EP1250971A1 - Trennmittel für ein Giessverfahren - Google Patents

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EP1250971A1
EP1250971A1 EP01810379A EP01810379A EP1250971A1 EP 1250971 A1 EP1250971 A1 EP 1250971A1 EP 01810379 A EP01810379 A EP 01810379A EP 01810379 A EP01810379 A EP 01810379A EP 1250971 A1 EP1250971 A1 EP 1250971A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
release agent
agent according
casting
metal
colloid particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01810379A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Imwinkelried
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcan Technology and Management Ltd filed Critical Alcan Technology and Management Ltd
Priority to EP01810379A priority Critical patent/EP1250971A1/de
Priority to PCT/EP2002/003226 priority patent/WO2002083338A2/de
Publication of EP1250971A1 publication Critical patent/EP1250971A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C3/00—Selection of compositions for coating the surfaces of moulds, cores, or patterns

Definitions

  • the present invention relates to a release agent for use in molds, in particular Casting molds of metal, of casting devices for the production of metal castings, in particular metal castings from a light metal, and the use of the release agent.
  • metal casting molds are used to directly cast or molded parts cast.
  • die casting processes such as permanent mold casting, tilt casting, vacuum casting or low pressure casting known, which is characterized by comparatively slow Mark mold filling times.
  • other molding processes such as die casting, Thixoguss or Vacural known, which is characterized by comparatively short mold filling times distinguished.
  • the melt is in the die casting, low pressure casting and Thixo casting process with pressurization, possibly with the generation of a negative pressure or vacuum, pressed into the mold.
  • the pressures used in a die casting process can sometimes be very high be and for example in the range of 100-1000 bar, so that the metal melt to some extent is shot into the mold.
  • the one intended for a molded part Molten metal is dosed ready in the so-called filling can or casting chamber placed and pressed into the mold cavity by means of a piston over the sprue channel. After the molten metal has solidified into the casting, the mold can be opened and that Cast part can be removed. Die casting is particularly suitable for efficient production of large series as well as for the production of thin-walled castings.
  • the mold cavity of the casting mold is evacuated or a negative pressure is generated before the molten metal is shot in.
  • Such methods are, for example, under the name MFT method (M inimum F illing T ime) or Vacural method known.
  • permanent molds i.e. reusable Casting molds used, with these permanent forms predominantly around metallic permanent forms from e.g. Steel, in particular from nitrided hot-work steel, is.
  • release agents are used before the actual casting process be applied to the surface of the mold cavity of the casting mold. Release agents are responsible for the adhesive forces between the melt and the mold decrease, i.e. prevent their sticking by placing them between both surfaces form an easily separable film. The separation effect of this film is mostly based on reducing the intermolecular forces, using the release agent as a shear surface acts.
  • the cleaned air is blown out, for example with compressed air Mold surface after demoulding in preparation for next pouring process again with release agent.
  • the release agent is usually sprayed on, the temperature of the mold being sufficient must be high so that the solvent evaporates within a reasonably short time and a release agent film can form.
  • the temperature of the mold must not be too high.
  • release agents are in the form of suspensions, i.e. as coarsely disperse systems with particle sizes larger than 1 ⁇ m, or as emulsions.
  • the main common classes of release agents are silicones in the form of oils, Oil emulsions in water or fats and resins, waxes, such as polyethylene and ester waxes, Metal soaps, greases, polymers, hydrocarbons and inorganic release agents in the form of powders (such as graphite, talc and mica).
  • solvent-based release agents often contain or consist of organic components that decompose on contact with the hot melt and release gases which are enclosed in the casting when the mold is filled can and affect its mechanical properties and weldability. As a result, good mechanical properties can only be achieved by low-fumigation Reach release agent.
  • the object is achieved in that the separating agent contains colloidal particles with particle diameters in the range of 1 - 1000 nm and the colloid particles for application to the mold surface in a disperse system, and the Colloid particles on the mold surface after evaporation of the solvent to form layers.
  • the release agent preferably consists essentially or completely (with the exception of of additives) from the aforementioned colloid particles. After evaporation of the solvent Colloidal particles present on the parting surface of the casting mold preferably form an uncrosslinked solid structure.
  • the colloid particles preferably have a diameter in the range from 1 to 500 nm, in particular from 1 to 200 nm, advantageously from 5 to 100 nm.
  • particle is the maximum particle diameter without further specification meant.
  • the diameter of the colloid particles depending on the one used Casting pressures, preferably in the range from 5 to 100 nm.
  • the colloid particles are preferably in 3-dimensional, rounded circumferential geometries before and are advantageously spherical. Globular colloids or spherical colloids are preferred.
  • the colloid particles can also be 3-dimensional polygonal circumferential geometries exhibit.
  • the colloidal particles can also take the form of fractal spatial geometries be constructed.
  • the maximum diameter of the individual colloid particle preferably does not deviate more than 100%, especially not more than 50%, from its smallest diameter.
  • the size distribution of the colloid particles in the release agent is preferably mono- or iso-disperse, i.e. the colloidal particles are essentially uniform in size.
  • the Colloidal particles can also be in a poly- or heterodisperse size distribution.
  • the size distribution preferably corresponds to a Gaussian distribution.
  • colloids can also be obtained by chemical reaction from a solution, e.g. by Hydrolysis of a sol.
  • the colloids can be lyophilic colloids, i.e. the colloids are formed by the direct dissolution of solid or liquid substances or by the solvent solvated.
  • the colloids can be lyophobic colloids, i.e. the colloids can only be produced in liquid separation media in which the substance in question is insoluble is.
  • the release agent solution is preferably in the form of an incoherent system or as a sol, i.e. the colloidal particles are free to move and are not related to other colloidal particles.
  • the solvent of the release agent according to the invention is preferably aqueous built up.
  • Organic-based solvents, especially alcoholic ones, are also possible Base like methanol or ethanol.
  • the release agent is available for application to the mold surface in the form of a solution.
  • the release agent is applied using known methods, such as spraying or To brush.
  • the solvent is used for evaporation brought so that colloidal particles of the size mentioned on the mold surface stay behind.
  • the colloidal particles can be seen on the interface after the solvent has evaporated form single or multi-layer layers, the number of layers being the number of colloidal particles arranged one above the other in layer thickness.
  • the number the layer layers can e.g. from 1 to 100, preferably 1 to 50 and in particular 1 to 20.
  • the effect of the colloidal release agent layer according to the invention is based on the fact that the contact area or contact area between the molten metal and the release agent is considerably reduced, ie the molten metal only lies on the colloid particles at certain points or areas, so that there is no direct contact between the liquid metal and the casting mold is formed, and due to the specifically optimized colloid size, the liquid metal cannot penetrate between the colloid particles because of its surface tension.
  • the colloidal particles should not be wetted by the liquid metal or only slightly.
  • the wetting angle or wetting angle ⁇ is preferably in the range from 90 ° to 180 °, preferably in the range from 150 ° to 180 °, and in particular around 180 ° (degrees of angle) (see “Measurement of the Surface Tension of Liquid Aluminum Alloys", S. Engler u. R. Ellerbrok., Foundry Research, 1/1974 , p. 47 ).
  • the geometric shape and the size of the colloidal particles are therefore crucial for the release agent to work optimally.
  • the size of the colloidal particles is specifically optimized depending on the physical properties of the molten metal, such as surface tension, and on the mold filling pressures used or the contact pressure of the molten metal on the mold surface.
  • the colloid particles are preferably inorganic colloids, and contain or consist from oxides or metal oxides. Furthermore, the colloidal particles can also be organometallic Compounds, in particular based on alkolates, ketones or carbonic acids, contain or consist of.
  • the colloid particles are preferably made of metal oxides.
  • metal oxides are ZnO, Fe 2 O 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , Li 2 O, CeO 2 or V 2 O 5 and in particular SiO 2 , and Al 2 O 3 or mixtures of two or more of the aforementioned metal oxides.
  • Suitable mixed oxides are, for example, ZnO / Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 / SiO 2 , and in particular Al 2 O 3 / SiO 2 .
  • the colloid particles of a release agent solution are, for example, in a weight-based one Concentration from 1: 100 to 1: 1000 (colloids: solvents), especially from 1: 500 to 1: 1000, before.
  • release agent solutions according to the invention are shown below:
  • Examples of such disperse systems based on silica are Particlear® from Dupont, Ludox® from Grace Davison or Snowtex® from Nissan Chemical America Corp.
  • Dispersal® from Condea.
  • colloidal-based disperse systems listed above are as such for various Known applications, their use as release agent systems in metal casting processes is not yet known.
  • Additives can also be added to the release agent or release agent solution, e.g. Additives such as acids or bases to adjust the pH, additives for stabilization of the release agent or colloidal solution, inhibitors as corrosion protection, additives such as fungicides or bactericides for preventing fungus formation or the like, surfactants for wetting the surfaces, or additives for preservation or preservation of the release agent. Additives can also be used to increase the viscosity of the Release agent solution can be used.
  • the optimal diameter of the colloid particles can be determined of release agents for casting certain metals under specific Calculate pressure ratios at which the effects described above are optimal come.
  • L is the distance between the two support points 2
  • P is the pressure prevailing in the molten metal
  • Fp the force acting on the surface 1 from the molten metal
  • Fs is the tension force of the surface 1.
  • the maximum distance of the molten metal between the two support points 2 is according to Equation (3) proportional to the surface tension ⁇ and inversely proportional to the applied pressure P.
  • the maximum diameter of the colloidal particles at which the above-mentioned effect still occurs, according to equation (3) of the 2-D model, is around 9 nm and at a prevailing pressure P of 100 bar and constant surface tension ⁇ around 90 nm.
  • the maximum diameter of the colloidal particles can further approximate realistic conditions can be calculated using a 3D model.
  • the colloid particles are simplified as balls 11, the arrangement of the balls for subsequent ones Calculation method corresponds to the densest spherical packing (see Fig. 2a and 2b).
  • the surface 15 of the liquid metal is not approximate to the three neighboring colloid particles 11, 12, 13 for the following calculations, rather the surface tension acts on a certain arc length, the so-called contact line 14.
  • the arc length 14 is around ⁇ * r / 3.
  • the maximum distance of the molten metal between the two contact lines (arc lines) 14 (approximated by the center point distance 2 * R of two balls) according to equation (7) also proportional to the surface tension ⁇ and inversely proportional to the applied pressure P.
  • the maximum diameter 2 * R of the colloid particles according to equation (7) (3-D model) is approximately 8 nm and at one prevailing pressure P of 100 bar and constant surface tension ⁇ approximately 80 nm.
  • Fig. 2a shows the deflection of the surface 15 of the liquid metal between three spherical ones Colloid particles 11, 12, 13.
  • 2b schematically shows the arrangement of the colloid particles 11, 12, 13 in the densest Ball packing and the contact surface of the molten metal with the contact lines 14 in plan view.
  • the release agent according to the invention is suitable for all molding processes in which Permanent forms, in particular permanent forms made of metal, are used.
  • the inventive Release agent is particularly suitable for applications on permanent metal molds, in particular from steel, such as hot-work steel, or from gray cast iron and for permanent molds made of aluminum and its alloys.
  • the release agent according to the invention can, provided the diameter of the colloid particles are in accordance with the aforementioned physical properties of the molten metal or the pressures used, for casting a variety of Metals are used, in particular for casting tin and tin alloys, Copper and copper alloys, bronze, lead and lead alloys, zinc and zinc alloys, Silver and silver alloys, gallium and gallium alloys, and in particular Aluminum as well as magnesium and their alloys.
  • Other castable metals, for which the release agent according to the invention can be used, should be by preceding Enumeration cannot be excluded.
  • the release agent according to the invention is suitable for all molding processes, in particular for the casting processes mentioned in the introduction, such as vacuum casting, low pressure casting, die casting, Thixo casting, vacural or squeeze casting processes.
  • a release agent of the structure and composition according to the invention is distinguished due to its excellent separating effect and the lack of or reduced gas generation upon contact with the molten metal. Furthermore, the release agent in relatively small amounts are used, e.g. in an amount of less as 1g colloid particles per casting process. Furthermore, there is no wetting of the release agent through the metal, especially the aluminum or magnesium melt. The Release agent does not undergo chemical reactions with the molten metal, especially with the aluminum or magnesium melt, yet it has a corrosive effect the casting mold, in particular compared to casting molds made of steel. The proposed Release agents, especially the resulting waste when cleaning the mold, are also environmentally friendly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trennmittel zur Verwendung in einem Formgiessverfahren zur Herstellung von Metallgussteilen, insbesondere Metallgussteilen aus Leichtmetall, wobei sich das Trennmittel dadurch auszeichnet, dass dieses in einem dispersen System in Form kugelförmiger Kolloid-Teilchen mit Teilchendurchmessern im Bereich von 1 - 1000 nm vorliegt, wobei nach Auftrag des Trennmittels auf die Giessform, das Lösungsmittel zum Verdampfen gebracht wird und Kolloid-Teilchen schichtbildend auf der Trennfläche zurückbleiben, auf welchen die Metallschmelze, ohne in dessen Zwischenräume zu einzudringen, aufliegt. <IMAGE>

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Trennmittel zur Verwendung in Giessformen, insbesondere Giessformen aus Metall, von Giessvorrichtungen zur Herstellung von Metallgussteilen, insbesondere Metallgussteilen aus einem Leichtmetall, sowie die Verwendung des Trennmittels.
Bei Formgiessverfahren werden mit metallischen Giessformen direkt Guss- bzw. Formteile gegossen. Es sind beispielsweise Formgiessverfahren wie Kokillenguss, Kippguss, Vakuumguss oder Niederdruckguss bekannt, welche sich durch vergleichsweise langsame Formfüllzeiten auszeichnen. Ferner sind weitere Formgiessverfahren wie Druckguss, Thixoguss oder Vacural bekannt, welche sich durch vergleichsweise kurze Formfüllzeiten auszeichnen.
Während beispielsweise beim Kokillenguss die Metallschmelze allein durch die Schwerkraft in die Giessform fliesst, wird die Schmelze in den Druckguss-, Niederdruckguss- und Thixogussverfahren mit Druckbeaufschlagung, gegebenenfalls unter Erzeugung eines Unterdruckes bzw. Vakuums, in die Giessform gepresst.
Die in einem Druckgussverfahren angewendeten Drücke können dabei mitunter sehr hoch sein und beispielsweise im Bereich von 100-1000 bar liegen, so dass die Metallschmelze gewissermassen in die Giessform hinein geschossen wird. Die für ein Formteil vorgesehene Metallschmelze wird in der sogenannten Füllbüchse oder Giesskammer dosiert bereit gestellt und mittels eines Kolbens über den Angiesskanal in den Formhohlraum gepresst. Nach Erstarrung der Metallschmelze zum Gussteil kann die Giessform geöffnet und das Gussteil entnommen werden. Der Druckguss eignet sich insbesondere zur rationellen Fertigung von Grossserien sowie zur Herstellung dünnwandiger Gussteile.
Bei den sogenannt modifizierten Druckgussverfahren wird der Formhohlraum der Giessform vor dem Einschiessen der Metallschmelze evakuiert bzw. es wird ein Unterdruck erzeugt. Solche Verfahren sind beispielsweise unter der Bezeichnung MFT-Verfahren (Minimum Filling Time) oder Vacural-Verfahren bekannt.
Bei den vorgenannten Formgiessverfahren werden in der Regel Dauerformen, d.h. wiederverwendbare Giessformen, eingesetzt, wobei es sich bei diesen Dauerformen überwiegend um metallische Dauerformen aus z.B. Stahl, insbesondere aus nitriertem Warmarbeitsstahl, handelt.
Um ein Verkleben der Metallschmelze, insbesondere der unter hohem Druck eingeschossenen Metallschmelze, mit der Giessform zu verhindern und die Entformbarkeit zu gewährleisten, werden sogenannte Trennmittel eingesetzt, die vor dem eigentlichen Giessvorgang auf die Oberfläche des Formhohlraumes der Giessform aufgebracht werden. Trennmittel haben dabei die Aufgabe die Adhäsionskräfte zwischen Schmelze und Giessform zu verringern, d.h. ihr Verkleben zu verhindern, indem sie zwischen beiden Oberflächen einen leicht trennbaren Film bilden. Die Trennwirkung dieses Filmes basiert zumeist auf der Herabsetzung der zwischenmolekularen Kräften, wobei das Trennmittel als Scherfläche wirkt.
Nach jedem Giessvorgang wird die gereinigte, beispielsweise mit komprimierter Luft ausgeblasene Giessformoberfläche im Anschluss an die Entformung in Vorbereitung des nächsten Giessvorganges wieder von Neuem mit Trennmittel beaufschlagt.
Das Trennmittel wird in der Regel aufgesprüht, wobei die Temperatur der Giessform genügend hoch sein muss, damit das Lösungsmittel innert einer vertretbar kurzen Zeit verdampfen und sich ein Trennmittelfilm ausbilden kann. Um einen sogenannten Leidenfrosteffekt, d.h. die Bildung eines Dampfpolsters zwischen Giessform und Trennmittel, zu verhindern, darf die Temperatur der Giessform jedoch auch nicht allzu hoch sein.
In der Regel liegen bekannte Trennmittel als Suspensionen, d.h. als grobdisperses Systeme mit Teilchengrössen von grösser als 1 µm, oder als Emulsionen vor.
Die wichtigsten üblichen Klassen von Trennmitteln sind die Silikone in Form von Ölen, Ölemulsionen in Wasser oder Fetten und Harzen, Wachse, wie Polyethylen- und Esterwachse, Metallseifen, Fette, Polymere, Kohlenwasserstoffe und anorganische Trennmittel in Form von Pudern (wie Graphit, Talk u. Glimmer).
Es sind beispielsweise wasserfreie Trennmittelsysteme auf Siloxan- und Wachsbasis sowie graphitbasierte Trennmittel, Trennmittel auf Basis von Kaliumiodid, wassermischbare Trennmittel in Form von Emulsionen auf der Basis von modifizierten Polysiloxanen und synthetischer Wachse sowie pulver- bzw. pelletförmige Trennmittel auf Basis hochschmelzender, synthetischer Wachse und modifizierter Polysiloxanen bekannt.
Gebräuchliche, lösungsmittelbasierte Trennmittel enthalten oder bestehen jedoch oft aus organischen Bestandteilen, die beim Kontakt mit der heissen Schmelze zersetzt werden und Gase freisetzen, welche bei der Formfüllung in das Gussteil eingeschlossen werden können und dessen mechanischen Eigenschaften sowie die Schweissbarkeit beeinträchtigen. Gute mechanische Eigenschaften lassen sich folglich nur durch wenig ausgasende Trennmittel erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trennmittel für Formgiessverfahren zur Herstellung von Metallgussteilen vorzuschlagen, welches die vorgenannten Nachteile überwindet und insbesondere:
  • eine gute Trennwirkung zwischen dem Metallgussteil und der Giessform bei Temperaturen der Metallschmelze von rund 600°C und der Giessform von rund 200°C aufweist;
  • keine oder eine möglichst geringe Gasbildung bei Kontakt mit der heissen Metallschmelze hervorruft;
  • nicht zur Bildung von dauerhaften Ablagerungen auf der Giessformoberfläche führt;
  • bei Giessform-Temperaturen von 100-300°C auf die Trennfläche aufgebracht werden kann und thermisch stabil ist;
  • keine korrosive Wirkung gegenüber der Giessform, insbesondere der Stahlgiessform, entfaltet;
  • weder umwelt- noch gesundheitsbelastend ist; und
  • möglichst kostengünstig in seiner Herstellung bzw. in seiner Beschaffung ist.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Trennmittel Kolloid-Teilchen mit Teilchendurchmessern im Bereich von 1 - 1000 nm enthält und die Kolloid-Teilchen zum Auftrag auf die Giessformoberfläche in einem dispersen System gelöst sind, und die Kolloid-Teilchen auf der Giessformoberfläche nach Verdampfen des Lösungsmittels schichtbildend vorliegen.
Weitere erfindungsgemässe Merkmale sind durch die Unteransprüche beschrieben.
Das Trennmittel besteht vorzugsweise im wesentlichen oder vollständig (mit Ausnahme von Additiven) aus vorgenannten Kolloid-Teilchen. Die nach Verdampfen des Lösungsmittels an der Trennfläche der Giessform vorliegenden Kolloid-Teilchen bilden vorzugsweise eine unvernetzte Festkörperstruktur aus.
Die Kolloid-Teilchen weisen bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 500 nm, insbesondere von 1 bis 200 nm, vorteilhaft von 5 bis 100 nm auf. Bei nicht kugelförmigen Teilchen ist mit dem Begriff "Durchmesser" ohne nähere Präzisierung der maximale Teilchendurchmesser gemeint. Zur Herstellung von Gussteilen aus Aluminium oder einer Legierung davon liegen die Durchmesser der Kolloid-Teilchen, in Abhängigkeit der angewendeten Giessdrücke, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 nm.
Die Kolloid-Teilchen liegen vorzugsweise in 3-dimensional rundlichen Umfangsgeometrien vor und sind vorteilhaft kugelförmig. Bevorzugt sind globuläre Kolloide oder Sphärokolloide. Die Kolloid-Teilchen können ferner auch 3-dimensional polygonale Umfangsgeometrien aufweisen. Die Kolloid-Teilchen können überdies in Form von fraktalen Raumgeometrien aufgebaut sein.
Der maximale Durchmesser des einzelnen Kolloid-Teilchen weicht vorzugsweise nicht mehr als 100%, insbesondere nicht mehr als 50%, von dessen kleinsten Durchmesser ab.
Die Grössenverteilung der Kolloid-Teilchen im Trennmittel ist vorzugsweise mono- bzw. iso-dispers, d.h. die Kolloid-Teilchen sind im wesentlichen von einheitlicher Grösse. Die Kolloid-Teilchen können auch in einer poly- bzw. heterodispersen Grössenverteilung vorliegen. Die Grössenverteilung entspricht dabei vorzugsweise einer Gauss-Verteilung.
Die Trennmittel-Lösung mit Kolloid-Teilchen, auch kolloiddisperses System oder kolloide Lösung bezeichnet, enthält oder besteht aus:
  • Molekülkolloiden, d.h. die disperse Phase besteht aus Makromolekülen, die, bedingt durch ihre Grösse, keine Lösungen zu bilden vermögen; und/oder
  • Assoziationskolloiden (Mizellkolloiden), d.h. die disperse Phase besteht aus kolloidalen Teilchen, die sich (von selbst) aus echten Lösungen bilden, wenn eine bestimmte Konzentration überschritten wird; und/oder vorzugsweise
  • Dispersionskolloiden, d.h. die disperse Phase besteht aus kolloiden Teilchen, die durch Dispersion (Zerteilung) aus kompakten Substanzen, durch Kondensation (z.B. Keimbildung und -wachstum, Aggregation) aus echten Lösungen oder durch Peptisation hergestellt werden.
Ferner können die Kolloide auch durch chemische Reaktion aus einer Lösung, z.B. durch Hydrolyse eines Sols, entstehen.
Nach einer weiteren Einteilung können die Kolloide lyophile Kolloide sein, d.h.die Kolloide werden durch direktes Lösen fester oder flüssiger Stoffe gebildet bzw. durch das Lösungsmittel solvatisiert. Ferner können die Kolloide lyophobe Kolloide sein, d.h. die Kolloide sind nur in flüssigen Zerteilungsmedien herstellbar, in denen der betreffende Stoff unlöslich ist.
Es sind auch Gemische aus zwei oder drei der obgenannten dispersen Phasen möglich.
Die Trennmittel-Lösung liegt vorzugsweise als inkoheräntes System bzw. als Sol vor, d.h. die Kolloid-Teilchen sind frei beweglich und hängen nicht mit anderen Kolloid-Teilchen zusammen.
Das Lösungsmittel des erfindungsgemässen Trennmittels ist bevorzugt auf wässriger Basis aufgebaut. Möglich sind auch Lösungsmittel auf organischer Basis, insbesondere auf alkoholischer Basis wie Methanol oder Ethanol.
Das Trennmittel liegt zum Auftrag auf die Giessformoberfläche in Form einer Lösung vor. Der Auftrag des Trennmittels geschieht mittels bekannter Verfahren, wie Sprühen oder Streichen. Nach Auftrag der Trennmittel-Lösung wird das Lösungsmittel zum Verdampfen gebracht, so dass Kolloid-Teilchen der genannten Grösse auf der Giessformoberfläche zurück bleiben. Die Kolloid-Teilchen können auf der Trennfläche nach Verdampen des Lösungsmittels ein- oder mehrlagige Schichten ausbilden, wobei mit Anzahl Lagen die Anzahl der in Schichtdicke übereinander angeordneten Kolloid-Teilchen gemeint ist. Die Anzahl der Schichtlagen kann z.B. von 1 bis 100, vorzugsweise 1 bis 50 und insbesondere 1 bis 20 betragen.
Die Wirkung der erfindungsgemässen kolloidalen Trennmittel-Schicht beruht darin, dass die Kontaktfläche bzw. Auflagefläche zwischen Metallschmelze und Trennmittel erheblich verkleinert ist, d.h. die Metallschmelze liegt lediglich punktuell bzw. teilflächig auf den Kolloid-Teilchen auf, derart dass kein direkter Kontakt zwischen dem flüssigen Metall und der Giessform entsteht, wobei aufgrund der gezielt optimierten Kolloidgrösse das flüssige Metall wegen seiner Oberflächenspannung nicht zwischen die Kolloid-Teilchen eindringen kann. Die Kolloid-Teilchen sollten jedoch vom flüssigen Metall nicht oder nur geringfügig benetzt werden. Der Benetzungswinkel oder Randwinkel  liegt vorzugsweise im Bereich von 90° bis 180°, vorzugsweise im Bereich von 150° bis 180°, und insbesondere bei rund 180° (Winkelgrade) (siehe "Messung der Oberflächenspannung flüssiger Aluminiumlegierungen", S. Engler u. R. Ellerbrok., Giessereiforschung, 1/1974, S. 47).
Aufgrund der punktweisen bzw. teilflächigen Auflage der Metallschmelze ist die Haft- und Reibungsfläche erheblich verkleinert. Die Entformungskräfte sind dadurch entsprechend verringert.
Die geometrische Form und die Grösse der Kolloid-Teilchen sind somit entscheidend für eine optimale Wirkung des Trennmittels. Die Grösse der Kolloid-Teilchen wird hierbei in Abhängigkeit zu den physikalischen Eigenschaften der Metallschmelze, wie z.B. Oberflächenspannung, und zu den angewendeten Formfülldrücken, bzw. dem Auflagedruck der Metallschmelze auf die Giessformoberfläche, gezielt optimiert. Der mittlere Durchmesser D der Kolloid-Teilchen ist daher vorzugsweise eine Funktion der Oberflächenspannung σ der Metallschmelze und des auf die Oberfläche der Metallschmelze wirkenden Druckes P: D = f(σ,P), wobei sich D näherungsweise direkt-proportional zu σ und umgekehrt-proportional zu P verhält.
Die Kolloid-Teilchen sind vorzugsweise anorganische Kolloide, und enthalten oder bestehen aus Oxiden bzw. Metalloxiden. Ferner können die Kolloid-Teilchen auch metallorganische Verbindungen, insbesondere auf Basis von Alkolaten, Ketonen oder Carbensäuren, enthalten oder daraus bestehen.
Die Kolloid-Teilchen sind vorzugsweise aus Metalloxiden. Geeignete Beispiele von Metalloxiden sind ZnO, Fe2O3, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, SnO2, Li2O, CeO2 oder V2O5 und insbesondere SiO2, und Al2O3 oder Gemische zweier oder mehrerer der vorgenannten Metalloxiden. Geeignete Mischoxide sind z.B. ZnO/Al2O3, Fe2O3/SiO2, und insbesondere Al2O3/SiO2.
Die Kolloid-Teilchen einer Trennmittel-Lösung liegen beispielsweise in einer gewichtsbezogenen Konzentration von 1:100 bis 1:1000 (Kolloide : Lösungsmittel), insbesondere von 1:500 bis 1:1000, vor.
Nachfolgend sind Beispiele von erfindungsgemässen Trennmittel-Lösungen aufgezeigt:
Beispiel 1:
  • Trennmittel: kolloidale SiO2-Teilchen
  • Teilchengrösse: ca. 10 nm
  • Lösungsmittel: Wasser
  • Anwendungsgebiet: Aluminium- oder Magnesium-Druckgussverfahren mit Dauerformen aus Stahl mit Giessformtemperaturen von ca. 200°C.
    • Beispiele solcher dispersen Systeme auf Kieselsäure-Basis sind Particlear® von Dupont, Ludox® von Grace Davison oder Snowtex® von Nissan Chemical America Corp.
    Beispiel 2:
  • Trennmittel: kolloidale Al2O3-Teilchen
  • Teilchengrösse: ca. 25 nm
  • Lösungsmittel: Wasser
  • Anwendung: Aluminium- oder Magnesium-Niederdruckgussverfahren mit Dauerformen aus Stahl mit Giessformtemperaturen von ca 150°C.
    • Beispiel eines solchen dispersen Systems auf Aluminiumoxid-Basis ist Dispersal® von Condea.
    Die oben aufgeführten dispersen Systeme auf kolloidaler Basis sind als solche für verschiedene Anwendungszwecke bekannt, ihr Einsatz als Trennmittelsysteme in Metallgiessverfahren ist jedoch bis anhin nicht bekannt.
    Dem Trennmittel, bzw. der Trennmittel-Lösung, können ferner Additive beigemischt sein, z.B. Additive wie Säuren oder Basen zur Einstellung des pH-Wertes, Additive zur Stabilisierung des Trennmittels bzw. der Kolloidalen Lösung, Inhibitoren als Korrosionsschutz, Additive wie Fungizide oder Bakterizide zur Verhinderung von Pilzbildung oder Ähnlichem, Tenside zur Benetzung der Oberflächen, oder Additive zur Konservierung bzw. Haltbarmachung des Trennmittels. Ferner können Addiditve zur Erhöhung der Viskosität der Trennmittel-Lösung eingesetzt werden.
    Basierend auf Modellrechnungen lassen sich die optimalen Durchmesser der Kolloid-Teilchen von Trennmitteln zum Giessen von bestimmten Metallen unter spezifischen Druckverhältnissen berechnen, bei welcher die vorbeschriebenen Effekte optimal zum Tragen kommen.
    Solche Berechnungen lassen sich beispielsweise für Trennmittel zum Einsatz in Aluminiumdruckgussverfahren durchführen, wobei in den nachfolgenden Berechnungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren 1-2 folgende Annahmen getroffen wurden:
    • die Kolloid-Teilchen sind kugelförmig;
    • der Benetzungswinkel  beträgt 180°;
    • die zu vergiessende Metallschmelze ist flüssiges Aluminium mit einer Oberflächenspannung von σ = 0,9 N/m;
    • die maximal zulässige Durchbiegung der Oberfläche α beträgt 30° (Fig. 1a, 1b);
    • der maximale von der Metallschmelze auf die Giessformoberfläche ausgeübte Druck P beträgt 1000 bar = 108 N/m2 (Fig. 1a, 2a);
    • die Deformation der Kolloid-Teilchen ist vernachlässigbar.
    Mittels eines 2D-Modells (2-dimensional) kann der maximale Abstand zwischen zwei Auflagepunkten der Metallschmelze, ohne dass die Metallschmelze bei einer Oberflächendurchbiegung von höchstens α = 30° in den Zwischenraum fliesst, durch folgende Berechnung näherungsweise ermittelt werden (siehe Fig. 1a und 1b): Fp = 2 * Fs* sinα P * L = 2 * σ * sinα L ≤2 * σ * sinα P = 0,9N/m 108 N/m 2 = 9nm wobei L der Abstand zwischen den beiden Auflagepunkten 2, P der in der Metallschmelze herrschende Druck, Fp die von der Metallschmelze auf die Oberfläche 1 wirkende Kraft und Fs die Spannkraft der Oberfläche 1 ist.
    Der maximale Abstand der Metallschmelze zwischen den beiden Auflagepunkten 2 ist gemäss Gleichung (3) proportional zur Oberflächenspannung σ und umgekehrt-proportional zum angewandten Druck P. Der maximale Durchmesser der Kolloid-Teilchen, bei welchem der obgenannte Effekt noch auftritt, beträgt gemäss Gleichung (3) des 2-D-Modells rund 9 nm und bei einem herrschenden Druck P von 100 bar und gleichbleibender Oberflächenspannung σ rund 90 nm.
    Der maximale Durchmesser der Kolloid-Teilchen kann ferner in weiterer Annäherung an realistische Bedingungen mittels eines 3D-Modells berechnet werden. Die Kolloid-Teilchen liegen vereinfacht als Kugeln 11 vor, wobei die Anordnung der Kugeln für nachfolgende Berechnungsmethode der dichtesten Kugelpackung entspricht (siehe Fig. 2a und 2b).
    Die Oberfläche 15 des flüssigen Metalles liegt dabei in Annäherung der Wirklichkeit für folgende Berechnungen nicht punktförmig an den drei benachbarten Kolloid-Teilchen 11, 12, 13 auf, vielmehr greift die Oberflächenspannung auf einer bestimmten Bogenlänge, der sogenannten Kontaktlinie 14, an. Für den Fall der dichtesten Kugelpackung beträgt die Bogenlänge 14 rund π*r/3. Das Kräftegleichgewicht lässt sich wie folgt ausdrücken: Fp = 3 * Fs * sinα 3 * R2 * P = π * r * σ * sinα wobei r = R * sinα R = π * σ * sin2α 3 * P = π * 0,9N/m * 0,25 3 * 108 N/m 2 ≈ 4nm wobei R dem Kugelradius entspricht, P der auf die Oberfläche der Metallschmelze wirkende Druck, Fp die von der Metallschmelze auf die Oberfläche 15 wirkende Kraft und Fs die Spannkraft der Oberfläche 1 ist.
    Der maximale Abstand der Metallschmelze zwischen den beiden Kontaktlinien (Bogenlinien) 14 (in Annäherung durch den Mittelpunktabstand 2*R zweier Kugeln beschrieben) ist gemäss Gleichung (7) ebenfalls proportional zur Oberflächenspannung σ und umgekehrt-proportional zum angewandten Druck P. Der maximale Durchmesser 2*R der Kolloid-Teilchen beträgt gemäss Gleichung (7) (3-D-Modell) näherungsweise 8 nm und bei einem herrschenden Druck P von 100 bar und gleichbleibender Oberflächenspannung σ näherungsweise 80 nm.
    Die Variabilität der Oberflächenspannung σ ist vergleichsweise zur Variabilität des herrschenden Drucks P gering. Selbst die Abweichung der Oberflächenspannung zwischen flüssigem Aluminium und flüssigem Magnesium (σ = 0,7 N/m) ist derart gering, dass bei der Optimierung der Kolloidgrösse die Erfassung und Berücksichtigung der herrschenden Giessdrücke von primärer Wichtigkeit sind.
    Fig. 2a zeigt die Durchbiegung der Oberfläche 15 des flüssigen Metalls zwischen drei kugelförmigen Kolloid-Teilchen 11, 12, 13.
    Fig. 2b zeigt schematisch die Anordnung der Kolloid-Teilchen 11, 12, 13 in der dichtesten Kugelpackung und die Auflagefläche der Metallschmelze mit den Kontaktlinien 14 in Draufsicht.
    Das erfindungsgemässe Trennmittel eignet sich für alle Formgiessverfahren, in welchen Dauerformen, insbesondere Dauerformen aus Metall, Einsatz finden. Das erfindungsgemässe Trennmittel eignet sich insbesondere für Anwendungen auf metallische Dauerformen, insbesondere aus Stahl, wie Warmarbeitsstahl, oder aus Grauguss sowie für Dauerformen aus Aluminium und seinen Legierungen.
    Das erfindungsgemässe Trennmittel kann, vorausgesetzt die Durchmesser der Kolloid-Teilchen sind entsprechend den vorgenannten physikalischen Eigenschaften der Metallschmelze bzw. den angewendeten Drücken ausgelegt, zum Giessen einer Vielzahl von Metallen eingesetzt werden, insbesondere zum Giessen von Zinn und Zinnlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Bronze, Blei und Bleilegierungen, Zink und Zinklegierungen, Silber und Silberlegierungen, Gallium und Galliumlegierungen, und insbesondere Aluminium sowie Magnesium und deren Legierungen. Weitere giessbare Metalle, bei welchen sich das erfindungsgemässe Trennmittel einsetzen lässt, sollen durch vorangehende Aufzählung nicht ausgeschlossen sein.
    Das erfindungsgemässe Trennmittel eignet sich für alle Formgiessverfahren, insbesondere für die einleitend genannten Giessverfahren, wie Vakuumguss-, Niederdruckguss-, Druckguss-, Thixoguss-, Vacural- oder Squeeze-Casting-Verfahren.
    Ein Trennmittel von erfindungsgemässem Aufbau und Zusammensetzung zeichnet sich durch seine ausgezeichnete Trennwirkung und der fehlenden oder verminderten Gasentwicklung bei Kontakt mit der flüssigen Metallschmelze aus. Ferner kann das Trennmittel in verhältnismässig geringen Mengen angewendet werden, z.B. in einer Menge von weniger als 1g Kolloid-Teilchen pro Giessvorgang. Im weiteren findet keine Benetzung des Trennmittels durch die Metall-, insbesondere die Aluminium- oder Magnesiumschmelze statt. Das Trennmittel geht weder chemische Reaktionen mit der Metallschmelze, insbesondere mit der Aluminium- oder Magnesiumschmelze ein, noch zeigt es korrosive Wirkung gegenüber der Giessform, insbesondere gegenüber Giessformen aus Stahl. Das vorgeschlagene Trennmittel, insbesondere die daraus hervorgehenden Abfälle beim Reinigen der Giessform, sind überdies umweltverträglich.
    Dank der verringerten Auflagefläche der Metallschmelze auf dem Trennmittel weist diese aufgrund der daraus resultierenden geringeren Reibung eine verbesserte Fliessfähigkeit auf. Die mechanischen Belastungen, insbesondere bei Druckgussverfahren, sind dank der verbesserten Fliessfähigkeit der Metallschmelze bis zum Abschluss der Formfüllung kleiner, d.h. aufgrund der guten Fliessfähigkeit kann die Giessform mit geringerem Druck gefüllt werden als bisher. Ferner können Dank der verbesserten Fliessfähigkeit der Metallschmelze Gussteile mit komplizierten geometrischen und dünnwandigen Strukturen hergestellt werden.

    Claims (15)

    1. Trennmittel zur Verwendung in Giessformen, insbesondere Giessformen aus Metall, von Giessvorrichtungen zur Herstellung von Metallgussteilen, insbesondere Metallgussteilen aus einem Leichtmetall,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Trennmittel Kolloid-Teilchen mit Teilchendurchmessern im Bereich von 1 - 1000 nm enthält und die Kolloid-Teilchen zum Auftrag auf die Giessformoberfläche in einem dispersen System gelöst sind, und die Kolloid-Teilchen auf der Giessformoberfläche nach Verdampfen des Lösungsmittels schichtbildend vorliegen.
    2. Trennmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel im wesentlichen oder vollständig aus Kolloid-Teilchen mit Teilchendurchmessern im Bereich von 1 - 1000 nm besteht.
    3. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser D der Kolloid-Teilchen eine Funktion D = f(σ, P) der Oberflächenspannung σ der Metallschmelze und des auf die Oberfläche der Metallschmelze wirkenden Druckes P ist, wobei sich D direkt-proportional zu σ und umgekehrt-proportional zu P verhält.
    4. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolloid-Teilchen einen Durchmesser im Bereich von 1-500 nm, insbesondere von 5-100 nm, aufweisen.
    5. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolloid-Teilchen von 3-dimensional-rundlicher Geometrie oder kugelförmig, und vorzugsweise globuläre Kolloide oder Sphärokolloide sind.
    6. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolloid-Teilchen im Trennmittel in mono-disperser Grössenverteilung vorliegen.
    7. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase Molekülkolloide aus Makromolekülen enthält oder daraus besteht.
    8. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase Assoziationskolloide, die sich aus echten Lösungen bilden, wenn eine bestimmte Konzentration überschritten wird, enthält oder daraus besteht.
    9. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase Dispersionskolloide, die durch Dispersion aus kompakten Substanzen oder durch Kondensation aus echten Lösungen oder durch Peptisation hergestellt sind, enthält oder daraus besteht.
    10. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolloid-Teilchen aus einem reinen Metalloxid oder Mischoxid, insbesondere aus SiO2 und/oder Al2O3, sind.
    11. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolloid-Teilchen des Trennmittels in einer gewichtsbezogenen Konzentration von 1:100 bis 1:1000 vorliegen.
    12. Trennmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel Additive, insbesondere Additive zur Einstellung des pH-Wertes, enthält.
    13. Verwendung des Trennmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Giessformen, insbesondere Dauerformen, zur Herstellung von Metallgussteilen, insbesondere von Metallgussteilen aus einem Leichtmetall.
    14. Verwendung des Trennmittels nach Anspruch 13, zur Herstellung von Metallgussteilen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen.
    15. Verwendung des Trennmittels nach einem der Ansprüche 13 bis 14 zur Herstellung von Metallgussteilen in einem Vakuumguss-, Niederdruckguss-, Druckguss-, Thixoguss-, Vacural- oder Squeeze-Casting-Verfahren.
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    US3357481A (en) * 1965-08-27 1967-12-12 Nalco Chemical Co Method of inhibiting erosion on mold surfaces
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