststoff/Kohlenstoff-Aerogelen erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation
als Kernwerkstoff im Formguss.
DE 102 16 464 B4 beschreibt
Kernwerkstoffe für
den Fein- und Formguss von Metallen und Metalllegierungen, ein Verfahren
zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Kern im Fein- und
Formguss. Hierbei werden insbesondere neue Bindemittelkomponenten
für die
Sande eingesetzt.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es Kerne für den Fein- und/oder Formguss
herzustellen, die
- 1. thermisch stabil sind,
das heißt
Temperaturen bis ca. 900°C
aushalten,
- 2. mechanisch stabil sind, das heißt sich bei den üblichen
Gießereitemperaturen
nicht verändern,
- 3. chemisch inert gegenüber
den eingesetzten Metallen oder Metalllegierungen wie beispielsweise
Aluminium, Magnesium und Titan sind,
- 4. umweltfreundliche Materialen während des gesamten Herstellprozesses
verwenden und
- 5. aufgrund ihrer Eigenschaften sich möglichst rückstandsfrei aus dem Gussteil
entfernen lassen.
Die
vorliegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch
einen mechanisch und thermisch stabilen Kern für den Leichtmetall- und/oder
den Feinguss, wobei der Kern hydrophiles Aerogelgranulat, Sand und
Bindemittel enthält.
Erfindungsgemäß werden
die Aerogele als teilweiser Ersatz des Sandes eingesetzt.
Die
Erfindung beruht insbesondere auf einer Kombination von klassischen
Gießereisanden
und hydrophilen Aerogelgranulaten. Das anorganische Gemisch aus
Sand und Aerogelgranulat wird beispielsweise mit verschiedenen Wasserglassorten
gebunden. Nach der Trocknung wird der Kern mit kochendem Wasser übergossen.
Nach einer Dauer von Sekunden bis Minuten zerfällt der ursprünglich feste Verbund
vollständig.
Die Kernreste können
ohne weiteren mechanischen Aufwand aus dem Gussstück entnommen
werden. Es ist jedoch zu beachten, dass ein höherer Wasserglasbindemittelgehalt
zu einem exponentiellen Anstieg der Zerfallsdauer führt.
Aerogele
im Sinne der Erfindung umfassen kolloidale Substanzen, die geliert
und getrocknet werden. Sie haben eine geringere Dichte und hohe, offene
Porosität.
Sie bestehen nur zu circa einem bis fünfzehn Prozent aus einem Feststoff,
während
der Rest ihres Volumens durch das sie umgebende Gas bzw. auch Vakuum
ausgefüllt
wird, das heißt
sie besitzen eine hohe Oberfläche
(bis zu 1000m2/g). Anorganische Aerogele
sind üblicherweise
von sich aus hydrophil Aerogele gelten als eines der leichtesten Materialien
und der besten Wärmeisolatoren.
Erfindungsgemäß soll ein
hydrophiles Aerogel in Form eines Granulats als weiterer Formgrundstoff
eingesetzt werden. Aerogelgranulate werden insbesondere durch das
Mahlen von Aerogelmonolithen gewonnen. Hydrophil bedeutet wasserliebend, d.h.
das eingesetzte Aerogelgranulat zeigt eine ausgeprägte Wechselwirkung
mit polaren Lösemitteln wie
Wasser. So haben die eingesetzten hydrophilen Aerogelgranulate einen
Benetzungswinkel mit Wasser kleiner als 10°.
Besonders
bevorzugt umfasst das hydrophile Aerogelgranulat Silika-Aerogelen, da sie
nicht von flüssigen
Metallen benetzt oder chemisch angegriffen werden. Silika-Aerogele
sind Metallschmelzen gegenüber
chemisch inert. Ihr Sinterpunkt liegt bei etwa 1050 °C. Zudem
sind sie unbrennbar und ungiftig.
Es
gibt verschiedene Arten von Aerogelen, wobei die auf Silikatbasis
(Silika-Aerogel) handelsüblich
sind. Aerogele auf Kunststoff- oder Kohlenstoffbasis haben eine
Bedeutung für
Spezialanwendungen. Auch Aerogele auf Metalloxidbasis sind bekannt.
Erfindungsgemäß können diese
Aeogelgranulate auch eingesetzt werden, wenn die Oberfläche durch
entsprechende Behandlung hydrophil im Sinne der Erfindung ist.
Vorteilhafterweise
sollte das Aerogelgranulat eine Korngröße in der Größenordnung
des Sandes aufweisen, da beide als Formgrundstoffe verwendet werden
und eine optimale Durchmischung gleich großer Partikel einfacher durchzuführen ist.
Als
Sande können
unter anderem die in Deutschland handelsüblichen Quarz-Neusande folgender
Herkunft mit folgender mittlerer Korngröße in mm verwendet werden:
- • Dorsten
0,84 mm (Sorte DO20), 0,56 mm (DO30), 0,39 mm (DO40), 0,13 mm (DO110);
- • Frechen
0,32 mm (Sorte F31), 0,23 mm (F32), 0,22 mm (F33), 0,20 mm (F34),
0,18 mm (F35), 0,16 mm (F36)
- • Gambach
0,37 mm (Sorte G30), 0,29 mm (G31), 0,23 mm (G32), 0,21 mm (G33),
0,19 mm (G34),
- • Haltern
0,36 mm (Sorte H31), 0,32 mm (H32), 0,26 mm (H33), 0,21 mm (H34)
und 0,19 mm (H35)
Alternativ
zu den eingesetzten Quarzsanden können auch Korundsande ähnlicher
Größenordnung
(0,1 bis 0,9 mm) eingesetzt werden.
Der
Sandanteil kann 83 bis 95 Gew.-% betragen, der Bindemittelanteil
und der Aerogelgranulatanteil addiert sich entsprechend auf 100
Gew.-%. Insbesondere
beträgt
der Bindemittelanteil 2 bis 10 Gew.-%. Der Anteil an Aerogelgranulat
beträgt
vorzugsweise 2 bis 6 Gew.-%.
Die
oben gezeigten Quarzsande sind Neusande, tatsächlich werden diese in Gießereien
nur in geringem Maße
den „Altsanden" zugesetzt. Altsand ist
der beim Ausleeren der Gussstücke
aus den Formen anfallende Sand, welcher nach entsprechender Kühlung und
Neuaufbereitung der Formerei wieder zugeführt wird. Die Neuaufbereitung
hat zwei Aufgaben zu erfüllen:
Die Reinigung des Quarzkornes von anhaftenden Bindemitteln und die
Entfernung staubförmiger
Bestandteile.
Bei
diesem Prozess werden noch vorhandene Agglomerate mechanisch zerkleinert
und so die Bindemittelhüllen
teilweise von den Quarzkörnern entfernt.
Bei diesem Prozess erfährt
die ursprünglich eher
abgerundete Oberfläche
des Sandkornes eine Veränderung.
Von rund wird sie zu splitterig. Diese Kornform ist wichtig für den Prozess
der Formstoffbindung, auf diese Weise wird gewährleistet, dass nur ein vergleichsweise
geringer Bindemittelanteil gebraucht wird.
In
einer Ausführungsform
werden als Bindemittel Wasserglas und/oder Aerogelvorprodukt zur Bindung
von Aerogelgranulat und Sand eingesetzt. Die Verwendung von viskosem
wässrigen
Wasserglas hat den Vorteil, dass dieses als Massenprodukt erhältlich ist
und dieses sich als Formstoffbindemittel eignet. Möglich ist
auch die Verwendung von Vorprodukten für die Aerogelherstellung um
einen Kern mittels des Verfahrens nach
DE 102 16 464 B4 herzustellen.
Hierbei sollten insbesondere Silica-Aerogelvorprodukte wie Tetraethoxysilan
(TEOS) oder TEOS-Formamidmischungen mit Lösemitteln wie Wasser und/oder
Ethanol als Bindemittel eingesetzt werden, da die entstandenen Silika-Aerogele sich durch
gut benetzende Fluide leicht zerstören lassen.
Bei
einer weiteren Ausführungsform
enthält die
Mischung einen Sandanteil von 83 bis 95 Gew.-%, wobei hier 1 bis
20 Gew.-% Neusand und 80 bis 99 Gew.-% Regenerat (Kreislaufformstoff,
d.h. gereinigter wiederverwendeter Sand) verwendet wird.
Erfindungsgemäß hat es
sich als sinnvoll erwiesen folgende Schritte durchzuführen:
- 1. Mischung des Aerogelgranulats mit Sand und Bindemittel,
- 2. Einbringung der Mischung in eine Negativform des Kerns,
- 3. Verdichtung der eingebrachten Mischung in der Negativform,
- 4. Trocknung der verdichteten Mischung und
- 5. Kernentnahme aus der Negativform.
Die
Verdichtung wird beispielsweise durch Kernschießen, Rütteln, Klopfen und Stampen
vorgenommen. Für
die Trocknung haben sich Temperaturen von 20°C bis 80°C als besonders geeignet herausgestellt.
Die Dauer der Trocknung beträgt
vorzugsweise wenige Sekunden bis Minuten.
Die
erfindungsgemäßen anorganischen
Kerne können
in der Gießereiindustrie
insbesondere im Leichtmetall- und/oder Feinguss verwendet werden, wo
speziell bei filigranen Gussstrukturen leicht herauszulösende Kerne
gefordert sind.
Nach
dem Gießprozess
kann der Kern durch ein ihn benetzendes Fluid entfernt werden. Dies
ist insbesondere von Vorteil, da hier sich der Kern durch das ihm
benetzende Fluid rückstandsfrei
zersetzt.
Insbesondere
eignen sich hierbei gut benetzende Fluide wie Wasser. Die Benetzbarkeit
bezeichnet die Fähigkeit
von Flüssigkeiten,
sich auf einer Oberfläche
auszubreiten; je besser die Benetzbarkeit, umso kleiner ist der
bei der Benetzung auftretende Kontaktwinkel. Oberflächen werden
auch als (unvollständig)
benetzbar bezeichnet, wenn der Kontaktwinkel mit der Oberfläche von
bis zu 90° beträgt. Je höher die
Temperatur des benetzenden Fluids ist, desto besser lassen sich
die Kerne entfernen. Besonders bevorzugt sind daher Fluide mit einer
Temperatur von 30 bis 100 °C.
Hier wird ausgenutzt, dass Silica-Aerogele durch gut benetzende Flüssigkeiten (beispielsweise
kochendes Wasser) leicht zerstört werden
können.
In
einer weiteren Ausführungsform
kann der Kern durch alkoholische Fluide oder kurzkettigen Alkohole
mit einer Kettenlänger
mit bis zu sechs C-Atomen zerstört
werden. Um die Brandgefahr zu vermeiden, sollten nicht brennbare
Alkoholmischungen eingesetzt werden.
Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird beispielsweise dadurch gelöst,
dass Quarzsande oder Korundsande mit hydrophilem Aerogelgranulat
(z.B. Firma Airglass in Schweden) gemischt werden und mit Wasserglas
in unterschiedlichen Mengenanteilen gebunden werden. Nach der Trocknung
kann die Probe als Kern für
den Leichtmetall- und/oder Feinguss eingesetzt werden. Nach Abkühlen der
Probe kann der Kern durch ein heißes Fluid (beispielsweise kochendes
Wasser) entfernt werden. Nach einer Dauer von Sekunden oder Minuten
zerfällt
der Kern vollständig.
Die Kernreste können
ohne weiteren mechanischen Aufwand aus dem Gussstück entfernt werden.
Die
hier dargestellten Ausführungsbeispiele zielen
auf einen vollständigen
Zerfall des Kerns bei Zugabe von kochendem Wasser, auf eine thermische Stabilität (> 1000°C) und auf
den geringst möglichen Bindemittelanteil.
Die
Biegefestigkeiten der erhaltenen Aerogelgranulat-Quarzsand-Wasserglas-gebundenen Formsande
liegen zwischen 1 und 3 MPa, bei einer Dichte von ca. 1,5 g/cm3, d.h. die Dichte wird durch den Quarzsand
bestimmt und einer Spezifischen Oberfläche im Bereich von 4 bis 8,
insbesondere 6m2/g.