-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkerns oder Speisers zur Erzeugung von Hohlräumen in Gussstücken, wobei der Formkern oder Speiser aus Glas hergestellt wird.
-
Formkerne werden üblicherweise aus Sand oder Salz hergestellt und dienen zur Erzeugung eines Hohlraums in einem Gussstück. Die Entfernung dieser Kerne erfolgt entweder mechanisch, beispielsweise durch Rütteln oder auch chemisch durch Auflösung.
-
Speiser sind üblicherweise hohle Kerne, in die das flüssige Metall beim Gießen eindringt, so dass während der Erstarrung und dem dabei entstehenden Schrumpfungsprozess, insbesondere in Bereichen mit großen Wandstärken, über diese Hohlräume flüssiges Metall aus den Speisern in die Kavitäten nachströmen kann.
-
Diese Formkerne und Speiser enthalten üblicherweise Bindemittel, um die Salze und den Sand zusammen zu halten. Dieses Bindemittel verflüchtigt sich beim Gießen, was dazu führt, dass eine Entgasung vom Kern nach außen vorgesehen werden muss, da sich andernfalls das Gas im Gussteil absetzt und zu Blasen und einer erhöhten Kondensatbildung führt. Hierzu werden zumeist Kanäle vorgesehen, über die das Gas abgeführt werden kann. Es gibt jedoch Positionen in Gussteilen, für die eine Entgasung nur schwierig oder gar nicht zu realisieren ist.
-
Daher wird versucht, solche Kerne unmittelbar vor dem Gießen Mikrowellen auszusetzen, wodurch die Entgasung beim Gießen deutlich reduziert wird. Allerdings erfordert dies wieder einen zusätzlichen Fertigungsschritt.
-
Des Weiteren ist es bekannt, zur Herstellung der Kerne als Material Glas zu nutzen. Glaskerne werden vor allem zur Erzeugung kleiner filigraner Kanäle verwendet.
-
Ein solcher Glaskern ist beispielsweise aus der
DE 1 132 295 A bekannt. Der dort beschriebene Kern ist aus einem Borosilikatglas, welches eine hohe Unempfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wodurch sehr maßgenaue Hohlräume in den Gussstücken erreicht werden können.
-
Auch wenn mit einem solchen Kern eine gute Maßgenauigkeit erreichbar ist, so ergibt sich doch häufig das Problem der Entfernung des Glaskerns aus dem Gussstück, was daher häufig chemisch erfolgt. Insbesondere sollte das Glas lediglich eine geringe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmekapazität besitzen, um beim Kontakt mit der Schmelze dieser nicht zu viel Wärme zu entziehen, da dies zu beschleunigter Erstarrung führen würde, was vor allem auch bei einer Verwendung als Speiser nicht gewünscht ist. Vor allem jedoch ist es wichtig, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases unter dem des zu gießenden Materials, insbesondere Aluminium, sein sollte, um ein mechanisches Entfernen aus dem Gussteil zu ermöglichen und zu verhindern, dass Maßungenauigkeiten entstehen.
-
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkerns oder Speisers zur Erzeugung von Hohlräumen in Gussstücken zu schaffen, mit dem sehr maßgenaue Hohlräume erzeugt werden können, welche auch eine möglichst geringe Oberflächenrauigkeit aufweisen sollen, und die einfach mechanisch durch Rütteln oder Hämmern zu entfernen sind. Auf eine Entgasung der Kerne soll verzichtet werden können. Zusätzlich sollte die Wärmeleitfähigkeit möglichst unter 0,00580 W/(cm*K) bei 527°C liegen. Auch soll eine Formstabilität des Formkerns oder Speisers etwa 5 Minuten bei 700°C erhalten werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient sollte unter demjenigen von Aluminium liegen, um ein mechanisches Lösen nach dem Guss zu ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formkerns oder Speisers zur Erzeugung von Hohlräumen in Gussstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Der Formkern oder Speiser wird aus einem Glas hergestellt, wobei zur Nutzung als Speiser dieser Glaskern hohl ausgeführt wird, und bei der Nutzung als Hohlraum bildender Formkern als Vollkörper ausgeführt wird. Dabei wird zunächst ein Pulver oder Granulat des Glases, insbesondere Siliziumdioxid, genutzt und zur Herstellung eines Grünlings aus dem Granulat oder Pulver dieses einem Formgebungsverfahren unterzogen, wodurch das Pulver oder Granulat eine feste Form annimmt. Anschließend wird dieser Grünling gesintert. Dabei kommt es durch Diffusion und Umordnung zur Bildung von ersten Kontaktstellen zwischen den Teilchen. Dabei lagern sich die Partikel des Ausgangsmaterials aneinander an, wodurch die Dichte langsam zunimmt. Im Folgenden verschmelzen die Partikel miteinander. Dadurch kommt es zu einer Verdichtung des Materials. Gleichzeitig bilden sich Poren oder ganze Kanalsysteme aus über die noch im Grünling eingeschlossene Gase nach außen entweichen. Entsprechend entsteht ein poröser Körper, der eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und niedrige Wärmekapazität im Vergleich zu anders hergestellten Gläsern aufweist. Auch weist ein solcher Körper einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch eine mechanische Entfernung des Kerns durch Rütteln oder Hämmern ermöglicht wird. Beim Gießen entstehen durch den Kern fast keine Ausgasungen, wodurch Gaseinschlüsse im Gussteil verhindert werden, ohne Entgasungskanäle vorsehen zu müssen. Auch wird ein Kondensataufbau in der Gießform verhindert.
-
Vorzugsweise wird aus dem Pulver oder Granulat durch Zugabe einer Flüssigkeit ein Gießschlicker hergestellt. Dies bedeutet, dass die Partikel mit einer Flüssigkeit eine Suspension bilden, in der die Partikel gleichmäßig verteilt vorliegen. Ein solcher Gießschlicker eignet sich für verschiedene Formgebungsverfahren, mit denen im Folgenden poröse Sinterteile hergestellt werden können.
-
So kann vorzugsweise als Formgebungsverfahren der Gießschlicker in eine Gießform gegossen werden. Diese Gießform entspricht nun der herzustellenden Form des zu schaffenden Formkerns oder Speisers, wobei im Gießvorgang das Wasser aus dem Gießschlicker entfernt werden muss.
-
Dies erfolgt vorteilhafterweise dadurch, dass die Gießform aus Gips hergestellt wird. Der Gips entzieht dem Gießschlicker beim Gießen das Wasser und es entsteht ein fester Grünling zur Weiterverarbeitung.
-
Als Alternative zum Gießen kann als Formgebungsverfahren der Gießschlicker auch in einer Pressform feucht gepresst werden. Das Pressen findet unter hohem Druck von etwa 1 Tonne pro Quadratzentimeter statt und sollte bei komplizierteren Geometrien von mehreren Seiten aus erfolgen. Dabei wird das Volumen auf etwa ein Drittel des Ausgangsvolumens verringert, wobei ein fester Grünling zur weiteren Verarbeitung geschaffen wird.
-
Der Grünling wird vorzugsweise nach dem Pressen und vor dem Sintern getrocknet, so dass die Feuchtigkeit weitestgehend entfernt wird. So können sich beim Sintern schnell die Kontaktstellen der Partikel bilden.
-
Vorteilhafterweise weisen die Partikel des Pulvers oder Granulats eine Größe von 5nm bis 500nm auf. Mit derartigen Partikelgrößen können gute Suspensionen für die Schlicke erzielt werden, da die Teilchen gut in der Flüssigkeit schweben und sich nicht aufgrund ihrer Masse absetzen.
-
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Partikel des Grünlings vor dem Sintern eine Größe von 5 µm bis 3mm aufweisen. Mit einer solchen Teilchengröße können durch das Sintern ausreichend poröse Formkerne und Speiser hergestellt werden, die die entsprechenden thermischen Eigenschaften aufweisen.
-
Vorzugsweise ist das Glas ein Kieselglas. Dieses liegt als Abfallprodukt vor, so dass die Kerne entsprechend kostengünstig hergestellt werden können.
-
Vorzugsweise wird der Grünling bei einer Temperatur von 800 bis 1000°C gesintert und somit kurz unterhalb der Schmelztemperatur des Kieselglases. Entsprechend entstehen am Rand der Teilchen Aufweichungen, wodurch oberflächliche Verschmelzungen beim Sintern entstehen.
-
Der Formkörper wird als Hohlkörper oder Vollkörper hergestellt, so dass dieser sowohl für feste Formkerne als auch für Speiser benutzt werden kann.
-
Es wird somit ein Verfahren bereitgestellt, mit dem maßgenaue Hohlräume mit glatten Oberflächen hergestellt werden können. Auf die Anordnung von Entgasungskanälen kann vollständig verzichtet werden, da ein derartig hergestellter Kern beinahe keine Gasentwicklung beim Gießen aufweist, so dass auch keine Kondensate beim Guss entstehen. Der Formkern lässt sich einfach durch Rütteln oder Hämmern entfernen, da er eine geringere Wärmeausdehnung aufweist als das Aluminium des Gussteils. Auch eignet er sich in besonderer Weise für Kerne, da er eine sehr geringe Wärmekapazität und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Des Weiteren weist ein derartig hergestellter Formkern oder Speiser eine ausreichende Formstabilität bei etwa 700°C auf und somit bei der üblichen Gießtemperatur bei Aluminiumgussteilen.
-
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Formkerns oder Speisers zur Erzeugung von Hohlräumen in Gussstücken wird nachfolgend beschrieben.
-
Zunächst wird Kieselglas, also Siliziumdioxid in Form eines Pulvers oder Granulats zur Verfügung gestellt. Die Partikelgröße dieses Granulats beträgt etwa 5nm bis 50nm.
-
Im Folgenden wird aus dem Kieselglas durch Zugabe einer Flüssigkeit eine als Gießschlicker dienende Suspension hergestellt, welche neben dem Siliziumdioxidpulver etwa 75% Wasser enthält und als Stickstoffhydrid etwa 2% Ammoniak enthält, welches dazu dient, die Hydrathülle um die SiO2-Partikel aufzubrechen, wodurch eine Stabilisierung der Suspension eintritt. So stellt sich ein pH-Wert von etwa 12 ein. Die so gewonnene Suspension wird im Folgenden in eine Gipsform gegossen. Der Gips entzieht dem Schlicker die Feuchtigkeit. Alternativ kann der Schlicker auch gegossen und in der Form getrocknet werden. In beiden Fällen wird ein vorgeformter Grünling mit Granulatpartikeln mit einer Größe von 5µm bis 3 mm gebildet.
-
Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Schlicker feucht zu pressen, wobei ein Druck von etwa 1 Tonne pro Quadratzentimeter von verschiedenen Richtungen auf den Schlicker wirkt. Der so entstehende Grünling, der erneut einen vorgeformten Körper bildet, muss im Folgenden noch einmal getrocknet werden.
-
Als abschließenden Verfahrensschritt wird der Grünling einer Sinterung unterzogen. Dabei wird der Grünling auf etwa 900°C erwärmt. An den Granulatpartikeln des Grünlings bilden sich feste Kontaktstellen zwischen den Teilchen durch Diffusion und Umordnung. An den Kontaktstellen lagern sich die Kieselglaspartikel aneinander an, wodurch sie insgesamt ihre Oberfläche verkleinern. Entsprechend nimmt die Dichte des Werkstoffs langsam zu.
-
In der folgenden Phase des Sinterprozesses setzt sich dieses Granulatwachstum fort, da die Partikel weiter miteinander verschmelzen. Dadurch kommt es zu einer erheblichen Verdichtung. Gleichzeitig bilden sich Poren oder ganze Kanalsysteme aus, über die noch im Grünling eingeschlossene Gase nach außen entweichen. Diese Gase treten entsprechend in einem folgenden Gießprozess, in dem das gesinterte Teil als Formkern oder Speiser benutzt wird, nicht mehr aus.
-
In der dritten Phase erfolgt der Übergang zu einer immer mehr geschlossenen, dichteren Porosität. Entsprechend sollte der Vorgang bei Erreichen einer gewünschten Porosität abgebrochen werden. Nach dem Sintern erfolgt die Abkühlung.
-
Falls gewünscht kann Nachbearbeitung, beispielsweise durch Pressen noch eine Nachformung zum Erreichen bestimmter Toleranzwerte eingesetzt werden.
-
Ein derartig hergestellter Formkern oder Speiser kann vorteilhaft im Aluminiumguss eingesetzt werden, da er eine hohe Formgenauigkeit aufweist und bei einer Gießtemperatur von etwa 700°C ausreichend lange formstabil ist. Da er einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Aluminium, kann er durch Rütteln oder Hämmern aus dem Gussstück entfernt werden. Die Wärmeleitfähigkeit eines derartig hergestellten Formkerns oder Speisers liegt bei unter 0,58 W/(cm*K) bei 527°C und unter 0,593 W/(cm*K) bei 727°C und somit deutlich unter den üblichen Werten eines Kieselglases, wodurch ein deutlich geringerer Wärmeentzug des zu gießenden Materials stattfindet und der Kern länger formstabil bleibt. Die spezifische Wärmespeicherzahl liegt bei unter 2,732 J/(cm3*K) bei 527 °C und 2,980 J/(cm3*K) bei 727°C und somit im Bereich eines Sandkerns. Dies wird insbesondere durch die hohe erreichbare Porosität aufgrund des Sinterprozesses erreicht, so dass ein derartiger Formkern oder Speiser optimal beim Gießen von Aluminiumbauteilen oder Aluminiumlegierungsbauteilen eingesetzt werden kann. Vor allem wird durch einen solchen Kern oder Speiser erreicht, dass beim Gießen eines Metallgussstücks beinahe keine Entgasung beim Kontakt des Kerns oder Speisers mit dem schmelzflüssigen Metall mehr stattfindet, was die Gussqualität deutlich verbessert und es ermöglicht, auf das Vorsehen von Entgasungskanälen verzichten zu können. So wird auch eine Kondensatbildung in der Gießform verringert und die Oberflächengüte im Vergleich zu anderen Kernen verbessert.
-
Es sollte deutlich sein, dass die Erzeugung und Verarbeitung des Schlickers und des Grünlings auf unterschiedliche Weise erfolgen kann. Hierzu sind verschiedene Verfahren bekannt. Auch die beschriebenen Werte zur Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität oder die Temperaturen sind Richtwerte und unterliegen einer gewissen Bandbreite und sind abhängig von den Ausgangsstoffen und -werten sowie den verwendeten Verfahren zur Herstellung des Schlickers und dessen Weiterverarbeitung durch Gießen oder Pressen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-