DE102008041217A1

DE102008041217A1 - Formstoffbinder für schüttbare Formmassen und Verfahren zum Herstellen von Kerneinsätzen für Gussformen

Info

Publication number: DE102008041217A1
Application number: DE200810041217
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Bischoff; Patrick Voigt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2010-02-18

Abstract

Die Erfindung betrifft Formstoffbinder für schüttbare Formmassen, insbesondere zum Formen von Kerneinsätzen für Gussformen im Kokillenguss. Es ist vorgesehen, dass der Formstoffbinder ausschließlich anorganisch ausgebildet ist, wodurch nahezu keine Pyrolysegas-Emissionen vorkommen. Der Formstoffbinder umfasst eine wässrige Alkalisilikatlösung von folgender Zusammensetzung: [x]SiO2.[y]M2O.[z]H2O, wobei x, y, z jeweilige Gewichtsanteile darstellen und M als Platzhalter für Alkali-Ionen Li+, K+ oder Na+ verwendet ist. Folglich treten keine Verschmutzungen der Kokillen-Gussformen auf, wodurch die Standzeit der Kokillen zwischen Reinigungsvorgängen deutlich verlängert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formstoffbinder für schüttbare Formmassen, eine Formmasse mit diesem Formstoffbinder und ein Verfahren zum Herstellen der Kerneinsätze für Gussformen mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
Es ist bekannt im Sandguss- und im Schwerkraft-Kokillenguss-Verfahren zum Herstellen der Kerne sandhaltige Formmassen einzusetzen, die als verlorene Form oder Kern nach dem Abkühlen des Gusserzeugnisses mechanisch mithilfe von Rüttel- oder Vibrationsvorrichtungen zerstört und entfernt werden. Beim Kokillenguss wird eine mehrfach verwendbare Gussform, beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl eingesetzt, in der einmalig verwendbare Kerne sandhaltiger Formmasse zum Ausbilden von Hohlräumen eingesetzt werden. Beim allgemeinen Sandguss ist auch die Gussform aus einer sandigen Formmasse hergestellt. Als Sandgrundstoff dient gewöhnlich Quarzsand von hoher Reinheit.
Das Herstellen einer Form oder eines Kernes aus einer sandigen Formmasse besteht im Wesentlichen darin, die sandige Formmasse in einer Form unter hohem Druck festzupressen und anschließend bei Temperaturen um 150°C zu verbacken. Damit die Formmasse ihre durch Pressen erreichte Form stabil beibehält, werden der Formmasse Formstoffbindemittel beigesetzt, die ihre bindende Wirkung vor allem durch Druck und Temperatur entfalten.
Die zur Kernfertigung eingesetzten Formstoffbindemittel lassen sich nach Ihrem chemischen Aufbau in organische Bindemittel, in anorganische Bindemittel sowie in deren Mischtypen klassifizieren.
Organisch (auf Kunstharzbasis) gebundene Formmassen zur Herstellung der Kerne, die vor allem nach dem Warm-Box-, Hot-Box- oder Cold-Box-Verfahren gefertigt werden, sind heute allgemein im Einsatz und werden beispielsweise in der Großserienproduktion hoch komplexer Motorengusskomponenten im Kokillenguss eingesetzt.
Im Niederdruckguss sind Formstoffbinder bekannt, die eine Mischung aus anorganischen und organischen Formstoffbindern darstellen. Hierdurch werden die oben beschriebenen Nachteile der organischen Formstoffbinder zwar verringert, jedoch nicht ganz beseitigt.
Zur Einhaltung der geforderten mechanischen Kennwerte im Gussteil wird das Gießwerkzeug (Kokille) in den Konturen gekühlt. Ziel ist es, durch eine schnelle und gerichtete Erstarrung ein feinkörniges Gefüge im Gussteil zu erzielen. Der dadurch entstehende hohe Temperaturgradient zwischen Metallschmelze und Werkzeug (ΔT > 500°C) führt zur Kondensation der Pyrolysegase des Kernbinders im Gießwerkzeug. Dies erfordert einen erheblichen Reinigungsaufwand schon nach wenigen Abgüssen n (bei n ≥ 10). Die Kokillenform wird zunehmend mit jedem Gussvorgang mit einem klebrigen Belag bedeckt, der die Qualität des nächsten Gussvorgangs verschlechtert und daher periodisch entfernt werden muss. Dadurch wird jedoch der kontinuierliche Gießvorgang ständig unterbrochen. Ein notwendiges thermisches Gleichgewicht im Gießwerkzeug kann sich folglich nur eingeschränkt ausbilden. Die Schwankungen im Temperaturhaushalt vermindern ihrerseits als Folge die Qualität des Gussteils. Zusätzlich wird durch die Unterbrechungen im Gießbetrieb die Produktivität und damit die Ausbringung der Fertigungseinheit erheblich verringert.
Die organischen Formstoffbinder verursachen ferner erhebliche Gas-Emissionen, die sorgfältig abgesaugt werden müssen, um das bedienende Personal gesundheitlich nicht zu belasten. Die abgesaugten Emissionen dürfen zudem nicht direkt in die Atmosphäre eingeleitet werden, sondern müssen durch Filter, insbesondere Flüssigkeitsfilter, gereinigt oder „gewaschen” werden.
Den Patentdokumenten DE 200 23 617 U1 , DE 30 32 592 C2 , DE 26 04 492 und DE 1 950 309 A kann der technologische Hintergrund insbesondere zu den organischen Formmassenbindern entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Formstoffbinder für Formmassen derart weiter zu verbessern, dass die Gas-Emissionen und die Kondensation der Pyrolysegase eliminiert oder verringert werden und Guss-Zyklen ohne Unterbrechung ablaufen können.
Dadurch, dass der für schüttbare Formmassen, insbesondere zum Formen von Kerneinsätzen für Gussformen im Kokillenguss, verwendete Formstoffbinder ausschließlich anorganisch ausgebildet ist, ist die Aufgabe der Erfindung gelöst.
Vorzugsweise ist der Formstoffbinder gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Formmasse mit einem Anteil von 1 bis zu 6 Gewichts-%, bevorzugter mit einem Anteil von 2 bis 3 Gewichts-%, beigemischt.
Der Formstoffbinder enthält als Basisstoff vorzugsweise das Wasserglas. Noch bevorzugter wird das Wasserglas in flüssiger Form eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Formstoffbinders umfasst dieser eine wässrige Alkalisilikatlösung von folgender Zusammensetzung: [x]SiO₂·[y]M₂O·[z]H₂O, wobei x, y, z jeweilige Gewichtsanteile darstellen und M als Platzhalter für Alkali-Ionen Li⁺, K⁺ oder Na⁺ verwendet ist.
Die hierbei als anorganische Formstoffbinder verwendeten Wassergläser sind vorzugsweise wasserlösliche Alkalisilikate. Es sind glasartige, also amorphe, nicht-kristalline Verbindungen mit der Zusammensetzung M₂O·nSiO₂ mit n = 1 bis 4. In der Technik finden Natrium- und Kaliumsilikate mit einem n um 3,5 Verwendung. Zur Herstellung wird ein Gemenge aus hochreinem Quarzsand und Kaliumcarbonat beziehungsweise Natriumcarbonat unter CO₂-Entwicklung geschmolzen. Die Schmelztemperatur liegt bei 1350 bis 1480°C; je nach Mischungsverhältnis der Anteile von Sand zu Alkalicarbonat. Das abgekühlte Glas wird zu einem Pulver gemahlen (festes Wasserglas). Zur Anwendung kommt meist flüssiges Wasserglas als klare, alkalische Lösung oder auch als gallertartige bis feste Masse. Flüssiges Wasserglas wird durch Lösen des festen Wasserglases in Wasser bei hohen Temperaturen (150°C) gewonnen.
Vorzugsweise ist als Formgrundstoff der Formmasse Quarzsand verwendet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dem Formstoffbinder ein zusätzliches mineralisches Additiv zugesetzt. Dieses kann ein anorganischer Formstoffbinder einer anderen Zusammensetzung sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch eine Formmasse mit einem Formstoffbinder nach wenigstens einer der vorhergehenden Ausgestaltungen gelöst.
Nach einem verfahrenstechnischen Aspekt wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen der Kerneinsätze für Gussformen im Kokillenguss aus einer schüttbaren Formmasse gelöst.
Hierzu werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:

– ein Formstoffbinder auf Basis von Wasserglas und ein mineralisches Additiv mit einem bestimmten Gewichtsanteil mit einem anorganischen Formgrundstoff, insbesondere dem Quarzsand, werden in einer Mischanlage homogen vermischt,
– die so hergestellte Formmasse wird in einem den Kerneinsatz ausbildenden Kernwerkzeug unter Druckeinwirkung verdichtet, und
– der Kerneinsatz wird im Kernwerkzeug einer Temperatureinwirkung ausgesetzt und nach einer vorbestimmten Einwirkdauer entformt.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Formmasse mit einem Gewichtsanteil des Formstoffbinders auf Basis von Wasserglas und einem mineralischen Additiv zwischen 1 und 6 Gewichts-%, bevorzugter zwischen 2 und 3 Gewichts-%.
Vorzugsweise wird die Druckeinwirkung durch Luftdruck erzeugt und die Temperatureinwirkung in einem Temperaturbereich zwischen 100°C und 160°C ausgeführt. Die Dauer der Temperatureinwirkung liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 und 120 Sekunden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Aufgrund der anorganischen Natur des erfindungsgemäßen Formstoffbinders bilden sich während des Gießens keine Rückstände in Form von Kondensaten aus. Ebenso ermöglichen anorganische Formstoffbinder eine erhebliche Reduzierung der kerngasbedingten Porositäten im Gussstück. Es kommt während des Gießens außerdem weder zu einer Qualm- noch einer Geruchsentwicklung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20023617 U1 [0009]
- DE 3032592 C2 [0009]
- DE 2604492 [0009]
- DE 1950309 A [0009]

Claims

Formstoffbinder für schüttbare Formmassen, insbesondere zum Formen von Kerneinsätzen für Gussformen im Kokillenguss, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoffbinder ausschließlich anorganisch ausgebildet ist.
Formstoffbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoffbinder der Formmasse mit einem Anteil von 1 bis zu 6 Gewichts-% beigemischt ist.
Formstoffbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoffbinder der Formmasse mit einem Anteil von 2 bis 3 Gewichts-% beigemischt ist.
Formstoffbinder nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoffbinder als Basisstoff Wasserglas enthält.
Formstoffbinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoffbinder eine wässrige Alkalisilikatlösung von folgender Zusammensetzung umfasst: [x]SiO₂·[y]M₂O·[z]H₂O, wobei x, y, z jeweilige Gewichtsanteile darstellen und M als Platzhalter für Alkali-Ionen Li⁺, K⁺ oder Na⁺ verwendet ist.
Formstoffbinder nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Formgrundstoff der Formmasse Quarzsand verwendet ist.
Formstoffbinder nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formstoffbinder ein zusätzliches mineralisches Additiv zugesetzt ist.
Formmasse mit einem Formstoffbinder nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Herstellen der Kerneinsätze für Gussformen im Kokillenguss aus einer schüttbaren Formmasse, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Formstoffbinder auf Basis von Wasserglas und ein mineralisches Additiv mit einem bestimmten Gewichtsanteil mit einem anorganischen Formgrundstoff, insbesondere dem Quarzsand in einer Mischanlage homogen vermischt werden, – die so hergestellte Formmasse in einem den Kerneinsatz ausbildenden Kernwerkzeug unter Druckeinwirkung verdichtet wird, – der Kerneinsatz im Kernwerkzeug einer Temperatureinwirkung ausgesetzt und nach einer vorbestimmten Einwirkdauer entformt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des Formstoffbinders auf Basis von Wasserglas und einem mineralischen Additiv zwischen 1 und 6 Gewichts-%, bevorzugter zwischen 2 und 3 Gewichts-% beträgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinwirkung durch Luftdruck erzeugt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatureinwirkung in einem Temperaturbereich zwischen 100°C und 160°C erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Temperatureinwirkung in einem Bereich zwischen 20 und 120 Sekunden liegt.