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Die Erfindung betrifft einen Formstoff für die
Herstellung von Gießformteilen, die für das Abgießen von
Metallschmelze, insbesondere von Leichtmetallschmelze,
wie Aluminiumschmelze, eingesetzt werden. Bei derartigen
Gießformteilen kann es sich beispielsweise um Gießkerne
handeln, durch welche Hohlräume im Innern des zu
erzeugenden Gußteils ausgebildet werden. Ebenso kann es
sich bei erfindungsgemäßen Gießformteilen um Bauelemente
handeln, aus denen eine mehrteilige Gießform
zusammengesetzt wird, durch die die Außenform des zu
erzeugenden Gußteils bestimmt wird.
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Zur Herstellung von Gießformteilen der voranstehend
angegeben Art werden in der Regel Formstoffsysteme
eingesetzt, die aus einem Formgrundstoff und einem
Bindemittel zusammengesetzt sind. Diese beiden
Komponenten werden miteinander vermischt und über einen
geeigneten Aushärteprozeß zu einem kompakten Körper
verarbeitet. Als Formgrundstoff kommt üblicherweise
Quarzsand zum Einsatz, der in der überwiegenden Zahl der
Anwendungen mit einem organischen Binder gebunden wird.
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Die Verwendung von Quarzsand als Grundstoff für die
Herstellung von Gießformteilen hat sich insbesondere im
Bereich des Vergießens von Leichtmetallwerkstoffen in
mehrfacher Hinsicht bewährt. So läßt sich derartiger
Quarzsand kostengünstig beschaffen und zeichnet sich
durch eine einfache Verarbeitbarkeit und eine gute
Qualität bei der Abbildung der Formelemente des jeweils
zu erzeugenden Gießformteils aus.
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Als umweltverträglichere Alternative zu organischen
Bindern ist die Verwendung von anorganischen Bindern auf
Wasserglasbasis vorgeschlagen worden. Der
Wasserglasbinder wird mit dem Formsand vermischt. Das
erhaltene Gemisch wird dann in den Formkasten einer
Formmaschine geschossen, in dem ein die Form des
herzustellenden Formteils abbildender Hohlraum
ausgebildet ist. Anschließend wird dem in die Form
gegebenen Gemisch durch Wärmezufuhr Wasser entzogen. Die
Wärmezufuhr kann dabei über eine entsprechende Beheizung
des Formkastens oder durch eine direkt auf das Gemisch
wirkende Mikrowellenheizung erfolgen (WO-A-86/00033,
EP 0 917 499 B1, DE 196 32 293 A1).
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Um ein optimales Arbeitsergebnis beim Abgießen der
Metallschmelze zu gewährleisten, muß der zur Herstellung
der Gießformteile eingesetzte Formstoff eine hohe
Festigkeit und Maßtreue besitzen. Diese muß auch während
des Baus der Gießform und dem Abgießen der Schmelze
auftretenden Belastungen erhalten bleiben.
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Darüber hinaus soll sich der Formstoff nach dem Abgießen
auf einfache Weise entfernen lassen. Letzteres erweist
sich insbesondere dann als besonders wichtig, wenn
Gießkerne eingesetzt werden, die in dem Gußteil komplex
geformte Innenräume ausbilden.
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Schließlich sollen die Formstoffe nach Gebrauch so
regenerierbar sein, daß beim Formgrundstoff eine
möglichst hohe Quote der Wiederverwendung erreicht wird.
Dies läßt sich beispielsweise durch Verwendung von
anorganischen Bindern erreichen, die während der
Herstellung der Formteile geringe Emissionen freisetzen
und nach Beendigung des Gießvorgangs durch Einwirken von
ausreichend hohen Temperaturen annähernd rückstandslos
verbrannt werden können.
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In der praktischen Anwendung zeigt sich, daß die
bekannten Formstoffsysteme unabhängig davon, ob
organische oder anorganische Binder enthalten, unter
üblichen Bedingungen die für ein optimales
Arbeitsergebnis erforderlichen Eigenschaften besitzen.
Doch besonders bei dünnwandigen Formteilen, wie sie
beispielsweise beim Gießen von Motorblöcken als Formkerne
für Ölkanäle eingesetzt werden, kann es in Folge
unvermeidbarer Wärmeausdehnung dazu kommen, daß die
Anforderungen an die Maßhaltigkeit des Gußteils nicht
mehr erfüllt werden.
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Ein weiteres Problem beim Abgießen von komplex geformten
Gußstücken unter Verwendung von konventionell
hergestellten Gießformteilen besteht darin, daß sich der
Sand nach der Abkühlung nur schwer aus dem Gußteil
entfernen läßt. Üblicherweise wird das Gußteil zum
Entfernen des Sande geschüttelt oder Schlägen ausgesetzt,
die einen Zerfall der im Innern des Gußteils befindlichen
Gießkerne und der Außen an dem Gußteil haftenden
Formteile bewirken und das Heraus- bzw. Abrieseln der
erhaltenen Formstoffpartikel fördern sollen. Diese
mechanischen Verfahren zum Entfernen der Formteile
bringen jedoch die Gefahr einer Beschädigungen des
Gußteils mit sich. So kann es insbesondere bei filigran
geformten oder dünnwandigen Bauteilen zu Rißbildungen
kommen.
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Es ist daher vorgeschlagen worden, anstelle mechanisch
auf das Gußteil einwirkender Maßnahmen das Gußstück so
stark zu erhitzen, daß der Binder verbrennt bis allein
der Formgrundstoff zurückbleibt und als rieselfähiges
Material leicht aus und von dem Gußteil entfernt werden
kann. Der dazu erforderliche apparative Aufwand ist
beträchtlich. Darüber hinaus sind die für das Verbrennen
des Binders erforderlichen Temperaturen so hoch, daß mit
der Erwärmung unvermeidbar auch ein Einfluß auf die
Eigenschaften des metallischen Gußstücks ausgeübt wird.
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Aufgabe der Erfindung war es, einen Formstoff zur
Verfügung zu stellen, mit welchem sich Formteile
herstellen lassen, die zur Erzeugung qualitativ
hochwertiger, komplex geformter Gußstücke geeignet sind
und sich nach Beendigung des Gießvorgangs auf einfache
Weise und gefahrlos aus bzw. von dem Gußstück entfernen
lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Formstoff aus einem gegenüber der zu vergießenden
Metallschmelze inerten, rieselfähigen Formgrundstoff, der
sich bei Erwärmung geringer ausdehnt als Quarzsand, und
einem mit dem Formgrundstoff vermischten Binder gebildet
ist, der sich bei Erwärmung anders ausdehnt als der
Formgrundstoff.
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Erfindungsgemäßer Formstoff verbindet in optimaler Weise
die Eigenschaften, welche Voraussetzung für die
Herstellung eines qualitativ hochwertigen Gußteils bei
gleichzeitig einfacher Herstellweise sind. Zu diesem
Zweck enthält der erfindungsgemäße Formstoff einen in
körniger oder vergleichbar partikelartiger Form
vorliegenden und als solcher rieselfähigen Grundstoff,
der bei seiner während des Abgusses unvermeidbar
eintretenden Erwärmung eine gegenüber konventionell
verwendetem Quarzsand deutlich geringe Wärmeausdehnung
zeigt. Dieser Formgrundstoff gewährleistet als solcher
auch bei geringer Materialstärke eine hohe Maßhaltigkeit
bei der Herstellung komplex geformter Gußstücke.
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Der im ungebundenen Zustand rieselfähige Grundstoff ist
mit einem Binder vermischt, der ein von dem Grundstoff
unterschiedliches Ausdehungsverhalten bei Erwärmung
besitzt. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung
von Formgrundstoff und Bindemittel kommt es nach dem
Wärmeeintrag aus der Gießhitze zur Ablösung des Binders
von den Körnern des Formgrundstoffs. Im Ergebnis sprengt
daher der Binder dann, wenn er sich stärker ausdehnt als
der Grundstoff, das Formteil so auf, daß es seine feste
Form verliert und leicht aus bzw. von dem Gußteil
entfernt werden kann.
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Überraschend hat sich gezeigt, daß der Zerfall der aus
erfindungsgemäß zusammengesetztem Formstoff hergestellten
Formteilen soweit zeitverzögert gegenüber dem Abgießen
der Metallschmelze selbsttätig eintritt, daß er keinen
negativen Einfluß mehr auf die Qualität des zu diesem
Zeitpunkt schon ausreichend erstarrten Gußteils hat.
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Wesentlich für den Zerfall des Gießformteils, der bei
erfindungsgemäßer Beschaffenheit des zu seiner
Herstellung verwendeten Formstoffs selbsttätig eintritt,
ist somit die unterschiedliche Wärmeausdehnung von
Formgrundstoff und Bindemittel in der Art, daß unter
Einwirkung der Gießhitze das Bindemittel in Folge der
zwischen Formgrundstoff und Binder entstehenden
thermischen Spannungen von den Formgrundstoffteilchen
abplatzt oder in sich bricht. Durch das nach dem
Aushärten des Formteils spröde Bruchverhalten des
Bindemittels wird die Bindung zwischen den einzelnen
Partikeln des Formgrundstoffs aufgebrochen, so daß das
Formteil zerfällt. Das verbleibende lose Gemisch aus
Formgrundstoff- und Bindemittelbruchstücken ist
rieselfähig und kann ohne die Gefahr mechanischer
Beschädigungen aus bzw. von dem Gußstück geschüttelt
werden.
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Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften ist
erfindungsgemäß zusammengesetzter Formstoff besonders zur
Herstellung von Gießkernen geeignet, die nach dem Gießen
gefahrlos entfernt werden können.
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Als Formgrundstoff können erfindungsgemäß alle in
rieselfähiger Beschaffenheit vorliegenden
Feuerfestmaterialien eingesetzt werden, die sich bei
Erwärmung ausreichend wenig ausdehnen. So eignet sich
beispielsweise synthetisch erzeugter Mullit (Al2SiO5) in
besonderer Weise als Grundstoff eines erfindungsgemäßen
Formstoffsystems.
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Der in solchem Formgrundstoff mindestens einen Teil,
vorzugsweise mehr als 50% oder mehr als 70% des
Quarzsandes subsituierende Aluminiumoxid-Sand (Mullit)
weist eine runde Kornform und eine mit Quarzsand
vergleichbare Dichte auf. Daher ist die daraus
hergestellten Formstoffe wesentlich einfacher zu
verarbeiten als die bekannten ZrO2-Sande. In der Praxis
führt dies zu einer vereinfachten Verarbeitbarkeit der
aus solchen Formgrundstoffen erzeugten Formstoffe und
damit einhergehend zu einem verminderten Verschleiß der
für die Herstellung der Formteile verwendeten Werkzeuge
und Maschinen.
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Wärmetechnisch wirkt ein aus einem Mullit-
Quarzsandgemisch zusammengesetzter Formgrundstoff und ein
daraus erzeugter Formstoff eher isolierend. Daher können
diese Stoffe gezielt für solche gießtechnische
Anwendungen genutzt werden, in denen es zwar zu einer
über die für Quarzsande kritische Temperatur von 573°C
hinausgehenden Erwärmung kommt, bei denen die
Wärmeleitfähigkeit der aus den betreffenden Stoffen
erzeugten Formteile jedoch eine untergeordnete Rolle
spielt bzw. die Wärmeleitung bewußt eingeschränkt werden
soll.
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Praktische Versuche haben ergeben, daß durch das
Zumischen einer ausreichenden Menge von Al2SiO5-Sand zu
einem Quarzsand die Probleme der spontanen
Geometrieveränderungen abgefangen werden können, die bei
alleiniger Verwendung von Quarzsand als Formgrundstoff
für die Herstellung von schlanken, filigranen Gußteilen
auftreten. Wesentlich ist dabei, daß der Anteil des
Al2SiO5-Sands jeweils ausreichend hoch ist, um die bei
Quarzsand andernfalls mit der Erwärmung über die
kritische Temperatur einhergehende Längenänderung des
Quarzes ausgleichen zu können. Abhängig von der
Dimensionierung des jeweils zu erzeugenden Formteils kann
dies beispielsweise dann gewährleistet werden, wenn der
Anteil des Aluminiumoxids bei einem aus einer Mischung
von Quarz- und Al2SiO3-Sand gebildeten Formgrundstoff
mindestens 30%, 50%, oder sogar bis zu 70% beträgt.
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Erfindungsgemäß verwendete Formstoffe enthalten neben
einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Formgrundstoff
einen mit dem Formgrundstoff vermischten Binder. Dieser
Binder wird benötigt, um nach der Formgebung den aus dem
Formstoff geformten Formteilen die erforderliche
Festigkeit zu verleihen. Zu diesem Zweck können in
bekannter Weise Binder, die aus anorganischen Komponenten
hergestellt sind, oder Binder, die aus organischen
Komponenten bestehen, verwendet werden.
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Der Vorteil der Verwendung von anorganischen Bindern
besteht in ihrer besseren Umweltverträglichkeit und dem
Umstand, daß sich die mit derartigen Bindern
hergestellten Formteile problemlos in den Kreislauf des
Formstoffs zurückführen lassen. Als besonders geeignet
haben sich in diesem Zusammenhang Formstoffe erwiesen,
die aus einem auf Wasserglas basierenden Binder und einem
erfindungsgemäß zusammengesetzten Formgrundstoff gemischt
sind. Wesentlich ist dabei jedoch, daß das
Ausdehnungsverhalten der miteinander vermischten
Komponenten in ausreichender Weise voneinander
unterscheidet.
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Formteile für Gießformen, die aus mindestens einen Anteil
an Mullit aufweisenden Formgrundstoffen erzeugt worden
sind, zeichnen sich auch bei einer über 573°C
hinausgehenden Erwärmung durch eine besonders gute
Maßhaltigkeit aus. Daher eignen sich derartige Formteile
insbesondere für Gießformen zum Vergießen von Aluminium-
oder anderen Leichtmetallguß-Legierungen.
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Das jeweilige Gießformteil wird auch beim
erfindungsgemäßen Verfahren dadurch hergestellt, daß eine
erfindungsgemäß zusammengesetzte Formstoffmischung in
bekannter Weise in den Kernkasten einer Kernformmaschine
eingeschossen wird. Anschließend wird der Formstoff
beispielsweise gemäß dem in der DE 196 32 293 A1
beschriebenen Verfahren gehärtet, indem an die Hohlform
des auf eine Temperatur von 100°C bis 160°C erwärmten
Kernkasten ein Unterdruck angesetzt und der Kernformling
über eine Zeit von 20 bis 30 Sekunden von dem Kernkasten
erwärmt wird.
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Während dieser Zeit wird das Gießformteil so fest, daß es
aus dem Kernkasten entnommen werden und in einen
außerhalb des Kernformkastens angeordnete
Heizeinrichtung, beispielsweise einen Mikrowellenofen,
gesetzt werden kann. In dieser Heizeinrichtung wird es
bei ausreichender Wärmeleistung soweit erwärmt, daß ihm
eine für die vollständige Aushärtung ausreichende Menge
an Wasser entzogen wird.
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Alternativ oder ergänzend zu einer außerhalb des
Kernformkastens angeordneten Mikrowellenheizung kann der
Wasserentzug auch durch eine ausreichende Beheizung des
Kernkastens selbst oder durch eine Heißluftbegasung
erfolgen. Diese Maßnahmen können die jeweils mit einer
außerhalb des Kernkastens erfolgenden Beheizung
kombiniert werden. Ebenso ist es möglich, den
Wasserentzung durch eine direkt auf den noch im
Kernkasten befindlichen Kernformling einwirkende
Mikrowellenbeheizung zu bewirken.
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Wird für die Aushärtung eine Beheizung des Formteils
außerhalb des Kernkastens vorgenommen, so kann das
jeweilige Formteil zur Steigerung der
Kernoberflächenfestigkeit mit Binderflüssigkeit besprüht
werden. Die so behandelten Formteile weisen eine erhöhte
Stabilität bei ebenso erhöhter Abriebfestigkeit auf, so
daß sie problemlos gelagert werden können und höchsten
Anforderungen an ihre Maßhaltigkeit gerecht werden. Dies
erweist sich insbesondere dann als günstig im Hinblick
auf eine optimierte Qualität des zu erzeugenden
Gußstücks, wenn ein Wasserglasbinder eingesetzt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein
Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher
erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch im Schnitt
einen Nockenwellenkern 1 einer weiter nicht dargestellten
Gießform für das Gießen eines Zylinderkopfes aus einer
Aluminiumguß-Legierung.
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In die Unterseite 2 des Nockenwellenkerns 1 sind in
Längsrichtung beabstandet zueinander zwei Ausnehmungen
3, 4 eingeformt, durch welche jeweils die Form der zur
Lagerung der Nockenwelle vorgesehenen Lagerböcke des
herzustellenden Zylinderkopfes bestimmt ist. In die
Ausnehmungen 3, 4 reicht jeweils ein Ast 5, 6 eines sich
mit seinem Hauptabschnitt 7 parallel und in einem Abstand
zum Nockenwellenkern 1 erstreckenden Ölkanalkerns 8. Die
Länge A der Äste 5, 6 ist dabei um ein Vielfaches größer
als ihr Durchmesser B. Ebenso ist die Länge C des
Hauptabschnitts 7 des Ölkanalkerns 8 um ein Vielfaches
größer als sein Durchmesser D.
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Der Ölkanalkern 8 ist in an sich bekannter Weise in einer
konventionellen Formschießmaschine aus einem
erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt worden, der durch
Mischung eines aus Mullit-Sand und Quarzsand bestehenden
Formgrundstoffs mit einem Binder erzeugt worden ist.
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Aufgrund des Anteils an Mullit-Sand ist gewährleistet,
daß der Ölkanalkern 8 auch bei seiner im Zuge des
Abgießens des herzustellenden Zylinderkopfes auf bis über
573°C ansteigenden Erwärmung sich gleichmäßig und
infolgedessen eindeutig vorausbestimmbar ausdehnt.
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Brüche im Bereich der Äste 5, 6, Dehnungen des
Hauptabschnitts 7 im Bereich zwischen den Ästen 5, 6 sowie
Krümmungen im Bereich der freien Enden des
Hauptabschnitts 7, wie sie bei in konventioneller Weise
basierend auf reinen Quarzsand enthaltenden
Formgrundstoffen Ölkanalkernen festgestellt werden,
werden auf diese Weise sicher vermieden. Durch Verwendung
eines in erfindungsgemäßer Weise zusammengesetzten
Formstoffs lassen sich somit Zylinderköpfe und
vergleichbare Gußstücke, die dünne, sich über große Länge
erstreckende Kanäle aufweisen, mit hoher Präzision in
großen Stückzahlen im Leichmetallguß zuverlässig
herstellen.
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Während des Abgusses der Metallschmelze, bei der es sich
bevorzugt um eine Aluminiumschmelze oder ein andere
Leichtmetallschmelze handelt, und der Zeit, in der das
Metall des Gußsstücks noch fließfähig ist, verformen sich
die Gießkerne 1,8 aufgrund der in erfindungsgemäßer Weise
aufeinander abgestimmten Eigenarten von Formgrundstoff
und Binder nur unwesentlich. Die geringe Wärmeausdehnung
des Formgrundstoffs unterstützt so das prozeßsichere
Erreichen der Maßanforderungen des Gußstücks.
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Nach einer Erstarrungs- und Abkühlzeit, in der das
Gußstück eine für die Weiterverarbeitung ausreichende
Festigkeit erreicht, werden die Bruchstücke, in die der
jeweilige Gießkern 1,8 in Folge der Einwirkung der
Gießhitze und aufgrund des unterschiedlichen
Wärmeausdehnungsverhalten des Formgrundstoffs und des
Binders selbsttätig zerfällt, aus dem Gußstück entleert
und aufbereitet.
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Die Aufbereitung der Gießkernbruchstücke kann ein
schonendes Brechen zu körnigen Partikeln umfassen. Dann
können die erhaltenen körnigen Partikel einer
Metallabscheidung und einer Entstaubung unterzogen
werden, um den für ihre Wiederverwendung notwendigen
Zustand herzustellen. Anschließend werden die zu körnigem
Material recycelten Gießformteile wieder als Grundstoff
für erfindungsgemäß zusammengesetzten Formstoff
verwendet.
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Werden in erfindungsgemäßer Weise Formstoffe verwendet,
die aus mit Wasserglasbinder vermischten Formgrundstoff,
wie synthetischem Mullit, bestehen, so treten bei der
Herstellung der Gießformteile keine nennenswerten
Emissionen auf. Dadurch können bei konventioneller
Vorgehensweise in Folge von Gasbildung immer wieder
auftretende Gußfehler, umfangreiche Vorkehrungen für das
Absaugen von Gasen und aufwendige Werkzeugreinigungen
vermieden werden. Belastungen der Umwelt und des
Bedienpersonals sind so auf ein Minimum reduziert.
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Wird Mullit oder ein vergleichbar inerter
Feuerfestwerkstoff als Grundstoff des erfindungsgemäßen
Formstoffsystems verwendet, so besteht ein weiterer
Vorteil der Erfindung in der chemischen Beständigkeit des
Formgrundstoffs gegenüber Binder und Schmelze. Diese
Eigenschaft stellt sicher, daß bei erfindungsgemäßer
Vorgehensweise ein Gußstück erhalten wird, dessen
Oberfläche nach dem Entleeren der Bruchstücke der
Formkerne und Formteile ohne zusätzliche
Reinigungsmaßnahmen völlig frei von Restsandanhaftungen
ist.
BEZUGSZEICHEN
1 Nockenwellenkern
2 Unterseite des Nockenwellenkerns 1
3, 4 Ausnehmungen
5, 6 Äste des Ölkanalkerns 8
7 Hauptabschnitt 7 des Ölkanalkerns 8
8 Ölkanalkern
A Länge A der Äste 5, 6
B Durchmesser B der Äste 5, 6
C Länge des Hauptabschnitts 7
D Durchmesser des Hauptabschnitts 7