EP0143954B1 - Verfahren zum Herstellen von Formteilen nach dem Coldbox-Verfahren sowie Formwerkzeug - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von Formteilen nach dem Coldbox-Verfahren sowie Formwerkzeug Download PDFInfo
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- EP0143954B1 EP0143954B1 EP84112344A EP84112344A EP0143954B1 EP 0143954 B1 EP0143954 B1 EP 0143954B1 EP 84112344 A EP84112344 A EP 84112344A EP 84112344 A EP84112344 A EP 84112344A EP 0143954 B1 EP0143954 B1 EP 0143954B1
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22C—FOUNDRY MOULDING
- B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
- B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening
- B22C9/123—Gas-hardening
Definitions
- Molded parts made of synthetic resin-bonded quartz sands including the casting molds, including those with cores inserted in them, are an important part of the mass production of high-quality castings.
- the different manufacturing processes differ according to the type of synthetic resin used and its catalytic hardening.
- the catalysis is carried out either by heating or at room temperature by adding a catalyst.
- the thermosetting manufacturing processes are known under the names hot box, warm box and thermal shock processes. However, they are increasingly being replaced by cold-curing processes, because saving energy and facilitating workplace conditions are important advantages. Molded parts can also be produced in plastic molds.
- Coldbox binders contain about 30 to 40% of different solvents, which are necessary for the thin liquid, a high reactivity of the binder, good moldability of the molding material mixture and sufficient strength. These high amounts of solvent lead to considerable environmental pollution during processing and casting. However, less than the amounts mentioned impair the strength, in particular of the surfaces of the molded parts. The edge strength is impaired and the molded parts become huge and crumbly overall. As a result, the coldbox process loses its usefulness. With a sufficient solvent and binder content, polyurethane-bonded molded parts have good strength immediately after their manufacture. However, they are extremely sensitive to moisture and lose strength in a short time at higher air humidity. However, high humidity levels are unavoidable in foundries.
- Coldbox cores are also often treated with water sizing and also placed in wet casting molds and are therefore subject to severe moisture damage. It is particularly detrimental to the quality of the molded part that this damage progresses from the outside inwards and thus affects the particularly important molded surface first and foremost. The result is a highly undesirable strength gradient with low external but high internal strength.
- the present ground bond is based on the task of improving the strength properties and core disintegration in molded parts according to the cold box process with a reduced binder content.
- the surface of the molded part is finished to a thickness of a few millimeters, and the sensitivity to moisture inside the core is maintained or even increased, so that the strength is lower at these points during the course of the core storage.
- This ensures that strength and resistance to moisture in the surface layer are strengthened, but also reduced in the core interior, in order to improve the core disintegration at the same time.
- it is possible to lower the binder content. This measure lowers costs, reduces environmental pollution and improves core decay.
- the process according to the invention is based on the idea that the disadvantages of the coldbox process described are due to a weakness in the crosslinking of the polyurethane molecules due to the weft and the immediately subsequent very rapid cold curing. Then the weak bonds between the molecular chains can easily be destroyed by water and the strength of the molded parts can be irreparably weakened.
- the method according to the invention therefore aims to convert the polyurethane in the molded part surface into a highly crosslinked state and thereby to increase the strength and in particular the moisture resistance in the surface layer, but to leave the underlying sand layers in a weakly crosslinked state.
- the process according to the invention can be carried out with the greatest effectiveness after the shot and shortly before the gas hardening because the molded part has already been designed at this point in time, but the molecular mobility in the still soft molding material is still great.
- the method according to the invention thus intervenes in a manufacturing step of the Coidbox method that has so far been ignored without care and as quickly as possible. Finishing measures only after hardening on the finished molded part are far less effective because of the largely fixed fixing of the binder structures and in particular cannot be achieved with the low temperatures which characterize the process according to the invention.
- the method according to the invention works with heated molds. Relatively low temperatures below 100 ° C can be used. The uniformity of the heating is also of minor importance. So the same mold, e.g. be 50 ° warm in places and 80 ° elsewhere without serious quality differences becoming apparent.
- Metallic molds can be heated in a known manner electrically or by gas heating. Further possibilities are given by the application of hot air or by the necessary firing, gassing and also rinsing air being led through preheaters beforehand.
- the method according to the invention is not to be confused with the conventional hotbox and warmbox methods and differs fundamentally from these.
- These conventional processes use the heat for curing and therefore require the entire cross-section of the molded part to be warmed through. They work at temperatures between approximately 150 ° and 250 ° C and require high temperature uniformity with thermostatic control.
- the heat of the method according to the invention does not lead to hardening even in the heated surface layer.
- the molding material remains soft and would not allow handling.
- the process according to the invention remains a cold process because the molding hardening is achieved by a gaseous catalyst. The new process therefore only serves to improve the effectiveness of gas hardening.
- a waiting time of preferably 20 to 90 seconds can be provided between the introduction of the molding material mixture and the introduction of the gaseous catalyst.
- This waiting time can, if necessary, be reduced to preferably 15 to 30 seconds if the solvent content in the molded part surface is increased.
- the mold is provided with a thin film of solvent just before the shot. The enclosed molding material takes over the solvent and the desired surface finishing can be achieved in a shorter time.
- the resistant and moisture-resistant molded part surfaces that can be achieved by the methods and devices according to the invention enable the use of low-solvent binders. They are particularly recommended for light metal casting. Low-solvent coldbox binders tend to solidify during molded part storage and are particularly sensitive to moisture. For these reasons, they could not previously be used. According to the method according to the invention, these previous disadvantages are now limited to the interior of the molded part and have an advantageous effect there because the core disintegration and also the reusability of the used sand are thereby facilitated. These advantages and the considerable advantages already offered by the possibility of lowering the binder content are offset by a slightly longer cold box process and the need to heat the molding tools.
- the comparatively low temperatures in the method according to the invention allow the use of plastic tools. Hot water is suitable for temperature control of the tool, whereby the gas process can be extremely simplified.
- corresponding water supply pipes in a shape adapted to the model contours in the synthetic resin during tool manufacture, which are continuously flowed through by hot water during later production. Furthermore, it is proposed to improve the thermal conductivity between the hot water pipe and the tool surface by the fact that fillers made of metal powder or metal granules with good heat conductivity are present.
- 1 denotes the upper, 2 the lower tool half. 3 indicates the division. 4 denotes the bullet, 5 the mold cavity. 6 with the contours f e flocking synthetic resin layer is designated. With 7 pipes for hot water are designated. 8 indicates the water inlet and 9 the water outlet.
- the flexible hose connection between the two tool halves is indicated by 10.
- 11 means the aluminum grit, which is compacted in the sand bound by synthetic resin.
- a heat-insulating outer jacket, for example made of quartz sand bonded with synthetic resin, is designated by 12. 13 means the tool frame.
- the core 14 is created, which, according to the illustration in FIG. With 19 the gate is designated. There can also be a riser through which the casting melt exits after the mold cavity 21 has been filled.
- FIG. 2 shows that not only the surface 23 of the core 14 is finished with the molding tool according to FIG. 1. This refinement in a certain layer thickness is shown by hatching 24.
- Figure 2 shows that the molded parts 17 and 18 of the lower box and upper box are each provided with a thinning, which are shown by hatching 25 and 26. The finishing achieved according to the invention need only be present on the surfaces of the molded parts which delimit the mold cavity 21.
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Description
- Formteile aus kunstharzgebundenen Quarzsanden, darunter werden die Gießformen, auch solche mit darin eingelegten Kernen verstanden, sind eine wichtige Grundlange der Massenproduktion hochwertiger Gußstücke. Die verschiedenen Herstellungsverfahren unterscheiden sich nach der Art des verwendeten Kunstharzes und seiner katalytischen Härtung. Die Katalyse erfolgt entweder durch Wärme oder auch bei Raumtemperatur durch Zuführen eines Katalysators. Die warmhärtenden Fertigungsverfahren sind unter den Namen Hotbox-, Warmbox- und Thermoschockverfahren bekannt. Sie werden jedoch zunehmend durch kalthärtende Verfahren verdrängt, weil dabei Energieeingsparnung und erleichterte Arbeitsplatzbedingungen wichtige Vorteile sind. Die Formteilfertigung kann zudem in Formwerkzeugen aus Kunststoff erfolgen.
- Es ist bekannt, die nach verschiedenartigen Verfahren, so auch nach dem Coldbox-Verfahren hergestellten Formteile nach der Formgebung an ihren den Formraum bildenden Seiten mit einer Schlicht zu versehen. Das Aufbringen und Trocknen einer Schlichte erfordert zusätzlich Arbeitsgänge und auch eine Warteszeit bis zum Abguß der Giebform, damit ausreichend Zeit zur Trocknung der Schlichte vorhanden ist.
- Auf dem Gebiet der Kalthärtung hat das aus der DE-PS 15 83 521 bekannte sogenannte Coldbox-Verfahren größe Bedeutung erreicht. Auf automatischen Fertigungsanlagen werden sehr hohe Produktionsleistungen erzielt. Dieses Verfahren verwendet Polyurethan als Bindemittel, Die heute gebräuchlichsten Ausgangskomponenten sind Isoyanat und ein Phenolharz, jedoch sind auch andere Binderkombinationen möglich. Sie werden mit Quarzsand zusammen in Gehalten von etwa 1 bis 2 Gewichtsteilen vermischt. Der so entstandene Formstoff wird bei maschineller Herstellung der Gießform mit Preßluft in das Formwerkzeug geschossen und sofort anschließend durch Hindurchleiten eines Katalysatorgases, zumeist Dimethylethylamin, im kalten Werkzeug schlagartig ausgehärtet.
- Aus technischen und wirtschaftlichen und insbesondere auch aus Gründen einer verminderten Umweltbelastung werden in der Gießereipraxis möglichst geringe Bindergehalte angestrebt, wodurch jedoch empfindliche Schwächen des Coldbox-Verfahrens hervortreten.
- Coldbox-Binder enthalten etwa 30 bis 40% verschiedener Lösungsmittel, die für die Dünnflüssigkeit, eine hohe Reaktivität des Binders, eine gute Verschießbarkeit der Formstoffmischung und ausreichende Festigkeit notwendig sind. Diese hohen Lösungsmittelmengen führen wärhrend der Verarbeitung und beim Abguß zu erheblichen Umweltbelastungen. Geringere als die genannten Mengen verschlechtern jedoch die Festigkeit insbesondere der Formteiloberflächen. Die Kantenfestigkeit wird beeinträchtigt und die Formteile werden insgesamt rieselig und mürbe. Damit verliert das Coldbox-Verfahren seine Brauchbarkeit. Polyurethangebundene Formteile haben bei ausreichendem Lösungsmittel- und Bindergehalt sofort nach ihrer Herstellung gute Festigkeit. Sie sind jedoch starch feuchtigkeitsempfindlich und verlieren bei höherer Luftfeuchtigkeit in Kurzer Zeit an Festigkeit. Hohe Luftfeuchten aber sind in Gießereien unvermeidlich. Coldbox-Kerne werden zudem häufig mit Wasserschlichten behandelt und auch in naßgußformen eingelegt und unterliegen dadurch einer starken Feuchtigkeitsschädigung. Dabei ist es der Formteilqualität besonders abträglich, daß diese Schädigung von außen nach innen fortschreitet und damit die besonders wichtige Formteiloberfläche zuallererst beeinträchtigt. Es ergibt sich somit ein höchst unerwünschter Festigkeitsgradient mit geringer Außen-, jedoch hoher Innenfestigkeit.
- Dieser Festigkeitsgradient ist aus einem weiteren Grund von Nachteil, weil er den Kernzerfall nach dem Abguß erschwert. Der schlechte Kernzerfall von Coldbox-Formteilen ist insbesondere beim Leichtmetallguß gefürchtet. Kernreste sind aus dem erkalteten Gußstück häufig nur sehr schwierig zu entfernen und erfordern einen hohen Putzaufwand und extreme Abreitsplatzbelastungen in der Putzerei.
- Die Gießereipraxis versucht, den durch zu geringe Oberflächenfestigkeit bedingten Schwierigkeiten durch erhöhte Bindergehalte und den Einsatz von Überzugsstoffen zu begegnen. Höhere Bindergehalte aber verschlechtern den Kernzerfall zusätzlich, weil die Festigkeit im Kerninnern hierdurch besonders stark erhöhrt wird. Eine Feuchtigkeitsschädigung erfolgt im Kerninnern zudem weniger durchgreifend als in den Oberflächenschichten. Coldbox-Formteile haben damit den schwerwiegenden Nachteil einer unerwünschten Festigkeitsverteilung. Auch nimmt ihre Festigkeit innerhalb von 24 Std. nach der Formgebung zu.
- Die vorliergende Erdindung geht von der Aufgabe aus, in Formteilen nach dem Coldbox-Verfahren bei verminderten Bindergehalt die Festigkeitseigenschaften und den Kernzerfall zu verbessern.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen von polyurethangebundenen Formteilen für die Giebereiindustrie nach dem Coldbox-Verfahren, bei welchem nach Einbringen einer Formstoffmischung in das Formwerkzeug die Formteilehärtung schlagartig durch Hindurchleiten eines gasförmigen Katalysators erfolgt, vorgeschlagen, daß das Formwerkzeug auf eine Temperatur von 30 bis 150°C, vorzugsweise 60 bis 80°C, erwarmt und die Formstoffmischung in das erwärmte Formwerkzeug eingebracht wird, bevor der gasförmige Katalysator eingeleitet wird.
- Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird die Formteiloberfläche in einer Stärke von wenigen Millimetern veredelt, und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit im Kerninnern erhalten oder sogar verstärkt, so daß die Festigkeit im Verlaufe der Kernlagerung an diesen Stellen geringer ist. Damit wird erreicht, daß Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit in der Oberflächenschicht verstärkt, im Kerninnern jecoch vermindert werden, um auf diese Weise zugleich den Kernzerfall zu verbessern. Als Folge der Oberflächenveredelung ist ein Absenken des Bindergehaltes möglkich. Diese Maßnahme senkt die Kosten, vermindert die Umweltbelastung und verbessert den Kernzerfall.
- Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß die beschriebenen Nachteile des Coldbox-Verfahrens durch eine Vernetzungsschwäche der Polyurethanmoleküle durch den Schuß und die sofort anschließende sehr schnelle Kalthärtung begründet ist. Dann können die nur schwachen Bindungen zwischen den Molekülketten durch Wasser leicht zerstört und die Formteilfestigkeiten irreparabel geschwächt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zielt deshalb darauf ab, das Polyurethan in der Formteiloberfläche in einen hochvernetzten Zustand zu überführen und dadurch die Festigkeit und insbesondere die Feuchtigkeitsresistenz in der Oberflächenschicht zu verstärken, die tieferliegenden Sandschichten jedoch in einem schwachvernetzten Zustand zu belassen.
- Es hat sich erweisen, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit höchster Wirksamkeit nach dem Schuß und kurz vor der Gashärtung durchgeführt werden kann, weil das Formteil zu diesem Zeitpunkt bereits gestaltet, die Molekülbeweglichkeit im noch weichen Formstoff aber immer noch groß ist. Das erfindungsgemäße Verfahren greift also in einen Fertigungsschritt des Coidbox-Verfahrens ein, der bisher achtlos und möglichst schnell übergangen worden ist. Veredelungsmaßnahmen erst nach der Härtung am fertigen Formteil sind wegen der weitgehend erfolgten Fixierung der Binderstrukturen weite weniger wirksam und insbesondere nicht mit den niedrigen Temperaturen zu erreichen, die das erfindungsgemäße Verfahrten kennzeichnen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit erwärmten Formwerkzeugen. Dabei können verhältnismäßig niedrige Temperaturen unterhalb 100°C angewendet werden. Auch ist die Gleichmäßigkeit der Erwärmung von untergeordneter Bedeutung. So kann das gleiche Formwerkzeug, z.B. stellenweise 50° und an anderer Stelle 80° warm sein, ohne daß gravierende Qualitätsunterschiede deutlich werden.
- Die Erwärmung metallischer Formwerkzeuge kann auf bekannte Art elektrisch oder durch Gasbeheizung erfolgen. Weitere Möglichkeiten sind durch Beufschlagung mit Heißluft gegeben oder dadurch, daß die notwendige Schieß-, Begasungs- und auch Spülluft zuvor durch Vorerhitzer geführt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit den konventionellen Hotbox- und Warmboxverfahren nicht zu verwechseln und unterscheidet sich von diesen grundlegend. Diese konventionellen Verfahren benutzen die Wärme zur Aushärtung und erfordern deshalb auch die Durchwärmung des gesamten Formteilquerschnitts. Sie arbeiten mit Temperaturen zwischen etwa 150° und 250°C und benötigen hohe Temperaturgleichmaßigkeit mit thermostatischer Steuerung.
- Die Wärme des erfindungsgemäßen Verfahrens hingegen führt selbst in der erwärmten Oberflächenschicht zu keiner Härtung. Der Formstoff bleibt weich und würde keine Handhabung erlauben. Das erfindungsgemäße Verfahren bleibt ein kaltverfahren, weil die Formteilhärtung durch einen gasförmigen Katalysator erreicht wird. Das neue Verfahren dient also allein dazu, die Wirkstamkeit der Gashärtung zu verbessern.
- Zwischen dem Einbringen der Formstoffmischung und dem Einleiten des gasförmigen Katalysators kann eine Wartezeit vorzugsweise von 20 bis 90 Sekunden vorgesehen sein. Diese Wartezeit kann, im Bedarfsfall auf vorzugsweise 15 bis 30 Sekunden verkürzt werden, wenn, der Lösungsmittelgehalt in der Formteiloberfläche erhölt wird. Un dies zu erreichen, wird das Formwerkzeug kurz vor dem Schuß mit einem dünnen Film aus Lösungsmittel versehen. Der eingeschlossene Formstoff übernimmt das Lösungsmittel und die angestrebte Oberflächenveredelung ist in kürzerer Zeit zu erreichen.
- Die durch die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen erreichbaren widerstandsfähigen und feuchtigkeitsresistenten Formteiloberflächen ermöglichen die Anwendung lösungsmittelarmer Binder. Sie sind insbesondere für den Leichtmetallguß zu empfehlen. Lösungsmittelarme Coldbox-Binder neigen während der Formteillagerung zur Eintfestigung und sind besonders feuchtigkeitsempfindlich. Sie konnten aus diesen Gründen bisher nicht eingesetzt werden. Diese bisherigen Nachteile bleiben nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr auf das Formteilinnere beschränkt und wirken sich dort aber vorteilhaft aus, weil der Kernzerfall und auch die Wiederverwendbarkeit des Altsandes hierdurch erleichtert werden. Diesen Vorteilen und den erheblichen Vorteilen, die bereits durch die Möglichkeit zum Absenken des Bindergehaltes geboten sind, steht ein geringfügig verlängerter Coldbox-Prozess und die Notwendigkeit zum Erwärmen der Formwerkzeuge gegenüber.
- Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise niedrigen Temperaturen erlauben den Einsatz von Kunststoffwerkzeugen. Zur Werkzeugtempererierung ist Heißwasser geeignet, wodurch gas Verfahren außerordentlich vereinfacht werden kann.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, bereits bei der Werkzeugherstellung entsprechende Wasserleitungsrohre in einer den Modellkonturen angepaßten Form in dem Kunstharz anzuordnen, die während der späteren Produktion fortwährend von Heißwasser durchflossen sind. Desweiteren wird vorgeschlagen, die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Heißwasserleitung und der Werkzeugoberfläche dadurch zu verbessern, daß gut wärmeleitende Füllmittel aus Metallpulver oder Metallgranulat vorhanden sind.
-
- Es zeigen:
- Figur 1 ein Formwerkzeug in vertikalem Schnitt,
- Figur 2 eine Gießform in Vertikalem Schnitt.
- Nach Figur 1 ist mit 1 die obere, mit 2 die untere Werkzeughälfte bezeichnet. 3 gibt die Teilung an. 4 bezeichnet den Einschuß, 5 den Formehohlraum. Mit 6 ist die konturenscharfe Kunstharzschicht bezeichnet. Mit 7 sind Rohre für Heißwasser bezeichnet. 8 gibt den Wassereintritt und 9 den Wasseraustritt an. Mit 10 ist die flexible Schlauchverbindung zwischen den beiden Werkzeughälften angegeben. 11 bedeutet den Aluminiumgries, der verdichtet in dem durch Kunstharz gebundenen Sand vorhanden ist. Mit 12 ist ein wärmeisolierender Außenmantel, z.B. aus mit Kunstharz gebundenem Quartsand bezeichnet. 13 bedeutet den Wekzeugrahmen. Mit dem Formwerkzeug nach Figur 1 wird der Kern 14 geschaffen, der nach der Darstellung in Figure 2 im Oberkasten 15 und Unterkasten 16 in dem dort vorhandenen Formsand 17 und 18 gelagert ist. Mit 19 ist der Anschnitt bezeichnet. Es kann auch ein Steiger vorhanden sein, durch den die Gießschmelze nach der Befüllung des Formhohlraumes 21 nach oben austritt.
- Figur 2 zeigt, daß nicht lediglich die Oberfläche 23 des Kerns 14 mit dem Formwerkzeug nach Figur 1 veredelt ist. Diese Veredelung in einer gewissen Schichtdicke ist durch eine Schraffur 24 dargestellt. Figure 2 zeigt, daß auch die Formteile 17 und 18 des Unterkastens und Oberkastens mit jeweils einer Verdelung versehen sind, die durch Schraffuren 25 und 26 dargestellt sind. Die nach der Erfindung erreichte Veredelung braucht nur an den Oberflächen der Formteile vorhanden zu sein, die den Formhohlraum 21 begrenzen.
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