DE112017000606T5

DE112017000606T5 - Verdampfungsmustergiessverfahren

Info

Publication number: DE112017000606T5
Application number: DE112017000606.6T
Authority: DE
Inventors: Eisuke Kurosawa; Kazuyuki Tsutsumi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-01-27
Also published as: JP6747997B2; US10766063B2; JP2017177217A; US20190388962A1; KR20180099846A; TW201731605A; DE112017000606B4; KR102017440B1; TWI647027B; CN108698116A; CN108698116B; WO2017135150A1

Abstract

Bei der Erfindung wird eine Pyrolysemenge ΔC(θ,t) eines Harzbindemittels berechnet, wenn ein Formbeschichtungsmittel für eine Zeit t einer Temperatur θ ausgesetzt wird, und auf der Grundlage der Pyrolysemenge ΔC(θ,t) wird die Normaltemperatur-Biegefestigkeit σ_b(θ,t) des Formbeschichtungsmittels nach Aufnahme einer thermischen Belastung berechnet. Das Gießen erfolgt dann unter Verwendung eines Formbeschichtungsmittels, für das die berechnete Normaltemperatur-Biegefestigkeit σ_b(θ,t) größer oder gleich einem Schwellenwert σ_cr ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein einen verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren zur Herstellung eines Gussteils mit einem Loch.
Stand der Technik
Das einen verlorenen Schaum nutzende Gießverfahren ist ein Gießverfahren, bei dem in Gießereisand ein Gießmuster eingebettet wird, das erzielt wurde, indem auf die Oberfläche eines Schaummusters eine Formschlichte aufgebracht wurde, und dann in das Gießmuster eine Metallschmelze gegossen wird, wodurch das Schaummuster verloren geht und das Schaummuster durch die Metallschmelze ersetzt wird, wodurch ein Gussteil hergestellt wird. Es kann angenommen werden, dass dieses einen verlorenen Schaum nutzende Gießverfahren am besten geeignet ist, um in dem Gussteil durch Gießen ein Loch (nachstehend als „gegossenes Loch“ bezeichnet) auszubilden.
Bei dem einen verlorenen Schaum nutzenden Gießverfahren wirken auf die Formschlichte, die auf die Oberfläche des Lochs des Schaummusters (einen Abschnitt, in dem durch Gießen das Loch ausgebildet wird) aufgebracht ist, und auf den Gießereisand, der in das Loch gepackt ist, von der Umgebung aus große thermische Belastungen. Außerdem wirken auf sie von der Metallschmelze aus verschiedene externe Kräfte (z. B. ein hydrostatischer Metallschmelzendruck, ein dynamischer Druck durch den Metallschmelzefluss usw.).
In dem Fall, dass die Metallschlichte selbst den oben beschriebenen thermischen Belastungen oder externen Kräften nicht standhält, kann ein als „Festfressen“ bezeichneter Gussfehler auftreten, bei dem die Formschlichte beschädigt wird und die Metallschmelze in den Gießereisand, der in das Loch gepackt ist, einsickert und mit dem Gießereisand verschmilzt. Insbesondere wenn erwogen wird, durch Gießen ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger auszubilden, wird die Häufigkeit hoch, mit der es aufgrund der Beschädigung der Formschlichte zum Festfressen kommt, sodass es schwierig wird, ein kleines Loch mit einer guten Oberflächengüte auszubilden.
Die Patentliteratur 1 offenbart nun eine Formschlichtenzusammensetzung für verlorenen Schaum, bei der eine Chromatizität des kolorimetrischen L*a*b*-Systems und ein Messwert durch ein Brookfield-Viskosimeter auf die passenden Bereiche eingestellt sind. Dementsprechend wird ein Beschichtungsfilm mit einer gleichmäßigen Dicke erzielt, und daher wird eine Metalldurchdringung vermieden, zu der es kommt, falls der Beschichtungsfilm dünn ist.
Außerdem offenbart die Patentliteratur 2 eine Formschlichtenzusammensetzung für verlorenen Schaum, bei der die Zusammensetzung auf einen passenden Bereich eingestellt ist. Dementsprechend kann verhindert werden, dass es zu Metalldurchdringungsfehlern und zur Übertragung einer herunterhängenden Linie kommt.
Außerdem offenbart die Patentliteratur 3 eine Formschlichtenzusammensetzung für verlorenen Schaum, die ein Erz enthält, dessen endotherme Peaktemperatur (°C) durch Differenzialthermoanalyse in einen ermittelten Bereich fällt. Dementsprechend kann verhindert werden, dass es zu Rückstandsfehlern und Metalldurchdringungsfehlern kommt.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2010 - 274 314 A
Patentliteratur 2: JP 2010 - 142 867 A
Patentliteratur 3: JP 2003 - 290 869 A

Kurzdarstellung der Erfindung
Technische Probleme
Allerdings ist das gegossene Lochteil bei der Patentliteratur 1 bis 3 ganze 60 × 100 mm im Querschnitt und 110 mm in der Länge groß. Aus diesem Grund kann auch in dem Fall, dass durch Gießen ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger ausgebildet wird, nicht behauptet werden, dass durch die in dieser Patentliteratur offenbarten Verfahren verhindert werden kann, dass es zum Festfressen kommt.
Typischerweise wird in vielen Fällen ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger nach dem Gießen durch maschinelle Bearbeitung ausgebildet, ohne ein gegossenes Loch auszubilden. Allerdings führt ein solcher Fall zu einer Erhöhung der Bearbeitungskosten.
Dann gibt es noch den Fall, dass das Material der Formschlichte und die Gießbedingungen festgelegt werden, indem mehrere Versuchskörper erzeugt werden, wodurch ein kleines gegossenes Loch realisiert wird. Bei diesem Verfahren ist es jedoch unter den tatsächlichen Bedingungen schwierig, auf stabile Weise Gussteile herzustellen. Außerdem würden selbst dann, wenn Gussteile auf stabile Weise erzeugt werden könnten, eine Menge Kosten und Versuche für die Herstellung der Versuchskörper erforderlich sein. Daher ist es wichtig, im Voraus Auswahlrichtlinien für eine Formschlichte zu klären, die zur Herstellung eines kleinen gegossenen Loches geeignet ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein einen verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren zur Verfügung zu stellen, das dazu imstande ist, durch Gießen ein kleines Loch hoher Oberflächengüte mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger auszubilden.
Lösung der Probleme
Die Erfindung sieht ein einen verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren vor, das Einbetten eines Gießmusters, das durch Aufbringen einer Formschlichte auf eine Oberfläche eines Schaummusters ausgebildet wurde, in Gießereisand; und Gießen einer Metallschmelze in das Gießmuster und Verlieren des Schaummusters, um das Schaummuster durch die Metallschmelze zu ersetzen, umfasst, wodurch ein Gussteil mit einer Dicke T [mm] hergestellt wird, das ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger und einer Länge I [mm] aufweist,
wobei das Gießverfahren die folgenden Schritte umfasst:

Ermitteln einer thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) [Gew.-%] eines Harzbindemittels, wenn die Formschlichte für eine Zeit t [s] einer Temperatur θ [°C] ausgesetzt wird, anhand der folgenden Formeln (1) bis (3), wobei ΔC_sat(θ) [Gew.-%] eine kritische thermische Zersetzungsmenge des in der Formschlichte enthaltenen Harzbindemittels bei einer Temperatur θ (°C) ist, k_d [1/s] eine thermische Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante des Harzbindemittels ist, θ_s [°C] eine Temperatur ist, bei der die thermische Zersetzung des Harzbindemittels beginnt, und A, α und β Materialparameter sind, die sich jeweils auf ein Material der Formschlichte stützen;
Ermitteln einer Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) [MPa] der Formschlichte nach Aufnahme thermischer Belastungen anhand der folgenden Formel (4), wobei σ_c0 [MPa] eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte vor Aufnahme thermischer Belastungen ist, σ_c1 [MPa] eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte ist, nachdem das Harzbindemittel vollständig thermisch zersetzt ist, σ_s(θ,t) [MPa] eine Festigkeitszunahme ist, die durch eine Reaktion und ein Sintern zwischen Aggregaten hervorgerufen wird, die in der Formschlichte enthalten sind, und γ ein Materialparameter ist, der sich auf das Material der Formschlichte stützt; und
Durchführen von Gießen mit der Formschlichte, die die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) nach Aufnahme thermischer Belastungen hat, die größer oder gleich einem Schwellenwert σ_cr [MPa] ist: $Δ C (θ, t) = Δ C_{sat} (θ) \cdot {1 - exp (- k_{d} t)}$
$Δ C_{sat} (θ) = tanh {β (θ− θ_{s})} \times 100$
$k_{d} = Aexp (αθ)$
$σ_{b} (θ, t) = σ_{c0} - (σ_{c0} - σ_{c1}) tanh (γ Δ C (θ, t)) + σ_{s} (θ, t)$

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Um ein Gussteil mit einer Dicke T [mm] herzustellen, das ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger und eine Länge I [mm] aufweist, können bei der Erfindung die thermische Zersetzungsmenge und die thermische Zersetzungsgeschwindigkeit des in der Formschlichte enthaltenen Harzbindemittels geschätzt werden, indem die Formeln (1) bis (3) übernommen werden. Indem die Formel (4) übernommen wird, kann eine Änderung der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) geschätzt werden, die sich auf die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels stützt. Anhand dieser Schätzergebnisse kann eine Formschlichte ausgewählt werden, die eine geringere Reduzierung der Festigkeit hat, die durch die thermischen Belastungen hervorgerufen wird, und die dazu geeignet ist, ein kleines Loch zu gießen. Im Einzelnen wird anhand der Formeln (1) bis (3) die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) [Gew.-%] des Harzbindemittels ermittelt, wenn die Formschlichte für die Zeit t [s] der Temperatur θ [°C] ausgesetzt wird. Dann wird die ermittelte thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) in die Formel (4) eingesetzt, wodurch die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) [MPa] der Formschlichte nach Aufnahme der thermischen Belastungen ermittelt wird. Dann wird das Gießen mit der Formschlichte durchgeführt, die die ermittelte Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) hat, die größer oder gleich dem Schwellenwert σ_cr [MPa] ist. Weil dank dessen die Festigkeit der Formschlichte dazu gebracht werden kann, die externen Kräfte von der Metallschmelze zu übersteigen, kann die Formschlichte daran gehindert werden, beschädigt zu werden. Dementsprechend kann durch Gießen auch ein kleines Loch hoher Oberflächengüte mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger ausgebildet werden.
Figurenliste

1A ist eine Draufsicht auf ein Gießmuster.
1B ist eine Seitenansicht eines Gießmusters.
2 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einem Harzzersetzungsverhältnis und einer thermischen Zersetzungszeit bei einer Formschlichte A zeigt.
3 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einem Harzzersetzungsverhältnis und einer thermischen Zersetzungszeit bei einer Formschlichte B zeigt.
4 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einem Harzzersetzungsverhältnis und einer thermischen Zersetzungszeit bei einer Formschlichte C zeigt.
5 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einem Harzzersetzungsverhältnis und einer thermischen Zersetzungszeit bei einer Formschlichte D zeigt.
6 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte A zeigt.
7 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte B zeigt.
8 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte C zeigt.
9 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte D zeigt.
10 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer kritischen thermischen Zersetzungsmenge und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte A zeigt.
11 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer kritischen thermischen Zersetzungsmenge und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte B zeigt.
12 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer kritischen thermischen Zersetzungsmenge und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte C zeigt.
13 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer kritischen thermischen Zersetzungsmenge und einer Haltetemperatur bei einer Formschlichte D zeigt.
14 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit und einer thermischen Zersetzungsmenge eines Harzbindemittels bei einer Formschlichte A nach Aufnahme thermischer Belastungen zeigt.
15 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit und einer thermischen Zersetzungsmenge eines Harzbindemittels bei einer Formschlichte B nach Aufnahme thermischer Belastungen zeigt.
16 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit und einer thermischen Zersetzungsmenge eines Harzbindemittels bei einer Formschlichte C nach Aufnahme thermischer Belastungen zeigt.
17 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit und einer thermischen Zersetzungsmenge eines Harzbindemittels bei einer Formschlichte D nach Aufnahme thermischer Belastungen zeigt.
18 ist ein Diagramm, in dem für jede Formschlichte in einem Bereich einer thermischen Zersetzungsmenge des Harzbindemittels von 80 bis 84 Gew.-% oder nach einer Sinterreaktion eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit und die Ergebnisse, ob durch Gießen ein Loch ausgebildet werden konnte oder nicht, eingeordnet sind.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden unten bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
- Verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren -
Das einen verlorenen Schaum nutzende Gießverfahren dieses Ausführungsbeispiels ist ein Verfahren, das Einbetten eines Gießmusters, das durch Aufbringen einer Formschlichte auf die Oberfläche eines Schaummusters ausgebildet wurde, in Gießereisand (trockenen Sand) und Gießen einer Metallschmelze in das Gießmuster und Verlieren des Schaummusters, um das Schaummuster durch die Metallschmelze zu ersetzen, umfasst, wodurch ein Gussteil mit einer Dicke T [mm] hergestellt wird, das ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger und einer Länge I [mm] aufweist. Es kann in Erwägung gezogen werden, dass dieses einen verlorenen Schaum nutzende Gießverfahren zum Beispiel am besten geeignet ist, ein Gussteil mit einer Dicke von 25 mm oder weniger herzustellen, welches durch ein „gegossenes Loch“ ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger und einer Länge von 100 mm oder weniger hat.
Das einen verlorenen Schaum nutzende Gießverfahren beinhaltet Folgendes: einen Schmelzschritt, in dem ein Metall (Gusseisen) geschmolzen wird, um eine Metallschmelze herzustellen; einen Bildungsschritt, in dem ein Schaummuster gebildet wird; und einen Aufbringungsschritt, in dem auf die Oberfläche des Schaummusters eine Formschlichte aufgebracht wird, um ein Gießmuster zu erzielen. Darüber hinaus beinhaltet das einen verlorenen Schaum nutzende Gießverfahren Folgendes: einen Formschritt, in dem ein Gießmuster in Gießereisand eingebettet wird, um den Gießereisand in jede Ecke des Gießmusters zu packen; einen Gießschritt, in dem eine Metallschmelze in das Gießmuster gegossen wird, um das Schaummuster zu schmelzen, wodurch das Schaummuster durch die Metallschmelze ersetzt wird; und einen Kühlschritt, in dem die Metallschmelze, die in das Gießmuster gegossen worden ist, gekühlt wird, um ein Gussteil herzustellen; und einen Trennschritt, in dem das Gussteil und der Gießereisand voneinander getrennt werden.
Als Metall zur Herstellung der Metallschmelze können Grauguss (JIS-FC250), Gusseisen mit Kugelgraphit (JIS-FCD450) und dergleichen verwendet werden. Als Schaummuster kann ein geschäumtes Harz wie Polystyrol-Schaum verwendet werden. Als Formschlichte kann eine Formschlichte aus einem Aggregat auf Basis von Siliziumoxid und dergleichen verwendet werden. Als Gießereisand kann „Quarzsand“, der SiO₂ als Hauptbestandteil enthält, Zirkonsand, Chromitsand, synthetischer Keramiksand und dergleichen verwendet werden. Zu dem Gießereisand kann ein Bindemittel oder ein Härter zugegeben werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Formschlichte zweimal auf das Schaummuster aufgebracht (Doppelbeschichtung). Die Dicke der Formschlichte beträgt vorzugsweise 3 mm oder weniger. Dies liegt daran, weil die Aufbringung und das Trocknen der Formschlichte mindestens dreimal erfolgen müssen, wenn die Dicke der Formschlichte 3 mm oder mehr beträgt, sodass nicht nur eine Menge Zeit benötigt wird, sondern auch die Dicke leicht ungleichmäßig wird.
Wie in der Draufsicht von 1A und der Seitenansicht von 1B dargestellt ist, wird hier der folgende Fall betrachtet: Es wird ein Gussteil mit einer Dicke T [mm], das ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger und einer Länge I [mm] aufweist, hergestellt, indem ein Gießmuster 1 verwendet wird, in dem ein Loch 3 (ein Abschnitt, in dem durch Gießen das Loch ausgebildet wird) mit einem Durchmesser D [mm] und einer Länge I [mm] vorgesehen ist, das sich in einem Schaummuster 2, das eine rechteckige Parallelepipedform hat, von der Oberseite zur Unterseite erstreckt. Das Loch 3 ist auf eine solche Weise vorgesehen, dass in einem Lochende 3a in einem Raum gegen die Oberfläche des Schaummusters 2 eine Kante ausgebildet ist. Das Lochende 3a ist also keiner maschinellen Bearbeitung wie Abschrägen unterzogen worden. Der Durchmesser D des Lochs 3 ist die Länge zwischen den Oberflächen des Lochs 3 entlang einer Mittellinie des Lochs 3, nicht aber die Länge zwischen den Oberflächen der Formschlichte, die auf der Oberfläche des Lochs 3 aufgebracht wird.
Die Formschlichte enthält ein Aggregat aus feuerfestem Material und einem Harzbindemittel zum Ausbilden eines Films. Wenn die Formschlichte während des Gießens der Metallschmelze ausgesetzt wird, schreitet die thermische Zersetzung des Harzbindemittels voran und verringert sich die Festigkeit der Formschlichte selbst. Wenn die thermische Zersetzung des Harzbindemittels abgeschlossen ist, gelangt der aus der Formschlichte ausgebildete Film in einen Zustand, in dem er nur durch eine Bindekraft zwischen den Aggregaten gehalten wird und im Wesentlichen keine Festigkeit hat.
In diesem Ausführungsbeispiel wird anhand der folgenden Formeln (1) bis (3) zunächst die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) [Gew.-%] des Harzbindemittels ermittelt, wenn die Formschlichte für die Zeit t [s] der Temperatur θ [°C] ausgesetzt wird. $Δ C (θ, t) = Δ C_{sat} (θ) \cdot {1 - exp (- k_{d} t)}$
$Δ C_{sat} (θ) = tanh {β (θ - θ_{s})} \times 100$
$k_{d} = Aexp (αθ)$
Dabei ist ΔC_sat(θ) [Gew.-%] eine kritische thermische Zersetzungsmenge des Harzbindemittels bei der Temperatur θ [°C]. k_d [1/s] ist eine thermische Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante des Harzbindemittels. θ_s [°C] ist eine Temperatur, bei der die thermische Zersetzung des Harzbindemittels beginnt. A, α und β sind jeweils Materialparameter, die sich auf das Material der Formschlichte stützen.
Als Nächstes wird beruhend auf der folgenden Formel (4) unter Verwendung der ermittelten thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) [MPa] der Formschlichte nach Aufnahme der thermischen Belastungen ermittelt. $σ_{b} (θ, t) = σ_{c0} - (σ_{c0} - σ_{c1}) tanh (γΔ C (θ, t)) + σ_{s} (θ, t)$
Dabei ist σ_c0 [MPa] eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte vor Aufnahme thermischer Belastungen (in einem trockenen Zustand). σ_c1 [MPa] ist eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte, nachdem das Harzbindemittel vollständig thermisch zersetzt ist. σ_s(θ,t) [MPa] ist eine Festigkeitszunahme, die durch eine Reaktion und ein Sintern zwischen den in der Formschlichte enthaltenen Aggregaten hervorgerufen wird. γ ist ein Materialparameter, der sich auf das Material der Formschlichte stützt.
Dann erfolgt das Gießen mit der Formschlichte, die die ermittelte Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) hat, die größer oder gleich einem Schwellenwert σ_cr [MPa] ist.
- Thermische Zersetzungsmenge Harzbindemittel -
Wenn die thermische Zersetzung des Harzbindemittels als eine Reaktion erster Ordnung genähert wird, erhält man den Zusammenhang der folgenden Formel (5). $ln (C_{0} / C_{t}) = k_{d} t$
Dabei ist C₀ [Gew.-%] eine Anfangskonzentration des in der Formschlichte enthaltenen Harzbindemittels, und Ct [Gew.-%] ist eine Konzentration des Harzbindemittels, nachdem die Formschlichte für die Zeit t [s] der Temperatur θ [°C] ausgesetzt worden ist. Außerdem ist t eine Zeit, während der die Formschlichte der Temperatur θ ausgesetzt wird.
Wird die thermische Zersetzungsmenge des Harzbindemittels als ΔC(θ,t) [Gew.-%] definiert, wenn die Formschlichte für die Zeit t [s] der Temperatur θ [°C] ausgesetzt wird, kann die Formel (5) in die folgende Formel (6) geändert werden. $Δ C (θ, t) = f (θ) \cdot (1 - C_{t} / C_{0}) = f (θ) \cdot {1 - exp (- k_{d} t)}$
Dabei stellt f(θ) eine Funktion der Temperatur θ dar.
Es kann angenommen werden, dass es in der Nähe der Temperatur θ_s, bei der die thermische Zersetzung des Harzbindemittels beginnt, auch dann, wenn es viel Zeit braucht, eine Grenze für die Harzmenge gibt, bei der die Zersetzung erfolgen kann. Aus diesem Grund wird die Harzmenge, bei der die Zersetzung bei einer ermittelten Temperatur θ erreicht werden kann, in der Formel (6) durch die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) zur Zeit t → ∞ ausgedrückt. Wird die kritische thermische Zersetzungsmenge des Harzbindemittels bei der Temperatur θ [°C] als ΔC_sat(θ) [Gew.-%] definiert, kann die Formel (6) folglich als die folgende Formel (1) umgeschrieben werden. $Δ C (θ, t) = Δ C_{sat} (θ) \cdot {1 - exp (- k_{d} t)}$
- Thermische Zersetzungsgeschwindigkeit Harzbindemittel -
Die thermische Zersetzungsgeschwindigkeit des Harzbindemittels ändert sich mit der Temperatur θ. Und zwar kann angenommen werden, dass die thermische Zersetzung umso schneller voranschreitet, je höher die Temperatur ist. Es ist dann notwendig, die Temperaturabhängigkeit der thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante k_d des Harzbindemittels in Berücksichtigung zu ziehen. Die oben beschriebene Temperaturabhängigkeit kann durch die Arrhenius-Gleichung ausgedrückt werden, die durch die folgende Formel (7) dargestellt wird. $k_{d} = fexp (- Δ E/R θ)$
Dabei ist f ein Entwicklungsfaktor; ΔE ist eine Aktivierungsenergie [J/mol]; und R ist eine Gaskonstante [J/mol/K].
Zur Vereinfachung wird die Formel (7) als die folgende Formel (3) umgeschrieben. $\begin{array}{l} k_{d} = Aexp (αθ) \\ α = R/ Δ E \end{array}$
Anhand der Formel (3) ist es möglich, die thermische Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante k_d bei einer beliebigen Temperatur θ zu ermitteln.
Aus dem Vorstehenden kann anhand der Kombination der Formel (1) mit der Formel (3) die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels ermittelt werden, wenn die Formschlichte für die Zeit t [s] der Temperatur θ [°C] ausgesetzt wird. Da sich ΔC_sat(θ), A und α auf das Material der Formschlichte (dem verwendeten Harzbindemittel) stützen, können sie durch einen einfachen Versuch, etwa einem Hitzeeinwirkungsversuch unter Verwendung verschiedener Formschlichten, identifiziert werden.
Bezüglich der kritischen thermischen Zersetzungsmenge ΔC_sat(θ) des Harzbindemittels kann unter Berücksichtigung der Tatsachen, dass die thermische Zersetzung plötzlich zunimmt, wenn bei einer Temperatur erhitzt wird, die größer oder gleich der Temperatur θ_s ist, bei der die thermische Zersetzung des Harzbindemittels beginnt, und dass das Harzbindemittel vollständig thermisch zersetzt wird (die thermische Zersetzungsmenge 100% beträgt), wenn für eine lange Zeit bei einer bestimmten Temperatur oder mehr erhitzt wird, eine Simulation wie in der folgenden Formel (2) erfolgen. $Δ C_{sat} (θ) = tanh {β (θ - θ_{s})} \times 100$
Dabei ist β ein Materialparameter, der angibt, wie leicht die thermische Zersetzung vonstattengeht.
Solange β durch ein Experiment identifiziert werden kann, das verschiedene Formschlichten (Harzbindemittel) verwendet, ist es möglich, die kritische thermische Zersetzungsmenge ΔC_sat(θ) zu bestimmen.
- Festigkeit Formschlichte -
Die Festigkeit der Formschlichte kann im Hinblick auf eine Biegebruchfestigkeit (Biegefestigkeit) beurteilt werden. Da es jedoch äußerst schwierig ist, die Hochtemperaturfestigkeit der Formschlichte direkt zu messen, wird eine Reduzierung der Festigkeit der Formschlichte, die durch die thermische Zersetzung des Harzbindemittels hervorgerufen wird, beurteilt, indem die Biegebruchfestigkeit der Formschlichte anlässlich der Aufbringung thermischer Belastungen, um das Harzbindemittel thermisch zu zersetzen, gemessen wird und die Temperatur dann auf Raumtemperatur zurückgebracht wird.
Die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) der Formschlichte nach Aufnahme der thermischen Belastungen wird betrachtet, indem sie in eine Festigkeit durch eine Bindekraft zwischen den in der Formschlichte enthaltenen Aggregaten und eine Festigkeitszunahme σ_s(θ,t), die durch eine Reaktion und ein Sintern zwischen den Aggregaten hervorgerufen wird, unterteilt wird. Die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) der Formschlichte nach Aufnahme der thermischen Belastungen kann so ausgedrückt werden, wie in der folgenden Formel (8) gezeigt ist. $σ_{b} (θ, t) = σ_{c0} - σ_{t} (Δ C (θ, t)) + σ_{s} (θ, t)$
Dabei ist σ_c0 [MPa] eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte vor Aufnahme thermischer Belastungen. σ_t(ΔC(θ,t)) [MPa] ist eine Reduzierung der Festigkeit der Formschlichte, die durch die thermische Zersetzung des Harzbindemittels hervorgerufen wird. σ_s (θ,t) [MPa] ist eine Festigkeitszunahme, die durch eine Reaktion und ein Sintern zwischen den in der Formschlichte enthaltenen Aggregaten hervorgerufen wird.
Wenn die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte (Festigkeit nur durch eine Bindekraft zwischen den Aggregaten), nachdem das Bindemittelharz vollständig thermisch zersetzt ist, als σ_c1 [MPa] definiert wird, kann die Formel (8) als die folgende Formel (9) umgeschrieben werden. $σ_{b} (θ, t) = σ_{c0} - (σ_{c0} - σ_{c1}) \cdot f (Δ C (θ, t)) + σ_{s} (θ, t)$
Dabei stellt f(ΔC) eine Funktion der thermischen Zersetzungsmenge ΔC des Harzbindemittels dar.
Als Ergebnis der Durchführung des Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeitsversuchs unter Änderung der thermischen Zersetzungsmenge ΔC des Harzbindemittels für verschiedene Formschlichten ist herausgefunden worden, dass die Formel (9) wie in der folgenden Formel (4) durch eine Hyperbelfunktion angenähert werden kann. $σ_{b} (θ, t) = σ_{c0} - (σ_{c0} - σ_{c1}) tanh (γΔ C (θ, t)) + σ_{s} (θ, t)$
Dabei ist γ ein Materialparameter, der sich auf das Material der Formschlichte (des Harzbindemittels) stützt und durch einen Versuch identifiziert wird.
Wenn die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) [Gew.-%], die beruhend auf der Formel (1) ermittelt wird, in die Formel (4) eingesetzt wird, ist es möglich, die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) [MPa] der Formschlichte nach Aufnahme der thermischen Belastungen zu ermitteln.
- Auswahlrichtlinien Formschlichte -
In dem einen verlorenen Schaum nutzenden Gießverfahren wirken auf die Formschlichte, die auf der Oberfläche des Lochs 3 des Schaummusters 2 aufgebracht ist, und auf den Gießereisand, der in das Loch 3 gepackt ist, thermische Belastungen aus der Umgebung. Außerdem wirken auf ihnen von der Metallschmelze aus verschiedene externe Kräfte (z. B. ein hydrostatischer Metallschmelzendruck, ein dynamischer Druck durch einen Metallschmelzefluss usw.). Wenn die Festigkeit der Formschlichte, die die thermischen Belastungen aufgenommen hat, die oben beschriebenen externen Kräfte überschreitet, kann durch Gießen ein kleines Loch ausgebildet werden, ohne die Formschlichte zu beschädigen.
Wenn die Formschlichte selbst thermische Belastungen aufnimmt, nimmt die Festigkeit tendenziell ab. Daher ist es notwendig, diese Abnahme der Festigkeit zu verhindern. Es ist dann notwendig, eine Formschlichte auszuwählen, bei der die Reduzierung der Festigkeit, die durch die thermischen Belastungen hervorgerufen wird, geringer ist, und es können die folgenden Auswahlrichtlinien in Betracht gezogen werden.

(a) Eine Formschlichte auswählen, die ein Harzbindemittel verwendet, bei dem der Fortschritt der thermischen Zersetzung langsam ist.
(b) Eine Formschlichte auswählen, bei der die Reduzierung der Festigkeit auch dann klein ist, wenn die thermische Zersetzung des Harzbindemittels voranschreitet.
(c) Eine Formschlichte auswählen, die Aggregate enthält, die es durch eine Reaktion und ein Sintern ermöglichen, ein Produkt zu erzeugen, das dazu imstande ist, die Festigkeit zum Vorschein zu bringen.

Indem die Formeln (1) bis (3) übernommen werden, kann im Voraus ein thermisches Zersetzungsverhalten (eine thermische Zersetzungsmenge und eine thermische Zersetzungsgeschwindigkeit) des in der Formschlichte enthaltenen Harzbindemittels abgeschätzt werden. Indem die Formel (4) übernommen wird, kann außerdem im Voraus eine Tendenz bei der Änderung der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit geschätzt werden, die sich auf die thermische Zersetzungsmenge des Harzbindemittels stützt. Anhand dieser Ergebnisse kann beruhend auf den oben beschriebenen Auswahlrichtlinien eine Formschlichte ausgewählt werden, die eine geringere Reduzierung der Festigkeit hat, die durch die thermischen Belastungen hervorgerufen wird, und die dazu geeignet ist, durch Gießen ein kleines Loch auszubilden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt dann das Gießen mit einer Formschlichte, deren Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) [MPa] nach Aufnahme thermischer Belastungen gemäß der vorstehenden Formel (4) berechnet größer oder gleich dem Schwellenwert σ_cr [MPa] ist. Weil dank dessen die Festigkeit der Formschlichte dazu gebracht werden kann, die externen Kräfte von der Metallschmelze zu übersteigen, kann die Formschlichte daran gehindert werden, beschädigt zu werden. Dementsprechend kann durch Gießen sogar ein kleines Loch hoher Oberflächengüte mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger ausgebildet werden.
Wenn das Gießen mit einer Formschlichte durchgeführt wird, bei der der Schwellenwert σ_cr auf 0,56 MPa eingestellt ist, und die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) nach Aufnahme thermischer Belastungen 0,56 MPa oder mehr beträgt, kann die Festigkeit der Formschlichte geeignet dazu gebracht werden, die externen Kräfte von der Metallschmelze zu übersteigen.
Wenn die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels 83 Gew.-% oder mehr beträgt, kommt, wie später beschrieben wird, eine Festigkeitszunahme zum Vorschein, die durch eine Reaktion und ein Sintern zwischen den Aggregaten hervorgerufen wird. Wenn das Gießen dabei mit der Formschlichte erfolgt, die die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) nach Aufnahme thermischer Belastungen hat, die 0,56 MPa oder mehr beträgt, kann die Festigkeit der Formschlichte geeignet dazu gebracht werden, die externen Kräfte von der Metallschmelze zu übersteigen.
Anlässlich der Herstellung eines Gussteils mit einer Dicke T von 25 mm oder weniger, welches ein Loch mit einem Durchmesser von 8 mm oder mehr und eine Länge I von 100 mm oder weniger aufweist, wird die Formschlichte zweimal auf das Schaummuster aufgebacht. Dank dessen kann die Dicke der Formschlichte gleichmäßig gestaltet werden, und daher kann die Formschlichte dazu gebracht werden, kaum beschädigt zu werden.
- Schätzung thermische Zersetzungsmenge und thermische Zersetzungsgeschwindigkeit Harzbindemittel -
Es wurden verschiedene Formschlichten beurteilt. Es gab vier Arten an Formschlichten, die in Tabelle 1 angegeben sind. Tabelle 1

Formschlichte Aggregate

A SiO₂-Basis

B SiO₂-Basis

C Al₂O₃-SiO₂-Basis

D Al₂O₃-SiO₂-Basis
Mit den vier Arten an Formschlichten, die in Tabelle 1 angegeben sind, wurde ein Hitzeeinwirkungsversuch durchgeführt. Der Hitzeeinwirkungsversuch erfolgte, indem die Formschlichte für eine vorbestimmte Zeit (1 Minute, 2 Minuten, 5 Minuten und 10 Minuten) in der Umgebung einer Haltetemperatur (200°C, 400°C und 600°C) gehalten wurde, gefolgt von Luftkühlung. Es wurde das Gewicht des Probekörpers der Formschlichte vor und nach dem Versuch gemessen, und es wurde ein Zersetzungsverhältnis des Harzbindemittels (Harzzersetzungsverhältnis) [%] aufgrund thermischer Zersetzung beurteilt. Der Zusammenhang zwischen dem Harzzersetzungsverhältnis und der thermischen Zersetzungszeit bei der Formschlichte A ist in 2 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen dem Harzzersetzungsverhältnis und der thermischen Zersetzungszeit bei der Formschlichte B ist in 3 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen dem Harzzersetzungsverhältnis und der thermischen Zersetzungszeit bei der Formschlichte C ist in 4 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen dem Harzzersetzungsverhältnis und der thermischen Zersetzungszeit bei der Formschlichte D ist in 5 gezeigt. In 2 bis 5 befassen sich die Einzelpunkte mit den Versuchsergebnissen und die durchgezogenen Linien mit den aus der Formel (1) geschätzten Ergebnissen.
Anhand der Versuchsergebnisse wurde eine thermische Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante k_d identifiziert. Der Zusammenhang zwischen der thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante k_d und der Haltetemperatur bei der Formschlichte A ist in 6 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante k_d und der Haltetemperatur bei der Formschlichte B ist in 7 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante k_d und der Haltetemperatur bei der Formschlichte C ist in 8 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der thermischen Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante k_d und der Haltetemperatur bei der Formschlichte B ist in 9 gezeigt. In 6 bis 9 befassen sich die Einzelpunkte mit den Werten, die anhand der Versuchsergebnisse identifiziert wurden, und die durchgezogenen Linien mit den Schätzergebnissen, nachdem unter Verwendung der Formel (3) eine Anpassung durchgeführt wurde.
Darüber hinaus wurde anhand der Versuchsergebnisse die kritische thermische Zersetzungsmenge ΔC_sat(θ) des Harzbindemittels identifiziert. Der Zusammenhang zwischen der kritischen thermischen Zersetzungsmenge ΔC_sat(θ) und der Haltetemperatur bei der Formschlichte A ist in 10 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der kritischen thermischen Zersetzungsmenge ΔC_sat(θ) und der Haltetemperatur bei der Formschlichte B ist in 11 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der kritischen thermischen Zersetzungsmenge ΔC_sat(θ) und der Haltetemperatur bei der Formschlichte C ist in 12 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der kritischen thermischen Zersetzungsmenge ΔC_sat(θ) und der Haltetemperatur bei der Formschlichte D ist in 13 gezeigt. In 10 bis 13 befassen sich die Einzelpunkte mit den Werten, die anhand der Versuchsergebnisse identifiziert wurden. Es ist bekannt, dass die thermische Zersetzung der Harzbindemittel, die für eine Formschlichte verwendet werden, im Allgemeinen bei rund 200°C beginnt. Bei allen Formschlichten, die Gegenstand des Versuches waren, erfolgte die Anpassung dann gemäß der Formel (2), während die Temperatur θ_s, bei der die thermische Zersetzung beginnt, auf 180°C eingestellt wurde. In 10 bis 13 befassen sich die durchgezogenen Linien mit den Schätzergebnissen nach Durchführung dieser Anpassung.

Die Anpassungsergebnisse der Materialparameter A, α und β bezüglich der verschiedenen Formschlichten sind die in Tabelle 2. Tabelle 2

Formschlichte	A	α	β
A	1,2 × 10^-3	5,3 × 10^-3	2,7 × 10^-3
B	7,0 × 10^-4	7,0 × 10^-3	7,0 × 10^-3
C	1,3 × 10^-3	4,5 × 10^-3	5,0 × 10^-4
D	7,0 × 10^-4	6,5 × 10^-4	5,0 × 10^-4

Anhand der vorstehenden Ergebnisse hat sich bestätigt, dass die thermische Zersetzungsmenge und die thermische Zersetzungsgeschwindigkeit des in der Formschlichte enthaltenen Harzbindemittels auch bei Formschlichten voneinander verschiedener Arten geschätzt werden kann, indem die Formeln (1) bis (3) übernommen werden.
- Schätzung Festigkeitsänderung Formschlichte aufgrund thermischer Zersetzung -
Die Festigkeit der Formschlichte wurde wie oben beschrieben hinsichtlich einer Biegebruchfestigkeit (Biegefestigkeit) beurteilt. Allerdings ist es äußerst schwierig, die Hochtemperaturfestigkeit der Formschlichte direkt zu messen. Es wurden dann jeweils Probekörper der verschiedenen Formschlichten einer Wärmebehandlung unterzogen, während die Haltetemperatur und thermische Zersetzungszeit voneinander verschieden eingestellt wurden, um das Harzbindemittel thermisch zu zersetzen, und die Temperatur dann zur Raumtemperatur zurückgebracht wurde, wobei die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels anhand einer Gewichtsänderung des Probekörpers vor und nach der Wärmebehandlung berechnet wurde und die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) gemäß einem Biegeversuch bei Raumtemperatur gemessen wurde.
Der Zusammenhang zwischen der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) und der thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels bei der Formschlichte A nach Aufnahme thermischer Belastungen ist in 14 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) und der thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels bei der Formschlichte B nach Aufnahme thermischer Belastungen ist in 15 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) und der thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels bei der Formschlichte C nach Aufnahme thermischer Belastungen ist in 16 gezeigt. Der Zusammenhang zwischen der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) und der thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels bei der Formschlichte D nach Aufnahme thermischer Belastungen ist in 17 gezeigt. In 14 bis 17 befassen sich die Einzelpunkte mit den Versuchsergebnissen und die durchgezogenen Linien mit den auf der Formel (4) beruhenden Schätzergebnissen.
Bezüglich der Formschlichten C und D sind dabei Einzelpunkte (von Strichlinien umgeben) enthalten, die etwas von den Schätzergebnissen abweichen. Diese sind solche, bei denen sich die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) zur Seite hoher Festigkeit hin verschiebt, weil durch die Reaktion und das Sintern zwischen den Aggregaten ein neues Produkt gebildet wurde. Und zwar wird dies durch die Festigkeitszunahme σ_s(θ,t) verursacht, die durch die Reaktion und das Sintern zwischen den Aggregaten hervorgerufen wird. Bei den Formschlichten C und D sind, wie in Tabelle 1 angegeben ist, in den Aggregatbestandteilen Siliziumoxid und Aluminiumoxid enthalten, und es hat sich bestätigt, dass diese eine Hochtemperaturreaktion und ein Sintern verursachten, wodurch sich die Menge an Mullit (Verbindung aus Siliziumoxid und Aluminiumoxid) erhöhte.
Anlässlich des Identifizierens der auf der Formel (4) beruhenden Materialparameter ist es notwendig, der Festigkeitsabnahme Beachtung zu schenken, die durch die thermische Zersetzung des Harzbindemittels hervorgerufen wird. Nachdem aus diesem Grund die Daten hinsichtlich der Festigkeitszunahme aufgrund der Reaktion und des Sinterns zwischen den Aggregaten entfernt worden waren, wurden beruhend auf der Formel (4) σ_c0, σ_c1 und γ identifiziert, deren Werte sich abhängig von dem Material der Formschlichte ändern. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3

Formschlichte σ_c0 [MPa] σ_c1 [MPa] γ

A 2,5 0,2 2,5 × 10^-2

B 6,5 0,2 2,1 × 10^-2

C 4,5 0,2 2,5 × 10^-2

D 3,5 0,2 2,0 × 10^-2
Anhand der vorgenannten Ergebnisse hat sich bestätigt, dass die Änderung der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t), die sich auf die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels stützt, selbst bei Formschlichten voneinander verschiedener Art beruhend auf der Formel (4) geschätzt werden kann.
- Gießversuch -
Es wurde ein Gussprodukt mit einem kleinen Loch hergestellt, indem, wie in 1A und 1B gezeigt ist, das Gießmuster 1 verwendet wurde, das mit dem Loch 3 mit einer Länge von 100 mm und einem Durchmesser von 8 bis 14 mm versehen war, das sich in dem Schaummuster 2, das eine 25 × 100 × 200 [mm] große rechteckige Parallelepipedform hatte, von der Oberseite zur Unterseite erstreckte. Als Metallschmelze wurde Grauguss (JIS-FC250) verwendet, und als Formschlichten wurden die vier Arten von Formschlichten A bis D verwendet, die in Tabelle 1 angegeben sind. Die Formschlichte wurde zweimal auf dem Gießmuster 1 aufgebracht (Doppelbeschichtung), und als Gießereisand wurde Quarzsand verwendet. Die Ergebnisse, ob durch Gießen ein Loch ausgebildet werden konnte oder nicht, sind in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4

Formschlichte Lochdurchmesser [mm]

8 10 12 14

A Nein Nein Nein Ja

B Ja Ja Ja Ja

C Ja Ja Ja Ja

D Ja Ja Ja Ja
Bezüglich der Formschlichte A konnte durch Gießen ein kleines Loch mit einem Mindestdurchmesser von 14 mm ausgebildet werden, und bezüglich der Formschlichten B bis D konnte durch Gießen jeweils ein kleines Loch mit einem Mindestdurchmesser von 8 mm ausgebildet werden.
Dabei wurden ein Auswahlverfahren für eine Formschlichte, die dazu geeignet ist, durch Gießen ein kleines Loch auszubilden, ein passender Bereich der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) der Formschlichte nach Aufnahme thermischer Belastungen und ihr Schwellenwert untersucht.
Bezüglich der Formschlichte A ergibt sich zwar anhand von 2, 6 und 10, dass der Fortschritt der thermischen Zersetzung des Harzbindemittels verglichen mit den anderen Formschlichten tendenziell langsam ist, doch ergibt sich aus 14, dass die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t), nachdem die thermische Zersetzung fortgeschritten ist, verglichen mit den anderen Formschlichten gering ist. Aus diesem Grund kann gemutmaßt werden, dass es für die Formschlichte A schwierig war, durch Gießen ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger auszubilden.
Bezüglich der Formschlichte B ergibt sich zwar aus 3, 7 und 11, dass der Fortschritt der thermischen Zersetzung des Harzbindemittels verglichen mit den anderen Formschlichten schnell ist, doch hat sich anhand von 15 bestätigt, dass auch dann, wenn die thermische Zersetzung voranschreitet, die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) tendenziell hoch ist. Aus diesem Grund kann angenommen werden, dass für die Formschlichte B durch Gießen die Bildung eines kleinen Lochs mit einem Durchmesser von nur 8 mm realisiert werden konnte.
Bezüglich der Formschlichten C und D ergibt sich andererseits aus 4 und 5, 8 und 9 und 12 und 13, dass das Verhalten der thermischen Zersetzung des Harzbindemittels und das Verhalten der Reduzierung der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t), das durch den Fortschritt der thermischen Zersetzung verursacht wird, zwischen denen der Formschlichte A und der Formschlichte B liegt. Anhand von 16 und 17 kann angenommen werden, dass in Anbetracht der Tatsache, dass aufgrund des Einflusses der während des Gießens aufgenommenen Wärme die Reaktion und das Sintern (Mullitbildung) zwischen den Aggregaten voranschritt, die Festigkeit der Formschlichte selbst zunahm, sodass durch Gießen die Bildung eines kleinen Lochs mit einem Durchmesser von nur 8 mm realisiert werden konnte.
Bezüglich der Formschlichten C und D kann anhand von 14 bis 17 gemutmaßt werden, dass die Festigkeitszunahme, die durch die Reaktion und das Sintern zwischen den Aggregaten hervorgerufen wird, nicht zum Vorschein kommt, solange nicht so viel Wärme abgegeben wird, dass die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels 83 Gew.-% oder mehr beträgt. Es ist bekannt, dass die Temperatur, bei der die Mullitbildungsreaktion beginnt, abhängig von der Materialzusammensetzung im Allgemeinen bei rund 1000°C liegt und die Metallschmelzentemperatur von Grauguss etwa 1400°C beträgt. Anhand dessen lässt sich vernünftigerweise annehmen, dass beinahe das gesamte Harzbindemittel der Formschlichte, das der Metallschmelze ausgesetzt war, thermisch zersetzt wurde und die Reaktion und das Sintern zwischen den Aggregaten stattfand.
In 18 ist nun ein Diagramm dargestellt, in dem unter Übernahme der Formel (4) nebeneinander für jede Formschlichte in einem Bereich der thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels von 80 bis 84 Gew.-% oder nach der Sinterreaktion die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) und die Ergebnisse, ob durch Gießen ein Loch ausgebildet werden konnte oder nicht, eingeordnet sind. Der Bereich, in dem die thermische Zersetzungsmenge des Harzbindemittels von 80 bis 84 Gew.-% reicht, ist ein Bereich, in dem die Zunahme der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t), die durch die Reaktion und das Sintern zwischen den Aggregaten hervorgerufen wird, am größten ist. Anhand dieser Ergebnisse lässt sich urteilen, dass selbst dann, wenn die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels bis auf hohe 83 Gew.-% oder mehr voranschreitet, es möglich ist, in dem Gussteil mit einer Dicke von 25 mm oder weniger durch Gießen ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 8 mm oder mehr und 12 mm oder weniger und einer Länge von 100 mm oder weniger auszubilden, solange die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) der Formschlichte unter Berücksichtigung der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_c1, die die Formschlichte behält, oder die Festigkeitszunahme σ_s(θ,t), die durch die Reaktion und das Sintern zwischen den Aggregaten hervorgerufen wird, 0,56 MPa oder mehr beträgt.
Solange das thermische Zersetzungsverhalten des Harzbindemittels der verschiedenen Formschlichten und die Eigenschaften der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) nach Aufnahme thermischer Belastungen erfasst werden können, ist es im Lichte des Vorstehenden möglich, die Formschlichte auszuwählen, die dazu geeignet ist, durch Gießen ein kleines Loch auszubilden. Daten hinsichtlich der Eigenschaften der oben beschriebenen Formschlichten können durch relativ einfach Versuche wie den oben beschriebenen Hitzeeinwirkungsversuch und Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeitsversuch erfasst werden.
- Wirkungen -
Gemäß dem einen verlorenen Schaum nutzenden Gießverfahren in diesem Ausführungsbeispiel können wie oben beschrieben anlässlich der Herstellung eines Gussteils mit einer Dicke T [mm], das ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger und eine Länge I [mm] aufweist, die thermische Zersetzungsmenge und die thermische Zersetzungsgeschwindigkeit des in der Formschlichte enthaltenen Harzbindemittels durch Übernahme der Formeln (1) bis (3) geschätzt werden. Durch die Übernahme der Formel (4) kann eine Änderung der Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t), die sich auf die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Bindemittelharzes stützt, geschätzt werden. Anhand dieser Schätzergebnisse kann eine Formschlichte ausgewählt werden, die eine geringere Reduzierung der Festigkeit hat, die durch die thermischen Belastungen hervorgerufen wird, und die dazu geeignet ist, durch Gießen ein kleines Loch auszubilden. Im Einzelnen wird die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) [Gew.-%] des Harzbindemittels, wenn die Formschlichte für die Zeit t [s] der Temperatur θ [°C] ausgesetzt wird, beruhend auf den Formeln (1) bis (3) ermittelt. Dann wird die ermittelte thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) in die Formel (4) eingesetzt, wodurch die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) [MPa] der Formschlichte nach Aufnahme der thermischen Belastungen ermittelt wird. Dann erfolgt das Gießen mit der Formschlichte, die die ermittelte Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) hat, die größer oder gleich dem Schwellenwert σ_cr [MPa] ist. Weil dank dessen die Festigkeit der Formschlichte dazu gebracht werden kann, die externen Kräfte von der Metallschmelze zu übersteigen, kann die Formschlichte daran gehindert werden, beschädigt zu werden. Dementsprechend kann durch Gießen sogar ein kleines Loch hoher Oberflächengüte mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger ausgebildet werden.
Wenn das Gießen mit der Formschlichte durchgeführt wird, die die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) nach Aufnahme thermischer Belastungen hat, die 0,56 MPa oder mehr beträgt, kann die Festigkeit der Formschlichte geeignet so eingestellt werden, dass sie die externen Kräfte von der Metallschmelze überschreitet.
Wenn die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels 83 Gew.-% oder mehr beträgt, zeigt sich eine Festigkeitszunahme, die durch eine Reaktion und ein Sintern zwischen den Aggregaten hervorgerufen wird. Wenn dabei das Gießen mit der Formschlichte durchgeführt wird, die die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) nach Aufnahme thermischer Belastungen hat, die 0,56 MPa oder mehr beträgt, kann die Festigkeit der Formschlichte geeignet so eingestellt werden, dass sie die externen Kräfte von der Metallschmelze überschreitet.
Anlässlich der Herstellung eines Gussteils mit einer Dicke T von 25 mm oder weniger, welches ein Loch mit einem Durchmesser von 8 mm oder mehr und eine Länge I von 100 mm oder weniger aufweist, wird die Formschlichte zweimal auf das Schaummuster aufgebracht. Dank dessen kann die Dicke der Formschlichte gleichmäßig eingestellt werden, und daher kann die Formschlichte dazu gebracht werden, kaum beschädigt zu werden.
Oben ist zwar ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden, doch diese Beschreibung ist eine Veranschaulichung des exemplarischen Ausführungsbeispiels und soll die Erfindung dem Grunde nach nicht beschränken. Diese bestimmte Ausgestaltung und so weiter können geeignet geändert werden. Die Funktionen und Wirkungen, die im Ausführungsbeispiel der Erfindung offenbart sind, sollen lediglich exemplarisch die bevorzugten Funktionen und Wirkungen darstellen, die sich aus der Erfindung ergeben, und es versteht sich, dass die Funktionen und Wirkungen der Erfindung nicht auf die beschränkt sind, die im Ausführungsbeispiel der Erfindung offenbart sind.
Die Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016 - 017 657 , die am 2. Februar 2016 eingereicht wurde, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016 - 058 743 , die am 23. März 2016 eingereicht wurde, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung befasst sich mit einem Gießverfahren, das einen verlorenen Schaum nutzt, und ist für den Fall nützlich, in dem durch Gießen ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger ausgebildet wird.
Bezugszeichenliste

1:: Gießmuster
2:: Schaummuster
3:: Loch
3a:: Lochende

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

JP 2010274314 A [0007]
JP 2010142867 A [0007]
JP 2003290869 A [0007]
JP 2016017657 [0079]
JP 2016058743 [0079]

Claims

Verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren, das Einbetten eines Gießmusters, das durch Aufbringen einer Formschlichte auf eine Oberfläche eines Schaummusters ausgebildet wurde, in Gießereisand; und Gießen einer Metallschmelze in das Gießmuster und Verlieren des Schaummusters, um das Schaummuster durch die Metallschmelze zu ersetzen, umfasst, wodurch ein Gussteil mit einer Dicke T [mm] hergestellt wird, das ein Loch mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger und einer Länge I [mm] aufweist, wobei das Gießverfahren die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln einer thermischen Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) [Gew.-%] eines Harzbindemittels, wenn die Formschlichte für eine Zeit (t) [s] einer Temperatur θ [°C] ausgesetzt wird, anhand der folgenden Formeln (1) bis (3), wobei ΔC_sat(θ) [Gew.-%] eine kritische thermische Zersetzungsmenge des in der Formschlichte enthaltenen Harzbindemittels bei einer Temperatur θ [°C] ist, k_d [1/s] eine thermische Zersetzungsgeschwindigkeitskonstante des Harzbindemittels ist, θ_s [°C] eine Temperatur ist, bei der die thermische Zersetzung des Harzbindemittels beginnt, und A, α und β Materialparameter sind, die sich jeweils auf ein Material der Formschlichte stützen; Ermitteln einer Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) [MPa] der Formschlichte nach Aufnahme thermischer Belastungen anhand der folgenden Formel (4), wobei σ_c0 [MPa] eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte vor Aufnahme thermischer Belastungen ist, σ_c1 [MPa] eine Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit der Formschlichte ist, nachdem das Harzbindemittel vollständig thermisch zersetzt ist, σ_s(θ,t) [MPa] eine Festigkeitszunahme ist, die durch eine Reaktion und ein Sintern zwischen Aggregaten hervorgerufen wird, die in der Formschlichte enthalten sind, und γ ein Materialparameter ist, der sich auf das Material der Formschlichte stützt; und Durchführen von Gießen mit der Formschlichte, die die Raumtemperatur-Biegebruchfestigkeit σ_b(θ,t) nach Aufnahme thermischer Lasten hat, die größer oder gleich einem Schwellenwert σ_cr [MPa] ist: $Δ C (θ, t) = Δ C_{sat} (θ, t) \cdot {1 - exp (- k_{d} t)}$
$Δ C_{sat} (θ) = tanh {β (θ− θ_{s})} \times 100$
$k_{d} = Aexp (αθ)$
$σ_{b} (θ, t) = σ_{c0} - (σ_{c0} - σ_{c1}) tanh (γΔ C (θ, t)) + σ_{s} (θ, t)$
Verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwert σ_cr 0,56 MPa beträgt.
Verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn die thermische Zersetzungsmenge ΔC(θ,t) des Harzbindemittels 83 Gew.-% oder mehr beträgt, der Schwellenwert σ_cr 0,56 MPa beträgt.
Verlorenen Schaum nutzendes Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Formschlichte zweimal auf das Schaummuster aufgebracht wird, um ein Gussteil mit einer Dicke T von 25 mm oder weniger herzustellen, das ein Loch mit einem Durchmesser von 8 mm oder mehr und einer Länge I von 100 mm oder weniger aufweist.