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GUSSFORMMISCHUNG MIT HOHER WÄRMELEITFÄHIGKEIT Die Erfindung bezieht
sich auf eine über hohe Wärmeleitfähigkeit verfügende Gußformmischung, die mit den
in der Gießereipraxls üblichen Bindemitteln und nach don Ublichen Verfahren aufgearbeitet
werden kann.
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Die Gußformen und Kerne werden aus Sand als Grundmaterial unter Zumischen
verschiedener Bindemittel angefertigt. Der Vorn teil dieser Technologie besteht
in ihrer Billigkeit, was sie besonders für die Herstellung von Einzelstücken oder
Serien mit kleiner Stückzahl geeignet macht. Ein weiterer Vorteil voa Sandformen
und Sandkernen ist da sie auch sur Abformung der kompliziertesten Gestaltungen geeignet
sind. Für jeden einzelnen Guß muß jedoch eine neue Form, müssen neue Kerne angefertigt
werden* Bei der Fbrikation größerer Serien ist der Kokillenguß
wirtschaftlicher;
bei diesem werden Gußform und die zum Aussparen innerer Hohlräume dienenden Kerne
aus Metall, meistens aus Gußeisen oder Stahl, gefertigt Beim Kokillenguß ist außer
der sich aus der mehrmaligen Verwendbarkeit von Formen und Kernen ergebenden hohen
Produktivität ferner von Vorteil, daß infolge der guten Wärmeleitfähigkeit der Metallform
das Gußstück schneller abkühlt. Durch die schnelle AbkUhlung entsteht ein feineres
Materialgefüge, dessen Festigkeitseigenschaften günstiger sind, Der Anwendung des
Kokillengusses werden durch die geometrische Form des Gußstückes Grenzen gesetzt.
Es kommt häufig vor, daß die inneren Hohlräume eines Kokillengußstückes nur durch
Sandkerne ausgebildet werden können. In diesen Fällen ist die mit der Metallkokille
in Berührung kommende äußere Oberfläche des Gußstückes von wesentlich feinerer Gefugestruktur
und daher härter und fester ala die durch den Sandkern geformte innere Fläche. Um
die Gefügestruktur gleichmäjiger zu gestalten, werden an den Teilen des Gußstückes,
wo größer Materialdicken auftreten, aus Metall gefertigte Kühlkörper eingeführt.
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Es sind Verfahren bekannt bei denen die Wärmeleitfähigkeit der Gußformmischung
mit Hilfe unterschiedlicher Zuschalgstoffe verbessert wird. Mit dieser Methode kann
- abhängend von Art uad Menge des Zuschlagstoffes - die Gefligestruktur des Gußstückes
verfeinert und damit können die Festigkeitseigenschaften verbessert werden.
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Bei einer dieser Lösungen (Gießerei 21, 652-658, /1971/) wird als
Zuschlagstoff Eisenoxyd verwendet. Der Zweck dieser Maßnahme besteht nicht nur in
der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, sondern ferner auch darin, bei der Herstellung
von Eisenguß durch Modifizierung der grundlegenden Eigenschaften
(Wärmeausdehnung,
Restfestigkeit) des mit Furanherz gebundenen Sandes die Ausschuß verurschenden Gußfehler
zu vermindern. Als obere Grenze des Eisenoxydgehaltes sind zur Erreichung des gesteckten
Zieles 6 % um günstigsten.
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Gemäß einer anderen Methode (Lithyejnoje Preizvodstve 11, 35 /1969/)
wird die Wärmeleitfähigkeit der für Aluminiumguß verwendeten Formmischung durch
Zugabe von Schrot aus Gußeisen oder Stuhl verbessert. Bei den Versuchen, in denen
Schrot von 1 und 3 mm Durchmess-er verwendet wurde, untersuchte man die Festigkeitseigenschaften
der Mischung sowie ihre Gasdurchlässigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Diese Parameter
wurden an Mischungen von 20..80 % Schrotgehalt untersucht. Bei der Anwendung dieser
Methode in der Praxis konnten dickwandige Maschinenteile mit wesentlich verbesserter
Gefügestruktur hergestellt werden. Kennzeichnend fUr die Technologie ist, dnd nicht
die ganze Form aus der schrothaltigen Mischung abgeformt wird, sondern nur diejenigen
Teile, für die eine schnellere Abkühlung notwendig ist, dh. das Verfahren entspricht
im wesentlichen dem bereits bekannten Verfahren mit Einsetzen von metallischan Kühlkörpern.
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Der Hauptnachteil der hier beschriebenen Verfahren besteht darin,
daß mit ihnen die Wärmeleitfähigkeit der Formmischung wegen ihrer sonstigen Eigenschaften
(Festigkeit, Gasdurchlässigkeit) nur in begrenzten Maße gesteigert werden kann.
Im Gießereien mit hoher Produktivität ist es aus wirtschaftlichen Erwagungen heraus
notwendig, die Formmischung erneut zu verwenden, Zu diese Zwecke wird die benutzte
Formmischung gereinigt und regeneriert. Je weniger Bestandteile die Mischung enthält,
uia so günstiger sind die Bedingungen für die Regenerierung; die beiden oben beschriebenen
Verfahren sind demnach auch unter dem Gesichtspunkt erneuter Verwendung der Formmischung
zu beanstanden
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer über hohe
Wärmeleitfähigkeit verfügenden Gußformmischung, die nicht nur eine günstige Wärmeleitung,
sondern im Interesse einer wirtschaftlichen Wiederverwendung auch eine einfach durchführbare
Regenerierung mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht.
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Im Sinne der Erfindung wird das obige Ziel mit einer Formmischung
erreicht, die auger dem Bindemittel nur reines Metall oder Metalllegierungen enthält,
unabhängig voh den bei der Herstellung der Formmischung verwendeten Bindentitteln
und der H erstellungstechnologi e* Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß
das Uber evrhältnismäßig schlechte Wärmeleitfähigkeit verfügende herkömmliche Grundmaterial,
der Sand, völlig durch Uber gute Wärmeleitfähigkeit verfUgende Metallteilchen ersetzt
werden muß. Durch diese Lösung wird einesteils die beste nur mögliche Wärmeleitfähigkeit
erreicht, anderenteils die zu einer wirtschaftlichen Regenerierung notwendige Homogenität
hergestellt, Durch eigene Experimente wurde festgestellt, das3 unter Verwendung
von Netallgrundmaterial entsprechender Teilchenzusammensetzung auch ohne Sand eine
Formmischung hergestellt werden kann, die die notwendige Festigkeit und Gasdurchlässigkeit
aufweist.
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Das Material der Metallkörnchen, das zur Abformung notwendige Bindemittel
und die Fabrikationstechnologie'kdnnen in Abhängigkeit von dem Grundmaterial des
herzustellenden GudstUakes bestimmt werden, Die Erfindung wird an Hand der folgenden
Beispiele näher erläutert" Beispiel 1 Zur Serienfertigung von Kurbelgehäusen aus
Leichtmetall werden die Kerne gemäß der findung angefertigt. Das Gußstück
des
6-Zylinder-Kürbelgehäuses wiegt 80 kg, sein Grundmaterial ist eine AlSi10Mg-Legierung.
Man gießt in Kokillen aus Stahlguß, die inneren Hohlräume werden durch Kerne ausgespart
Als Grundmaterial der Forminischung werden besonders gUnstig Aluminiumkörner mit
einer Feinheitszahl von 70-80 verwendet, da - ihre Wärmeleitfähigkeit ausgezeichnet
ist.
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- ihr spezifisches Gewicht (Raumgewicht) dicht bei dem des Sandes
liegt, und - sie durch eine oberflächliche Oxydschicht vor dem Einschmelzen geschützt
sind, Als Bindemittel wird Phenolharz, zweckmäßig in einer Menge von 3-7 % verwendet
Die Harzmenge hängt davon ab, mittels welches Verfahrens die Körnchen mit einem
Harzfilm Uberzogen werden (beim Kaltverfahren mit Aceton als Lösungsmittel ist z.B.
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die günstigste Menge 4 %). Weitere Zuschlagstoffe sind das aus der
Technologie der Schalenformung bekannte Hexamethylentetramin und das Calciumstearat.
Aus den mit einem Harzfilm Uberzogenen Aluminiumkörnchen werden die Kerne in auf
180 °C erhitzten Metallschränken durch 5-8 Minuten dauerndes Bakelitisieren hergestellt.
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Ein besonderer Vorteil der Schalentechnologie mit Phenolharz besteht
darin daß die Kerne hohl sind, was einesteils das Gewicht verringert, anderenteils
eine Senkung des spezifischen Materialve#brauches bewirkt. Ferner bewirkt diese
Ausführung, daß die sich beim Gießen bildenden Gase leichter entweichen können.
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Die Restfestigkeit nach dem Gießen ist gering, die Kerne können leicht
entfernt werden Das Bindemittel kann aus der verwendeten Formmischung durch Mahlen
und anschließendes Brennen bei 450 °C leicht entfernt werden, wodurch die Körnchen
erneut
verwendbar sind Beispiel 2 Die Serienfertigung von Eisenbahnbremsklötzen
wird unter Anwendung der erfindungsgemäßen Formmischung vorgenommen. Grundmaterial
der herzustellenden GußstUcke ist Gu3oisen mit 0,8-1,6 % Phosphorgehalt. Die Form
wird aus Stahlkörnchen der Feinheitszahl 45-55 hergestellt, wobei als Bindemittel
Natronwasserglas dient. Zur Verfestigung wird Kohlendioxyd durchgebl as en.
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In den gefertigten Bremsklötzen hat sich durch die intensive Kühlwirkung
eine feinere Gefügestruktur ausgebildet, was die Verschleißfestigkeit der Bremsklötze
sehr erhöht, Beispiel 3 Bei der Herstellung von Gußstücken komplizierter Innengestaltung
aus Buntmetalllegierungen (z.B. Bronze oder Messing), wo besonders hohe Forderungen
an die Festigkeit gestellt werden kann als Körnchengrundmaterial besonders günstig
Kupfer mit einer Feinheitszahl von 110-130 verwendet werden Als Bindemittel gelangt
ein herkönimliches organisches Bindemittel (z,B.
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Dextrin, Leinöl, Melasse) zum Einsatz. Die organischen Bindemittel
sind vor allem unter dem Gesichtspunkt einer wirtschaft~ lichen Regenerierung günstig.
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Das wichtigste Charakteristikum der erfindungsgemäßen Formmischung
ist ihre hohe Wärmeleitfähigkeit. Bei zum Vergleich der Wärmeleitfähigkeit herkömmlicher
und erfindungsge mäher Formmischungen angestellten Experimenten wurde das eine Ende
von 50 mm langen Probestäben bei konstanter Temperatur gehalten, die Erwärmung des
anderen Endes wurde mit einem Thermoslement gemessen. Im Ergebnis dieser Versuche
wurde festgestellt1 daß die Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Formmischung
etwa doppelt so hoch ist wie die des Formsandes.
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Auch die sonstigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Formmischung
wurden experimentell mit denen des herkömmlichen Formsandes verglichen, Die Ergebnisse
dieses Experimente sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
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Tabelle 1 Gewaschener Sand Aluminiumkörnchen Xorngrö.enverteilung:
übe# 0,6 mm 1,4 % 1,1 % 0,3-0,6 mm 18,5 % 26,2 % 0,2-0,3 mm 36,4 % 42,5 % 0,1-0,2
mm 39,3 % 27,4 So unter 0,1 mm 4,4 % 2,8 % Gasdurchlässigkeit 350 cm³/min 500 cm³/min
Druckfestigkeit 10 kp/cm² 12 kp/cm² Scherfestigkeit 3 kp/cm2 10 kp/cm² Aus dem Gesagten
wie auch aus der Tabelle folgt, das die Eigenschaften der aus Metallkörnchen bestehenden
Mischung in jeder Hinsicht günstiger sind als die der herkömmlichen Formmischungen.
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In den Beispielen wurde die Verwendung von Mischungen aus verschiedenen
Grundmaterialien hezeigt. Es soll bemerkt werdenr daß unter dem Gesichtspunkt der
Wärmeleitung die Verwendung von Aluminimkörnchen außerordentlich vorteilhaft ist.
Eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium weisen nur Silber und Kupfer auf.
Die Verwendung von Silber kommt selbstverständlich aus wirtschaftlichen Erwägungen
nicht in Frage. Die Verwendung von Xupferkörnchen ist in bestimmten Fällen zwar
vorstellbar, im allgemeinen ist die Verwendung von Aluminiumkörnchen jedoch viel
wirtschaftlicher,
da die Wärmeleitfähigkeit des aluminiums die des Kupfers beinaho erreicht, sein
spezifisches Gowicht jedoch nur ca ein Drittel von dem des letzteren beträgt. Wenn
man berücksichtigt, daß Kupfer ungefähr doppelt so teuer ist wie Aluminium, so ergibt
sich, daß eine aus Kupferteilchen gefertigte Mischung ungefähr dreimal so teuer
ist wie eine aus Aluminiumkörnchen gefertigte.
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Die zweite Komponente der Mischung, das Bindemittel, kann beltebig
gewählt werden. Da es jedoch zwecksmäßig ist, die Formmischung nach der Benutzung
zu regenerieren lohnt es sich, ein Bindemittel zu wählen, das sich leicht und gut
aus den Metallkörnchen entfernen läßt.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen
Formmischung in der gesteigerten und gleichmäßigen Wärmeleitfähigkeit besteht. Dadurch
ist die Herstellung von Gußstücken mit besserer Qualität und gleichmäßiger Gefügestruktur
auch in Fällen möglich, wo Metallkokillen nicht verwendet werden können.
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Die Anwendung der erfindungsgemaben Formmischung erforft dert praktisch
keinerlei technologische Anderung, da die sandartige Mischung genau so behandelt
und auch in Schalentechnologie abgeformt werden kann wie die herkömmlich verwendeten
Stoffe.