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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen für
Gießformen zum Gießen von Gussteilen aus einer
Metallguss-Schmelze, bei dem ein Formstoff, der aus einem sandartigen Grundstoff
und einem organischen Binder gemischt ist, in einen Formkasten gegeben
wird und bei dem anschließend ein schwefelhaltiges Gas,
insbesondere SO2-Gas, durch den in die Form
gefüllten Formstoff geleitet wird, um den Binder auszuhärten,
so dass ein formstabiles Formteil erhalten wird.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung eine Gießform zum Gießen
von Gussteilen aus einer Metallschmelze mit mindestens einem durch
Begasen von einem in einen Formkasten gegebenen, aus einem sandförmigen
Grundstoff und einem organischen Binder gemischten Formstoff mit
einem schwefelhaltigen Gas, insbesondere einem SO2-Gas,
ausgehärteten Formteil.
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Schließlich
betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Gießen von
Gussteilen aus einer Metallguss-Schmelze, wobei dieses Verfahren
die Herstellung eines Formteils durch Begasen eines in einen Formkasten
gefüllten, aus einem sandartigen Formstoff und einem organischen
Binder gemischten Formstoffs, und das Eingießen der Metallguss-Schmelze
in eine unter Verwendung eines solchen Formteils gebildeten Gießform
umfasst.
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Bei
den Gießformteilen der voranstehend angegebenen Art handelt
es sich in der Praxis typischerweise um so genannte "Gießkerne",
mit denen am zu gießenden Gussteil Hohlräume,
wie Kanäle, Höhlungen etc., oder Ausnehmungen
mit Hinterschneidungen und vergleichbare komplexe Formgebungen abgebildet
werden. Beim Entformen des fertig erstarrten Gussteils aus der jeweiligen
Gießform werden die betreffenden Gießformteile
zerstört. Dabei zerfallen sie in rieselfähige
Einzelteile, die sich mechanisch, beispielsweise durch Rütteln,
oder mit Hilfe einer Spülflüssigkeit aus dem Gussteil
befördern lassen.
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Gießkerne
dieser Art werden sowohl in Gießformen verwendet, deren äußere
Teile als feste Dauerformen ausgeführt sind, als auch in
so genannten "verlorenen Gießformen". Bei verlorenen Gießformen
sind nicht nur die Gießkerne, sondern auch die äußeren,
den das Gussteil außen umgrenzenden Formteile aus Formstoff
hergestellt und werden dementsprechend bei der Entformung des jeweiligen Gussteils
ebenfalls vollständig zerstört.
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Es
sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, verlorene Formteile
(Gießkerne und äußere Formteile) für
Gießformen herzustellen. Dabei wird unterschieden zwischen
den so genannten "Coldbox-Verfahren" und den "Hotbox-Verfahren".
Während die Hotbox-Verfahren auf der Verwendung von einen
anorganischen Binder enthaltenden Formstoffen beruhen, ist den "Coldbox-Verfahren"
gemeinsam, dass der aus einem Formsand und einem organischen Binder
gemischte Formstoff nach dem Einfüllen in den das jeweils
herzustellende Formteil abbildenden Formkasten mit einem Gas begast
wird. Das dabei durch den Formstoff tretende Gas reagiert chemisch
mit dem jeweiligen Binder und bewirkt so dessen Aushärtung.
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Eine
Variante des Coldbox-Verfahrens ist das SO2-Verfahren.
Bei diesem Verfahren ist der jeweils verarbeitete Formstoff aus
einem Formsand und einem Harzbinder gemischt, bei dem es sich beispielsweise
um einen Furan-Phenol- oder einen Epoxyharz-Binder handeln kann.
Während des Begasens eines derart zusammengesetzten Formstoffs mit
SO2 härtet der jeweilige Harzbinder
durch Reaktion mit der Schwefelsäure aus, die sich aus
Schwefeldioxid, Sauerstoff und Wasser bildet.
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Das
SO2-Verfahren wird in der Praxis in großem
Umfang eingesetzt, da die mit Schwefeldioxid verfestigbaren Formstoffe
im unverfestigten Zustand eine gute Fließfähigkeit
und damit einhergehend ein besonders gutes Formfüllungsvermögen
besitzen. Daher sind diese Formstoffe besonders zur Herstellung
von filigran geformten Außenteilen und Kernen für
Gießformen geeignet. Darüber hinaus sind die mit Schwefeldioxid
verfestigbaren Formstoffe ohne besondere Vorkehrungen lange haltbar
und weisen nach der Begasung mit dem Schwefeldioxid-Gas eine hohe
Formstabilität auf.
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Praktische
Erfahrungen beim Vergießen von Gusseisen in Gießformen,
die im SO2-Verfahren hergestellt sind, zeigen
allerdings, dass die dabei erhaltenen Gussteile häufig
unerwünschte Entartungen des in dem Gussteil gebildeten
Grafits aufweisen. Diese Beobachtung betraf insbesondere Gusstücke, die
aus einer magnesiumbehandelten Eisenguss-Schmelze gegossen worden
sind.
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Wie
im Einzelnen beispielsweise in der
EP 1 752 552 B1 beschrieben, kann Gusseisen
unmittelbar vor dem Eintritt in die Gießform oder noch
in der Gießform selbst einer Magnesiumbehandlung unterzogen
werden. Das bei diesem auch als "Impfen" bezeichneten Vorgang zugeführte
Magnesium bildet mit anderen Bestandteilen des Gusseisens oder mit ebenfalls
zusätzlich zugeführten Elementen Verbindungen,
die als Keime für die Entstehung der jeweils gewünschten
Grafitform dienen. So lassen sich durch geeignete Zugaben von Magnesium
optimierte Gießergebnisse bei der Erzeugung von Kugelgrafit ("GJS"),
bei dem der Grafit in einer kugeligen Gestalt vorliegt, oder Vermiculargrafit
("GJV") erzeugen, bei dem der Grafit würmchenartig vorliegt.
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Gusseisen
mit Kugelgrafit besitzt typische Festigkeiten von 350 MPa bis 1000
MPa, während die Festigkeit von Gusseisen mit Vermiculargrafit
im Bereich von 350 MPa bis 500 MPa liegt. Der besondere Vorteil
von Vermiculargrafit besteht dabei in einer günstigen Kombination
aus hoher Festigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit
sowie gutem Dämpfungsverhalten. Gusseisen mit lamellenförmig
vorliegendem Grafit ("GJL") weist dagegen Festigkeiten im Bereich
von 150 MPa bis 350 MPa auf.
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An
Gussteilen, die aus GJS oder GJV bildenden magnesiumbehandelten
Eisenguss-Schmelzen in Gießformen mit SO2-gehärteten
Außenteilen oder Gießkernen gegossenen Gussteilen
hergestellt wurden, wurde beobachtet, dass der Grafit in lokal begrenzten,
oberflächennahen Abschnitten nicht in der erwarteten Kugel-
oder Vermicular-Gestalt vorlag, sondern in Lamellenform. Diese Abweichung
von der eigentlich angestrebten Ausbildung des Grafits führt zu
lokal stark abweichenden Eigenschaften des Gussteils, wodurch gerade
die Qualität von dünnwandigen Bauteilen stark
beeinträchtigt werden kann.
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Vor
diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, Möglichkeiten
aufzuzeigen, mit denen sich bei Gießformen, die nach dem
SO2-Verfahren hergestellt sind, die Gefahr
des Auftretens von lokalen Gefügeentartungen auf ein Minimum
reduzieren lässt.
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Die
durch die Erfindung gelieferte Lösung dieser Aufgabe besteht
in den in den Ansprüchen 1, 10 und 17 angegebenen Varianten,
wobei Anspruch 1 ein Verfahren zum Herstellen einer Gießform,
Anspruch 10 eine Gießform und Anspruch 17 ein Verfahren
zum Gießen von Gussteilen betreffen.
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Den
in den genannten Ansprüchen angegebenen Varianten der Erfindung
liegt der Gedanke zugrunde, mindestens die Fläche eines
aus einem sandartigen Grundstoff und einem organischen Binder gemischten
und durch Begasung mit schwefelhaltigem Gas, insbesondere SO2-Gas, gehärteten Gießformteils,
die beim Eingießen der Metallguss-Schmelze in die unter
Verwendung des Formteils zusammengesetzte Gießform mit
der Metallguss-Schmelze in Berührung kommt, mit einer einen nicht
flüchtigen Sulfidbildner enthaltenden Beschichtung zu versehen.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei den im Stand der
Technik eingesetzten, unter Verwendung von SO2-Gas
gehärteten Gießformteilen in Folge der mit dem
Eingießen der heißen Schmelze einhergehenden Erwärmung
schwefelhaltige Dämpfe oder Gase aus den Gießformteilen
austreten und in Richtung des von der Gießform umschlossenen
Formhohlraums drängen. Dort treffen sie auf das in den
Formhohlraum gefüllte Gussmetall und reagieren mit den
in ihm enthaltenen Bestandteilen.
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Diese
Reaktionen führen beispielsweise bei magnesiumbehandelten
Eisengussschmelzen zur Entstehung von oberflächennah sich
ansammelndem Magnesiumsulfid. Das auf diese Weise gebundene Magnesium
kann im Gusseisen dann nicht mehr seine keimbildende Wirkung entfalten
mit der Folge, dass nicht die gewünschte Grafitform entsteht, sondern
eine entartete, deutlich schlechtere mechanische Eigenschaften bedingende
Grafitform.
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Bei
einer aus erfindungsgemäß beschichteten Teilen
zusammengesetzten Gießform ist die Gefahr des Unwirksamwerdens
bestimmter Bestandteile des jeweils vergossenen Gussmetalls durch
die auf die kritischen Flächen des jeweiligen Gießformteils
aufgetragene, einen Sulfidbildner enthaltende Beschichtung gebildet.
Auf diese Weise trifft das aus dem Gießformteil drängende
schwefelhaltige Gas auf die erfindungsgemäß beschaffene
Beschichtung und reagiert mit dem in ihr enthaltenen Sulfidbildner zu
einem Sulfid. In diesem gebundenen Zustand ist der Schwefel gegenüber
der jeweils vergossenen Metallschmelze wirkungslos.
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Mit
der Erfindung ist es somit auf einfache Weise möglich,
auch in Gießformen, die unter Verwendung von nach dem SO2-Verfahren hergestellten Gießformteilen
zusammengesetzt sind, hochwertige Gussteile zu erzeugen, bei denen
die Gefahr des Auftretens von lokalen Gefügeentartungen
auf ein Minimum reduziert ist.
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Praktische
Versuche haben dabei ergeben, dass sich die Erfindung insbesondere
im Zusammenhang mit dem Vergießen von Kugel- oder Vermiculargrafit
bildenden Eisenguss-Schmelzen positiv auswirkt. So konnte gezeigt
werden, dass es nach dem Auftrag der erfindungsgemäß zusammengesetzten Beschichtung
auf die mit der jeweils vergossenen Eisenguss-Schmelze in Kontakt
kommenden Flächen der Gießform auch dann zu keinen
Gefügeentartungen kommt, wenn die Eisenguss-Schmelze vergleichbar
hohe Magnesium-Gehalte in Folge einer Behandlung mit einem magnesiumhaltigen
Impfmittel unterzogen worden ist.
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Als
besonders praxisgerecht hat sich in diesem Zusammengang herausgestellt,
wenn die in erfindungsgemäßer Weise auf das jeweilige
Gießformteil aufgetragene Beschichtung als Sulfidbildner
ein Alkalicarbonat oder Erdalkalicarbonat enthält. In praktischen
Versuchen besonders bewährt haben sich erfindungsgemäß aufgetragene
und beschaffene Beschichtungen, wenn sie Calciumcarbonat (CaCO3) enthielten, das mit dem Schwefel zu CaS
reagiert.
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Die
aus den Alkali- bzw. Erdalkalicarbonaten gebildeten Sulfide verhalten
sich insbesondere dann, wenn als Gussmetall eine Eisenguss-Schmelze
vergossen wird, einerseits neutral und binden andererseits den aus
dem Formstoff während des Gießvorgangs ausgasenden,
in Richtung des Formhohlraums der jeweiligen Gießform vordrängenden Schwefel,
so dass dieser keinen Einfluss mehr auf die Bestandteile der jeweils
vergossenen Metallschmelze ausüben kann.
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Denkbar
ist es auch, wenn die erfindungsgemäß aufgetragene
Beschichtung als Sulfidbildner ein Alkalihydrogencarbonat, z. B.
Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3), enthält.
Diese Stoffe bilden mit dem aus dem Gießformteil austretenden
Schwefel ebenfalls Sulfide, wie beispielsweise Na2S
und verhindern so, dass der Schwefel mit einem Bestandteil des jeweils
vergossenen Gussmetalls reagieren kann.
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Des
weiteren kann es sich bei dem in einer erfindungsgemäßen
Beschichtung enthaltenen Sulfidbildner um Amoniumcarbonat oder Amoniumhydrogencarbonat
handeln. Diese Stoffe bilden mit Schwefel Amoniumsulfide.
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Grundsätzlich
ist es vorteilhaft, wenn die mit der jeweiligen Metallschmelze in
Berührung kommenden Flächen aller im SO2-Verfahren erzeugten Gießformteile
in der erfindungsgemäßen Weise beschichtet werden.
Bei vollständig als verlorene Form ausgebildeten Gießformen
bezieht dies also auch die Außenteile der Gießform
ein, durch die der Formhohlraum der Gussform an seinen Außenseiten
umgrenzt wird. Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung jedoch
dann aus, wenn es sich bei dem erfindungsgemäß beschichteten
Gießformteil um einen Gießkern handelt. Solche
Gießkerne werden in der Regel vom in die Gießform
eingegossenen Metall im Wesentlichen vollständig umgeben,
so dass das aus dem Kern austretende Gas das anliegende Gussmaterial
stark penetriert.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine
Gießform im ungefüllten Zustand in einem Querschnitt;
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2 die
Gießform im gefüllten Zustand.
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Die
Gießform 1 zum Gießen eines Gussteils G
aus einer magnesiumbehandelten Eisenguss-Schmelze, bei dem es sich hier
um eine Bremsscheibe handelt, weist ein unteres äußeres
Formteil 2 und ein oberes, auf dem unteren Formteil 2 aufliegendes
und dieses abdeckendes äußeres Formteil 3 auf.
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In
das Formteil 2 ist von seiner dem oberen Formteil 3 zugeordneten
Fläche her ein Formhohlraum 4 eingeformt, der
die äußeren Umfangsflächen, die äußere
Stirnfläche des Topfes sowie die der äußeren
Stirnfläche des Topfes zugeordnete Reibfläche des
Reibrings des zu erzeugenden Bremsscheiben-Gussteils G abgrenzen.
Die andere Reibfläche des Reibrings sowie die Innenumfangsflächen
des Topfes des Gussteils G werden durch einen Gießkern 5 abgebildet,
der in den Formhohlraum 4 eingesetzt ist.
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An
den Gießkern 5 sind sternförmig um seinen
Umfang in gleichen Winkelabständen verteilte Vorsprünge 6 angeformt,
die in den für den Reibring des zu gießenden Gussteils
G vorgesehenen ringförmigen Abschnitt des Formhohlraums 4 reichen
und mit ihren freien Enden in entsprechend geformte, hier im Einzelnen
nur angedeutete Aufnahmen des unteren Formteils 2 sitzen.
Die Vorsprünge 6 bilden im Gussteil G radial von
der Innenseite von dessen Topf zur äußeren Umfangsfläche
des Reibrings führende Kühlkanäle aus.
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Die äußeren
Formteile 2, 3 und der Gießkern 5 mit
seinen einstückig mit ihm verbundenen Vorsprüngen 6 sind
aus einem Formstoff hergestellt, der aus einem sandförmigen
Formgrundstoff und einem sich mit dem Formgrundstoff vermischenden
organischen Harzbinder besteht. Zur Herstellung der Formteile 2, 3 und
des Gießkerns 5 mit den Vorsprüngen 6 ist
dieser Formstoff in an sich bekannter Weise in jeweils einen hier
nicht gezeigten Formkasten gefüllt und verdichtet worden.
Anschließend ist der in den Formkasten gefüllte
Formstoff mit SO2-Gas begast worden. Dabei
ist es zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Harzbinder und
dem Schwefeldioxid-Gas gekommen, durch den der Harzbinder ausgehärtet
ist.
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Nach
Abschluss der Aushärtung sind die so erhaltenen formstabilen
Gießformteile (äußere Formteile 2, 3 und
Gießkern 5 mit seinen Vorsprüngen 6) auf
ihren mit der Schmelze in Berührung kommenden Flächen
(Innenflächen des Formhohlraums 4, Außenflächen
des Gießkerns 5 und seiner Vorsprünge 6 sowie
den Formhohlraum 4 abdeckende Abschnitte der dem unteren
Formteil 2 zugeordneten Fläche des oberen äußeren
Formteils 3) mit einer in Form einer Schlichte aufgetragenen
Beschichtung 7, 8, 9 beschichtet worden,
die als Sulfidbildner Calciumcarbonat enthielt.
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Zur
Herstellung des Gussteils G wird das unmittelbar vor dem Eintritt
in die Gießform 1 mit Magnesium behandelte Gusseisen über
nicht dargestellte Speiser in die Gießform 1 gegossen
und fließt über ebenfalls nicht dargestellte Kanäle
in den Formhohlraum 4, bis dieser vollständig
mit Gusseisen gefüllt ist.
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Einhergehend
mit dem Eintritt des Gusseisens in die Gießform 1 kommt
es zu einer starken Erwärmung der mit dem Gusseisen in
Kontakt kommenden Bereiche der Gießform 1. In
Folge dieser Erwärmung aufgrund von in den Gießformteilen 2, 3 und 5 unvermeidbar
vorhandener Restfeuchte sich bildende schwefelhaltige Dämpfe
breiten sich daraufhin in der Gießform 1 aus und
drängen dabei auch in Richtung des Formhohlraums 4.
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Dort
treffen sie auf die CaCO3 als Sulfidbildner
enthaltende Beschichtung 7, 8, 9. Der
Schwefel reagiert daraufhin mit dem CaCO3 zu
CaS und wird in der Beschichtung 7 gebunden. Die Penetration
des in den Formhohlraum gefüllten Gusseisens mit Schwefel
ist auf diese Weise wirkungsvoll unterbunden, so dass das Gusseisen über
sein gesamtes Volumen unter Ausbildung der gewünschten
Grafitform gleichmäßig erstarren kann. Die Gefahr
der Entstehung entarteten Grafits besteht damit nicht mehr.
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- 1
- Gießform
- 2
- unteres äußeres
Formteil der Gießform 1
- 3
- oberes äußeres
Formteil der Gießform 1
- 4
- Formhohlraum
- 5
- Gießkern
- 6
- Vorsprünge
- 7,
8, 9
- einen
Sulfidbildner enthaltende Beschichtung
- G
- Gussteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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