DE3831400A1 - Verfahren zum giessen eines metallgegenstandes - Google Patents

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.