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Die Erfindung betrifft einen Gusskern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Beeinflussung des Erstarrungsverhaltens eines Gussteils.
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Unter Gusskernen der in Rede stehenden Art sind Gebilde zu verstehen, die bei einem Gussverfahren, insbesondere bei einem Gussverfahren, bei dem metallische Werkstoffe vergossen werden, in die Gussform eingelegt werden um zu verhindern, dass ein definierter Raumbereich von dem Gusswerkstoff ausgefüllt wird. Die Gusskerne können dabei im Innern eines zu fertigenden Gussteils angeordnet werden, beispielsweise um einen Hohlraum im fertigen Gussteil zu schaffen. Bei den Oberflächen des Gussteils, deren Kontur durch derartig angeordnete Gusskerne vorgegeben wird, handelt es sich um innere Oberflächen des Gussteils. Die Gusskerne können jedoch auch an einer äußeren, d. h. einer von außen zugänglichen, Oberfläche des Gussteils angeordnet werden, beispielsweise um Hinterschnitte wie beispielsweise die umlaufende Nut einer Keilriemenscheibe, die als Gussteil hergestellt wird, auszubilden.
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Wesentlich für einen Gusskern im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei, dass die Formgebung des Gussteils, welche durch die gewünschte Form eines fertigen Produktes bedingt ist, durch die Konturen des Gusskerns bereichsweise vorgegeben wird, d. h. Funktion des Gusskerns ist es, die Formgebung des zu fertigenden Gussteils im Sinne des Erzielens einer für das Endprodukt gewünschten endkonturnahen Form zu ermöglichen.
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Bei Gusskernen nach dem Stand der Technik sind dabei der Formgebung des zu fertigenden Gussteils Grenzen gesetzt, die sich aus dem thermischen Verhalten des Systems ergeben. Einzelne Bereiche des zu fertigenden Gussteils erstarren aufgrund ihrer Geometrie schneller als andere Bereiche, was unter anderem zur Bildung von Lunkern führen kann. Dem kann in begrenztem Maße zwar entgegen gewirkt werden, indem sogenannte Speiser vorgesehen werden. Bei diesen Speisern handelt es sich im Prinzip um Reservoirs, welche im Bereich der zuletzt erstarrenden Zonen eines Gussteils vorgesehen werden, in dem die Gefahr der Lunkerbilder besteht. Die Speiser können bei der Erstarrung in diesen Zonen Schmelze nachliefern und so der Lunkerbildung entgegenwirken. Nachteilig ist jedoch, dass die erstarrten Speiser in der Regel vom Gussteil entfernt werden müssen, weshalb zwischen dem zu fertigenden Gussteil und dem Speiser eine Engstelle, der sogenannte Speiserhals vorgesehen wird. Das Entfernen der Speiser erfolgt häufig durch Abschlagen oder Abspreizen, wobei es zum Bruch im Bereich des Speiserhalses als Sollbruchstelle kommt oder kommen soll. In der Praxis muss diese Bruchstelle häufig nachbearbeitet werden, um die gewünschte Oberflächenqualität des Gussteils an dieser Stelle zu erzielen. Auch kommt es insbesondere bei sehr dick ausgeführten Speiserhälsen unter Umständen zur Beschädigung des Gussteils beim Abtrennen des Speisers, wobei im Folgenden mit Abtrennen insbesondere das Abschlagen und/oder Abspreizen des Speisers gemeint ist. Eine zu enge Auslegung des Speiserhalses ist jedoch ebenfalls schädlich, da es dann dazu kommen kann, dass die Schmelze im Bereich des Speiserhalses bereits zu früh erstarrt und die gewünschte Funktion des Speisers unterbunden wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gusskern und ein Verfahren zur Beeinflussung des Erstarrungsverhaltens eines Gussteils anzugeben, welche es ermöglichen, die durch das Erstarrungsverhalten bedingten Einschränkungen bei der Gestaltung der Geometrie eines Gussteils zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Gusskern mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Beeinflussung des Erstarrungsverhaltens eines Gussteils mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein Bereich des Gusskerns, welcher zumindest bereichsweise eine konturierte Oberfläche aufweist, deren Kontur der Negativform eines Bereichs der Oberfläche des zu fertigenden Gussteiles entspricht, Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweist.
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Vorzugsweise stammt die Flugasche dabei aus technischen Verbrennungsanlagen, wie beispielsweise Wärmekraftwerken, in denen Flugasche in beträchtlichen Mengen als Abfallstoff anfällt und somit als kostengünstiger Rohstoff zur Verfügung steht. Es hat sich gezeigt, dass Flugasche geeignet ist, zu einem Formstoff für Gusskerne verarbeitet zu werden, wobei der Formstoff die Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweist, d. h. insbesondere, dass der Formstoff zumindest im Wesentlichen aus Flugasche und einem geeigneten Bindersystem besteht.
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Es hat sich gezeigt, dass die resultierenden Gusskerne eine signifikant niedrigere Wärmeabfuhr aus den angrenzenden Bereichen des Gussteils ermöglichen, als sie bei der Verwendung konventioneller Gusskerne, die in der Regel aus einem Sand- und einem Bindersystem bestehen, auftritt. Auf diese Weise ist es möglich, die Wärmeabfuhr aus dem erstarrenden Gussteil gezielt zu steuern, indem erfindungsgemäße Gusskerne an hierfür prädestinierten Stellen vorgesehen werden. Dabei ist es möglich, die Gusskerne mittels eines Kernschießwerkzeugs herzustellen, wodurch in kostengünstiger Weise nahezu beliebige Gusskerngeometrien erzielt werden können, insbesondere ist dabei die Verwendung eines vorzugsweise organischen Bindersystems vorteilhaft, welches die Herstellung des Gusskerns mittels eines Kernschießwerkzeugs ermöglicht. Dabei können vorteilhafterweise die Bereiche, in denen erfindungsgemäße Flugasche-Gusskerne vorzusehen sind, ermittelt werden, indem der sogenannte thermische Modul für einzelne Bereiche des zu fertigenden Gussteils ermittelt wird und erfindungsgemäße Gusskerne bzw. deren Bereiche die Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweisen, angrenzend an Bereiche des zu fertigenden Gussteils vorgesehen werden, die verglichen mit anderen Bereichen des Gussteils einen niedrigeren thermischen Modul aufweisen. Insbesondere, wenn es sich bei mindestens einem Bereich des Gussteils, der, verglichen mit anderen Bereichen des Gussteils, einen niedrigeren thermischen Modul aufweist, um einen nach Art einer Engstelle ausgebildeten Bereich handelt, durch den Schmelze von einem Bereich mit höherem thermischen Modul als dem des als Engstelle ausgebildeten Bereichs in einen weiteren Bereich mit höherem thermischen Modul als dem des als Engstelle ausgebildeten Bereichs handelt, ist dies vorteilhaft um das ungehinderte Fließen der Schmelze durch den als Engstelle ausgebildeten Bereich sicherzustellen.
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Der thermische Modul ist dabei zunächst definiert als das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des jeweiligen betrachteten Bereiches des Gussteils. Dabei handelt es sich zunächst um eine rein geometrische Größe, weswegen dieser thermische Modul auch als geometrischer Modul bezeichnet wird. Dabei ist einleuchtend, dass je größer die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen des jeweils betrachteten Bauteilbereichs, desto größer die Wärmeaustauschfläche pro wärmespeicherndes Volumen, d. h. in Folge desto größer die Abkühlgeschwindigkeit. Insbesondere moderne Computer gestützte Verfahren verwenden häufig zur Simulation des Erstarrungsverhaltens und zur Visualisierung kritischer Bereiche weiterentwickelte Definitionen des thermischen Moduls, welche u. a. auch den Einfluss angrenzender Gussteilbereiche berücksichtigen können. Prinzipiell gilt jedoch immer, dass der thermische Modul als Verhältnis von der Wärmemenge eines betrachteten Volumens zu der Kühlleistung der dieses Volumen umgebenden Oberfläche betrachtet werden kann. Um eine möglichst gerichtete Erstarrung des Gussteils hin zu dem/den Speiser(n) zu ermöglichen, d. h nach Möglichkeit erstarren die von Speisern entfernten Bereiche des Gussteils zuerst und die Speiser zuletzt, sind die erfindungsgemäßen Gusskerne bzw. deren Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweisende Bereiche möglichst angrenzend oder wenigstens nahe Bereichen des zu fertigenden Gussteils mit niedrigem thermischen Modul vorzusehen.
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Entsprechend sieht eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gusskerns vor, dass dieser einen Durchlass zur Ausbildung eines verjüngten Speiserhalses aufweist. Insbesondere die Speiserhälse sind Stellen an einem zu fertigenden Gussteil, an denen sich eine Reduktion der Wärmeabfuhr besonders vorteilhaft auswirkt, da die Speiserhälse so dünner ausgeführt werden können, was den benötigten Kraftaufwand beim Abtrennen des Speisers reduziert und die Risiken einer Beschädigung des Gussteils minimiert und gleichzeitig den Nachbearbeitungsaufwand reduziert.
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Vorzugsweise ist dabei der Bereich der Oberfläche des Gusskerns, dessen Kontur der Negativform eines Bereichs der Oberfläche des zu fertigenden Gussteiles entspricht, um den Durchlass zur Ausformung eines verjüngten Speiserhalses angeordnet. Ein derartiger Gusskern ermöglicht es, einen Speiser mit einem möglichst dünn vorgesehenen Speiserhals an einer nahezu beliebigen und beliebig geformten Stelle des Gussteils vorzusehen. Vorzugsweise ist dabei die Verjüngung des Speiserhalses derart gestaltet, dass eine möglichst große Kerbwirkung im Bereich der Verjügung erzielt wird, d. h. der Rand des Durchlasses zur Ausbildung des verjüngten Speiserhalses ist möglichst scharfkantig, d. h. im Querschnitt spitzwinklig gestaltet. Dies erleichtert ebenfalls das Abtrennen des Speisers.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, den Gusskern derart zu gestalten, dass er auf der zum Gussteil weisenden Seite des Gusskerns eine um den Durchlass, der zur Ausbildung des verjüngten Speiserhalses dient, angeordnete Vertiefung zur Ausbildung einer Sicherheitsbruchfläche aufweist. Eine solche Sicherheitsbruchfläche stellt eine angeformte Verdickung des Materials des Gussteils um den Speiserhals herum dar, die das Material um den Speiserhals verstärkt, damit die durch das Abtrennen des Speisers entstehenden Beeinträchtigungen der Oberfläche des Gussteils nicht zu einer Schwächung des Bauteils führen. Merkmal dieser Sicherheitsbruchfläche ist also, dass sie durch das Gussverfahren bzw. einen dem eigentlichen Gussverfahren folgenden Prozessschritt, nämlich der Speiserabtrennung motiviert am Gussteil vorgesehen wird. Somit ist sie nicht Bestandteil der ohne Berücksichtigung der durch das Herstellungsverfahren bedingten technischen Notwendigkeiten angestrebten Idealformgebung des zu fertigenden Gussteils ist.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, den Speiser bzw. dessen Negativform vollständig oder zumindest zum Teil als Bestandteil des Gusskerns auszuführen. Die im Speiser vorgehaltene Schmelzemenge soll in der Regel möglichst spät erstarren, d. h. bei besserer Isolierung ist es unter Umständen möglich, filigranere Speiser vorzusehen, was insgesamt den Schmelzeverbrauch des Gussverfahrens reduziert.
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Vorteilhafterweise können Gusskerne vorgesehen sein, die Bereiche aus mindestens zwei Formstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem vor dem Einlegen in die Gussform zwei Gusskerne, von denen der eine Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweist, zusammengefügt werden, um den so erhaltenen zusammengefügten Gusskern einstückig in die Gussform einlegen zu können. Dadurch ist es möglich, einen Gusskern derart zu gestalten, dass nur ein definierter Bereich eine starke Isolationswirkung auf die Schmelze entfaltet, während aus angrenzenden Bereichen die Wärme schneller, beispielsweise bei der Verwendung eines konventionellen Formstoffes mit derzeit üblicher Geschwindigkeit abgeleitet wird. Derartige Gusskerne mit mehreren Bereichen können im Handling Vorteile gegenüber einer Mehrzahl Gusskerne aus jeweils nur einem Formstoff aufweisen. Der Einsatz von Innen- und/oder Außengusskernen, welche vollständig aus einem Formstoff bestehen, der Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweist, ist jedoch trotzdem im Sinne der Erfindung und insbesondere dann, wenn Optimierungsziele mit derartigen Kernen bereits erreicht werden können, in der Regel kostentechnisch vorteilhaft gegenüber komplexeren Lösungen.
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Vorzugsweise findet als wesentlicher Bestandteil des zweiten Formstoffs ein Sand, insbesondere ein Quarzsand Verwendung. Dies ist insbesondere deswegen sinnvoll, da für derartige Sande bereits erprobte Gusskernfertigungsverfahren und Formstoffrezepturen existieren. Es hat sich dabei gezeigt, dass sich diese Sande problemlos mit den erfindungsgemäßen Flugasche haltigen Gusskernbereichen kombinieren lassen.
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Vorteilhafterweise ist bei einem Gusskern, bei dem ein Bereich des Gusskerns Flugasche als wesentlichen Bestandteil des Formstoffs aufweist, dieser Bereich zu einer Eintrittsstelle der Schmelze hin orientiert vorgesehen. In den Punkten, in denen die Schmelze in das Gussteil eintritt, ist es wünschenswert, dass die Schmelze an dieser Stelle zu einem möglichst späten Zeitpunkt während des Gussverfahrens erstarrt, um ein Nachfließen von Schmelze und damit eine Unterdrückung der Lunkerbildung so gut und so lange wie möglich zu gewährleisten. Daher ist es sinnvoll, zu diesen Stellen hin orientierte Bereiche von Gusskernen bevorzugt aus einem Formstoff vorzusehen, der Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweist.
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Es kann vorteilhaft sein, dass der Gusskern bzw. der Bereich des Gusskerns, dessen Formstoff Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweist, geeignet ist, während des Gießprozesses durch eine exothermische chemische Reaktion Wärme abzugeben. Es ist möglich, den Formstoff durch weitere Bestandteile derart auszurüsten, dass – vorzugsweise gestartet durch die Wärme der Schmelze – während des Gießverfahrens eine chemische Reaktion in dem Formstoff stattfindet, die zusätzliche Wärme freisetzt. Dadurch wird ein Erstarren der Schmelze, welche an die entsprechenden Bereiche des erfindugnsgemäßen Gusskerns angrenzt, noch weiter herausgezögert.
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Der Bereich der Oberfläche des zu fertigenden Gussteils, dessen Negativform eine konturierte Oberfläche des Gusskerns zumindest bereichsweise entspricht, weist vorteilhafterweise nicht ausschließlich ebene Oberflächenbereiche auf, sondern insbesondere auch geschwungene und/oder gewölbte Oberflächenbereiche, bei denen es sich insbesondere um Freiformflächen handelt. Unter Freiformflächen werden Flächen verstanden, die sich nicht durch einfache Regelgeometrien darstellen lassen und somit beliebige, auch hochkomplexe Strukturen annehmen können und mit erfindungsgemäßen Gusskernen dargestellt werden können, da sich die Gusskerne prinzipiell so wie herkömmliche Gusskerne, deren Formstoffe als wesentlichen Bestandteil Sande aufweisen, formen lassen, solange nur ein für die gewünschte Formgebung geeignetes Bindersystem gewählt wird.
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Vorteilhafterweise lässt sich die Form des Gussteils dabei derart gestalten, dass sie der aus der angestrebten Verwendung resultierenden funktionsgerechten Formen eines anzustrebenden Gussteils möglichst weitgehend entspricht, d. h. dass bei der Formgebung keine durch das Gussverfahren bzw. vor- oder nachgeschalteten Prozessschritte bedingte Modifikationen der Geometrie vorgenommen werden müssen. Dies bedeutet, dass die Formgebung, insbesondere der geschwungenen und/oder gewölbten Oberflächenbereiche, aufgrund einer funktionsgerechten Gestaltung des Gussteils erfolgen kann und nicht im Rahmen einer fertigungsgerechten Anpassung der Geometrie des Gussteils durch die Anforderungen des Gussverfahrens und/oder des Gussverfahrens vor- und/oder nachgeschalteten Prozessschritte, insbesondere der Trenn- oder Putzarbeiten, bedingt wird. Insbesondere Formgebungen zur Ausformung von Sicherheitsbruchflächen an dem Gussteil sind dabei als fertigungsgerechte Anpassungen der Geometrie des Gussteils zu verstehen.
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Die Erfindung wird im Folgenden schematisch anhand der
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1 bis 4 näher erläutert:
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1 – zeigt einen beispielhaften erfindungsgemäßen Gusskern,
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Lage des Gusskerns aus 1 in einem Gussteil,
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3 – zeigt schematisch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Gusskern zur Ausformung eines Speiserhalses,
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4 – zeigt schematisch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Gusskern zur Ausformung eines Speiserhalses und eines Speisers.
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Der beispielhafte erfindugnsgemäße Gusskern 1 besteht im Fall der 1 und 2 aus zwei Bereichen, wobei der Bereich 1a aus einem Formstoff besteht, der Flugasche als wesentlichen Bestandteil aufweist. Dieser ist im gezeigten Beispiel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an einer zu einer Eintrittsstelle 6 der Schmelze hin orientierten Position vorgesehen.
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3 zeigt einen Gusskern, der zur Anformung eines Speiserhalses dient. Der erfindungsgemäße Gusskern weist dabei zum einen einen Durchlass 3 zur Ausformung des Speiserhalses auf, dessen scharfkantiger Rand so gestaltet ist, dass eine Sicherheitsbruchfläche 4 am Gussteil 2 ausgeformt wird. Dabei ist der Gusskern so gestaltet, dass der Bereich um die Sicherheitsbruchfläche 4 entsprechend der gewünschten bogenförmigen Endform des Gussteils ausgeformt werden kann, während sich bei der Verwendung konventioneller Gusskerne aufgrund der notwendigen größeren Dimensionierung des Durchlasses für den Speiserhals in dem Bereich, in dem der beispielhafte erfindungsgemäße Kern 1 die gewünschte bogenförmige Bauteilendform ermöglicht, noch eine ebene Sicherheitsbruchfläche erstrecken müsste.
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Weiterhin ist es möglich, den Gusskern zur Ausführung des Speiserhalses so zu gestalten, dass er gleichzeitig zur wenigstens teilweisen Einhüllung des Speisers und damit zu dessen besserer thermischer Isolation dient, wie in 4 dargestellt.
