DE69418132T2

DE69418132T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Gussstückes durch Giessen mit verlorenem Modell

Info

Publication number: DE69418132T2
Application number: DE1994618132
Authority: DE
Inventors: Jose Sole
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2014-10-13
Also published as: EP0648559B1; FR2711081B1; FR2711081A1; EP0648559A1; DE69418132D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gußstücks durch Gießen mit verlorenem Modell, mit einem Modell und einer Schmelzezuführung aus pyrolisierbarem zelligem Material, eingebettet in verdichtetem Sand, wobei die Schmelzezuführung an einen Eingußtrichter aus feuerfestem Material angeschlossen ist und das Modell und die Schmelzezuführung mit einem Überzug aus feuerfesten Teilchen bedeckt sind.
Als "Schmelzezuführung" wird ein Teil aus pyrolisierbarem Material bezeichnet, das das Modell mit dem Metallschmelzespeiser verbindet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der genannten Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gußstücks mittels der Vorrichtung.
Das Vorsehen eines Überzugs auf dem Modell aus zelligem Material und auf der Schmelzezuführung ist erforderlich, um beim Guß eine Sperrschicht zwischen dem Metall und dem Sand zu bilden. Der Überzug vermeidet, daß sich an der Oberfläche des fertigen Gußstücks ein Sand/Metall-Amalgam ausbildet, das jegliche spätere Bearbeitung unmöglich machen würde.
Der Überzug hat generell eine Dicke von etwa 1 mm und besteht aus feuerfesten Teilchen, die beispielsweise durch Beschichtung mit Zementschlamm (feuchter Überzug) aufgebracht werden.
Wendet man jedoch das Verfahren mit verlorenem Modell auf Gußstücke komplizierter Geometrie (unsymmetrischen Dicken, stark ausgehöhlte Stücke, Mehrfachöffnungen und mechanisch stark beanspruchte Teil wie Zylinderköpfe oder -blöcke) an, so ist die Sperrwirkung eines solchen Überzugs unzureichend.
An Stellen von Ausnehmungen ist nämlich die Pressung des Sandes geringer, weil er an diesen Stellen schwierig zu verdichten ist.
In der Schmelzezufübrung entstehen ferner aufgrund des Kombinationseffektes von Temperatur und Turbulenzen der Metallschmelze in Bereichen mit verringertem Speisequerschnitt und abrupten Richtungsänderungen des Schmelzeflusses des Eingußsystems thermomechanische Erosionen, die die Festigkeit dieses Überzugs stark beeinträchtigen.
Um die verschiedenen oben angesprochenen Schwierigkeiten, die mit einem Bruch des Überzugs verbunden sind, zu beheben, sind mehrere Lösungen vorgeschlagen worden.
So ist vorgeschlagen worden, die Dicke des auf das Modell aufgebrachten Überzugs zu erhöhen. Bei einer Dicke von im Tauchverfahren aufgebrachtem Zementschlamm (feuchter Überzug) über 1 mm treten allerdings beim Aufbringen Fließprobleme (Viskosität, Thixotropie und Instabilität) auf.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, einen Überzug höherer Kohäsion aufzutragen; dieser ist jedoch für die Pyrolysegase schlechter durchlässig, woraus eine Verlangsamung der Evakuierung der Gase und eine Verzögerung in der Ausbreitung der Metallschmelze in dem Polymermaterial resultieren mit der Gefahr, daß das Metall durch Verfestigung vorzeitig "stockt".
Eine dritte Lösung besteht im Aufbringen eines doppelten Überzugs. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens ist jedoch gering, und der zweite Überzug, insbesondere aus Zementschlamm, ist heikel. Außerdem treten beim Trocknen von einige Millimeter dickem Zementschlamm gelegentlich Risse durch Schwund auf.
Die Erfindung zielt darauf ab, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen, und hat insbesondere zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gußstücks mit einem Überzug anzugeben, bei dem die Kohäsion der feuerfesten Körner verbessert ist und gleichzeitig ausreichende Permeabilität für die Pyrolysegase aufrechterhalten wird, wobei außerdem
- die physikalisch-chemische Stabilität der Überzugs verbessert ist, indem jegliches Absetzen und jegliche chemische Reaktion vermieden wird,
- die mechanische Festigkeit bei der Umgebungstemperatur (Bruchfestigkeit unter Biegung mehrfach verbessert) und in der Wärme wesentlich erhöht ist,
- die Porosität verringert ist, wodurch vermieden wird, daß der Überzug die Metallschmelze örtlich durchdringt.
Aufgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen, auf sämtliche vorhandenen feuerfesten Schichten anwendbaren Überzugs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mindestens örtlich mit einem mineralischen Bindemittel verstärkt ist.
Das verlorene Modell und die Schmelzezuführung bestehen in bekannter Weise aus zelligem pyrolysierbarem Polymermaterial, d. h. daß sich das Polymere bei Kontakt mit der Metallschmelze in Pyrolysegas umwandelt, wobei die Metallschmelze die so frei werdenden Räume besetzt.
Das mineralische Bindemittel hat die Aufgabe, die Gußüberzüge an den Stellen, an denen es aufgebracht ist, zu verhärten, um diesen Stellen eine höhere mechanische und thermische Festigkeit bei den verschiedenen Vorgängen der Handhabung der Modelle, beim Vergießen der Metallschmelzen auf das zellige Polymermaterial sowie gegenüber dem Druck der bei der Pyrolyse des Polymermaterials erzeugten Gase zu verleihen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mineralische Bindemittel ein feuerfestes Mineralsalz, vorzugsweise Natriumsilikat.
Das Natriumsilikat entspricht vorteilhafterweise der Formel aSiO&sub2;, bNa&sub2;O, wobei das Verhältnis a/b zwischen 0,9 und 3,5, vorzugsweise in der Größenordnung von 3, liegt.
Die Dicke des verstärkten Überzugs liegt generell zwischen 0,3 und 3 mm.
Wie oben angedeutet, ist der verstärkte Teilchenüberzug an den Stellen des verlorenen Modells angeordnet, wo die Verdichtung des Sandes nicht ausreicht, insbesondere an Stellen der Modellhohlräume und/oder an Stellen der Schmelzezuführung, wo die Schmelze anstößt oder sich die Richtung oder der Querschnitt des Schmelzeflusses ändert.
Da der durch das Bindemittel verstärkte Überzug für Gase undurchlässig ist, ist er vorzugsweise nur örtlich verstärkt, um ein Evakuieren der Pyrolysegase zu ermöglichen. Für den Austritt der Gase können in bekannter Weise Entlüftungslöcher vorgesehen sein.
An den Stellen, an denen das Bindemittel aufgebracht ist, liegt es in einem Wert von 0,006 bis 0,06 g/cm² des Überzugs vor.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Vorrichtung anzugeben, bei dem die Oberfläche des verlorenen Modells und der Schmelzezuführung mit feuerfesten Teilchen überzogen wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf den Überzug mindestens örtlich eine wäßrige Lösung eines mineralischen Bindemittels, insbesondere eines feuerfesten Mineralsalzes, aufgebracht wird.
Der Überzug kann vor dem Zusammenbau von Modell und Schmelzezuführung separat hergestellt werden. Er kann aber auch nach dem Zusammenbau der beiden Teile erzeugt werden.
Die Konzentration des Bindemittels, insbesondere des Mineralsalzes, in der Lösung kann je nach der Art der Teilchen und der gewünschten Härte des Überzugs beträchtlich schwanken.
Im allgemeinen wird die Konzentration zwischen 20 und 50 Gew.-% liegen, damit an den gewählten Stellen die oben erwähnte Menge Bindemittel pro Fläche erreicht wird.
Der Auftrag der Lösung erfolgt im allgemeinen durch Pulverisierung und anschließendes Trocknen, vorzugsweise mit heißer Luft oder durch Mikrowellenerwärmung.
Die Trocknungstemperatur liegt normalerweise zwischen 40 und 60ºC.
Die Erfindung gestattet die Herstellung eines Gußstücks mit verlorenem Modell durch Gießen der Metallschmelze in eine oben beschriebene Vorrichtung und Entnahme des Gußstücks.
Das folgende Beispiel veranschaulicht eine erfindungsgemäße Ausführungsart, die in Verbindung mit der beigefügten Figur beschrieben wird, die eine geschnittene Ansicht einer prinzipiellen Vorrichtung mit den verschiedenen Formen von Hohlräumen zur Herstellung eines Gußstücks zeigt.
Ein verlorenes Gießmodell zur Herstellung eines Zylinderblocks mit an den geeigneten Stellen vorgesehenen Ausnehmungen sowie eine Schmelzezuführung, wobei diese Teile aus zelligem pyrolysierbarem Polymermaterial wie etwa Polystyrol bestehen, sind mit einer Schicht aus feuerfesten Teilchen in einer Dicke von 1 mm, d. h. einer oberflächenbezogenen Masse von 0,02 g/cm², überzogen. Auf die gesamte Oberfläche der Ausnehmungen sowie dort, wo die Schmelze anstößt oder sich die Richtung oder der Querschnitt der Schmelzezuführung ändert, ist eine 30%-ige Natriumsilikatlösung der Formel aSiO&sub2;, bNa&sub2;O (a/b = 3) pulverförmig aufgetragen, so daß etwa 0,02 g des Bindemittels pro cm² der betreffenden Oberfläche vorliegen. Das Modell und die Schmelzezuführung werden anschließend mit Heißluft getrocknet.
Gemäß der erwähnten einzigen Figur umfaßt die Vorrichtung zur Herstellung eines Gußstücks ein Modell 1 mit fünf Ausnehmungen 2, wobei das Modell an seiner Unterseite 6 über eine Schmelzezuführung 7 an einen Metallschmelze-Eingußtrichter 8 aus feuerfestem Material (Keramikfasern) angeschlossen ist und die Schmelzezuführung 7 an ihrem Ausgang im Bereich der Unterseite 6 des Modells eine Verengung 10, die die Schmelzeeinspeisung bildet, und ferner zwei durch drei geradlinige Segmente 11, 12 und 15 voneinander getrennte Krümmer 13 und 14 zum Anschluß der Schmelzezuführung an den Eingußtrichter aufweist.
Das Modell und die Schmelzezuführung sind an ihrer Oberfläche mit einer Schicht 3, 9 aus feuerfesten Teilchen in einer Dicke von 1 mm überzogen, wobei die Schicht bei 4 im Bereich der Innenflächen der Ausnehmungen, der Flächen der Verengung 10 sowie der Krümmer 13, 14 mit einem Bindemittel, wie oben beschrieben, überzogen.
Das Modell und die Schmelzezuführung sind in verdichteten Sand 5 eingebettet, der auch die von den Ausnehmungen 2 begrenzten Räume einnimmt, dort jedoch wegen der Geometrie dieser Ausnehmungen weniger verdichtet ist.
In das verlorene Modell wird entsprechend dem Gießvorgang in den Trichter eingefüllte Metallschmelze geleitet. Das Formstück wird nach Verfestigung entnommen, wobei festzustellen ist, daß sich auf dessen Oberfläche keinerlei Sand/Metall-Amalgam gebildet hat.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung eines Gußstücks durch Gießen mit verlorenem Modell, mit einem Modell (1) und einer Schmelzezuführung (7) aus pyrolisierbarem zelligem Material, beides eingebettet in verdichtetem Sand (5), wobei die Schmelzezuführung an einen Eingußtrichter (8) aus feuerfestem Material angeschlossen ist, und das Modell und die Schmelzezuführung mit einem Überzug (3, 9) aus feuerfesten Teilchen bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mindestens örtlich mit einem mineralischen Bindemittel verstärkt (4) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralische Bindemittel ein feuerfestes Mineralsalz ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus Natriumsilikat besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Natriumsilikat der Formel aSiO&sub2;, bNa&sub2;O entspricht, wobei das Verhältnis von a : b zwischen 0,9 und 3,5, vorzugsweise in der Größenordnung von 3, liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des verstärkten Überzugs zwischen 0,3 und 3 mm liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stellen, an denen der Teilchenüberzug mit dem Bindemittel gehärtet ist, 0,006 bis 0,06 g Bindemittel pro cm² des Teilchenüberzugs vorliegen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkte Überzug angeordnet ist:

an Stellen des verlorenen Modells, wo die Verdichtung des Sandes unzureichend ist, insbesondere an Stellen der Modellhohlräume, und

an Stellen der Schmelzezuführung, wo die Schmelze anstößt oder sich die Richtung oder der Querschnitt der Schmelzezuführung ändert.

8. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Oberfläche des verlorenen Modells und der Schmelzezuführung mit feuerfesten Teilchen überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Überzug mindestens örtlich eine wäßrige Lösung eines mineralischen Bindemittels, insbesondere eines feuerfesten Mineralsalzes, aufgebracht wird.

9. Herstellverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Mineralsalzes in der Lösung zwischen 20 und 50% liegt.

10. Herstellverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der Lösung durch Pulverisierung und anschließendes Trocknen, vorzugsweise mit heißer Luft oder durch Mikrowellenerwärmung, erfolgt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Gußstücks durch Gießen mit verlorenem Modell, dadurch gekennzeichnet, daß Metallschmelze in eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gegossen und das Formstück entnommen wird.