DE102016221033A1

DE102016221033A1 - Salt cores and process for the production of salt cores

Info

Publication number: DE102016221033A1
Application number: DE102016221033.5A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gatternig; Dieter Käfer; Gudrun Schiller; Thorsten Hartig
Original assignee: Emil Mueller GmbH
Current assignee: Emil Mueller GmbH
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2017-04-27
Also published as: EP3181264A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Kerne auf der Basis von Salz, Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, sowie die Verwendung solcher Kerne als Hohlraumplatzhalter für Urformverfahren.The invention relates to salt-based cores, to processes for the preparation of salt-based cores, and to the use of such cores as cavity locators for primary molding processes.

Description

Die Erfindung betrifft Kerne auf der Basis von Salz, Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, sowie die Verwendung solcher Kerne als Hohlraumplatzhalter für Urformverfahren, die sich durch Lösungsmittel vollständig und problemlos ohne Verbleib fester Rückstände aus den Werkstücken entfernen lassen.The invention relates to salt-based cores, to processes for the preparation of salt-based cores, and to the use of such cores as cavity-placeholders for primary molding processes which can be completely and easily removed by solvents without the retention of solid residues from the workpieces.

An Kerne, die beim Urformen von Werkstücken aus Metall, Kunststoffen und faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt werden, um die in den Werkstücken vorgesehenen Hohlräume beim Füllen der Formen freizuhalten, werden hohe Anforderungen gestellt. Die Kerne müssen sich leicht herstellen lassen, formstabil und konturgenau sein und die für ihre Herstellung verwendeten Werkstoffe sowie die sie auflösenden Lösungsmittel sollen weder die Bauteilqualität, noch die Umwelt belasten und keine gesundheitlichen Gefährdungen verursachen.Nuclei, which are used in the prototyping of workpieces made of metal, plastics and fiber-reinforced plastics in order to keep free the cavities provided in the workpieces when filling the molds, high demands are placed. The cores must be easy to produce, dimensionally stable and contour-accurate, and the materials used for their production and the solvent dissolving them should not affect the component quality, nor the environment and cause any health hazards.

Werden an die Oberfläche und die Konturgenauigkeit der Hohlräume der Werkstücke besondere Anforderungen gestellt, muss die Oberfläche der Kerne besonders glatt und konturgenau sein und die Kerne müssen sich in einem geeigneten Lösungsmittel vollständig auflösen und sich ohne Verbleib fester Rückstände aus den Hohlräumen der Werkstücke leicht entfernen lassen. Rückstände von Kernen, die nicht lösbare Komponenten wie beispielsweise Quarzsand enthalten, können zu einem Schaden an zu veredelnden Oberflächen führen oder den Ausfall eines Aggregats bewirken, beispielsweise wenn Kernrückstände zur Verstopfung einer Einspritzdüse im Commonrailsystem eines Dieselaggregates führen. Kerne auf der Basis von Salz, die sowohl den extremen thermischen, als auch den mechanischen Beanspruchungen, die beim Füllen der Form auftreten, standhalten, Kerne die einerseits eine hohe Festigkeit aufweisen und sich andererseits nach dem Formgebungsprozess leicht aus dem Bauteil herauslösen lassen, sowie eine möglichst gute, glatte Oberflächenbeschaffenheit im Werkstück hinterlassen, können mittlerweile mit Hilfe des so genannten Trockenpressverfahrens, mit oder ohne anschließenden Sinter- oder Rekristallisationsprozess, hergestellt werden.If special demands are placed on the surface and the contour accuracy of the cavities of the workpieces, the surface of the cores must be particularly smooth and contour-accurate and the cores must dissolve completely in a suitable solvent and can easily be removed from the cavities of the workpieces without leaving solid residues , Residues of cores containing non-dissolvable components such as quartz sand can cause damage to surfaces to be refined or cause the failure of an aggregate, for example, when core residues lead to blockage of an injector in the common rail system of a diesel engine. Cores based on salt, which withstand both the extreme thermal and the mechanical stresses that occur when filling the mold, cores on the one hand have a high strength and on the other hand can easily be released from the component after the molding process, as well as a In the meantime, the best possible smooth surface finish in the workpiece can now be produced by means of the so-called dry pressing process, with or without subsequent sintering or recrystallization process.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Kerne auf der Basis von Salz mit geringer Porosität, guter Oberflächengüte und möglichst hoher Festigkeit herzustellen, die sich nach dem Urformprozess der Werkstücke leicht und vollständig aus den Werkstücken entfernen lassen.Object of the present invention is to produce cores based on salt with low porosity, good surface quality and the highest possible strength, which can be easily and completely removed from the workpieces after the prototyping process of the workpieces.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Kerne in einem möglichst einfachen und kostengünstigen Formgebungsverfahren, vorzugsweise durch das so genannte Trockenpressverfahren, herzustellen.Another object of the present invention is to produce such cores in a simple and inexpensive forming process, preferably by the so-called dry pressing process.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Trockenpressverfahren zu verbessern und Kerne bereitzustellen, die in ihrer Festigkeit deutlich verbessert sind und sich dennoch nach dem Formgebungsverfahren leicht aus dem Bauteil herauslösen lassen, sowie eine gute, glatte Oberflächenbeschaffenheit im Werkstück hinterlassen.Another object of the present invention is to improve this dry pressing process and to provide cores which are significantly improved in strength yet can be readily released from the component after the forming process and leave a good, smooth surface finish in the workpiece.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch beschriebene Ausführungsform gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by the embodiment described in the main claim. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß sind die Salzkerne in einem Lösungsmittel löslich und insbesondere wasserlöslich.According to the invention, the salt cores are soluble in a solvent and in particular water-soluble.

Die erfindungsgemäßen Kerne umfassen einen Kernwerkstoff vorzugsweise kristalline Salzpartikel, Binder sowie ggf. Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel, Härter und Katalysatoren.The cores according to the invention comprise a core material, preferably crystalline salt particles, binders and optionally auxiliaries, such as fillers, additives, wetting agents, hardeners and catalysts.

Die erfindungsgemäßen Salzkerne werden mittels eines uniaxialen Trockenpressverfahrens hergestellt. Besonders bevorzugt wird dem Trockenpressverfahren ein Masseaufbereitungsschritt vorgelagert, bei dem Salze fein aufgemahlen und anschließend granuliert werden. Dies dient dazu, eine gleichmäßige Kornform zu erzielen wodurch Festigkeit und Oberflächengüte des Presslings verbessert werden können. Das Mahlen kann nass (Nassmahlung) oder trocken (Trockenmahlung) durchgeführt werden. The salt cores according to the invention are produced by means of a uniaxial dry pressing process. Particularly preferably, the dry-pressing process is preceded by a mass-preparation step in which salts are finely ground and subsequently granulated. This serves to achieve a uniform grain shape whereby the strength and surface quality of the compact can be improved. Milling can be done wet (wet grinding) or dry (dry grinding).

Das Nassmahlen kann mit gängigen Mahlverfahren, besonders bevorzugt durch Rührwerkskugelmühlen erfolgen. Die resultierende Korngröße vor dem Sprühgranulieren liegt im Bereich von 1 µm bis 1000 µm. Der Prozessschritt des Sprühgranulierens wird bei Temperaturen bis 800°C, bevorzugt bis 500°C durchgeführt. The wet milling can be carried out by conventional grinding methods, particularly preferably by stirred ball mills. The resulting grain size before spray granulation is in the range of 1 μm to 1000 μm. The process step of Sprühgranulierens is carried out at temperatures up to 800 ° C, preferably up to 500 ° C.

Vorzugsweise wird für die hier beschriebenen Salzkerne kristallines Salz als Ausgangsstoff verwendet. Nach dem Aufbereitungsprozess kann der Kernwerkstoff 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. Die in den erfindungsgemäßen Salzkernen vorhandene Porosität kann somit variiert werden. Die erfindungsgemäßen Salzkerne weisen eine Restporosität von weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Salzkerns auf.Preferably, crystalline salt is used as the starting material for the salt cores described here. After the preparation process, the core material can have a unimodal, but also bimodal or multimodal particle size distribution. A bimodal or multimodal particle size distribution can be advantageous in terms of a particularly dense packing of the crystals. The porosity present in the salt cores according to the invention can thus be varied. The salt cores according to the invention have a residual porosity of less than 10%, preferably less than 5%, based on the total volume of the salt core.

Wesentliche Auswahlkriterien für die zu verwendenden Salze sind deren Giftigkeit und Löslichkeit. Essential selection criteria for the salts to be used are their toxicity and solubility.

Als Kernwerkstoffe für die erfindungsgemäßen Kerne eignen sich die Salze der Alkali- und Erdalkalielemente wie insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Magnesiumchlorid, die Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente wie insbesondere Kaliumsulfat, Magnesiumsulfat, sowie Ammoniumsalze wie insbesondere Ammoniumsulfat. Die wasserlöslichen Vertreter dieser Kernwerkstoffe sind bevorzugt. Diese Stoffe können einzeln oder auch als Mischung eingesetzt werden, soweit sie nicht miteinander reagieren und so die gewünschten Eigenschaften negativ beeinflussen, denn der Kernwerkstoff soll bei der Kernherstellung keine Stoffumwandlung erfahren, die seine rückstandsfreie Entfernung negativ beeinflusst.Suitable core materials for the cores according to the invention are the salts of alkali metal and alkaline earth metal elements, in particular sodium chloride, potassium chloride and magnesium chloride, the sulfates and nitrates of the alkali metal and alkaline earth metal elements, in particular potassium sulfate, magnesium sulfate and ammonium salts, in particular ammonium sulfate. The water-soluble representatives of these core materials are preferred. These substances can be used individually or as a mixture, as long as they do not react with each other and thus adversely affect the desired properties, because the core material is to undergo no material conversion in the core production, which negatively affects its residue-free removal.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Korngröße des aufbereiteten Kernwerkstoffs im Bereich von 1 µm bis 2000 µm. Besonders bevorzugte Korngrößenbereiche liegen zwischen 1 µm bis 150 µm, zwischen 200 µm bis 1300 µm und/oder zwischen 1310 µm bis 2000 µm, wobei die ersten beiden Fraktionen als eher feinkörniges Granulat und die letzte Fraktion als eher grobkörniges Granulat in multimodal zusammengesetzten Mischungen Verwendung finden. Die Korngrößenverteilung wird über Siebanalysen gemäß DIN 66 165 (Stand: Ausgabe 4.1987/26.10.2015), bzw. nach dem Verfahren der dynamische Bildanalyse, vorzugsweise mittels Camsizer P4, durchgeführt.According to a preferred embodiment of the invention, the grain size of the processed core material is in the range of 1 .mu.m to 2000 .mu.m. Particularly preferred particle size ranges are between 1 .mu.m to 150 .mu.m, between 200 .mu.m to 1300 .mu.m and / or between 1310 .mu.m to 2000 .mu.m, the first two fractions being used as rather fine-grained granules and the last fraction as rather coarse-grained granules in multimodal composite mixtures , The particle size distribution is determined by sieve analyzes according to DIN 66 165 (Stand: Issue 4.1987 / 26.10.2015), or by the method of dynamic image analysis, preferably using Camsizer P4 performed.

Die erfindungsgemäßen Kerne bestehen aus einem oder mehreren Salzen, denen wahlweise ein spezielles Bindersystem, sowie Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel und Katalysatoren beigemischt werden.The cores of the invention consist of one or more salts, which optionally a special binder system, and auxiliaries such as fillers, additives, wetting agents and catalysts are added.

Diese Kerne sind vorzugsweise für Werkstücke vorgesehen, die im Druckguss von Metallen, Spritzguss von Kunststoffen, oder der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Kerne sind aus Stoffen zusammengesetzt, die sich mit Wasser, als aus Gründen des Umweltschutzes bevorzugtes Lösungsmittel, rückstandsfrei aus den Hohlräumen der Werkstücke entfernen lassen. Die erfindungsgemäßen Kerne haben den Vorteil, dass sie aus Stoffen (= Kernwerkstoffen) zusammengesetzt sind, die bei sachgerechter Handhabung keinerlei gasabspaltende Reaktionen zeigen, welche die Umwelt belasten, weder bei ihrer Herstellung, noch beim Urformprozess. Dadurch, dass bei ihrem Einsatz in Gießprozessen auch keine Crackingprodukte eines organischen Binders entstehen, wird die Qualität der Gussteile verbessert, indem Gießfehler wie Lunker, Gasporen o. ä. durch entstehende Kerngase vermieden werden können. Bei der Entfernung der Kerne aus den Werkstücken entstehen keine Rückstände, die einer besonderen Entsorgung bedürfen. Je nach Zusammensetzung lassen sich die Stoffe durch geeignete Verfahren aus der flüssigen Phase zurückgewinnen, beispielsweise das Salz durch Sprühtrocknen oder Eindampfen. These cores are preferably intended for workpieces that are produced by die casting of metals, injection molding of plastics, or the production of fiber-reinforced plastics. The cores according to the invention are composed of substances which can be removed without residue from the cavities of the workpieces with water, as a preferred solvent for reasons of environmental protection. The cores according to the invention have the advantage that they are composed of materials (= core materials) which, when handled properly, do not show any gas-releasing reactions which pollute the environment, neither during their production nor during the primary molding process. The fact that their use in casting processes also no cracking products of an organic binder, the quality of the castings is improved by casting defects such as voids, gas pores or the like can be avoided by resulting core gases. When removing the cores from the workpieces, there are no residues that require special disposal. Depending on the composition, the substances can be recovered by suitable processes from the liquid phase, for example the salt by spray drying or evaporation.

Alle Zusammensetzungen der Kernwerkstoffe lassen sich in herkömmlichen mechanischen oder hydraulischen Pressen durch Verdichten verarbeiten. Die Komplexität der Geometrie der Kerne bestimmt die Fertigungsparameter sowie die Gestaltung und konstruktive Auslegung des Werkzeugs zur Herstellung der Kerne und der Presse.All compositions of the core materials can be processed in conventional mechanical or hydraulic presses by compacting. The complexity of the geometry of the cores determines the manufacturing parameters as well as the design and constructive design of the tool for making the cores and the press.

Durch das erfindungsgemäße Feinmahlen (nass oder trocken) und die nachfolgende Granulation, beispielsweise Sprühgranulation oder Aufbauagglomeration, kann eine spezielle Korngrößenverteilung hergestellt werden, welche beim eingesetzten Trockenpressverfahren die größtmögliche Packungsdichte im verdichteten Salzkern ergibt und so die Festigkeit und Oberflächengüte der Kerne maßgeblich erhöht.By means of the fine grinding according to the invention (wet or dry) and the subsequent granulation, for example spray granulation or buildup agglomeration, a specific particle size distribution can be produced which gives the greatest possible packing density in the compacted salt core in the dry pressing process used and thus significantly increases the strength and surface quality of the cores.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN 66 165 [0015]

Claims

A process for the preparation of salt-based cores, characterized in that the process comprises the steps of: finely grinding a core material mixture; Granulation of the core material mixture; Forming and compacting the core material mixture by means of dry pressing.

A method according to claim 1, characterized in that the core material is ground as a starting material in suitable mills to particle sizes of 1 .mu.m to 1000 .mu.m.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the milled material is dried by spray granulation at temperatures up to 800 ° C and more preferably to 500 ° C, and thereby agglomerated into granules having the specified in claim 11 to 13 grain sizes.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the ground material is agglomerated by built-up granulation to granules having the particle sizes specified in claim 11 to 13.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a bimodal or multimodal particle size distribution of the core material mixture is produced by grinding and granulation.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cores are heat-treated after shaping.

Salt-based core producible by a process according to any one of the preceding claims.

Core according to claim 6, characterized in that the cores consist of one or more salts.

Core according to claim 6 or 7, characterized in that binder / binder, additives, fillers, wetting agents and / or catalysts are added to the core material, wherein all the auxiliary substances used are water-soluble.

Core according to one of claims 6 to 8, characterized in that as salts (core material) chlorides of alkali and alkaline earth elements, especially sodium chloride, potassium chloride and / or magnesium chloride, sulfates and nitrates of alkali and alkaline earth elements, especially potassium sulfate and / or magnesium sulfate, Ammonium salts, in particular ammonium sulfate or mixtures of these salts are used.

Core according to claim 9, characterized in that salt is sodium chloride.

Core according to one of claims 6 to 10, characterized in that particle sizes of the salt used are in the range of 1 .mu.m to 2000 .mu.m.

Core according to one of claims 6 to 11, characterized in that the salt used is present in bimodal or multimodal particle size distribution.

Core according to claim 11 or 12, characterized in that the processed salt is present in a particle size distribution of 1 .mu.m to 150 .mu.m, between 200 .mu.m to 1300 .mu.m and / or between 1310 .mu.m to 2000 .mu.m.

Core according to one of claims 6 to 13, characterized in that the shaped core have a porosity of <5%.

Core according to one of claims 6 to 13, characterized in that the shaped core has a flexural strength> 16.5 MPa.