DE10216464A1

DE10216464A1 - Silica gebundene Sande

Info

Publication number: DE10216464A1
Application number: DE2002116464
Authority: DE
Inventors: Lorenz Ratke; Daniela Voss
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-04-13
Also published as: DE10216464B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind Kernwerkstoffe für den Fein- und Formguss von Metallen und Metalllegierungen, enthaltend offenporige Aerogele und anorganische Füllstoffe in einem Anteil von wenigstens 50 Vol-.%, erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation von anorganischem Kieselgel neben den Füllstoffen sowie deren Verwendung zur Herstellung von Kernen, die bei hoher thermischer Stabilität leicht aus einem Gußstück entfernt werden können.

Description

Gegenstand der Erfindung sind Kernwerkstoffe für den Fein- und Formguss von Metallen und Metalllegierungen sowie deren Verwendung als Kerne im Fein- und Formguß.
Zur Herstellung von Gussteilen im beispielsweise Sandgussverfahren wird der Formstoff auf ein Modell (Dauermodelle aus beispielsweise Holz oder Kunststoff, die zur Herstellung von geteilten Formen benutzt werden, und verlorene Modelle aus beispielsweise Wachs oder Polystyrol) des anzufertigenden Gusstückes gebracht. Nach der anschliessenden Verfestigung ist eine abgiessfähige Negativform entstanden. Die ehemals überwiegend verwendeten natürlichen, tongebundenen Sande werden heutzutage aufgrund gestiegener Qualitätsansprüche an den Formstoff nur noch selten eingesetzt. Es werden hauptsächlich chemisch gebundene Formstoffe sowohl für die Herstellung von Formen als auch für die Kernproduktion verwendet. Der Formgrundstoff ist ein geeigneter Sand (überwiegend klassierter Quarzsand. Für besondere Anwendungen kommen auch Chromit-, Zirkon- und Olivinsand zur Anwendung. Ebenfalls werden Formgrundstoffe auf Schamott-, Magnesit-, Silimanit- und Korundbasis eingesetzt), der mit einer chemischen Binderkomponente versetzt wird, die dann wiederum durch einen flüssigen oder festen Katalysator oder Härter oder durch zusätzliche Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird. Die Herstellungsverfahren der sandgebundenen Giessformen und -kerne ist in der Literatur ausreichend dokumentiert [C. Henry, R. Showman, G. Wandtke, Giesserei-Praxis Nr. 12, 1999; P. Carey, M. Swartzlander, Sand Binder Systems, Part II - Resin/Sand Interactions, Foundry Management and Technology 97 (1995); W. Tilch, E. Flemming Formstoffe und Formverfahren, dt. Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig/Stuttgart 1993; Giesserei Jahrbuch, Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf, Band 1, 2000; P. Carey, J. archibald, Sand Binder Systems, Part X - The Phenolic Urethane Amine ColdBox system, Foundry Management and Technology 98 (1995); G. S. Cole, R. M. Nowicki, Sand Cores and Their Removal From Aluminium Semipermanent Molded Castings, Trans. Amer. Foundrym. Soc. 87 (1979); I. Bindernagel, Formstoffe und Formverfahren in der Giessereitechnik, VDG-Tschenbuch 12, Giesserei-Verlag, Düsseldorf 1983; D. Boenisch, J. Nitsche, W. Patterson, Eigenschaften harzgebundener Formstoffe, Aluminium 46, (3), 1970].
Kerne sind das genaue Abbild des Hohlraumes im späteren Gusstück. Üblicherweise werden Kerne grundsätzlich aus kunstharzgebundenem Sand maschinell oder bei kleineren Stückzahlen von Hand im Kernkasten gefertigt.
Die EP 1 036 610 A1 bezieht sich auf einen Formstoff für den Fein- und Formguss von Metallen oder Metalllegierungen umfassend Kunststoff- und/oder Kohlenstoffaerogele sowie ein Verfahren zur Herstellung von entsprechenden Formstoffen. Der Formstoff umfasst hochporöse, offenporige durch Sol-Gel-Polymerisation von organischen Kunststoffmaterialien gegebenenfalls gefolgt von teilweise oder vollständiger Pyrolyse des erhaltenen Kunststoffaerogels.
Gegenstand der EP 1 077 097 A1 ist die Verwendung von Kunststoff/Kohlenstoffaerogelen als Kernwerkstoff. Verwendung von hochporösen, offenporigen Kunststoff- und/oder Kohlenstoffaerogelen, erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation von organischen Kunststoffmaterialien als Kernwerkstoff für den Formguss.
Ihr späteres Ausleeren aus dem Gusstück gestaltet sich je nach Giessmetall unter Umständen als schwierig, so beispielsweise bei Aluminiumguss. Die tieferen Giesstemperaturen von Aluminium erzeugen im Kernsand nur niedrige Temperaturen, so dass die thermische Zersetzung des Bindemittels schwächer ist. Wenn die Bindemittelbrücken nur unzureichend zerstört werden bewirkt dies, dass die Kerne auch nach dem Abguss eine höhere Festigkeit aufweisen und sich nur schwer durch mechanische Vibration oder Hochdruckwasserstrahlen entfernen lassen.
Insbesondere für Aluminium Feinguss existiert daher ein Bedarf an mechanisch und thermisch stabilen Kernen, die sich leicht aus dem Gussstück entfernen lassen. Das Verfahren des Feinguss von Aluminiumlegierungen bedingt hierbei besondere Probleme, die bei der Entwicklung eines Kernwerkstoffes berücksichtigt werden müssen:

1. Die keramischen Formen sind immer aus einem Stück, nie mehrfach geteilt;
2. Das Wachsmodell wird im Heißdampfautoklaven entfernt;
3. Die keramische Formschale wird bei 800 bis 950°C gebrannt.

Heute verwendete Bindemittel für Kernsande führen dazu, dass Kerne nur schwer aus den Werkstücken entfernt werden können (denn sie sind thermisch sehr stabil). In der Regel werden Hochdruck-Wasserstrahlen verwendet, die aber zur Beschädigung des Werkstückes führen können, bzw. bei komplizierten Kernen mit Hinterschneidungen nicht immer zur vollständigen Auslösung des Kernes führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, neue Bindemittelkomponenten für Sande einzusetzen.
Erfindungsgemäß wird ein Lösungsansatz verwendet, der Silica- Aerogele als Bindermittelkomponente verwendet, um einerseits den Anteil an Bindemittel so gering wie möglich zu halten, andererseits ausnutzt, dass Silica-Aerogele durch gut benetzende Flüssigkeiten leicht zerstört werden können. Silica-Aerogele sind zudem thermisch stabil bis ca. 900°C, so dass sie das Formschalenbrennen überstehen.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch Kernwerkstoffe für den Fein- und Formguss von Metallen oder Metall-Legierungen, enthaltend offenporige Aerogele und anorganische Füllstoffe in einem Anteil von wenigstens 50 Vol.-%, erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation von anorganischem Kieselgel (Silica) neben den Füllstoffen.
Der Mengenanteil (Füllstoffe) Sand kann in weiten Grenzen verändert werden: 50 bis 90 Vol.% je nach Korngröße, Korngrößenmischung und Verdichtung durch beispielsweise Schütteln. Dadurch werden auch die Eigenschaften wie Biegebruchfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit verändert.
Durch kontinuierliches Rühren während des Gelierprozesses läßt sich bei geringen Volumenanteilen Sand einerseits eine homogene Verteilung einstellen und andererseits werden die Aerogele dabei strukturell verändert, so dass besonders leichte Bindemittel entstehen, die sich besser entfernen lassen.

1. Das Negativmodell des Kernes wird mit einem geeigneten Sand oder einer Sandmischung gefüllt und das Silica-Sol wird hinzu gegeben.
2. Schütteln auf einem Rütteltisch, zur Verdichtung des Sandes (dieser Schritt ist nicht notwendig) oder Rühren der Form um mindestens eine Achse zur Homogenisierung der Sandverteilung (bei niderigen Volumengehalten notwendig)
3. Gelierung des Sols unter Luftabschluss (Temperaturen 20-60°C).
4. Trocknen des nassen Gels entweder unterkritisch im Temperaturbereich von 20-60°C oder überkritisch nach Austausch der Porenflüssigkeit durch flüssiges Kolhendioxid im Autoklaven oberhalb des kritischen Punktes von Kohlendioxid.
5. Kernentnahme aus der Negativform
6. Einlegen des Kernes in die Gussform
7. Giessen in die Form
8. Zersetzung des Kernes durch Kontakt mit Wasser Alkohol, dünnflüssige Silikonöle oder andere gut benetzende Flüssigkeiten.

Die erfindungsgemäßen Kernwerkstoffe lassen sich insbesondere durch die folgenden Merkmale charakterisieren. Die Druckfestigkeit beträgt vorzugsweise 2 bis 5 MPa, die Biegezugfestigkeit 1 bis 3 MPa, das E- Modul 200 bis 400 MPa und die Wärmeleitfähigkeit 0,3 bis 0,7 W/Km.
Die mit Hilfe der Erfindung hergestellten Kernwerkformen eignen sich insbesondere für das Gießen von Aluminiumlegierungen
Die erfindungsgemäßen Kernwerkstoffe können darüber hinaus auch weitere anorganische Füllstoffmaterialien enthalten. Hierunter werden im wesentlichen bei Erstarrungsbedingungen inerte stabile Materialien verstanden. Anorganische Füllstoffmaterialien sind beispielsweise ausgewählt aus Aluminiumoxid, Titandioxid und/oder Quarz, die jeweils in einer Menge von 5 bis 30 Vol.-%. eingesetzt werden können. Füllstoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen weiterhin Fasermaterialien, die eine Faserverstärkung mit, anorganischen SiC- und/oder Korund-Fasern bei etwa gleichen Volumenanteilen erlauben.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung werden für den Kernwerkstoff Aerogele auf der Basis von Silica eingesetzt, die bei geeigneter Zusammensetzung und geeignetem Gehalt an basischem oder sauren Katalysator bei Temperaturen zwischen 20 und 60°C ohne überkritisches Trocknen in ein mikrostrukturiertes Aerogel überführt werden können.

Ausführungsbeispiele

Es gibt bekanntermaßen zwei Routen zur Herstellung von Silica- Aerogelen, die auch Verwendung im Zusammenhang mit füllstoffbeladenen Kernwerkstoffen finden:

1. überkritisches Trocknen
2. unterkritisches Trocknen

Bei der Route des überkritischen Trocknens werden vorzugsweise Stoffmengen Verhältnisse von Tetraethoxysilan (TEOS) : Wasser : Ethanol von 1 : 4-32 : 4-12 benutzt. Zur Regulierung des pH-Wertes wird Ammoniak oder Salzsäure hinzu gegeben. Das überkritische Trocknen erfolgt im Autoklaven nach Austausch der Lösungsmittel im nassen Silicagel mit Hilfe von Kohlendioxid.
Durch Zusätze von beispielsweise Formamiden kann das überkritische Trocknen umgangen werden. Stoffmengenanteile TEOS : Formamide 1 : 0,1-2 Ebenso ist es möglich durch folgende Verfahren das überkritische Trocknen zu umgehen:
Mischungsverhältnisse im 1. Schritt für das Silica-Sol TEOS : EtOH ungefähr 1 : 1 (in Mengenanteilen), TEOS zu Wasser 10 zu 1. Geringe Zusätze an Salzsäure; rühren für ca. 1,5 h; danach EtOH hinzugeben (doppelte Menge von TEOS und EtOH des ersten Schrittes) und Ammoniumchlorid als Katalysator; rühren für ca. 30 Minuten; diese Lösung den Sanden zusetzen und Gelieren lassen (ca. 24 h); danach wird das nasse Gel mit n-Hexan gespült und mit Trichlormethylchlorosilan und n-Hexan versetzt und wieder für 24 h einwirken lassen; danach wird das nasse Gel an Luft getrocknet bei Temperaturen zwischen RT und 60°C.
Die Menge Wasser und die Menge Katalysator regeln die Dichte des Aerogels, die Trockenbarkeit und den Bindemittelanteil.

Claims

1. Kernwerkstoffe für den Fein- und Formguss von Metallen oder Metalllegierungen, enthaltend offenporige Aerogele und anorganische Füllstoffe in einem Anteil von wenigstens 50 Vol.-%, erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation von anorganischem Kieselgel neben den Füllstoffen.

2. Kernwerkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Füllstoffe in einem Anteil von 50 bis 90 Vol.-%, insbesondere von 70 bis 80 Vol.-% vorliegen.

3. Kernwerkstoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese weitere anorganische Füllstoffe, insbesondere ausgewählt aus Aluminiumoxid, Titandioxid und/oder Quarz, insbesondere Gießereisand enthalten.

4. Kernwerkstoffe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel eine Zersetzungstemperatur von wenigstens 700°C, insbesondere wenigstens 900°C aufweist.

5. Kernwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Füllstoffe gradiert ist von 1 bis 1000 µm, insbesondere 5 bis 500 µm, besonders bevorzugt 20 bis 220 µm.

6. Verfahren zur Herstellung von Kernen für den Fein- und Formguss von Metallen oder Metalllegierungen unter Verwendung von Kernwerkstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei man

a) Das Negativmodell des Kernes wird mit einem geeigneten Sand oder einer Sandmischung gefüllt und das Silica-Sol wird hinzu gegeben.

b) Schütteln auf einem Rütteltisch, zur Verdichtung des Sandes (dieser Schritt ist nicht notwendig) oder Rühren der Form um mindestens eine Achse zur Homogenisierung der Sandverteilung (bei niderigen Volumengehalten notwendig)

c) Gelierung des Sols unter Luftabschluss (Temperaturen 20-60°C).

d) Trocknen des nassen Gels entweder unterkritisch im Temperaturbereich von 20-60°C oder überkritisch nach Austausch der Porenflüssigkeit durch flüssiges Kolhendioxid im Autoklaven oberhalb des kritischen Punktes von Kohlendioxid.

e) Kernentnahme aus der Negativform

f) Einlegen des Kernes in die Gussform

g) Giessen in die Form

h) Zersetzung des Kernes durch Kontakt mit Wasser Alkohol, dünnflüssige Silikonöle oder andere gut benetzende Flüssigkeiten.

7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 6 zur Herstellung von Gussformen für den Fein- und Formguss von Metallen oder Metall- Legierungen.

8. Verwendung nach Anspruch 7 durch Entfernen des Kernes nach Erkalten des Gusstücks, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gel durch Inkontaktbringen mit einer benetzenden Flüssigkeit, insbesondere Alkohol und/oder dünnflüssige Silikonöle entfernt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Kernwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man

a) eine Negativform eines Kerns mit einem anorganische Füllstoffe enthaltenden Silicasol, einem Katalysator und Füllstoff befüllt,

b) das Sol bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 60°C, insbesondere im Bereich von Raumtemperatur bis 40°C in ein Aerogel überführt.