DE3006280C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines verlo­ renen Sandkerns für die Herstellung von Druckgußteilen aus Alu­ minium, Zink, Magnesium, Kupfer oder deren Legierun­ gen. Es wird hierbei das seit langem bestehende Problem ge­ löst, in der Druckgießtechnik Gußstücke mit hinterschnitte­ nen Bereichen in wirtschaftlicher Weise herzustellen. Übli­ cher Druckguß erfordert Gießformen, die den angewandten ho­ hen Temperaturen und Drücken widerstehen. Deshalb werden im allgemeinen für Druckgießformen eisenhaltige Werkstoffe eingesetzt. Da aber diese Werkstoffe nicht leicht zerfal­ len, sind komplexe Hinterschneidungen und Aussparungen nicht möglich, weil das Gußstück nicht von der Form ge­ trennt werden kann. Bei anderen Arten des Gießens, wie beim Einsatz von Sandformen und halbfesten Formen, werden verlo­ rene Kerne verwendet, weil der angewandte Druck im allge­ meinen unter 2,07 bar liegt, verglichen mit einem Druck von über 68,6 bar, wie er für den Druckguß erforderlich ist. Seit vielen Jahren gestattet der niedrigere Druck bei derartigen Gießverfahren die Entwicklung und den Einsatz verlorener Kerne.

Ein typischer Kern besteht aus einem Gemisch aus Gießerei­ sand und einem Bindemittel oder Harz. Durch die Anwendung von Hitze, eines Katalysators oder einer chemischen Reak­ tion werden die Sandkörner zu einer vorgegebenen Form an­ einander gebunden und können so für das Gießen eingesetzt werden. Die beim Verfestigen und Abkühlen der einzelnen Gußteile abgegebene Wärme treibt die Feuchtigkeit heraus oder führt zu einem chemischen Abbau des Bindemittels im Kern.

Frühere Versuche, Sandkerne beim Druckgießen zu verwenden, erstreckten sich auch auf den Einsatz von Kernen aus Glas und löslichen Salzen (vgl. GB-PS 11 79 241). Derartige Sy­ steme sind aber unbefriedigend hinsichtlich der gewünschten Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, der Handhabung und der Korrosionswirkungen der Salze.

Das Hauptproblem bei der Herstellung eines zufriedenstel­ lenden verlorenen Kerns für das Druckgießen war die Unmög­ lichkeit, mit einem einzigen Kern-Bindemittel-System gleichzeitig drei wesentliche Kerneigenschaften zu erzie­ len. Diese Eigenschaften sind eine gute Ausschlagbarkeit, eine gute Beständigkeit gegen Auswaschen und fehlendes Ein­ dringen in die Oberfläche.

Eine gute Ausschlagbarkeit ist erforderlich, um das Entfer­ nen des Kerns vom Gußstück zu erleichtern. Die Beständig­ keit gegen Auswaschen bedeutet die Fähigkeit des Kerns, der Erosion zu widerstehen, die während des Druckgießens durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Metalls verursacht wird. Das Auswaschen beeinträchtigt nicht nur die Toleran­ zen des Endprodukts, sondern es wird dabei auch der physi­ kalisch losgelöste Sand vom Gußstück aufgenommen. Das Ein­ dringen in die Oberfläche wird durch die Kombination von starker Hitze und hohem Druck verursacht, welche zum Auf­ brechen der Kernoberfläche führen und das Eindringen des Metalls zwischen die Sandkörner ermöglicht, wodurch an der Oberfläche des Gußstücks eine aus einem Sand-Metall-Gemisch bestehende Grenzschicht gebildet wird. Dies wirkt sich äußerst nachteilig auf das nachfolgende Bearbeiten und die Lebensdauer der Werkzeuge aus. Darüber hinaus kann der Fall eintreten, daß sich der Sand von der Oberfläche des Guß­ stücks löst, nachdem dieses bestimmungsgemäß verwendet, z. B. in einen Automotor eingebaut worden ist. Dabei können verschiedene davon betroffene Teile, wie das Schmiersystem des Automotors, beschädigt werden. Die in der Vergangenheit entwickelten verlorenen Kerne zeigten entweder eine gute Ausschlagbarkeit und ein starkes Auswaschen sowie Bestän­ digkeit gegen das Eindringen in die Oberfläche, oder es waren die Beständigkeiten gegen Auswaschen und Eindringen in die Oberfläche gut bei gleichzeitig sehr schlechter Aus­ schlagbarkeit.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, durch die Verwendung eines bestimmten verlorenen Sandkerns die ge­ wünschte Ausgewogenheit aller drei Eigenschaften für die hohen Temperaturen und Drücke beim Druckgießen zu errei­ chen, so daß Gußstücke mit hinterschnittenen Bereichen wirtschaftlich hergestellt werden können.

In der Zeichnung ist ein Querschnitt einer Druckgießform einer Druckgießmaschine dargestellt. Damit sollen die Be­ reiche erläutert werden, in denen beim Druckgießen die drei vorgenannten Probleme auftreten. Mit dem Gießkolben 11 wird das geschmolzene Metall 12 in die Druckgießform einge­ spritzt, die aus stählernen Formhälften 13 und 14 sowie dem Sandkern besteht. Die endgültige Gestalt des Gußstücks weist einen hinterschnittenen Bereich auf. Entlang dem dun­ kel schattierten Bereich 16 dringt Metall 12 in die Ober­ fläche des Sandkerns 15 ein. Das Auswaschen wird im allge­ meinen in den Bereichen 17 festgestellt. Das Ausschlagen bezieht sich auf die Möglichkeit, nach dem Verfestigen des Gußstücks den Kern 15 zu entfernen, das Gußstück aus der Druckgießmaschine zu nehmen und nachfolgend auf Umgebungs­ temperatur abzukühlen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1.

Das Bindemittel bildet im Gemisch mit Gießereisand und einem geeigneten Härter den Kern. Der Kern kann auch zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Eindringen und Auswa­ schen beschichtet sein.

Das als Bindemittel dienende Boraluminiumphosphat ist im einzelnen in der US-PS 39 30 872 sowie in der US-PS 39 68 828 für ein Verfahren zum Gießen von Gußteilen aus Nichteisenmetallen beschrieben. Dabei ist auch erwähnt, daß das Bindemittel Boraluminiumphosphat enthält, das etwa 3 bis 40 Mol.-% Bor, bezogen auf die Molzahl des Aluminiums, und ein Molverhältnis von Phosphor zur Gesamtmolzahl des Aluminiums und des Bors von etwa 2 : 1 bis etwa 4 : 1 aufweist. Außerdem werden Wasser und ein Erdalkalimetall-Material, das ein Erdalkalimetall und ein Oxid enthält, zugesetzt. Dieses Bindemittel hat sich als vorteilhaft bezüglich der Ausschlageigenschaften beim Druckgießen erwiesen, wenn es in einer Menge von etwa 0,3 bis 3,5 Gew.-%, bezogen auf den Gießereisand, vorliegt.

Vorzugsweise wird gemäß Anspruch 2 das Bindemittel in einer Menge von etwa 0,1 bis 3,5% verwendet, wenn typischer Siliciumdioxid-Gießereisand mit einer Feinheit von AFS Nr. 65 verarbeitet wird. Die untere Grenze ist erforderlich, um eine ausreichende Kernfestigkeit zu erzielen, welche den Kernen bei der anschließenden Handhabung genügend Wider­ standsfähigkeit verleihen soll. Die obere Genze soll nicht überschritten werden, um während der Herstellung der Kerne keine Schwierigkeiten beim Einblasen zu bekommen. Diese Probleme sind dann auf eine nicht gleichmäßige Dichte zu­ rückzuführen, die durch unterschiedlichen Sandfluß verur­ sacht wird und sich auf das Ausschlagverhalten nachteilig auswirkt. Gemäß Anspruch 3 ist beim Einsatz von schwereren Gießereisanden, wie Zirkon, weniger Bindemittel von 0,3 bis 1,5% erforderlich. Diese Grenzwerte werden aus den glei­ chen vorgenannten Gründen gewählt.

Der Härter soll in einer ausreichenden Menge vorliegen, um das Bindemittel zu härten und dem Kern die nötige Festig­ keit zu verleihen, damit er gehandhabt und ohne Schäden in der Druckgießmaschine plaziert werden kann. Beim Einsatz eines Härters, wie des ein Erdalkalimetall und ein Oxid enthaltenden Erdalkalimetall-Materials, wie es in der US- PS 39 30 872 genannt ist, soll die Menge bei etwa 10 bis 20%, bezogen auf das Gewicht des Bindemittels, liegen. Mit abnehmender Menge des in der genannten Druckschrift erwähn­ ten Härters nimmt die Verarbeitungszeit der Kernformmasse zu. Jedoch ergibt sich neben diesem Vorteil gleichzeitig, daß eine Verschlechterung der Ausschlageigenschaften und eine verminderte Kernfestigkeit auftreten.

Gemäß Anspruch 4 enthält der erfindungsgemäße Sandkern Eisenoxid in Form von Fe₂O₃ in einer Menge von 1-4 Gew.-%, das eine weitere Verbesserung des Härtens und der Aus­ schlageigenschaften ermöglicht. Eisenoxidmengen über 4% verursachen eine unerwünschte Verminderung der Kernfestig­ keit.

Zur Herstellung der verlorenen Kerne ist es lediglich er­ forderlich, in den Gießereisand das Bindemittel, den festen Härter und gegebenenfalls das Eisenoxid gründlich einzumi­ schen. Bei Einsatz eines gasförmigen Härters werden das Bindemittel und das Eisenoxid mit dem Sand gemischt; dann wird der gasförmige Härter durch das Gemisch geleitet, um das Härten des Bindemittels in Gang zu bringen.

Die Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 5 ermöglicht eine Verbesserung seiner Eigenschaften hinsicht­ lich des Auswaschens und des Eindringens in die Oberfläche durch Verschließen der Oberflächenporen des Sandkerns. Sus­ pensionsmittel sind im allgemeinen Ton oder davon abgelei­ tete Materialien. Diese Komponenten sollen in Mengen einge­ setzt werden, die das feuerfeste Material in Suspension halten. Geeignete feuerfeste Feststoffe, die sich für die Beschichtungsmasse eignen, sind beispielweise Graphit, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkon und Glimmer. Es können aber auch andere Materialien für diesen Zweck Verwendung finden. Das Bindemittel und das Suspen­ sionsmittel sollte mit dem speziellen Lösungsmittel, das eine organische Flüssigkeit sein kann, verträglich sein. Das Lösungsmittel soll in einer Menge verwendet werden, die ausreicht, um die erforderliche Viskosität der Beschich­ tungsmasse zur Einstellung der Beschichtungsdicke und der gewünschten Gleichmäßigkeit zu erhalten.

Beschichtungsmassen für Kerne zur Herstellung von Druck­ gießstücken sind kritischer als Beschichtungsmassen für Kerne bei anderen Gießverfahren. Die Beschichtungsmasse soll in der Lage sein, die Poren an der Oberfläche des Kerns im wesentlichen zu verschließen. Da beim Druckgießen geschmolzenes Metall unter Druck gesetzt wird, führt jede Porosität der Kernoberfläche zu einem Eindringen des ge­ schmolzenen Metalls, wodurch in der Oberfläche des Guß­ stücks Sand eingeschlossen wird. Das Aufbringen einer ge­ eigneten Beschichtungsmasse auf den Kern wird dagegen zu einer für das Druckgießen geeigneten Oberfläche führen und ein Eindringen von geschmolzenem Metall in den Sandkern vermeiden.

Die Beschichtungsmasse für den Kern enthält vorteilhaft 4 bis 30% eines mit einem Amin behandelten Betonits als Sus­ pensionsmittel, 1 bis 10% eines thermoplastischen Harzes als Bindemittel und 60 bis 95% eines feuerfesten Materi­ als, wie Siliciumdioxid, jeweils bezogen auf das Gesamtge­ wicht der Feststoffe. Die vorgenannten Komponenten werden in Pulverform mit einer ausreichenden Menge einer organi­ schen Flüssigkeit als Trägerstoff zur Erzielung der ge­ wünschten Viskosität vermischt, aufgrund derer nach dem Trocknen die gewünschte Beschichtungsdicke und das Ver­ schließen der Oberflächenporen des Kerns erreicht wird.

Eine weitere Beschichtungsmasse für Kerne, die sich für die Kombination mit dem erfindungsgemäß verwendeten Sandkern als zweckmäßig herausgestellt hat, ist in der US-PS 40 96 293 beschrieben. Insbesondere handelt es sich um eine Beschichtungsmasse mit einer ausreichenden Viskosi­ tät, um die Poren an der Kernoberfläche zu schließen und eine ausreichende Beschichtungsdicke und Gleichförmigkeit der Beschichtung zu erhalten, die zu einer guten Beständig­ keit gegen Auswaschen und Eindringen des Metalls während des Spritzgießens führt. Zu diesem Zweck empfiehlt sich die Verwendung eines Sandkerns gemäß Anspruch 6, der mit einer Beschichtungsmasse aus etwa 5 bis 90% eines organischen Lösungsmittels, etwa 0,1 bis 2% eines Suspensionsmittels, etwa 5 bis 80% Calciumaluminat mit einer durchschnittli­ chen Teilchengröße von 20 bis 25 µm, mit einer maximalen Teilchengröße von 70 µm, sowie 0,5 bis 5 Teilen pro 100 Teile des Gemisches eines harten Harzes, das ein Reaktions­ produkt aus Fumarsäure, Naturharz und Pentaerythrit ist. Die Prozentangaben der Beschichtungsmasse beziehen sich auf das Gewicht des Gemisches. Gegebenenfalls kann ein Netzmit­ tel in einer Menge von etwa 0,01 bis 2% zugesetzt werden.

Nach seiner Herstellung in einem Kernkasten und seiner Ent­ nahme daraus ist der Kern für seine weitere Handhabung aus­ reichend fest. Eine Beschichtungsmasse wird dann durch Bür­ sten, Tauchen, Sprühen oder eine ähnliche Methode aufge­ bracht. Nach dem Trocknen der Beschichtung wird der Kern in der Druckgießform plaziert. Der stählerne Bereich der Form entspricht der Oberflächengestaltung des Metallteils, das nicht mit Hilfe des Kerns gebildet wird. Der Kern wird in diese Form eingesetzt und mit Stiften, Halterungen oder in anderer üblicher Weise befestigt. Die Form wird dann ge­ schlossen, wobei der Kern in fester Position verbleibt. An­ schließend wird geschmolzenes Metall in die Form einge­ spritzt.

Während der Verfestigung des Metalls in der Form wird Wärme abgegeben. Ein Teil davon wird vom Kern aufgenommen und er­ höht seine Temperatur. Diese Wärme baut das Bindemittel ab und vertreibt jede Restfeuchtigkeit. Hat sich das Metall in der Form verfestigt, so wird die Vorrichtung geöffnet, und das Gußstück wird mit dem Kern entnommen. Nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur kann der Kern mechanisch herausge­ schlagen werden.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Eine Aluminiumlegierung wird in die in der Zeichnung darge­ stellte Form druckgegossen. Es wird ein Kern verwendet, der Zirkon-Gießereisand (AFS Feinheit Nr. 120), 1,25 Gew.-%, be­ zogen auf den Sand, eines Bindemittels und 20 Gew.-%, bezo­ gen auf das Bindemittel, eines der vorgenannten erdalkali­ metallhaltigen Härters, enthält. Der Kern wird zweimal mit einer der vorstehend beschriebenen Beschichtungsmassen be­ schichtet.

Nach dem Abkühlen des Gußstücks auf Umgebungstemperatur werden bei der mechanischen Trennung des Kerns gute Aus­ schlageigenschaften festgestellt. Auch zeigt sich gute Be­ ständigkeit gegen Eindringen von Metall in die Kernoberflä­ che und gegen Auswaschen.

Beispiel 2

Eine Aluminiumlegierung wird zu einem Pumpenteil druckge­ gossen, wobei eine schlangenkurvenartige Ausbildung vor­ liegt. Man verwendet einen Kern, der Siliciumdioxid- Gießereisand (AFS Feinheit Nr. 65), 2,5 Gew.-%, bezogen auf den Sand, eines der Bindemittel und 20 Gew.-%, bezogen auf das Bindemittel eines der vorstehend beschriebenen Erdalka­ limetallhärters, enthält. Der Kern wird zweimal mit einer der vorgenannten Beschichtungsmassen beschichtet.

Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur werden bei der mecha­ nischen Trennung des Kerns vom Gußstück gute Ausschlagei­ genschaften festgestellt. Auch sind die Beständigkeiten ge­ gen das Eindringen von Metall in die Kernoberfläche und ge­ gen Auswaschen recht gut.

Claims (9)

1. Verwendung eines verlorenen Sandkerns hergestellt aus

• - Formsand,
• - 0,3 bis 3,5 Gew.-% Bindemittel (bezogen auf den Formsand) aus Boraluminiumsphosphat, das 3 bis 40 Mol.-% Bor (bezogen auf das Aluminium) und ein Mol­ verhältnis Phosphor zu Aluminium und Bor von 2 : 1 bis 4 : 1 aufweist,
• - 10 bis 20 Gew.-% Härter aus einem Erdalkalimetall und einem Oxid sowie
• - 15 bis 50 Gew.-% Wasser (bezogen auf das Boralu­ miniumphosphat und das Wasser),

für die Herstellung von Druckgußteilen aus Aluminium, Zink, Magnesium, Kupfer oder deren Legierungen mit einem hinterschnittenen Bereich.

2. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit einem Siliciumdioxidsand enthaltenden Formsand und 1,0 bis 3,5 Gew.-% Bindemittel für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit einem Zirkonsand enthaltenden Formsand und 0,3 bis 1,5 Gew.-% Bindemittel für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit 1 bis 4 Gew.-% Fe₂O₃ enthaltendem Formsand für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit einer Oberflächenbeschichtung, die eine Visko­ sität aufweist, die zum Verschließen der Oberflächen­ poren des Sandkerns ausreicht, aus

• 4 bis 30% Suspensionsmittel,
• 60 bis 95% feuerfestem Feststoff,
• 1 bis 10% Bindemittel (jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Feststoffe) und
• einer einer entsprechenden Menge eines Trägerstoffs,

für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit einer Oberflächensbeschichtung, die eine Visko­ sität aufweist, die zum Verschließen der Oberflächenpo­ ren des Sandkerns ausreicht, aus

• 5 bis 90 Gew.-% organischem Lösungsmittel,
• 0,1 bis 2 Gew.-% Suspensionsmittel,
• 5 bis 80 Gew.-% Calciumaluminat (jeweils bezogen auf das Gesamtgemisch) mit einer durchschnittli­ chen Korngröße von 20 bis 25 µm und einer maxima­ len Korngröße von 70 µm und
• 0,5 bis 5 Teilen hartem Harz pro 100 Teile des Gemisches, das sich als Reaktionsprodukt aus Fumarsäure, einem Naturharz und Pentaerythrit er­ gibt,

für den Zweck nach Anspruch 1.