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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
EP 729799 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils mittels einer Gießform und
Gießkernen
bekannt, bei dem die Gießform
ausgegossen, danach das Gussteil entformt und zusammen mit den Kernen
abgeschreckt wird, wobei die Kerne während des Abschreckens aus
dem Gussteil herausgelöst
werden. Aus der
DE
10204055 A1 ist das Nassentkernen anorganisch gebundener
Gusskerne bekannt. Aus der
EP
414388 B1 oder aus der
DE 4111726 C2 ist die Verwendung von Ofenabwärme zur
Trocknung des Kernsandes bekannt.
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Die übliche Verfahrenstechnik
zur Herstellung eines Gussteils, insbesondere eines Aluminiumgussteils
besteht darin, einen Kern herzustellen, den Kern oder mehrere Kerne
zu einem Kernpaket zusammenzusetzen und das Kernpaket mit flüssigem Gießmetall
zu befüllen.
Nach dem Gießen
wird das gegossene Gussteil zusammen mit dem Kernpaket bei einem
Kühlumlaufprozess
von ca. 8 Stunden auf eine Temperatur unter 50°C an Luft abgekühlt. Nach dem
das Gussteil mit dem Kernpaket abgekühlt ist und das Gussteil die
entsprechende Festigkeit aufweist, wird der Kern mechanisch beispielsweise durch
Vibration entfernt. Anschließend
wird das Gussteil von Angüssen
und Graten befreit und das so geputzte Gussteil einer Wärmebehandlung
unterzogen.
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Dieses
herkömmliche
Verfahren weist mehrere Nachteile auf. Zum Einen weist ein Kernsand, der
zu einem Kernpaket zusammengepresst wird, ein organisches Bindemittel
auf. Dieses organische Bindemittel verbrennt beziehungsweise vergast
während
des Eingießens
des Gießmetalls
in das Kernpaket. Hieraus resultieren zum Einen umwelttechnische Probleme,
zum Anderen bereitet das Ausgasen von Bindemittelrückständen auch
gießtechnische
Probleme. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass
der Kernsand nach dem Gießen
nicht mit Wasser in Verbindung kommen darf, da es sonst verkleben
würde.
Dies wiederum fordert einen langen energieintensiven Abkühlprozess
und für
das anschließende
Wärmebehandeln
einen weiteren, ebenfalls energieintensiven Aufheizprozess.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung
eines Gussteils bereit zu stellen, das einen verringerten Zeit-
und Energiebedarf hat.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
nach Patentanspruch 1 beruht auf einem herkömmlichen Verfahren zum Gießen von
Bauteilen, insbesondere Leichtmetallbauteilen. Hierbei ist eine
Gießform
mit einem Kernpaket ausgestattet. Ein Kernpaket besteht aus einem
oder mehreren Einzelkernen, die entsprechend der Geometrie des Gussteils
zusammengesetzt sind und die gegebenenfalls in einer metallischen
Kokille integriert sind. Das Kernpaket, das gegebenenfalls in eine
Kokille integriert ist, wird als Gießform bezeichnet. Die Gießform kann
ebenfalls weitere Bestandteile wie Speiser enthalten und sie umschließt einen
Formhohlraum eines zu gießenden Gussteils.
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Die
Gießform
wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausgegossen und das Gussteil wird entformt, wobei der Kernsand des
Kernpaketes wieder einem Kernschießprozess zugeführt wird, also
recycelt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass das Kernpaket durch einen anorganischen
Binder bezie hungsweise einem im Wesentlichen anorganischen Bindemittel
gebunden wird. Zu dem wird das Gussteil mit dem Kernpaket unmittelbar
nach dem Gießen
in einem Abkühlmedium,
bevorzugt in Wasser abgeschreckt. Während des Abschreckens wird
das Kernpaket aufgelöst,
so dass es zu Kernsand zerfällt
und es wird aus dem Gussteil herausgelöst. Das Gussteil wird nach
dem Abschrecken in einen Wärmebehandlungsofen
geführt,
wobei die Ofenwärme
des Wärmebehandlungsofens
zum Trocknen des mit Wasser versetzten Kernsandes verwendet wird.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Herauslösen des
Kernpaketes aus dem Gussteil ein langwieriger Abkühlungsprozess,
der in der Regel mehr als 8 Stunden dauert, eingespart wird. Zudem
kann auf einen weiteren, energieintensiven Lösungsglühprozess verzichtet werden.
Nach dem Abschrecken im Abkühlmedium
und dem Herauslösen
des Kernpaketes kann das Gussteil direkt in eine Auslagerungswärmebehandlung übergeführt werden.
Gleichzeitig kann die Abwärme
des Wärmebehandlungsofens
zum Trockenen des Kernsandes verwendet werden. Gegenüber dem
Stand der Technik weist das erfindungsgemäße Verfahren somit deutlich
weniger und deutlich kürzere
Temperaturbehandlungen auf. Gegenüber der herkömmlichen
Verfahren kann somit erheblich Energie eingespart werden kann.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird der Kernsand nach dem
Trocknen in einem isolierten Behälter
zwischengelagert, in dem er die Temperatur, die er nach dem Trocknen
aufweist, im Wesentlichen behält.
Der so warmgehaltene Kernsand kann somit direkt einen Kernschießprozess
wieder zugeführt
werden, ohne dass eine zusätzliche
Aufheizung von Nöten
ist. Auch diese Ausgestaltungsform trägt zur Energieeinsparung bei.
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Zum
Vorkühlen
des Gussteils vor dem Abschrecken kann das Gussteil in einer Ausgestaltungsform
der Erfindung in eine Überdruckkammer gebracht
werden und dort vorgekühlt
werden. Dort können
auch schon Teile des Kernsandes entfernt werden.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltungsform
der Erfindung wird das Gussteil in eine Tauchwanne gegeben und mit
dieser im Abschreckbecken abgeschreckt. Die Tauchwanne ist für den sicheren
Transport des Gussstückes
mit dem Kernpaket, geeignet gleichzeitig kann auf einem Boden der Tauchwanne
der Kernsand des herausgelösten Kernpaketes
zumindest teilweise gesammelt werden.
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Der
herausgelöste
Kernsand des Kernpaketes kann sowohl im Abschreckbecken oder auch
in der Tauchwanne abgeschieden werden und durch spezielle Vorrichtungen
dem Wärmebehandlungsofen
zugeführt
werden. Das Gussteil wird bevorzugt ohne Anwendung eines vorgeschalteten
Lösungsglühprozesses
nach dem Abschrecken in einem Wärmebehandlungsofen
bei einer Temperatur zwischen 180°C
und 220°C
ausgelagert. Die hierbei entstandene Abwärme wird dazu genutzt, den
Kernsand bei einer Temperatur zwischen 90°C und 150°C aufzuheizen und zu trocknen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsformen der Erfindung werden in folgenden Zeichnungen
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Gießprozesses mit dem Recycling
des Kernsandes,
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2 eine
Tauchwanne mit einem Gussstück
und
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3 eine
Wärmebehandlungskurve
eines Gussteils entsprechend dem Stand der Technik und entsprechend
der Erfindung.
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In 1 ist
ein Gießverfahren
nach der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Hierbei wird
aus einem Gießgefäß 8 Gießmetall 9 in
eine Gießform 4,
die ein Kernpaket 6 umfasst, ausgegossen. Nach dem Gießen wird
zumindest das Kernpaket 6 zusammen mit dem ausgegossenen
Gussteil 2 in eine Tauchwanne 20 gegeben, und
zu einem Abschreckbecken 22 befördert. Das Kernpaket 6 mit dem
Gussstück 2 ist
in der Tauchwanne 20 auf einem Gitter 26 gelagert,
so das es nicht mit einem Boden der Tauchwanne 20 in Berührung kommt.
Die Tauchwanne 20 mit dem Kernpaket 6 und dem
Gussteil 2 wird in ein Abschreckbecken 22 eingetaucht,
wobei das Kernpaket 6 innerhalb von wenigen Sekunden sich
auflöst
und zu Kernsand 10 zerfällt.
Das Gussteil 2 wird dabei innerhalb von kurzer Zeit auf
Temperaturen unter 100°C
abgekühlt.
Das Gussteil 2 mit der Tauchwanne 20 wird aus
dem Abschreckbecken hervorgeholt, wobei das Abschreckmedium abfließt.
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Das
Abschreckmedium besteht in der Regel aus Wasser das gegebenenfalls
Additive enthält. Öl als Abschreckmedium
ist ebenfalls zweckmäßig.
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Das
Gussstück
wird nun bevorzugt mit einer Temperatur unter 100°C in einen
Wärmebehandlungsofen,
in diesem Beispiel in einen Auslagerungsofen 16 gegeben.
Der beim Abschrecken herausgelöste
Kernsand 10 befindet sich im Tauchbecken 22 und
wird dort in einer Abscheidevorrichtung 30 vom Abschreckwasser 14 getrennt
und über
ein Beförderungssystem 32 zum
Auslagerungsofen 16 transportiert. Gleichzeitig kann es
zweckmäßig sein,
dass der herausgelöste
Kernsand 10 ganz oder teilweise in der Abschreckwanne 20 gesammelt
wird, im Wesentlichen zusammen mit der Abschreckwanne 20 und dem
Gussteil 2 in den Auslagerungsofen 16 geführt wird
und dort durch eine Öffnung
der Abschreckwanne 20 entleert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in der Art ausgestaltet sein, dass beide Sandabscheidungsverfahren
gleichzeitig oder getrennt angewendet werden. In 1 ist
in der Zeichnung des Auslagerungsofens 16 angedeutet, dass
in diesem Fall beide Verfahren, nämlich das Abscheiden des Sandes
im Abschreckbecken 22 durch die Abscheidevorrichtung 30 und
durch das Abscheiden des Kernsandes 10 in der Abschreckwanne 20 vorgesehen
ist.
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Der
Auslagerungsofen 16 nach der 1 weist
somit Zonen mit zwei Temperaturen T1 und T2 auf. Die Temperatur
T1 beträgt
entsprechend der Auslagerungstemperatur etwa 220°C. Der Auslagerungsofen 16 ist
in dieser Form so ausgestaltet, dass in einer zweiten Kammer die
Temperatur T2 herrscht, in dieser Kammer ist die Trocknung des Kernsandes 10 vorgesehen.
Die Trocknungstemperatur des Kernsandes beträgt etwa 110°C.
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Die
Trocknung des Kernsandes 10 kann auch in einer separaten
Anlage erfolgen, wobei die Abwärme
des Auslagerungsofens 16 anderweitig, beispielsweise durch
Rohrleitungen zugeführt
wird.
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Der
Kernsand 10 wird vom Auslagerungsofen 16 wieder über ein
Transportsystem 34 zu einem beheizten und isolierten Kernsandbehälter 18 geführt. Die
Beheizung des Kernsandbehälters 18 ist dann
notwendig, wenn der Kernsand für
längere
Zeit in diesem Behälter 18 gelagert
werden muss. Bei kurzem Aufenthalt des Kernsandes 10 im
Kernsandbehälter 18 kann
gegebenenfalls auf einer Beheizung verzichtet werden.
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Die
Beheizung des Kernsandbehälters 18 kann
ebenfalls über
die Abwärme
des Auslagerungsofens erfolgen.
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Der
heiße
Kernsand 10 wird nun von einem Kernsandbehälter 18 zu
einem Kernschießprozess 12 übergeführt. Hierbei
kann bei Bedarf eine Sandtrennung in unterschiedlichen Sandqualitäten erfolgen.
Während
des Kernschießprozesses 12 wird
unter Verwendung üblicherweise
Kernschießanlagen ein
Kern beziehungsweise ein Kernpaket 6 für den nächsten Gießprozess hergestellt. Das Kernpaket 6 wird
gegebenenfalls in einem Kernlager 35, hier wiederum gegebenenfalls
unter geeigneten klimatischen Bedingungen, zwischengelagert, bevor
es wieder dem Gießprozess
zugeführt
wird.
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Zur
Ausführung
des beschriebenen erfindungsgemäßen Gießverfahrens
ist es erfindungswesentlich, dass der Kernsand mit einem anorganischen
Bindemittel versetzt ist. Dafür
sind alle anorganische Bindemittel, insbesondere Schichtmineralien, geeignet,
die in der Lage sind, Kristallwasser oder OH-Gruppen in deren Zwischenschichten
zu binden beziehungsweise wieder abzugeben.
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Bei
der Herstellung des Kernes wird das Kristallwasser aus dem Bindemittel
herausgetreten, weshalb es auch notwendig ist, den Kernsand mit dem
Bindemittel zu trocknen und zu beheizen. Ein vorteilhaftes Bindemittel
besteht auf der Basis von Magnesiumsulfat. Das Bindemittel umschließt dann jedes
einzelne Sandkorn des Kernsandes 10 und stellt beim Kernschießen eine
feste Verbindung zwischen den einzelnen Sandkörnern dar.
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Ein
so erzeugter Kern ist ausreichend stabil, um daraus Kernpakete herzustellen
und Gussteile abzugießen.
Sobald der Kern mit dem Bindemittel jedoch in Verbindung mit Wasser
kommt, nimmt das Bindemittel, in diesem Fall Magnesiumsulfat, das Wasser
auf, lagert es zwischen seinen Schichten ein, was zur plötzlichen
Auflösung
der Bindung zwischen den einzelnen Sandkörnern führt. Mit der Auflösung der
Verbindung zwischen den Sandkörnern
zerfällt auch
der Kern sehr schnell. Grundsätzlich
sind zur Verwendung als Bindemittel alle Mineralien geeignet, die
in der beschriebenen Weise Wasser oder OH-Gruppen aufnehmen können und diese wieder abgeben
können,
insbesondere sind als Bindemittel in dieser Form Schichtmineralien
geeignet die diese Eigenschaften aufweisen.
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In 2 ist
eine typische Tauchwanne 20 dargestellt, die zum Abschrecken
eines Gussteils 2 geeignet ist. In dieser Form ist das
Gussteil 2 auf einem Gitter 26 in der Tauchwanne 20 gelagert.
Das Gussteil 2 ist durch das Gitter 26 vom Wannenboden 38 getrennt.
Beim Eintauchen der Tauchwanne 20 in das Abschreckbecken 22 strömt das Wasser 14 über den
Rand 40 der Tauchwanne 20, und wird in Kanal 42 am
oberen Rand der Wanne 20 zwischengelagert, bevor es auf
dem Boden 38 der Wanne 20 strömt.
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Gleichzeitig
kann das Abschreckmedium, in diesem Fall das Wasser 14 an
einen oberen Teil des Gussstücks 2 gelangen,
dieser bereits abkühlen, während weiteres
Wasser 14 erst verzögert
von unten an das Gussstück
gelangt. Somit können
verschiedene, genau festgelegte Teilbereiche des Gussteils 2 verzögert von
anderen Gussteilen abschreckt werden.
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Sobald
das Gussteil 2, dass vor dem Abschrecken noch mit dem Kernpaket 6 umgeben
ist, mit dem Wasser 14 in Berührung kommt, zerfällt das Kernpaket 6 in
der beschriebenen Weise zu dem Kernsand 10, der sich auf
dem Boden 38 der Wanne 20 absetzt. Es können dabei
Mittel vorgesehen sein, die in der 2 nicht
dargestellt sind, durch die der am Boden 38 gesammelte
Kernsand 10 abgelassen werden kann. Derartige Mittel können beispielsweise in
Form einer Schiebetür
ausgestaltet sein, durch die der Kernsand 10 im Auslagerungsofen 16 in
der, in 1 skizzierten Weise abgelassen
wird.
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In 3 ist
ein typischer Temperaturverlauf des Gussteils 2 angegeben,
der im Verhältnis
zum Stand der Technik veranschaulicht ist. Die 3 umfasst
ein Koordinatensystem bei dem auf der X-Achse die Zeit aufgetragen
ist und auf der Y-Achse
die Temperatur aufgetragen ist. Im oberen Teil der X-Achse ist ein
typischer Temperaturverlauf eines Gussteils nach dem Stand der Technik
dargestellt. Es handelt sich bei beiden Temperaturverläufen um
rein schematische Darstellungen. Die Abbildungen sowohl auf der
Zeit als auch auf der Temperaturachse sind nicht maßstabgetreu
wiedergeben.
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In
der oberen Kurve nach dem Stand der Technik wird ein Gussteil bei
etwa 690–740 °C abgegossen
und anschließend
in einer längeren
Periode, die in der Größenordnung
von etwa 8 Stunden liegt auf eine Temperatur unter 50°C abgekühlt. Nach
dem Abkühlen
auf diese Temperatur bevorzugt unter 50°C wird das Gussteil vom Kern
entformt und geputzt, das heißt
von Angussteilen und Graten befreit. Es folgt anschließend eine
weitere Wärmebehandlung,
das sogenannte Lösungsglühen, wobei
es notwendig ist, dass Gussteil auf eine Temperatur von etwa 530°C zu erwärmen. Bei
diesem üblichen
Lösungsglühen wird
wiederum das Gussteil mehrere Stunden gehalten, bevor es wieder
auf annähernder
Raumtemperatur abgekühlt
(abgeschreckt) wird und anschließend einen mehrstündigen Auslagerungsprozess
bei etwa 180–220°C zugeführt wird.
Auch der Auslagerungsprozess dauert mehrere Stunden. Es ist nach 3 ersichtlich,
dass die Temperaturbehandlung nach dem Stand der Technik langwierig
und energieintensiv ist, da das Gussteil von der Gießtemperatur
langsam abgekühlt
werden muss und anschließend
wieder auf annähernd
Gusstemperatur erhitzt wird.
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Im
Unteren Bereich der 3 ist eine Temperaturbehandlung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
dargestellt. Das Gussteil 2 weist auch in diesem Fall einer
Gießtemperatur
von etwa 690–740°C auf. Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird das Gussteil 2 nach dem Gießen zusammen mit dem Kernpaket
in Wasser abgeschreckt. Somit entfällt eine langwierige energieintensive
Abkühlphase,
das Abkühlen
beziehungsweise das Abschrecken dauert nur wenige Sekunden. Wenn
das Gussteil 2 aus dem Abschreckbecken 22 entnommen
wird, weist es üblicherweise
eine Temperatur von < 100°C auf. Das
Abschrecken aus der Gießtemperatur
heraus ersetzt in der Regel den Lösungsglühprozess, denn dieses Abschrecken
hat die selbe Auswirkung auf die kristallografischen Eigenschaften
des Gussteils 2 wie ein Abschrecken, das üblicherweise
aus dem Lösungsglühprozess
erfolgt. Das Gussteil 2, das nach dem Abschrecken etwa
noch 100°C
aufweist, kann wiederum gleich, beziehungsweise zeitnah auf einer
Temperatur von 220°C
erhitzt werden, was üblicherweise
im Auslagerungsofen 16 geschieht.
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In
der Summe wird durch das beschriebene Verfahren zum Einen ein langwieriges,
kostenintensives, kontrolliertes Abkühlungsverfahren des Gussteils überflüssig gemacht,
zum Anderen kann durch das beschriebene Verfahren in der Regel auf
einen weiteren kostenintensiven Temperaturbehandlungsschritt bei
etwa 530°C
verzichtet werden. Zusätzlich kann
das Wärmebehandlungsverfahren
des Gussteiles 2 durch das vorgeschlagene Verfahren deutlich abgekürzt werden.
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Es
kann gegebenenfalls dennoch eine Lösungsglühung oder eine anderweitige
Temperaturbehandlung des Gussteils 2 notwendig oder zweckmäßig sein.
Trotzdem ist der durch das erfindungsgemäße Verfahren eingesparte Energiebedarf
erheblich.
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Ein
weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass
das verwendete anorganische Bindemittel, das die einzelnen Körner des Kernsandes 10 umschließt, wiederverwendet
werden kann. Zum Einen muss hierbei der Kernsand 10 nicht nach
jedem Gießdurchgang
neu mit Bindemittel versehen werden. Dies spart Kosten an Bindemittel. Zum
Anderen weist das anorganische Bindemittel den Vorteil auf, dass
es beim Gießen
beziehungsweise beim Recyceln des Kernsandes 10 nicht ausgebrannt
wird. Dies hat umwelttechnische Vorteile, da keine aufwendigen Anlagen
zur Entgiftung der Ausgasungen bereit gestellt werden müssen.
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Andererseits
bietet die Verwendung dieses anorganischen Bindemittels einen weiteren
Vorteil, der darin besteht, dass die Kerngeometrie für die Konstrukteure
des Gussteils 2 deutlich einfacher gestaltet werden kann.
Es kann beispielsweise auf oftmals vorgesehene Gasauslasskanäle verzichtet
werden. Diese Gasauslasskanäle,
die im Stand der Technik häufig
verwendet werden müssen,
gewährleisten
einen ungehinderten Austritt des verbrannten Bindemittels aus dem
Gussteil. Bei einem Bauteil, beispielsweise einen Zylinderkopf äußern sich
diese Gasauslasskanäle
in Form von Bohrungen, die im fertigen Bauteil aufwendig durch eine
Kapsel verschlossen werden müssen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders gut für
Leichtmetallgussteile, insbesondere für Aluminiumgussteile. Als besonders
geeignete Bauteile seien hierbei insbesondere der Zylinderkopf oder
das Zylinderkurbelgehäuse
genannt. Grundsätzlich
lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
jedoch auch auf andere Sandgussverfahren ausdehnen. Es ist bei spielsweise
zweckmäßig, dass erfindungsgemäße Verfahren
auf Grauguss oder Stallguss anzuwenden.