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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Metallteils nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft weiterhin
einen Gießkern
aus Metall zur Verwendung bei einem solchen Verfahren nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 5.
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Zur
Darstellung von Hohlräumen
in gegossenen Metallteilen werden Kerne verwendet, welche in das
Gießwerkzeug
oder in die Sandform eingelegt werden. Beim Schwerkraftgießen, wie
beispielsweise Sand-, Fein-, Kokillenguss oder Lost Foam Gießen, werden
dabei in der Regel ton-, harz- oder anorganisch gebundene Sandkerne
verwendet, welche nach Erstarren des Gussteiles thermisch oder mechanisch
zerstört
werden können.
Dadurch können auch
Hinterschnitte in Hohlräumen
des Gussteiles dargestellt werden. Durch Ausgasen der ton-, harz- oder
anorganisch gebundenen Sandkerne kann jedoch im Bereich des Sandkerns
die Werkstoffqualität des
Gussteiles durch erhöhte
Gussporosität
beeinträchtigt
werden. Weitere Nachteile sind dabei die geringe Oberflächengüte und die
begrenzte Maßhaltigkeit
des durch den Sandkern abgebildeten Hohlraums. Auch die vollständige Entfernung
von Restsand aus dem Gussteil kann insbesondere im Fall besonders
filigran gestalteter Kerne problematisch sein.
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Bei
Druckgussverfahren ist weiterhin oft die Festigkeit von Sand- oder
Salzkernen nicht ausreichend, um den hohen Prozessdrücken von
bis zu 800 bar in der Nachverdichtungsphase standzuhalten. In solchen
Fällen
werden oft Dauerformkerne in Form von Stahlschiebern verwendet,
mit welchen allerdings nur Hohlräume
und Außenkonturen
ohne Hinterschnitt darstellbar sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Gießen
von Metallteilen bereitzustellen, mit welchem Hohlräume mit
Hinterschnitt, insbesondere auch bei Druckgussverfahren, darstellbar
sind und welches eine hohe Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit der Hohlräume gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Gießen
eines Metallteils wird in ein Gießwerkzeug ein Gießkern eingelegt,
der aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist, wobei
der metallische Gießkern
eine geringere Schmelztemperatur aufweist wie dass abzubildende
Gussteil und eine wärmeisolierende
Ummantelung aufweist. Nach Befüllen
des Gießwerkzeugs
mit einer Metalllegierung und deren Erstarren wird der Gießkern aus
Metall in der Folge ausgeschmolzen oder alternativ auch thermisch
versprödet
und anschließend
mechanisch zerstört.
Es versteht sich, dass unter dem Begriff Gießwerkzeug sowohl Dauergießformen,
wie sie beim Druckgießen
Verwendung finden, als auch Sandformen, wie sie beim Schwerkraftgießen Verwendung finden,
und sämtliche
weiteren üblichen
Gießformen zu
verstehen sind.
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Ein
derartiger Gießkern
aus Metall hält
auch dem Prozessdruck beim Gießen,
insbesondere bei Druckgussverfahren, Stand, ohne dabei durch die wärmeisolierende
Ummantelung an- oder aufzuschmelzen. Vorteilhafterweise ist der
Gießkern
einfach und vollständig
aus dem gewünschten
Hohlraum des Gussteils entfernbar, und gewährleistet durch die wärmeisolierende
Ummantelung, vorzugsweise eine keramische Ummantelung, eine hohe Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit
des umgossenen Hohlraums. Da eine Entfernung des Gießkerns aus
Metall durch Ausschmelzen oder mechanischem Zertrümmern des
durch den Temperatureintrag beim Abguss oder durch eine separate
Wärmebehandlung versprödeten Metallkerns
möglich
ist, können
mit solchen Gießkernen
auch Hohlräume
mit Hinterschnitten dargestellt werden, was mit Dauerformkernen nicht
möglich
ist. Ein erfindungsgemäßer Gießkern aus
Metall ist dabei vorteilhafterweise auf sehr einfache und konventionelle
Art herstellbar. Insbesondere eignet sich dazu die Herstellung mittels
gebräuchlicher
Umform- und Urformverfahren wie Schmieden, Strangpressen oder Gießen, z.
B. Gießen
mit Dauerguss-, Sand- oder Gipsformen, Feingussverfahren aber auch
eine Herstellung durch mechanische Bearbeitung, wie beispielsweise
mechanische Zerspanung, ist denkbar.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird für
den Gießkern
eines der folgenden Metalle oder Legierungen verwendet: Li, LiAl10, LiMg40,
MgLi30, Zn, ZnAl4, ZnAl4Cu1, ZnAl4Cu3, ZnAl6Cu, ZnAl4Cu1Mg0,5, ZnMg3,
Sn, SnSb17Cu3, SnPb24Sb13Cu3, SnPb34Sb13Cu3, SnPb36, SnPb38Cu2,
SnAg4Cu1, SnZn10, SnMg10, Pb, Bi, Cd, Sb. Für Gussteile aus hoch schmelzendem Gusseisen,
Stahl oder Buntmetall sind auch Kerne aus Aluminium, Magnesium oder
entsprechenden Al- oder Mg-Legierungen,
wie beispielsweise AlSi12, AlMg5, MgAl3Zn1, MgAl6Zn1, MgAl9Zn1,
MgAl6Mn oder MgAl5Mn, verwendbar.
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Alle
diese Metalle oder Legierungen weisen günstige Eigenschaften auf, welche
sie besonders geeignet zur Verwendung in Gießkernen für das erfindungsgemäße Verfahren
macht. In allen Fällen
ist ein Ausschmelzen des Gießkerns
nach Fertigstellung des Gussteiles möglich. Zink, Zinn und deren Legierungen
können
weiterhin durch eine Temperaturbehandlung oder schon infolge des
Temperatureintrags beim Abguss des Bauteils zu einem allotropen
Strukturübergang
gebracht werden, welcher in einer spröderen Gesamtstruktur resultiert
und so ein mechanisches Zertrümmern
des Metallkerns ermöglicht,
um den Kern aus dem Gussteil zu entfernen. Auch bietet erfindungsgemäß die Verwendung
von Zn-, Al- oder Sn-Werkstoffen
für Gießkerne im
Fall eines Kernausschmelzens den Vorteil, dass der Hohlraum des
Gussteils mittels einer verbleibenden dünnen Zn-, Al- oder Sn-Schicht
vor Korrosion geschützt wird.
Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Kühlkanälen in einem Motorblock äußerst vorteilhaft.
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In
einer weiteren Ausführungsform
werden nach Zerstörung
des Kerns die Reste der keramischen Umhüllung von dessen Metallresten
abgetrennt. Dies ermöglicht
eine weitgehend verlustfreie Wiederverwendung der Metalle bzw. Legierungen des
Kerns zur Anfertigung neuer Kerne.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird die keramische Ummantelung des metallischen Gießkerns durch
Aufsprühen
oder Aufpinseln einer Keramikschlichte, oder auch durch Tauchen des
metallischen Kernkörpers
in ein Schlichtebecken aufgetragen. Nach dem Trocknen der Schlichte
auf dem Metallkern kann dieser in das Gießwerkzeug eingesetzt werden.
Die feinen Festkörperbestandteile üblicher
Schlichten ermöglichen
dabei den Erhalt einer hohen Oberflächengüte und Maßhaltigkeit des Kerns.
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Im
Folgenden soll die Erfindung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert werden.
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Um
ein Metallteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Gießen, wird
in einem ersten Schritt ein entsprechender Gießkern aus Metall hergestellt.
Dieser besteht aus einer niedrigschmelzenden Metalllegierung, deren
Schmelzpunkt unter der Liquidustemperatur des Gussteils liegt. Um
sicherzustellen, dass ein solcher Gießkern den Druck- und Temperaturverhältnissen
auch bei Druckgussverfahren Stand hält, wird der metallische Grundkörper des Gießkerns mit
einer wärmeisolierenden
keramischen Ummantelung versehen. Dies erfolgt nach im Wesentlichen
bekannten Verfahren, indem eine keramische Schlichte auf den metallischen
Grundkörper aufgesprüht oder
mit Pinsel aufgetragen wird. Das Aufbringen der Schlichte kann ebenfalls
durch Tauchen des metallischen Grundkörpers in einem Schlichtebecken
erfolgen. Hierzu können
keramische Schlichten auf Wasser- oder Alkoholbasis verwendet werden,
die beispielsweise Aluminiumsilikat-, Zirkon- oder Magnesiumsilikatpartikel
enthalten. Solche Schlichten werden üblicherweise auch beim Feinguss
oder Lost-Foam-Verfahren verwendet.
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Um
ein Ausgasen der Schlichte während
des Gusses zu vermeiden, muss die Schlichte vor dem Einsetzen des
Gießkerns
in das Gießwerkzeug
sorgfältig
getrocknet werden. Durch die feine Korngröße der keramischen Partikel
verbleibt eine hohe Oberflächengüte und Maßhaltigkeit
der Metallkerne. Die Kerne werden durch die so entstandene keramische Ummantelung
von den hohen Temperaturen während
des Gussvorgangs isoliert, und gleichzeitig mechanisch stabilisiert.
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Der
so vorbereitete Gießkern
aus Metall wird nun in ein Gießwerkzeug
eingesetzt, und mit dem gewünschten
Metall umgossen. Solche Kerne können sowohl
bei Schwerkraftgießverfahren,
wie dem Sand- oder Kokillenguss, als auch für Druckgussverfahren beispielsweise
für Aluminium-
oder Magnesiumlegierungen Verwendung finden. Nach Erstarren des
Gussteils muss der metallische Gießkern aus dem Gussteil entfernt
werden. Bei der Darstellung von Hohlräumen mit Hinterschnitten ist
eine direkte Kernentnahme nicht möglich. Der Kern muss daher zur
Entnahme aus dem Hohlraum zerstört
werden. Dazu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.
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Kerne
aus niedrigschmelzenden Reinmetallen wie Zink, Zinn, Blei, Bismut,
Antimon, Cadmium, Aluminium, Magnesium oder Lithium als auch entsprechender
Legierungen hieraus können
durch einfaches Ausschmelzen aus dem Werkstück entfernt werden. Bei der
Verwendung von Lithium oder Lithium-Magnesium-Legierungen muss dabei beachtet werden,
dass das Ausschmelzen unter Schutzgas erfolgen muss, um Abbrand
zu vermeiden. Idealerweise kann das Ausschmelzen des Kernes mit
thermischen Nachbehandlungsschritten für das Gussteil kombiniert werden.
So wird zum Beispiel Aluminiumdruckguss bei 200 bis 300°C stabilisierungsgeglüht oder
T5-wärmebehandelt,
Al-Gusslegierungen werden bei 480 bis 550°C lösungsgeglüht und Magnesiumdruckgusslegierungen
erfahren eine Homogenisierungsglühbehandlung
bei 300 bis 430°C.
Je nach verwendeter Legierung können
sich diese Temperaturbereiche zum Ausschmelzen oder zum thermischen
Zerstören
der Kerne eignen.
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Bei
Zink, Zinn oder deren Legierungen ist weiterhin eine thermische
Behandlung zur Festkörperversprödung des
Kerns möglich.
Zinn besitzt unter Normalbedingungen eine tetragonale β-Kristallstruktur
mit einer Dichte von 7,31 g/cm3, die unterhalb von
13,2°C in
eine kubische α-Diamantstruktur
mit einer Dichte von 5,75 g/cm3 (Zinnpest)
oder oberhalb 162°C
in rhomboedrisches γ-Kbrnerzinn
(Dichte: 6,54 g/cm3) umwandelt. Durch Aluminium-,
Zink-, Kobalt-, Mangan- oder Magnesiumzusatz zu Zinn und Zinnlegierungen
kann die β-α-Umwandlung
beschleunigt werden. D. h. wenn dass Gussteil mit dem Kern aus Zinn
oder Zinnlegierung nach Abguss auf unter 13,2°C z. B. in einem gekühlten Wasserbad
abgeschreckt oder gekühlt
wird, ergibt sich bei der Umwandlung zur kubischen α-Diamantstruktur
ein Volumensprung, so dass der Kern zerfällt und ohne Probleme durch
Rütteln,
Vibrieren, Stoßpulsen,
oder ähnliche
Verfahren aus dem Gussteil mechanisch entfernt werden kann.
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Eine
Temperatur oberhalb 162°C
ist weiterhin geeignet, tetragonales β-Zinn in die rhomboedrische γ-Kristallstruktur
(Körnerzinn)
schon beim Abguss oder durch eine nachträgliche Wärmebehandlung zu überführen. Dabei
ergibt sich ein Volumensprung, der den Zinnwerkstoff zerstört bzw.
pulverisiert, ohne dass hierzu zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen sind.
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Auch
Kerne aus Zink- oder Zinklegierungen können bei Temperaturen oberhalb
200°C versprödet und
nach Abguss mechanisch zerkleinert werden. Das Verspröden des
Kerns aus Zink oder Zinklegierung kann erfindungsgemäß durch
einen bewussten Magnesiumzusatz von größer 0,06 Gew.-% gefördert werden,
der über
dem Mg-Gehalt heutiger konventioneller Zinklegierungen liegt.
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Um
eine Wiederverwendung des metallischen Grundkörpers des Kerns zu ermöglichen,
kann in einem weiteren Verfahrensschritt der Metallanteil von Schlichteresten
getrennt werden. Bei mechanischer Zerstörung ist ein einfaches Trennen
durch Windsichten, Sieben oder Aufschwemmen möglich. Das abgetrennte Metall
kann dann zu neuen Metallkernen gegossen werden. Beim Ausschmelzen
von Metallkernen können
die Schlichtereste durch Filtern der Schmelze beseitigt werden.
Die Schmelze kann auch gesammelt werden und die in Form einer Schlacke
aufschwimmenden Schlichtereste einfach abgezogen werden.