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Verfahren zur Herstellung von Gießformen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gießformen
aus einer temperaturbeständigen Formmasse.
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Normalerweise müssen beim Gießen einer Metallschmelze in eine Gießform,
z. B. eine Sandgießform unter anderem zwei Bedingungen erfüllt werden. Einerseits
muß die Formmasse in der für das Gußstück geforderten Form verbleiben, um einen
Guß überhaupt zu ermöglichen, andererseits sollte die Formmasse weitgehend zurückgewonnen
und
wiederaufbereitet werden können. l,island schienen diese beiden Bedingungen einander
zuwider zu laufen. Um der Gießform eine ausreichende Festigkeit zu vermitteln ist
es bekannt, die Formmasse bzw. die daraus geformte Gießform entweder einem Brennprozeß
zu unterziellen oder ihr zusätzliche Materialien beizumischen, die eine che!nische
Bindung erzeugen oder, wie z. B. CO2, ein Aushärten der Formmasse ermöglichen. Durch
die bekannten Verfahren wird zwar die erwünschte Festigkeit der Gießform erreicht,
jedoch ist ihre Anwendung einer Wiederaufbereitung der Formmasse nach einem Gießvorgang
abträglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Gießformen aus
einer temperaturbeständigen Formmasse, durch dessen Anwendung die beiden obengenannten
Bedingungen gleichzeitig erfüllt werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse
mit einer bestimmten Menge Wasser vermischt, mittels einer Schablone od.
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dgl. verdichtet und geformt und anschließend aus der Schablone entfernt
wird und daß zumindest die mit der zu gießenden Metallschmelze in Berührung kommende
Oberfläche der verdichteten Formmasse mit einem Kältemittel beaufschlagt wird, so
daß zumindest die mit dem Kältemittel beaufschlagte Oberfläche genügend tief gefroren
ist, um während eines Gießvorganges der Metallschmelze standzuhalten.
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Vorzugsweise wird der Rrmmasse vor der Verdichtung eine geringe Menge
eines Bindemittels zugesetzt, so daß die verdichtete Formmasse eine f:ir das Entfernen
aus der Schablone ausreichende Anfangsfestigkeit bekommt. Dabei ist das der Formmasse
vor der Verdichtung zugesetzte Bindemittel vorzugsweise ros ausgewählt, daß es eine
Wiederaufbereitung der Formmasse nicht behindert.
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Nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung
zukommt,
wird der Formmasse vor der Verdichtung ein weiterer, ihre Anfangsfestigkeit erhöhender
Stoff zugesetzt, und erreicht die mit dem Kältemittel beaufschlagte Oberfläche durch
den Einfluß des Kältemittels eine erste Festigkeitsstufe. vor zugsweise ist der
weitere, die Anfangsfestigkeit der Formmasse erhöhende Stoff so ausgewählt, daß
die mit diesem Stoff versetzte Formmasse durch Berührung mit der Metallschmelze
eine zweite Festigkeitsstufe erreicht. Zu diesem Zweck kann der Formmasse Stärke
oder Bentonit zugesetzt werden, wobei bei der Verwendung von Sand als Hauptanteil
der Formmasse der Zusatz von Stärke die Handhabungseigenschaften der Formmasse verbessert.
Darüber hinaus wird in diesem Fall einer der wesentlichen mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erreichten Vorteile, daß nämlich während des Gießvorganges kein oder kaum
Qualm erzeugt wird, nicht ernsthaft abgeschwächt. Für den Fall, daß den Hauptanteil
der Formmasse andere Materialien bilden, können vorteilhaft andere Stoffe zugesetzt
werden, z. B. Bentonit.
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Die Verwendung von Bentonit gegenüber Stärke hat den Vorteil, daß
vergleichsweise wenig Qualm während des Gießvorganges erzeugt wird. Durch einfaches
Hinzufügen von Wasser kann das Bentonit bei Wiederaufbereitung der Formmasse zurückgewonnen
werden.
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Als Kältemittel zur Beaufschlagung der Formmasse kann Kaltluft verwendet
werden, es ist jedoch vorzuziehen, daß dazu verflüssigte Gase wie flüssiger Stickstoff,
flüssiges Kohlendioxid oder flüssiges Helium verwendet werden. Die aus der Formmasse
hergestellte Gießform kann mt einem der genannten verflüssigten Gase besprüht werden,
wobei sich bei der Verwendung von flüssigem Kohlendioxid sogenanntes Trockeneis
auf der Oberfläche der Gießform bildet.
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Eine erste Festigkeitsstufe wird unter Einfluß des Kältemittels besonders
vorteilhaft dadurch erreicht, daß die Formmasse nur soviel Wasser enthält wie notwendig
ist, um die für das Entfernen der Formmasse aus der Schablone notwendige Anfangs
festigkeit zu gewährleisten. Der Wassergehalt hat jedoch einen direkten Einfluß
auf die Durchlässigkeit der Gießform. Normalerweise ist es vorteilhaft, wenn die
Formmasse nicht mehr als 12 Gew.-% Wasser enthält, obowhl bei Gießformen, die eine
höhere Wärmekapazität aufweisen sollen, auch höhere Wasseranteile möglich sind.
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Die Anwendung normaler Kühlverfahren führt dazu, daß die Gießformen
während der Abkühlung Wasser verlieren, so daß der Feuchtigkeitsgehalt zum Zeitpunkt
des Gießvorganges nicht sicher bestimmt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
tritt dieser Nachteil nicht auf, da das die Oberfläche der Gießform beaufschlagende
Kältemittel die Temperatur an dieser Oberfläche außerordentlich schnell auf einen
Wert unter 0 OC absinken läßt. Dieses schnelle Absinken der Oberflächentemperatur
der Gießform führt zur Ausbildung einer äußeren gefrorenen Schale der Formmasse,
durch die der noch ungefrorene Teil der Formmasse abgedeckt ist.
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Bei dünnwandigen Gießformen ist es sinnvoll, die aus der Formmasse
hergestellte Gießform durch und durch frieren zu lassen, bei Gießformen mit dickeren
Wandungen ist dies nicht notwendig, jedenfalls solange die Oberflächen, die mit
der zu gießenden Metallschmelze in Berührung kommen, besser jedoch alle Oberflächen,
genügend tief gefroren sind, um während eines Gießvorganges der Metallschmelze standzuhalten.
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Zweckmäßigerweise ist die Gießform auf eine Temperatur zwischen
-1
OC und -269 OC gefroren. Insbesondere weist jedoch zumindest die mit der zu gießenden
Metallschmelze in Berührung kommende Oberfläche der Gießform vor dem Gießen eine
Temperatur von weniger als -20 OC auf, so daß sie sich auf eine Temperatur zwischen
-10 OC und -20 OC zu Beginn des Gießvorganges aufwärmen kann. In einem derart gefrorenen
Zustand weist die Gießform eine ausreichende Festigkeit auf, um ein Verfahren in
eine für die Aufnahme der Metallschmelze geeignete Lage zu ermöglichen und den mit
dem Gießvorgang verbundenen Beanspruchungen standzuhalten.
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Nach dem Gießvorgang erfolgt die Verfestigung des Gußstückes noch
bevor die Gießform aufgetaut ist. Nach dem Auftauen der Gießform fällt diese von
dem Gußstück ab, so daß auf einfache Weise alle in der Formmasse enthaltenen Materialien
einschließlich der der Erhöhung der Anfangsfestigkeit der Formmasse dienenden Stoffe
im Zuge der Wiederaufbereitung der Formmasse wiedergewonnen werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vermag auf eine Vielzahl von für die
Bildung einer Formmasse geeigneten Materialien angewandt zu werden, wie z. B. auf
kieselsäurehaltigen, zirkonhaltigen oder olivinhaltigen Sand. Als Bindemittel zur
Erhöhung der Anfangs festigkeit der Formmasse kann jedes mit dem Hauptanteil der
Formmasse verträgliche Bindemittel Verwendung finden, das die Qualmarmut der gefrorenen
Gießformen nicht negativ beeinflußt. So kann Wasser selbst als Bindemittel Verwendung
finden oder es kann Stärke bzw. Bentonit zugesetzt werden. Vorzugsweise besteht
die Formmasse aus 88 - 99 Gew.-8 des eigentlichen Formmaterials, aus 1 - 12 Gew.%
Wasser und ggf. aus 1 - 4 Gew.-% Bindemittel.
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Die Formmasse wird auf bekannte Weise in die zur Verdichtung und Formung
dienende Schablone eingebracht und darin fest gestampft. Die Schablone kann aus
jedem geeigneten Material, beispielsweise aus Metall mit korrosionsfester Oberfläche,
aus Holz mit wasserabweisender Oterfläche oder aus synthetischem Material bestehen.
Ggf. wird die formende Oberfläche der Schablone vorteilhaft mit einem Puder oder
anderem Lösemittel versehen, um das anschließende Entfernen der Gießform aus der
Schablone zu erleichtern.
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Nach erfolgter Verdichtung und Formung der Formmasse zu der Gießform
ist es vorteilhaft, an der freien Rückseite der Gießform eine flache Platte zu befestigen,
beispielsweise eine leichte Metallplatte, und anschließend die Schablone mit der
Gießform so zu stürzen, daß das Gewicht der Gießform anschließend von der flachen
Platte getragen wird. Die Schablone wird daraufhin von der Gießform entfernt und
sofort danach diese mit dem Kältemittel beaufschlagt. Sobald die Gießform entweder
vollständig oder zumindest in ausreichendem Maße gefroren ist, können verschiedene
Gießformen in bekannter Weise zusammengesetzt werden.
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Falls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte gefrorene Gießformen
nicht sofort benutzt werden können, so können sie bei niedrigen Temperaturen gelagert
werden, wiederstehen aber auch den normalen Umgebungsbedingungen in einer Gießerei
für eine beachtliche Zeitdauer.
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Nachdem die Metallschmelze in die Gießform gebracht worden ist, verfestigt
die Metallschmelze zumindestens an ihrer Oberfläche außerordentlich schnell, so
daß das Gußstück eine stabile Form
erreicht, bevor die Gießform
so weit aufgeheizt worden ist, daß sie in sich zusammenfällt. Vorzugsweise sollte
die Befreiung des Gußstückes so schnell wie möglich nach Beendigung des Gießens
erfolgen, d. h. möglichst noch bevor die gesamte Formmasse geschmolzen ist. Durch
Vibrationen der Gießform kann erreicht werden, eaß gefrorene und lose Anteile der
Formmasse von dem Gußstück abfallen und nur eine dünne Schicht warmer und trockener
Formmasse an dem Gußstück verbleibt. Es ist zweckmäßig, die genannten gefrorenen
und losen Teile der Formmasse soglexh der Wiederaufbereitung zuzuführen. Nachdem
das Gußstück vollständig abgekühlt ist, wird der restliche, noch daran befindliche
Anteil der Formmasse mittels starker Vibrationen davon entfernt. Auch dieses vergleichsweise
wärmere Material wird der Wiederaufbereitung zugeführt, so daß insgesamt die der
Wiederaufbereitung zugeführten Teile der Formmasse durch deren ersten, teilweise
noch gefrorenen Anteil vergleichsweise kühl sind. Dadurch wird die Verdichtung in
der nächsten Schablone sowie die darauf folgende Abkühlung erleichtert.
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Im Eolgenden werden drei Beispiele für die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens angegeben: Beispiel 1 Um den Ventilkörper eines 2,5 kp wiegenden Druckminderventiles
aus Eisen 27/12 zu gießen, wurde eine Mischung von 97,7 Gew.-% zirkonhaltigen Sandes,
1 Gew.-% Bentonit und 1,3 Gew.-% Wasser zu einer maximalen Dicke von 70 cm in einer
hölzernen Schablone verteilt, angepreßt und an der Oberfläche geglättet. Die hälftige
Gießform mit einem Gewicht von 8,8 kp einer Permeabilität von 80 cm/sec und einem
Naßverdichtungsdruck von 0,17 at wurde
auf eine perforierte Aluminiumgrundplatte
gestürzt und insgesamt mit einer feinen Schicht von festem Kohlendioxid (Trockeneis)
bedeckt. Nach fünf Minuten wurden zwei derartige hälftige Gießformen mit einer Oberflächentemperatur
von -70 OC in Verbindung mit zwei CO2- und silikathaltigen Sandkern verklammert.
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Diese zusammengesetzte Gießform wurde dann in die Gießerei verfahren
und der Gießvorgang durchgeführt. Die mittlere Zugfestigkeit der Formmasse betrug
dabei 1,36 kg/cm2 und die Oberflächentemperatur der Gießform zu Beginn des Gießvorganges
lag bei -20 OC, Beispiel 2 Um ein Getrieberad von etwa 1 kp Gewicht in Aluminium-Bronze
zu gießen, wurde als Formmasse für die Gießform eine Mischung von 96,7 Gew.-% siliziumhaltigen
Sandes (Mansil 55), 1 Gew.-% Stärke und 2,3 Gew.-% Wasser verwendet. Die Permeabilität
dieser Mischung betrug 210 cm/sec und der Lastverdichtungsdruck lag bei 0,06 at.
Für diesen Guß bedurfte es keines Kernes, so daß zwei hälftige Gießformen mit einer
maximalen Dicke von 40 cm, die 1 kp bzw. 1,5 kp wogen, auf einer Grundplatte angeordnet
und durch Besprühen mit flüssigem Stickstoff gefroren wurden. Die hälftigen Gießformen
wurden durch und durch gefroren und erreichten eine Oberflächentemperatur von -70
OC bzw. zu Beginn 0 des Gießvorganges von -15 C.
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Beispiel 3 Um eine Anzahl von Guß stücken aus einer Eisenlegierung
zu gießen, die jeweils etwa 280 p wogen, bestand die Formmasse
aus
olivinhaltigem Sand zu 96 Gew.-% und Wasser zu 4 Gew.-%.
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Da die Anforderungen an die Qualität der Oberflächen nicht hoch waren,
wurde kein Bindemittel zugesetzt. Gesamtgießformen von jeweils 4,6 kp Gewicht, einer
Permeabilität von 120 cm/sec und einem Naßverdichtungsdruck von 0,035 at wurden
nach der bekannten Methode hergestellt und durch Beblasen mit Kaltluft auf -25 OC
gefroren. Nach dem Gießvorgang fiel die Formmasse leicht von dem Gußstück ab, so
daß dieses keiner weiteren Reinigung bedurfte.