DE3831400A1 - Verfahren zum giessen eines metallgegenstandes - Google Patents
Verfahren zum giessen eines metallgegenstandesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft das Gießen von Metallgegenständen in
einer Sandform.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Metallschmelze in Sand
formen zu gießen.
Ein Verfahren ist allgemein als Vollformgießverfahren be
kannt, wobei ein Modell aus einem verdampfbaren Stoff,
z. B. Schaum, geformt wird. Loser (ungebundener) fließender
Sand wird um den Stoff herum gepackt, und Metallschmelze
wird direkt auf den Schaum gegossen, so daß dieser ver
dampft und anstelle des Modells erstarrtes Metall ver
bleibt. Da das Modell beim Gießen der Schmelze verdampft,
braucht die Sandform keine Festigkeit aufzuweisen. Das
Modell muß geringe Dichte haben, um das während des Ver
fahrens erzeugte Dampfvolumen zu vermindern. Beispiele für
dieses Verfahren zeigen die US-PS′en 40 85 790, 44 48 235,
44 82 000 und 46 16 689. Beim Vollformgießverfahren können
verschiedene Probleme auftreten, z. B. eine rauhe Ober
fläche des Gußstücks und Gaseinschlüsse im Gußstück, die
von Zersetzungsprodukten des Modells herrühren.
Bei einem anderen Gießverfahren wird ein dichteres Modell,
z. B. Wachs, in einer Form, die fest und relativ unporös
ist, verwendet. Typischerweise wird ein großer Teil des
Wachsmodells durch Behandeln des Modells im Autoklaven bei
einer Temperatur von z. B. ca. 176°C (350°F) entfernt.
Modellrückstände verbleiben in der Form und müssen bei sehr
hohen Temperaturen entfernt werden, um Kohlenstoffein
schlüsse im Gußstück zu vermeiden. Solche Formen benötigen
einen relativ hohen Anteil an feuerfestem Formbinder (mehr
als ca. 5%), um der sehr hohen Temperatur von z. B. 871°C
(1600°F) standhalten zu können, die zum Entfernen (Ver
dampfen und Verbrennen) des gesamten Wachses notwendig ist
(vgl. z. B. US-PS′en 34 22 880, 33 96 775 und 29 48 935).
Das Feuerfestmaterial-Binder-Gemisch kann um das Modell
herum in Schichten unter Bildung einer Maskenform angeord
net oder durch Füllen eines Behälters um die Modelle unter
Bildung einer Blockform vorgesehen werden.
Es wurde gefunden, daß durch Einstellen des Sand-Binder-
Gemischs ein vollständig neues Sandgießverfahren möglich
ist, wobei ein verlorenes Modell aus einem schmelzbaren
Stoff eingesetzt wird. Der Sand enthält ausreichend nicht
feuerfesten Binder, so daß er sich unter Bildung einer
Gießform verfestigt, aber der Binderanteil ist hinreichend
niedrig, so daß der Sand um das Modell herum fließen kann.
Die resultierende Form ist ausreichend porös, so daß sie
Modellflüssigkeit sowie dampfförmige Zersetzungsprodukte
aufnehmen und einschließen kann, und gleichzeitig ausrei
chend fest, um die Modellform beizubehalten, nachdem das
Modell entfernt ist. Bei richtig eingestelltem Binderan
teil hat die Gießform eine solche Porosität (z. B. ist mehr
als 30% und bevorzugt mehr als 45-50% des Formvolumens
porös), daß das Modell vor dem Gießen bei relativ niedrigen
Temperaturen, die die Gießform nicht beeinflussen, entfernt
werden kann. Somit wird das Modell entnommen, bevor die
Schmelze zugegeben wird, indem das Modell erwärmt und damit
fließfähig wird. Etwas Modellstoff fließt aus Öffnungen,
und der Rest, der einen erheblichen Prozentsatz darstellt,
gelangt durch Fließen oder Dochtwirkung in die Sandform, in
der er unschädlich ist und das Hochtemperatur-Entfernen von
Modellrückständen unnötig macht. Wenigstens 15% und be
vorzugt wesentlich mehr (z. B. mehr als 50%) des Modell
stoffs im Formhohlraum gelangt durch Dochtwirkung in das
Sandgemisch und verbleibt dort. Der Formhohlraum wird dann
mit Metallschmelze gefüllt, die man in der üblichen Weise
erstarren läßt.
Bevorzugte Ausführungsformen weisen folgende Merkmale auf.
Das Modell besteht aus einem polymeren Material, das Wachs,
Schaum oder Kunststoff ist. Während der Erwärmung des
Modells wird der Teil der Gießform, der beim Befüllen mit
Metallschmelze oben liegt, unten angeordnet, um den Abzug
der Zersetzungsprodukte nach oben während der Zugabe von
Schmelze in den Formhohlraum zu vereinfachen. Die Metall
schmelze kann entweder gegen Schwerkraft angesaugt oder in
den durch Modellentfernung gebildeten Formhohlraum gegossen
werden.
Das Verfahren ist relativ kostengünstig, und zwar teilweise
deshalb, weil der Sand in einem relativ einfachen Vorgang,
z. B. durch Vibration, zum Fließen um die Form herum ge
bracht wird. Ferner ist der Sand wiederverwendbar, und die
eingesetzte Bindermenge ist relativ gering, was ebenfalls
die Kosten senkt. Das Verfahren resultiert in Gußstücken
hoher Güte, wobei Einschlüsse von Zersetzungsprodukten, die
beim Vollformgießverfahren häufig durch das Metall hindurch
hochsieden, vermieden werden. Komplizierte Formen können
ohne die Verwendung gesonderter Sandkerne geformt werden.
Das Verfahren kann mit relativ komplizierten Modellen ange
wandt werden, weil die Gießform ihre Form nicht verliert,
was beim Vollformgießverfahren geschehen kann. Selbst bei
komplizierten Modellen kann der Sand um das Modell herum
zum Fließen gebracht werden, indem die Gießform gedreht
wird, so daß Teile zugänglich sind, die in einer bestimmten
Orientierung nur schwer zugänglich sind. Das Verfahren ist
mit glatten Wachs- oder Kunststoffmodellen anwendbar, mit
denen eine wesentlich glattere Oberfläche als mit expan
dierten Schaummodellen erzielbar ist. Das Verfahren ermög
licht außerdem das relativ leichte Entformen des Gußstücks,
da die Gießform relativ schwach ist.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufschema eines bevorzugten Gießver
fahrens; und
Fig. 2A
bis 2D Ansichten einer Gießform und eines Modells in
verschiedenen Verfahrensphasen.
Nach Fig. 2A ist ein Modell 10 in einem Kasten 11 ange
ordnet. Das Modell 10 kann aus einer Vielzahl bekannter
Modellstoffe wie Wachs, Kunststoff oder porigzelligem
Schaum mit bekannten Verfahren hergestellt werden. Wachs
ist dabei besonders geeignet. Ein geeignetes Wachs ist
KC-610 (Kindt-Collins Co.).
Gemäß Fig. 2B ist ein Sand-Binder-Gemisch 12 um das Modell
10 herum angeordnet. Das Sand-Binder-Gemisch 12 besteht aus
einem zum Gießen geeigneten bekannten Sand (z. B. Quarz
sand), der mit einem Binder überzogen ist. Der Binder kann
irgendeiner von verschiedenen Gießereibindern, z. B. orga
nischen Bindern, sein, die heute für Sandgießformen einge
setzt werden. Z. B. kann übliches Phenolurethanharz oder
Phenolformaldehyd-Harz, das mit einem Härter modifiziert
ist, eingesetzt werden (US-PS′en 37 25 333, 41 48 177 und
43 11 631).
Für die Erfindung ist wesentlich, daß die eingesetzte Bin
dermenge genau eingestellt wird. Wenn zu viel Binder ver
wendet wird, fließt das Sand-Binder-Gemisch nicht gut um
das Modell; zu viel Binder führt ferner zu einer relativ
unporösen Gießform, die nicht als ausreichendes Reservoir
zum Einschließen von Flüssigkeit und Dampf aus dem Modell
dienen kann. In diesem Fall kann im Formhohlraum verblei
bender Modellstoff das Gießen beeinträchtigen. Zu viel
Binder behindert ferner das Entformen des Werkstücks.
Wenn dagegen zu wenig Binder vorhanden ist, bindet die
Gießform nicht mit ausreichender Festigkeit ab, um den
Formhohlraum in der Modellkonfiguration zu halten, was zu
schlechter Qualität des Gußstücks führt.
Diese einander widersprechenden Anforderungen können in
überraschender Weise unter Anwendung eines Verfahrens
erfüllt werden, das kein mechanisches Ausheben permanenter
Modelle aus der Gießform verlangt, sondern stattdessen mit
der Dochtwirkung eines verlorenen Modellstoffs arbeitet,
der die speziellen Porositätseigenschaften einer wenig
Binder enthaltenden Gießform reflektiert. Es wurde gefun
den, daß das Verhältnis von Binder zu Sand im Bereich von
0,25-1% und bevorzugt ca. 0,4-0,7% des Sandgewichts lie
gen sollte. Es ist auch möglich, trockene härtbare Binder
(z. B. mit Methylformiat gehärtete Binder) zu verwenden,
die um das Modell zum Fließen gebracht werden und durch
Co-Reaktion abbinden. Im Fall der letztgenannten Binder
sind höhere Versetzungs-Prozentsätze möglich.
Nachdem das Sand-Binder-Gemisch um das Modell herum zum
Fließen gebracht wurde, wird das Gemisch unter Bildung
einer festen Gießform zum Abbinden gebracht, z. B. durch
Erwärmen oder durch Aushärtungsverfahren, die für den
jeweils gewählten Binder geeignet sind. Normalerweise lie
fert der Binderhersteller geeignete Anweisungen für die
Aushärtung seines Produkts.
Nach dem Abbinden der Gießform wird das Modell entfernt, so
daß ein Hohlraum zur Aufnahme von Metallschmelze erhalten
wird. Zwei wesentliche Merkmale des Entnahmeschritts sind
folgende: a) das Entfernen erfolgt vor dem Einbringen der
Metallschmelze, und b) das Entfernen erfolgt bei relativ
niedriger Temperatur, wobei ein beträchtlicher Modellstoff
rückstand in der Sandform (nicht im Formhohlraum) ver
bleibt. Der Modellstoff muß durch Dochtwirkung ausreichend
tief in die Form eindringen, so daß ein erhebliches Ein
blasen von Dampf in den Hohlraum während des Gießens ver
mieden wird, da dies zu Gaseinschlüssen im Werkstück führen
könnte. Typischerweise wird gemäß Fig. 2C die Gießform
während der Entnahme des Modells umgekehrt, so daß ein Teil
des Modellstoffs in flüssiger Form aus dem Gießtrichter
auslaufen kann. Das Vorhandensein von Modellstoff im Sand
gemisch ist in den Fig. 2C und 2D in Form von Punkten 18
angedeutet.
Es wurde festgestellt, daß Modelle bevorzugt bei Tempera
turen von 121-260°C (250-500°F) entfernt werden. Insbe
sondere Wachsmodelle werden unter Anwendung von Druckdampf
bei 121-232°C (250-450°F) entfernt. Styrol und niedrig
schmelzender Schaum sollten bei geringfügig höheren Tempe
raturen (bevorzugt 204-260°C [400-500°F]) entfernt wer
den. Der Gießformhohlraum ist im allgemeinen nach einer
Mindestzeit von ca. 10 min bei den genannten Temperaturen
frei von schädlichen Modellrückständen. Diese Temperaturen
stehen in schroffem Gegensatz zu den äußerst hohen Tempe
raturen von z. B. 871°C (1600°F), die üblicherweise zum
Entfernen von Wachs aus Keramikformen angewandt werden.
Nachdem der Modellstoff vollständig aus dem Formhohlraum 14
ausgetrieben ist, ist die Gießform zum Gießen von Metall
schmelze verfügbar, was z. B. durch Schwerkraftgießen ent
sprechend Fig. 2D oder durch Gegenschwerkraft-Vakuumgießen
entsprechend US-PS 39 00 064 erfolgt.
Die Metallschmelze tritt in den Formhohlraum (z. B. durch
den Gießtrichter 16 nach Fig. 2D) ein, und die Modellkon
figuration wird durch die Festigkeit der Gießform bis zum
Erstarren des Metalls aufrechterhalten. Nachdem das Werk
stück erstarrt ist, wird die Gießform zum Entformen des
Werkstücks zerstört. Ein besonderer Vorteil ist, daß die
oben angegebenen Binderanteile die Zerstörung der Gießform
ohne Gefahr einer Beschädigung des Werkstücks ermöglichen.
Erwünschtenfalls können die Gießformstücke z. B. mit star
ker Wärme aufbereitet werden, um Binder und Modellstoff
auszutreiben und den Sand rückzugewinnen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich ganz all
gemein für einen weiten Bereich von Modellformen sowie von
Materialien und Produkten. Besonders vorteilhafte Anwen
dungsgebiete sind die Herstellung von Teilen von Kraft
fahrzeugmotoren wie Motorblöcken und Ansaugkrümmer.
Das Verfahren nach der Erfindung kann wie folgt zusammen
gefaßt werden:
- a) Modell in Formkasten einbringen;
- b) Sand-Binder-Gemisch um das Modell zum Fließen bringen;
- c) das Gemisch unter Erhalt einer porösen Gießform abbinden lassen;
- d) Erwärmen, um unter Hohlraumbildung den Modellstoff aus der und in die Gießform zu treiben;
- e) Hohlraum mit Metallschmelze füllen;
- f) Metall erstarren lassen; und
- g) Gußstück entformen.
Claims (9)
1. Verfahren zum Gießen eines Metallgegenstands, wobei ein
verlorenes Modell aus schmelzbarem Modellstoff bereitge
stellt, das Modell innerhalb eines Sand-Binder-Gemischs
eingeschlossen, das Sand-Binder-Gemisch abgebunden, das
verlorene Modell erwärmt wird unter Bildung eines Hohlraums
im Gemisch anstelle des Modells, der Hohlraum dann mit
Metallschmelze gefüllt, das Metall zum Erstarren gebracht
und der Metallgegenstand entformt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß das verlorene Modell zuerst in einem Behälter ange ordnet wird;
- b) daß das Sand-Binder-Gemisch um das Modell zum Fließen
gebracht wird, wobei das Gemisch nichtfeuerfesten Binder
in einer Menge enthält, die
- i) ausreicht, um ein Abbinden der Form zu ermöglichen,
- ii) hinreichend niedrig ist, um ungehindertes Fließen des Gemischs um das Modell zu ermöglichen,
- iii) hinreichend niedrig ist, um ein einfaches Entfernen der Form von dem anschließend in dieser hergestellten Gußstück zu ermöglichen, und
- iv) hinreichend niedrig ist, um die Gießformporosität zu erhalten; und
- c) daß nach dem Abbinden des Sand-Binder-Gemischs der Hohl raum anstelle des Modells gebildet wird durch Erwärmen des Modells und der Gießform auf eine Temperatur und unter Bedingungen, unter denen der Modellstoff fließ fähig wird und sowohl in das abgebundene Gemisch als auch aus Gießformöffnungen fließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Modell Wachs, polymerer Schaum oder Kunststoff ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß Modell und Gießform (in Schritt d) auf eine Temperatur
von 121-260°C erwärmt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Binder in einem Anteil von ca. 0,25-0,6 Gew.-%,
bezogen auf den Sand, vorhanden ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschmelze gegen die Schwerkraft in den Hohl
raum gesaugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß derjenige Teil der Gießform, der sich während der Er
wärmung des Modells zum Entfernen desselben (Schritt c)
unten befindet, zum Gießen der Metallschmelze oben liegt,
um die Entgasung der Modell-Zersetzungsprodukte aus der
Gießform zu erleichtern.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Form einen Einlaß aufweist, in den Metallschmelze
zu gießen ist, und daß während der Erwärmung des Modells
(Schritt c) die Form umgedreht wird, so daß ein Teil des
Modellstoffs abfließen kann.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus Sandgemisch bestehende Gießform nach dem Ab
binden eine Porosität von wenigstens 30% hat.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Schritt d) wenigstens 15% des Modellstoffs in der
Sandgemisch-Gießform eingeschlossen wird.
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