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Gegenstand der Erfindung sind Salzkerne als Hohlraumplatzhalter in Gussteilen sowie Verfahren zur Herstellung solcher Salzkerne.
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Das bevorzugte Einsatzgebiet solcher Kerne ist das Druckgussverfahren, wo aufgrund der sehr hohen Betriebsdrücke (bis 2000 bar) die Kerne im Millisekundenbereich extrem thermomechanisch durch die mit hoher Geschwindigkeit einströmende Schmelze beansprucht werden. Durch den hohen allseitigen Druck werden die Kerne in Abhängigkeit von der Porosität mehr oder weniger stark komprimiert. Dies führt zu einem Versatz der Kerne im Gussteil (Kernlage) bzw. zum Bruch der Kerne. Des weiteren verursacht die vorhandene Porosität eine sehr raue Oberfläche im Gußteil, weil die Schmelze in die offene Porenstruktur gepresst wird. Dies kann bis dato auch durch das Aufbringen von Schlichten nicht verhindert werden. Erwünscht ist i. A. eine möglichst glatte Oberfläche der Kontur nach dem Ausspülen der Kerne aus dem Gussteil. Dies kann mit den erfindungsgemäßen Kernen erreicht werden.
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Reine schmelzgegossenen Kerne sind im Gießereiwesen seit Jahrzehnten im Einsatz. Eine breite Anwendung ist aber aufgrund der auftretenden Schwindung der schmelzgegossenen Kerne beim Erkalten in der Form nicht möglich. Die Schwindung liegt im Bereich von 3 bis 8% und führt bei Kernen mit komplexer Geometrie häufig zur Rissbildung. Aufgrund dieser Schrumpfungsproblematik sind lediglich Kerne mit geringer Komplexität realisierbar. Die Formenvielfalt ist somit stark eingeschränkt. Dagegen sind insbesondere durch das Kernschiessen sehr komplexe Geometrien darstellbar, was bei Sandkernen seit vielen Jahren Stand der Technik ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile, insbesondere die Bereitstellung von Salzkernen mit geringen Restporositäten und hoher Festigkeit, mit denen auch komplexe Geometrien darstellbar sind sowie die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung solcher Kerne.
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Diese Aufgabe wird mit Salzkernen gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßer Salzkern unterscheidet sich von aus dem Stand der Technik bekannten Salzkernen dadurch, dass die Salzkerne eine Matrix aus erstarrter Salzschmelze und in der Matrix verteilte Salzkristalle aufweisen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Salzkerne durch die Infiltration des porösen geformten, beispielsweise geschossenen, gepressten oder gequetschten, Salzkerns mit einer Salzschmelze hergestellt. Die Salzkerne können nach der Formgebung und dem Sintern mit Hilfe von Überdruck oder Unterdruck mit einer flüssigen Salzschmelze infiltriert werden.
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Geschossene bzw. gepresste Salzkerne weisen nach Formgebung und Sinterung eine Restporosität im Bereich von 10% bis 40% auf. Durch die erfindungsgemäße Infiltration der Kerne mit Salzschmelze kann die Restporosität auf kleiner 5%, bevorzugt sogar auf kleiner 3%, gesenkt werden; anzustreben ist eine Porosität von 0%.
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Demgemäß umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren ein erstes Salz und ein zweites Salz, aus denen ein Salzkern gebildet wird. Das erste Salz wird erschmolzen, und das zweite Salz wird in Form von Salzkristallen verwendet. Beide Salze werden so zusammengeben, dass das erste geschmolzene Salz eine Matrix bildet in der die Kristalle des zweiten Salzes aufgenommen sind. Die Schmelze wird anschließend abgekühlt, so dass eine Matrix aus erstarrter Salzschmelze entsteht, in der die Salzkristalle aufgenommen sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Salzkristalle des zweiten Salzes in einer Form bereitgestellt werden und die Schmelze des ersten Salzes auf die Salzkristalle des zweiten Salzes gegossen werden, so dass die Kristalle des ersten Salzes in der Matrix der erstarrten Schmelze aufgenommen sind und in der Form geformt werden.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schmelze des ersten Salzes mit den Salzkristallen des zweiten Salzes vermischt werden und aus dem Gemisch ein Salzkern geformt wird, bevorzugt mittels Formgießens.
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Besonders bevorzugt wird das Verfahren der Infiltration von geformten Salzkernen mit Salzschmelze. In diesem Verfahren sind die Vorteile der Verfahren des Schiessens oder Pressens und des Schmelzgießens miteinander verknüpft:
- • Eine hohe Komplexität der Form/Geometrie der Kerne durch Kernschiessen ist realisierbar, insbesondere auch, weil kein starker Volumenschrumpf beim Abkühlen des Kerns entsteht wie beispielsweise beim Schmelzgießen über das Druckgussverfahren. Auch sehr filigrane Kerne können infiltriert werden, indem die Viskosität der infiltrierenden Schmelze durch erhöhte Temperaturen reduziert wird.
- • Die kristalline Phase der vorgeformten Kerne bleibt bei der Schmelzinfiltration im Wesentlichen erhalten. Durch das Verhältnis kristallines Salz zu infiltriertem, erstarrten Salz können die Eigenschaften des Kerns gezielt variiert werden.
- • Für die Schmelze und/oder das kristalline Salz können kostengünstige und biologisch/ökologisch unbedenkliche Salze verwendet werden.
- • Durch die Infiltration der Kerne mit Salzschmelze tritt keine oder nur eine sehr geringe Kompression der Kerne beim Druckguss auf (keine oder nur sehr geringe Restporosität, hohe Festigkeit der Kerne), wodurch eine exakte Kernlage des Bauteils nach dem Guss gewährleistet ist.
- • Durch die geringe Restporosität weisen die infiltrierten Salzkerne eine sehr glatte Oberfläche auf, was somit auch zu sehr glatten Oberflächen im Gussteil führt und damit eine hohe Gussqualität ermöglicht.
- • Leichte und rückstandsfreie Entfernung der Kerne, da die Kerne ausschließlich aus löslichen Komponenten bestehen. Im Gegensatz zu schmelzgegossenen Kernen bestehen die erfindungsgemäßen Salzkerne überwiegend aus kristallinem Salz. Kristallines Salz ist leichter löslich als erstarrtes Salz, aus dem druckgegossenen Kerne bestehen, und kann daher nach dem Guss leichter aus dem gegossenen Formteil herausgelöst werden.
- • Kein Ausgasen beim Guss, da ausschließlich anorganische Komponenten verwendet werden.
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Erfindungsgemäße Salzkerne als Hohlraumplatzhalter bei der Herstellung von insbesondere metallischen Gussteilen zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit einer flüssigen Salzschmelze infiltriert sind. Die zu infiltrierenden Salzkerne können bevorzugt über das Verfahren des Kernschießens hergestellt sein, aber auch eine Herstellung durch Pressen oder Quetschen oder Ähnliches ist möglich.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthalten die Salzkerne 50 bis 98 Gew.-%, bevorzugt 70 bis 85 Gew.-% kristallines Salz. Die in diesen Kernen vorhandene Porosität ist durch infiltriertes, erstarrtes Salz im Wesentlichen verfüllt. Unter dem Begriff „im Wesentlichen verfüllt“ wird gemäß der Erfindung verstanden, dass die erfindungsgemäßen Salzkerne nach der Infiltration eine Restporosität von weniger als 5%, bevorzugt von weniger als 3% und insbesondere bevorzugt von weniger als 2% aufweisen.
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Der kristalline Salzanteil kann eine unimodale, aber auch bi- oder multimodale Korngrößenverteilung aufweisen. Eine bi- oder multimodale Korngrößenverteilung kann vorteilhaft in Hinblick auf eine besonders dichte Packung der Kristalle sein und damit einen hohen Anteil kristallinen Salzes in dem Kern erlauben. Dies vereinfacht die Lösung des Kerns nach dem Guss des Formteils, weil der kristalline Anteil die Löslichkeit des Kerns verbessert.
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Wesentliche Auswahlkriterien für die zu verwendenden Salze sind deren Giftigkeit, die Löslichkeit und der Schmelzpunkt. Der Schmelzpunkt des zur Infiltration verwendeten Salzes sollte unterhalb des verwendeten kristallinen Salzes liegt, damit dieses bei der Infiltration nicht ebenfalls schmilzt. Deshalb werden zum Infiltrieren bevorzugt eutektische Salzmischungen verwendet, deren Schmelzpunkt niedriger liegt als die der Einzelsalze.
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Es können beispielsweise als Salze Chloride, Sulfate, Phosphate oder Nitrate der Alkali-, Erdalkali- oder der Nebengruppenelemente oder Mischungen dieser Salze, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumchlorid und/oder Kaliumsulfat, Magnesiumsulfat, Ammoniumsulfat eingesetzt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schmelze zum Infiltrieren der Salzkerne eine Natriumsulfat- und/oder einer Natriumkarbonat-Schmelze. Diese Salze sind ungiftig und ökonomisch sinnvoll, insbesondere wenn Schmelzen aus eutektischen Gemischen dieser Salze beispielsweise mit NaCl verwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung solcher Salzkerne zeichnet sich dadurch aus, dass die Salzkerne nach der Formgebung durch Schiessen bzw. Pressen oder Quetschen und anschließendes Sintern mit Hilfe von Überdruck oder Unterdruck mit einer flüssigen Salzschmelze infiltriert werden. Dazu kann beispielsweise ein Pressgieß-Verfahren angewendet werden. Die Erfindung ist aber nicht auf dieses Verfahren beschränkt; natürlich sind alle Verfahren, die zu einer Infiltration der porösen Salzkerne mit einer Salzschmelze führen, anwendbar.
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Ein solches Verfahren kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
- – Schmelzen des Salzgemisches zum Infiltrieren;
- – Einlegen des Salzkerns in eine Pressform;
- – Eingießen der Salzschmelze in die Pressform;
- – Druckausübung auf die Salzschmelze, so dass diese den porösen Salzkern infiltriert;
- – Abkühlen des infiltrierten Salzkerns;
- – Ausformen des infiltrierten Salzkerns.
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Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung können der zu infiltrierende Kern und/oder die Pressform und/oder ein Druckwerkzeug vorgewärmt werden. Ein solches Vorgehen hat zum Einen natürlich den Vorteil, dass die Schmelze beim Einfüllen nicht zu schnell abkühlt, insbesondere im Kontakt mit dem Formwerkzeug. Hier kann es sonst zu einer ungleichmäßigen Infiltration des Salzkerns kommen. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass durch die Vorwärmung des Werkzeugs eine dicke Randschicht aus geschmolzenem und erstarrtem Salz um den Kern herum vermieden werden kann, weil die Schmelze eben im Kontakt mit dem Formwerkzeug nicht so schnell abkühlt.
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Darüber hinaus treten so keine Probleme auf, die auf unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien beruhen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1A: Aufnahme eines Längsschliffpräparats eines infiltrierten Salzkerns vom Typ 50/50, Nr. 1, vgl. Tab. 2;
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1B: Aufnahme eines Längsschliffpräparats eines infiltrierten Salzkerns vom Typ 0/100, Nr. 1, vgl. Tab. 2;
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2A: Aufnahme eines Längsschliffpärparats eines infiltrierten Salzkerns vom Typ 50/50, Nr. 2, vgl. Tab. 2;
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2B: Aufnahme eines Längsschliffpräparts eines infiltrierten Salzkerns vom Typ 0/100, Nr. 8, vgl. Tab. 2.
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Es wurden je drei Salzkerne aus NaCl mit eutektisch zusammengesetzten Salzschmelzen aus NaCl und Na2SO4 sowie aus NaCl und Na2CO3 infiltriert. Genaue Mengenangaben und die Zusammensetzung des vorzugsweise eutektischen Schmelzgemischs können Tab. 1 entnommen werden. Die Salzkerne umfassten eine grobkörnige und eine feinkörnige Salzkristall-Fraktion in unterschiedlichen Mengenverhältnissen, wobei beispielsweise ein Wertepaar 80/20 in Tab. 1 und 2 unter der Rubrik ‚Typ‘ eine Zusammensetzung aus 80% feinem Salz und 20% grobem Salz beschreibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Korngröße des kristallinen Salzes im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm liegen. Besonders bevorzugte Korngrößenbereiche liegen zwischen 0,01 bis 0,29 mm, zwischen 0,3 bis 1,3 mm und/oder zwischen 1,31 bis 2,0 mm, wobei die ersten beiden Fraktionen als eher feinkörniges Salz und die lezte Fraktion als eher grobkörniges Salz in multimodal zusammengesetzten Mischungen Verwendung finden können.
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Die Infiltration wurde mittels eines Pressgieß-Verfahrens durchgeführt. Dazu wurde der zu infiltrierende Kern vorzugsweise vorgeheizt und in eine ebenfalls vorzugsweise vorgeheizte Pressform (vgl. Tab. 1) eingelegt. Anschließend wurde die Schmelze in die Pressform eingefüllt und ein Stempel aufgesetzt. Die Schmelze wurde unter einem Pressdruck von 100 MPa in den Kern infiltriert und der fertige Kern nach einer Abkühlphase aus der Form entnommen. Tab. 1
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Die verwendeten Schmelzen haben jeweils eine eutektische Zusammensetzung und sind bei den verwendeten Temperaturen zwischen 780 und 800°C dünnflüssig. Der Schmelzpunkt von NaCl liegt bei 801°C, so dass die sich beim Einfüllen abkühlende Salzschmelze nur wenig Einfluss auf die Kristallinität der Salzkristalle des Kerns hat. Die in den 1 gezeigten makroskopischen Aufnahmen von Längsschliffpräparaten infiltrierter Kerne belegen, dass ein kristallines Gefüge mit einzelnen NaCl-Kristallen 1 in einer glasigen Matrix 2 aus infiltrierter Salzschmelze erhalten ist. 1A zeigt ein Längsschliffpräparat eines infiltrierten Salzkerns, dessen kristalline Phase zu 50% aus feinen und zu 50% aus groben Salzkristallen besteht (Typ 50/50, Nr. 1, Tab. 2). 1B zeigt ein Längsschliffpräparat eines infiltrierten Salzkerns, bei dem die kristalline Phase zu 0% aus feinem und zu 100% aus groben Salzkristallen besteht (Typ 0/100, Nr. 1, Tab. 2).
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Vor der Infiltration wiesen die verwendeten Kerne Porositäten zwischen 38 und 43 Vol% auf, vgl. Tab. 2. Durch die Infiltration mit der Salzschmelze konnten Restporositäten zwischen 1,5 und 2,7 Vol% erreicht werden. Makroskopisch ist in den Längsschliffpräparaten, vgl.
1 und
2, überhaupt keine Porosität mehr erkennbar. Die Porosität wurde in Anlehnung zur keramischen Porosität mittels Sättigung bestimmt, d.h.: Die Kerne wurden unter Vakuum mit einer Flüssigkeit infiltriert, die das Salz nicht anlöst, also z.B. Ethanol oder Silikonöl. Über die Menge an eingesaugter Flüssigkeit wurde dann das Porenvolumen bestimmt. Tab. 2
| Salzkern | infiltrierter Salzkern |
| Typ | Nr. | Porsoität | Volumen | Porosität |
| | | (Vol%) | (cm3) | (cm3) | (Vol%) |
| 80/20 | 1 | 38,80 | 14,5 | 0,32 | 2,2 |
| 2 | 39,96 | 12,2 | 0,19 | 1,5 |
| 50/50 | 1 | 42,22 | 13,9 | 0,35 | 2,5 |
| 2 | 38,32 | 12,1 | 0,33 | 2,7 |
| 0/100 | 1 | 38,76 | 12,1 | 0,23 | 1,9 |
| 8 | 42,24 | 12,3 | 0,22 | 1,8 |
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Erfindungsgemäße infiltrierte Salzkerne weisen in der Regel glatte und glänzende Oberflächen auf. Diese glatte Oberfläche bietet gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Salzkernen den Vorteil, dass auch die mit diesen Kernen hergestellten Gussteile glatte Oberflächen aufweisen und damit qualitativ hochwertig sind.
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Die 2A und 2B zeigen nochmals in Nahaufnahme, dass Porositäten im Kerngefüge makroskopisch nicht erkennbar sind und einzelne Kristalle 1 in einer erstarrten Salzmatrix 2 vorliegen. 2A zeigt ein Längsschliffpärparat eines infiltrierten Salzkerns vom Typ 50/50, Nr. 2; 2B zeigt ein Längsschliffpräparat eines infiltrierten Salzkerns vom Typ 0/100, Nr. 8, vgl. Tab. 2.
