DE3036436C2

DE3036436C2 -

Info

Publication number: DE3036436C2
Application number: DE3036436A
Authority: DE
Inventors: Enno H. Castro Valley Calif. Us Page
Original assignee: FARLEY Inc CHICAGO ILL US
Current assignee: DOEHLER-JARVIS LTD. PARTNERSHIP, TOLEDO, OHIO, US
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1990-09-20
Also published as: SE8006712L; DE3036436A1; BR8006285A; JPS5650752A; GB2061151B; ES495504A0; IT8024888A0; AU539985B2; CA1172825A; IT1133622B; FR2466293A1; ES8105596A1; AU6254480A; FR2466293B1; JPS649898B2; GB2061151A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines verlo renen Sandkerns für die Herstellung von Druckgußteilen aus Aluminium, Zink, Magnesium, Kupfer und ihren Legierungen. Dabei wird das seit langem bestehende Problem überwunden, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Druckguß teilen mit hinterschnittenen Bereichen zur Verfügung zu stellen. Das übliche Druckgießen benötigt Druckgießformen, die den angewandten hohen Temperaturen und Drücken wider steht. Deshalb werden normalerweise Druckgießformen aus eisenhaltigen Materialien verwendet. Da diese aber nicht leicht zerfallen, können komplizierte hinterschnittene Be reiche und Hinterdrehungen nicht hergestellt werden, da sich das Gußteil von der Druckgießform nicht lösen läßt. In anderen üblichen Gießtechniken, die z. B. Sand und halbfeste Gießformen verwenden, wurden auch verlorene Kerne einge setzt, um Gußteile mit hinterschnittenen Bereichen herzu stellen. Dies war deshalb möglich, weil der bei solchen Techniken angewandte Druck im allgemeinen unter 2 bar liegt, während beim Druckgießen mehr als das Tausendfache dieses Werts erreicht wird.

Ein typischer Formkern besteht aus Formsand, der mit einem Bindemittel, z. B. einem Harz, vermischt ist. Durch Anwendung von Wärme, einem Katalysator und einer chemischen Reaktion werden die Sandkörner zu einer vorgegebenen Form gebunden und können dann in dieser Form beim Gießen verwendet wer den. Die während des Verfestigens und Abkühlens des Guß teils freiwerdende Wärme treibt aus dem Kern Feuchtigkeit aus oder bewirkt den chemischen Abbau des Bindemittels. Dadurch wird das Trennen des Kerns vom Gußteil erleichtert.

Bei früheren Versuchen mit Sandkernen zum Druckgießen wur den Kerne aus Glas und löslichen Salzen verwendet (GB-PS 11 79 241). Diese Systeme sind jedoch hinsichtlich der Steuerung des Gießvorgangs, der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, der Handhabung der Komponenten und der korrosi ven Eigenschaften der Salze unbefriedigend.

Es wurden bereits Bindemittel auf der Basis von Boralumini umphosphat zur Herstellung von verlorenen Sandkernen zum Druckgießen beschrieben (US-PS 41 27 157; US-Patentanmel dung 9 09 468).

Eine Hauptschwierigkeit bei der Entwicklung von zufrieden stellenden verlorenen Kernen für das Druckgießen lag bisher in der Unmöglichkeit, ein einziges Kern-Bindemittel-System zur Verfügung zu stellen, das gleichzeitig vier wesentliche Eigenschaften des Kerns vereint. Dabei handelt es sich um ein gutes Ausschlagverhalten, eine gute Auswaschbeständig keit, eine gute Beständigkeit gegen ein Eindringen in die Oberfläche sowie eine gute Kernfestigkeit.

Ein gutes Ausschlagverhalten ist nötig, um das Trennen des Kerns vom Gußteil zu erleichtern. Die Auswaschbeständigkeit bedeutet die Widerstandsfähigkeit des Kerns gegenüber Ero sion, die durch die hohen Geschwindigkeiten des Metalls während des Druckgießens auftreten. Ein Auswaschen des Kerns beeinträchtigt nicht nur die Toleranzen des gegosse nen Endprodukts, sondern führt auch zum Einschluß von aus dem Kern losgelöstem Sand im Gußteil. Ein Eindringen in die Oberfläche wird durch die Kombination von großer Hitze und hohem Druck verursacht, welche die Kernoberfläche aufbre chen und ein Eintreten des Metalls zwischen die Sandkörner ermöglicht, wodurch sich an der Oberfläche des Gußteils eine Mischphase aus Sand und Metall bildet. Eine solche Phase ist äußerst unangenehm beim nachfolgenden Bearbeiten des Druckgußteils. Außerdem können sich Schwierigkeiten er geben, wenn sich nach der Montage des Druckgußteils aus seiner Oberfläche Sand löst, da dann, z. B. in einem Kraft fahrzeug, benachbarte Teile beschädigt werden können. Eine hohe Kernfestigkeit ist erwünscht, damit die Formkerne wäh rend ihrer Handhabung und der Belastung während des Druck gießens gegen Bruch beständig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Verwendung eines bestimmten verlorenen Sandkerns beim Druckgießen die erforderliche Ausgewogenheit der genannten vier Eigenschaf ten zu erreichen, so daß Druckgußteile aus Aluminium, Zink, Magnesium, Kupfer und ihren Legierungen mit einem hinter schnittenen Bereich kostengünstig hergestellt werden kön nen.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Die Erfindung be trifft somit die Verwendung eines verlorenen Sandkerns her gestellt aus

- Formsand und
- 0,25 bis 5 Gew.-% Bindemittel (bezogen auf den Formsand), das aus 20 bis 70 Gew.-% Oxidations mittel und einem säurehärtbaren Harz besteht,

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

In der Zeichnung ist ein Querschnitt durch einen Bereich einer Form einer Druckgießeinrichtung dargestellt. Der Gießkolben 11 dient zum Einspritzen des geschmolzenen Metalls 12 in die Druckgießform, die von den Stahlteilen 13 und 14 sowie dem Sandkern 15 gebildet wird. Die Gestalt des Druckgußteils weist einen hinterschnittenen Bereich auf.

Metall 12 dringt im dunkel gezeichneten Bereich 16 in die Oberfläche des Sandkerns 15 ein, was gemäß vorstehender Erläuterung verhindert werden soll. Das unerwünschte Auswa schen erfolgt im allgemeinen im Bereich 17. Nach dem Verfe stigen des Druckgußteils erfolgt das Ausschlagen des Kerns 15 und das anschließende Abkühlen auf Umgebungstemperatur.

Die erfindungsgemäße Verwendung des verlorenen Sandkerns stellt eine Verbesserung gegenüber bekannten Sandkernen auf der Basis von Boraluminiumphosphat dar. Zwar werden durch die Verwendung beider Sandkerne sehr gute Ausschlageigen schaften erreicht, der erfindungsgemäß verwendete Sandkern hat jedoch eine höhere Kernfestigkeit, insbesondere unmit telbar nach der Kernherstellung. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäß verwendete Kern leichter herzustellen, da er eine bessere Blasbarkeit und daher eine höhere Dichte als ein Kern auf der Basis von Boraluminiumphosphat auf weist.

Der erfindungsgemäß verwendete verlorene Sandkern enthält das Bindemittel in einer Menge von vorzugsweise etwa 1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf den Formsand. Die spezielle Bindemit telmenge hängt u. a. von der Gestalt, der Dicke und Kompli ziertheit des Kerns sowie der Art ab, in der der Kern in der Druckgießform befestigt ist. Auch spielen die Druck gießbedingungen hierbei eine Rolle. Der Kern kann auch beschichtet sein, um eine verbesserte Beständigkeit gegen Eindringen in die Oberfläche und gegen Auswaschen zu errei chen.

Das als Bindemittel dienende säurehärtbare Harz ist bekannt (US-PS 38 79 339). Dieses Bindemittel hat sich bezüglich der Ausschlageigenschaften beim Druckgießen günstig erwie sen, wenn es in einer Menge von etwa 0,25 bis 5 Gew.-%, bezogen auf den Formsand, vorliegt. Die Untergrenze ist erforderlich, um eine ausreichende Kernfestigkeit beim Handhaben des Kerns zu erreichen. Die Obergrenze sollte nicht überschritten werden, da sonst Schwierigkeiten beim Blasen während der Kernherstellung dadurch entstehen kön nen, daß durch ungleichmäßigen Sandstrom keine gleichmäßige Dichte im Kern erzielt wird; die Folge ist ein verschlech tertes Ausschlagverhalten. Beim Einsatz typischer Quarz formsande mit einer Feinheit von AFS Nr. 65 wird das Binde mittel vorzugsweise in einer Menge von etwa 1,0 bis 2,0% verwendet. Bei der Verarbeitung mehrerer schwerer Form sande, wie Zirkonsand, wird vorzugsweise eine Menge von 0,5 bis 1,0% Bindemittel eingesetzt. Die Ober- und Untergren zen dieser engeren Bereiche ergeben sich aus den gleichen Gründen wie oben.

Als säurehärtbares Harz, das für den erfindungsgemäß ver wendeten verlorenen Sandkern als Bindemittel geeignet ist, kommen z. B. Harnstoff-Formaldehyd-, Phenol-Formaldehyd-, Furan- und Copolymerisatharze in Frage. Vorzugsweise wird ein Bindemittel auf der Basis von Furan eingesetzt, da der Kern dann im Vergleich zu anderen Systemen eine höhere Beständigkeit gegen Verformung unmittelbar nach der Her stellung des Kerns aufweist. Es können auch Copolymerisate aus einerseits diesen Harzen und andererseits Epoxidverbin dungen oder ungesättigten Verbindungen verwendet werden.

Durch Zugabe von etwa 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Harz, eines Silans, wie γ-Aminopropyltriäthoxysilan, werden die Kerneigenschaften, insbesondere die Kernfestigkeit, verbessert.

Der erfindungsgemäß verwendete verlorene Sandkern enthält als Oxidationsmittel vorzugsweise Methyläthylketonperoxid in einer Menge von etwa 20 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Harz. Um das Härten zu vervollständigen, werden vorzugs weise 30 bis 50% des Oxidationsmittels verwendet. Das Oxi dationsmittel reagiert mit dem gasförmigen Schwefeldioxid unter Bildung von Schwefeltrioxid bzw. Schwefelsäure, die ihrerseits das Harz härtet. Andere geeignete Oxidationsmit tel sind z. B. anorganische oder organische Oxidationsmit tel, wie Peroxide, Peroxidderivate der allgemeinen Formel R-O-O-H (R = anorganischer oder organischer Rest), organi sche Hydroperoxidderivate mit mindestens einer freien Hydroxylgruppe, Chlorate, Perchlorate, Chlorite, organische Hydrochloride, Perbenzoate, Metalloxide, Permanganate, Monoperphthalsäure und Wasserstoffperoxid. Derartige Oxida tionsmittel werden normalerweise als Flüssigkeit dem Harz zugegeben, um das Mischen zu erleichtern, obwohl in spe ziellen Fällen die Verbindungen auch in fester oder gasför miger Form zugesetzt werden können.

Zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Kerne wer den im allgemeinen Sand und ein säurehärtbares Harz ver mischt. Gegebenenfalls wird dem Gemisch ein Silan zuge setzt. Schließlich erfolgt die Zugabe des Oxidationsmit tels. Das gesamte Gemisch kann dann mit Luft eingeblasen oder von Hand in einen Kernkasten eingebracht werden, der die gewünschte Form des Kerns aufweist. Zur Härtung des Kerns wird ein Gas, wie Schwefeldioxid, durch den Kernka sten geleitet. Der Kern wird dann als feste Masse dem Kern kasten entnommen und beim Druckgießen eingesetzt. Es sind auch andere Techniken und Härtungsgase anwendbar (US-PS 38 79 339 und 36 39 654).

Der erfindungsgemäß verwendete verlorene Sandkern kann zur Verbesserung seiner Eigenschaften gegen Auswaschen und ge gen ein Eindringen in seine Oberfläche mit einer Beschich tungsmasse beschichtet sein. Derartige Massen enthalten im allgemeinen ein Suspensionsmittel, ein feuerfestes Mate rial, ein Bindemittel und ein Lösungsmittel.

Beschichtungsmassen für Druckgießformen sind kritischer als entsprechende Massen für den Einsatz bei anderen Gießver fahren. Die Beschichtungsmasse soll die Oberflächenporen des Kerns im wesentlichen verschließen. Da beim Druckgießen geschmolzenes Metall unter Druck vorliegt, führt eine Poro sität des Kerns zu einem Eindringen des geschmolzenen Metalls, wodurch Sand an der Oberfläche des Druckgußteils eingeschlossen wird. Bei Anwendung einer geeigneten Kernbe schichtung wird eine Oberfläche des Gußteils erhalten, die der Druckgießform entspricht, wobei kein geschmolzenes Metall in den Sandkern eindringt.

Entsprechende Suspensionsmittel sind im allgemeinen Ton oder Tonderivate. Diese Materialien sollten in Mengen vor liegen, die ausreichen, um das feuerfeste Material in Sus pension zu halten. Die Suspensionsmittel können in Mengen von etwa 4 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, verwendet werden.

Spezielle Beispiele für geeignete feuerfeste Materialien in der Beschichtungsmasse sind Graphit, Koks, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Talk, Zirkon, Glimmer und Gemische aus diesen Stoffen. Diese Materialien liegen im allgemeinen in einer Menge von etwa 60 bis 95 Gew.-%, bezo gen auf den Feststoffgehalt, vor.

Eine geeignete Beschichtungsmasse für den Kern enthält vor zugsweise 4 bis 30 Gew.-% eines mit einem Amin behandelten Betonits als Suspensionsmittel, 1 bis 10 Gew.-% eines feuerfesten Materials, wie Siliciumdioxid, jeweils bezogen auf den Feststoffgehalt. Die genannten Komponenten werden in Pulverform mit einer ausreichenden Menge eines organi schen Lösungsmittels als Träger zur Einstellung der Visko sität gemischt. Die richtige Viskosität ergibt nach dem Auftragen und Trocknen die gewünschte Schichtdicke und ge währleistet ein Verschließen der Oberflächenporen des Kerns.

Es sind auch andere geeignete Beschichtungsmassen bekannt (US-PS 40 01 468). Dabei handelt es sich um Beschichtungs massen, die ein organisches Lösungsmittel mit einer Kauri- Butanol-Zahl von mindestens 36, wie 1,1,1-Trichloräthan, außerdem ein Suspensionsmittel, ein pulverförmiges feuer festes Material, wie Graphit, Koks, Glimmer, Siliciumdio xid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Talk oder Zirkonmehl, sowie ein organisches Polymerisat, wie ein Vinyltoluol- Butadien-Copolymerisat, Styrol-Butadien-Copolymerisat, Vinyltoluol-Acrylat-Copolymerisat, Styrol-Acetylen-Copoly merisat oder ein Acrylathomopolymerisat, enthalten. Das Ge wichtsverhältnis des organischen Polymerisats und des orga nischen Lösungsmittels liegt im Bereich von etwa 1 : 50 bis etwa 1 : 200. Das Gewichtsverhältnis des pulverförmigen feuerfesten Materials und des organischen Lösungsmittels beträgt etwa 1 : 2,5 bis 1 : 3,5.

Es ist eine andere Beschichtungsmasse bekannt (US-PS 40 96 293), die in Kombination mit dem erfindungsgemäß ver wendeten Sandkern zu guten Ergebnissen führt. Die Beschich tungsmasse weist eine ausreichende Viskosität auf, um die Oberflächenporen des Kerns im wesentlichen zu verschließen. Auch wird mit dieser Masse eine Schichtdicke und gleich mäßige Beschichtung erreicht, die eine gute Beständigkeit gegen Auswaschen und Eindringen in die Oberfläche während des Spritzgießens gewährleistet. Die Beschichtungsmasse be steht aus etwa 5 bis 90 Gew.-% eines organischen Lösungs mittels, etwa 0,1 bis 2 Gew.-% eines Suspensionsmittels, etwa 5 bis 80 Gew.-% Calciumaluminat mit einer durch schnittlichen Teilchengröße von 20 bis 25 µm und einer maximalen Korngröße von etwa 70 µm, sowie etwa 0,5 bis 5 Gew.-Teile je 100 Teile der Masse eines harten Harzes, das ein Reaktionsprodukt aus Fumarsäure, einem Naturharz und Pentaerythrit ist. Die Masse kann gegebenenfalls ein Netz mittel in einer Menge von etwa 0,01 bis 2 Gew.-% enthalten.

Nachdem der Kern in einem Kernkasten hergestellt und daraus entnommen worden ist, weist er eine ausreichende Festigkeit auf, um weiter verwendet zu werden. Die Beschichtungsmasse wird z. B. durch Bürsten, Tauchen oder Sprühen aufgebracht. Nach dem Trocknen wird der Kern in die in einer Druckgieß einrichtung vorhandene Druckgießform eingesetzt. Die Stahl teile der Druckgießform bilden die Oberfläche des Gußteils, die nicht von dem Formkern ausgebildet werden sollen.

Dieser wird in der Druckgießform ausgerichtet und durch Bolzen, eine Klemmvorrichtung oder in sonst üblicher Weise fixiert. Die Druckgießform wird dann geschlossen und ent hält in ihrem Inneren den befestigten Kern. Anschließend wird geschmolzenes Metall in die Druckgießform einge spritzt.

Während der Verfestigung des flüssigen Metalls in der Form gibt das Druckgießteil Wärme ab. Ein Teil hiervon wird vom Formkern aufgenommen und erhöht seine Temperatur. Dieser Wärmefluß baut das Bindemittel ab und treibt Feuchtigkeit und gasförmige Stoffe aus. Wenn das Metall des Gußteils sich verfestigt hat, werden die Form geöffnet und das erhaltene Druckgußteil sowie der verlorene Kern entnommen. Nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur kann der Kern mechanisch ausgeschlagen werden.

Das Beispiel erläutert die Erfindung.

Beispiel

Eine Aluminiumlegierung wird unter Verwendung eines Kerns, der Quarzformsand (AFS-Feinheit Nr. 65) enthält, zu einer Form, entsprechend der in der Zeichnung vorliegenden Dar stellung, druckgegossen. Als Bindemittel wird Furan in einer Menge von 1,5 Gew.-%, bezogen auf den Formsand, ver wendet. Auch werden 40 Gew.-%, bezogen auf das Harz, Methyläthylketonperoxid als Oxidationsmittel sowie 3 Gew.-%, bezogen auf das Harz, eines Silans zugegeben. Vor dem Druckgießen wird der hergestellte Kern mit einer der vorgenannten Beschichtungsmassen versehen.

Es zeigt sich, daß die Festigkeit des Kerns gut ist. Auch das Ausschlagverhalten ist wie gewünscht, was sich beim me chanischen Abtrennen des Kerns vom Druckgußteil nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur zeigt. Die Beständigkeit gegen Eindringen in die Oberfläche und die Beständigkeit gegen Auswaschen sind gleichfalls gut.

Claims

1. Verwendung eines verlorenen Sandkerns, hergestellt aus

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

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

4. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit 30 bis 50 Gew.-% Oxidationsmittel für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 4, mit 1 bis 10 Gew.-% Silan als Oxidationsmittel für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit Methyläthylketonperoxid als Oxidationsmittel für den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit Furan als säurehärtbarem Harz für den Zweck nach Anspruch 1.

8. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, bei dem das Bindemittel durch Hindurchleiten von gasförmigem Schwefeldioxid in einem Kernkasten gehär tet worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

9. 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 40 Gew.-% Suspensionsmittel,
60 bis 95 Gew.-% feuerfestem Feststoff,
1 bis 10 Gew.-% Bindemittel (jeweils bezogen auf die Gesamtmenge an Feststoff) und
einer entsprechenden Menge eines wasserhaltigen Trägerstoffs

für den Zweck nach Anspruch 1.

10. 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

einem organischen Lösungsmittel mit einer Kauri- Butanol-Zahl von mindestens 36,
einem Suspensionsmittel,
einem pulverförmigen feuerfesten Feststoff aus Graphit, Koks, Glimmer, Siliciumdioxid, Alumini umoxid, Magnesiumoxid, Talk, und/oder Zirkonmehl und
einem organischen Polymerisat aus Vinyltoluol- Butadien-Copolymerisat, Styrol-Butadien-Copolyme risat, Vinyltoluol-Acrylat-Copolymerisat, Styrol- Acetylen-Copolymerisat oder Acrylat-Homopolymeri sat,

mit der Maßgabe, daß das Gewichtsverhältnis organi sches Polymerisat zu organischem Lösungsmittel 1 : 50 bis 1 : 200 und das Gewichtsverhältnis des Feststoffes zum organischen Lösungsmittel 1 : 2,5 bis 1 : 3,5 beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

11. Verwendung eines verlorenen Sandkerns gemäß Anspruch 1, mit einer Oberflächenbeschichtung, die eine Viskosität aufweist, die zum Verschließen der Oberfächenporen des Sandkerns ausreicht, aus

5 bis 90% organischem Lösungsmittel,
0,1 bis 2% Suspensionsmittel,
5 bis 80% Calciumaluminat (jeweils bezogen auf das Gewicht der Beschichtungsmasse) mit einer durchschnittlichen Korngröße von 20 bis 25 µm und einer maximalen Korngröße von 70 µm und
0,5 bis 5 Gew.-Teilen je 100 Teile der Masse eines harten Harzes, das sich als Reaktionspro dukt aus Fumarsäure, einem Naturharz und Pentaerythrit ergibt,

für den Zweck nach Anspruch 1.