EP1425121A1 - Verfahren zum herstellen von gussstücken, formsand und seine verwendung für die durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum herstellen von gussstücken, formsand und seine verwendung für die durchführung des verfahrens

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EP1425121A1
EP1425121A1 EP02772298A EP02772298A EP1425121A1 EP 1425121 A1 EP1425121 A1 EP 1425121A1 EP 02772298 A EP02772298 A EP 02772298A EP 02772298 A EP02772298 A EP 02772298A EP 1425121 A1 EP1425121 A1 EP 1425121A1
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EP
European Patent Office
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casting
molding material
mold
binder
molding
Prior art date
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EP02772298A
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English (en)
French (fr)
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EP1425121B1 (de
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Bernhard Stauder
Walter Gintner
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Hydro Aluminium Mandl and Berger GmbH
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Hydro Aluminium Mandl and Berger GmbH
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Priority claimed from DE10209224A external-priority patent/DE10209224A1/de
Priority claimed from DE10209183A external-priority patent/DE10209183A1/de
Application filed by Hydro Aluminium Mandl and Berger GmbH filed Critical Hydro Aluminium Mandl and Berger GmbH
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    • B22C1/08—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives for decreasing shrinkage of the mould, e.g. for investment casting
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    • B22C1/18—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a molding material and its use for the production of casting mold parts which are used for the casting of molten metal, in particular of molten light metal, such as molten aluminum.
  • casting mold parts can be, for example, casting cores, through which cavities are formed in the interior of the casting to be produced.
  • mold parts according to the invention can be components from which a multi-part mold is assembled, by means of which the outer shape of the cast part to be produced is determined.
  • such casting mold parts are required, by means of which the inner and the outer shape of the workpiece to be cast are determined. Accordingly, such casting mold parts can be casting cores, through which cavities are formed in the interior of the casting to be produced, or are casting mold elements from which a multi-part casting mold is assembled, which determines the external shape of the casting to be produced.
  • quartz sand as the basic material for the production of casting mold parts has proven itself in several ways, in particular in the field of casting light metal materials. Such quartz sand can be obtained inexpensively and is characterized by simple processability and good quality in the imaging of the mold elements of the casting mold part to be produced.
  • the molded materials should be regenerable after use in such a way that the highest possible rate of reuse is achieved with the molded raw material.
  • This can be achieved in a manner known per se by using inorganic binders which release low emissions during the production of the molded parts and which can be burned almost without residue after the casting process has ended by exposure to sufficiently high temperatures.
  • Another problem with pouring complex shaped castings using conventionally produced mold parts is that the sand is difficult to remove from the casting after cooling.
  • the cast part is usually shaken or subjected to impacts which are intended to disintegrate the casting cores located in the inside of the cast part and the shaped parts adhering to the outside of the cast part and to promote the trickling out of the molded material particles obtained.
  • these mechanical methods for removing the molded parts entail the risk of damage to the cast part. This can lead to the formation of cracks, particularly in the case of filigree-shaped or thin-walled components.
  • the object of the invention was to provide a method with which high-quality, complex-shaped castings can be produced and in which the casting mold parts can be removed from or from the casting in a simple and safe manner after the casting process has ended.
  • a molding material should be made available, with which molded parts can be produced which are suitable for producing high-quality, complex-shaped castings and which can be easily and safely removed from or from the casting after the casting process has ended.
  • the above-mentioned object is achieved by a molding material for the production of casting mold parts for pouring molten metal, in particular light metal melt, which consists of a mixture of a free-flowing mold base material inert to the metal melt and a binder mixed with the mold base material, the thermal expansion behavior of mold base material and binder are matched to one another in such a way that the thermal expansion coefficient of the molten metal is above the thermal expansion coefficient of the casting mold part produced from the molding material.
  • the invention is based on the knowledge that, by choosing a suitable molding material, mold parts can be produced which optimally combine the properties required for the simple, safe and environmentally friendly production of high-quality, dimensionally accurate cast parts.
  • the molding material according to the invention optimally combines the properties which are a prerequisite for the production of a high-quality cast part are at the same time a simple manufacturing method.
  • the molding material according to the invention contains a granular or comparable particle-like form and as such a free-flowing base material which, when it inevitably occurs during the casting, exhibits a significantly low thermal expansion compared to conventionally used quartz sand.
  • the basic molding material thus guarantees high dimensional accuracy in the production of complex shaped castings, even with a low material thickness.
  • the free-flowing base material is mixed with a binder that has a different expansion behavior from the base material when heated. Due to the different thermal expansion of the base material and the binder, the binder is detached from the grains of the base material after the heat has been introduced from the casting heat. As a result, when the binder expands more than the base material, the binder bursts open so that it loses its solid shape and can be easily removed from or from the cast part. Conversely, the expansion behavior of the basic molding material can be such that the bond to the binder is broken by a change in volume associated with the heating and the basic material becomes free-flowing again. It is essential that the core or molded component breaks along with the heating, so that after the casting has cooled, it breaks down into easily removable, loose individual parts.
  • a further property of the molding material procured and used according to the invention which is advantageous for the invention is that the binder and the molding base material are matched to one another such that the particles of the base material are thermally stable and not elastically bound by the binder in the molded parts produced from the molding material.
  • the cast part produced from such a basic molding material behaves brittle over the entire temperature interval that has passed through when the melt is poured off, as a result of which the Invention desired breaking of the molded parts is promoted.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the particles of the basic molding material have an essentially round, spherical shape.
  • the spherical shape of the base material and the associated predominance of point contacts between the base material particles promotes the automatic disintegration of the molded parts as a result of the mechanical forces that occur during the pouring and solidification of the melt.
  • a basic molding material that fulfills this requirement particularly well is synthetically produced mullite.
  • the molding base material has at least a portion, preferably more than 50% or more than 70%, of the aluminum oxide sand (mullite) which constitutes quartz sand.
  • Mullite has a round grain shape and a density comparable to that of quartz sand.
  • molded material composed according to the invention is particularly suitable for the production of casting cores. These can be removed after casting without the risk of damaging the finished casting.
  • a molding base material composed of a mullite-quartz sand mixture and a molding material produced from it have a rather insulating effect. Therefore, these substances can be used specifically for casting technology applications in which there is a temperature rise above the critical temperature of 573 ° C for quartz sands, in which the thermal conductivity of the molded parts produced from the substances in question plays a subordinate role or heat conduction should be deliberately restricted. Practical tests have shown that by adding a sufficient amount of mullite sand to a quartz sand, the problems of spontaneous changes in geometry can be overcome, which occur when quartz sand is used alone as the basic molding material for the production of slim, filigree castings. It is essential that the proportion of Al 2 Si0 5 sand is sufficiently high in each case to be able to compensate for the change in length of the quartz that otherwise occurs with quartz sand due to the heating above the critical temperature.
  • the binder and base material are moreover preferably matched to one another in such a way that a casting mold part produced from the molding material has a low thermal conductivity. This property causes the temperature difference between the casting material and the molded part to remain large after the metal melt has been poured off, so that the risk of premature thermally or chemically triggered decomposition of the molded part is reduced to a minimum.
  • the base material and the binder expand differently.
  • the binder after the heat input from the casting heat, the binder is detached from the grains of the base material.
  • the binder expands more than the base material, it bursts the molded part in such a way that it loses its solid form and breaks up into fragments. These can easily be shaken off or from the cast part without the risk of mechanical damage.
  • the mold part becomes so solid that it can be removed from the core box and placed in a heating device, for example a microwave oven, which is arranged outside the core box.
  • a heating device for example a microwave oven, which is arranged outside the core box.
  • this heating device it is heated with sufficient heat output to such an extent that an amount of water sufficient for complete hardening is withdrawn.
  • the respective molded part can be used to increase the molded part
  • Core surface strength can be sprayed with binder liquid.
  • the molded parts treated in this way have an increased stability with an equally increased abrasion resistance, so that they can be stored without problems and meet the highest requirements for their dimensional accuracy. This proves to be particularly favorable with regard to an optimized quality of the casting to be produced if a water glass binder is used.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of a drawing illustrating an exemplary embodiment.
  • the single figure shows schematically in section a camshaft core 1 of a mold, not shown, for casting a cylinder head from an aluminum casting alloy.
  • two recesses 3, 4 are formed, spaced apart in the longitudinal direction, through which the shape of the bearing blocks of the cylinder head to be manufactured, which are provided for mounting the camshaft, is determined.
  • the length A of the branches 5, 6 is in this case many times greater than its diameter B.
  • the length C of the main section 7 of the oil channel core 8 is many times greater than its diameter D.
  • the ole channel core 8 has been produced in a conventional manner in a conventional molding machine from a molding material according to the invention which has been produced by mixing a molding base material consisting of mullite sand and quartz sand with a water glass binder. Due to the proportion of mullite sand, it is ensured that the ole channel core 8 expands evenly and consequently clearly predeterminable even when it heats up to over 573 ° C. in the course of the casting of the cylinder head to be produced.
  • the casting cores 1.8 deform due to the peculiarities coordinated with one another in the manner according to the invention only insignificant of the basic molding material and binder.
  • the low thermal expansion of the base material thus supports the process-reliable achievement of the dimensional requirements of the casting.
  • the fragments into which the respective casting core 1, 8 automatically disintegrates due to the action of the casting heat and due to the different thermal expansion behavior of the base material and the binder , emptied from the casting and processed.
  • the solid core contraction of the cast metal which is considerably higher than that of the casting cores 1.8, subjects the casting core 1.8 to high mechanical stresses. Due to the brittle, inelastic nature of the casting cores 1.8, these cause the casting cores 1.8 to shatter into bulb-like fragments.
  • the processing of the casting core fragments can include gentle breaking into granular particles.
  • the granular particles obtained can then be subjected to metal deposition and dedusting to produce the condition necessary for their reuse.
  • the casting mold parts recycled to granular material are then used again as the base material for the molding material composed according to the invention.
  • molding materials are used in the manner according to the invention which consist of molding base material, such as synthetic mullite, mixed with water glass binder, then no significant emissions occur during the production of the moldings. As a result, casting errors that occur repeatedly as a result of gas formation, extensive precautions for the extraction of gases and complex tool cleaning can be avoided in the conventional procedure. This reduces the burden on the environment and operating personnel to a minimum.

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich qualitativ hochwertige, komplex geformte Gussstücke herstellen lassen und bei dem nach Beendigung des Gießvorgangs die Gießformteile auf einfache Weise und gefahrlos aus bzw. von dem Gussstück entfernt werden können. Dazu werden folgende Schritte durchgeführt:Herstellen eines Formstoffs durch Mischen eines gegenüber der Metallschmelze inerten, rieselfähigen Formgrundstoff, der sich bei Erwärmung geringer ausdehnt als Quarzsand, und eines Binders, der sich bei Erwärmung anders ausdehnt als der Formgrundstoff, Herstellen eines Gießformteils aus dem Formstoff, Zusammenstellen einer Gießform unter Verwendung des Gießformteils, Abgießen der Metallschmelze in die Gießform zu einem Gussstück, Abkühlen des Gussstücks über eine Erstarrungs- und Abkühlzeit, in der das Gießformteil selbsttätig zu Bruchstücken zerfällt, Entfernen der Bruchstücke des Gießformteils von oder aus dem Gussstück, Aufbereiten der Bruchstücke des Formstoffs zu rieselfähigem Formgrundstoff.

Description

Verfahren zum Herstellen von Gussstücken, Formsand und seine Verwendung für die Durchführung des
Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gussstücken aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, wie Aluminiumschmelze.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Formstoff und seine Verwendung für die Herstellung von Gießformteilen, die für das Abgießen von Metallschmelze, insbesondere von Leichtmetallschmelze, wie Aluminiumschmelze, eingesetzt werden. Bei derartigen Gießformteilen kann es sich beispielsweise um Gießkerne handeln, durch welche Hohlräume im Innern des zu erzeugenden Gussteils ausgebildet werden. Ebenso kann es sich bei erfindungsgemäßen Gießformteilen um Bauelemente handeln, aus denen eine mehrteilige Gießform zusammengesetzt wird, durch die die Außenform des zu erzeugenden Gussteils bestimmt wird.
Bei der gießtechnischen Herstellung von Bauteilen aus Metall werden Gießformteile benötigt, durch die einerseits die innere und andererseits die äußere Form des zu gießenden Werkstücks bestimmt wird. Bei derartigen Gießformteilen kann es sich dementsprechend um Gießkerne, durch welche Hohlräume im Innern des zu erzeugenden Gussteils ausgebildet werden, oder um Gießformelemente handeln, aus denen eine mehrteilige Gießform zusammengesetzt wird, welche die Außenform des zu erzeugenden Gussteils bestimmt.
Zur Herstellung von Gießformteilen werden in der Regel FormstoffSysteme eingesetzt, die aus einem Formgrundstoff und einem Bindemittel zusammengesetzt sind. Diese beiden Komponenten werden miteinander vermischt, geformt und in einem geeigneten Aushärteprozess zu einem kompakten Körper verarbeitet. Als Formgrundstoff kommt dabei üblicherweise Quarzsand zum Einsatz, der in der überwiegenden Zahl der Anwendungen mit einem organischen Bindemittel gebunden wird.
Die Verwendung von Quarzsand als Grundstoff für die Herstellung von Gießformteilen hat sich insbesondere im Bereich des Vergießens von Leichtmetallwerkstoffen in mehrfacher Hinsicht bewährt. So lässt sich derartiger Quarzsand kostengünstig beschaffen und zeichnet sich durch eine einfache Verarbeitbarkeit und eine gute Qualität bei der Abbildung der Formelemente des jeweils zu erzeugenden Gießformteils aus.
Als umweltverträglichere Alternative zu organischen Bindern ist die Verwendung von Bindern auf Wasserglasbasis vorgeschlagen worden. Dieser Wasserglasbinder wird mit dem Formsand vermischt. Das erhaltene Gemisch wird dann in den Formkasten einer Formmaschine geschossen, in dem ein die Form des herzustellenden Formteils abbildender Hohlraum ausgebildet ist. Anschließend wird dem in die Form gegebenen Gemisch durch Wärmezufuhr Wasser entzogen. Die Wärmezufuhr kann dabei über eine entsprechende Beheizung des Formkastens oder durch eine direkt auf das Gemisch wirkende Mikrowellenheizung erfolgen (WO-A-86/00033 , EP 0 917 499 Bl, DE 196 32 293 AI) .
Um ein optimales Arbeitsergebnis beim Abgießen der Metallschmelze zu gewährleisten, muss der zur Herstellung der Gießformteile eingesetzte Formstoff eine hohe Festigkeit und Maßtreue besitzen, die auch bei während des Baus der Gießform und dem Abgießen der Schmelze auftretenden Belastungen erhalten bleibt . Darüber hinaus soll sich der Formstoff nach dem Abgießen auf einfache Weise entfernen lassen. Letzteres erweist sich insbesondere dann als besonders wichtig, wenn Gießkerne eingesetzt werden, die in dem Gussteil komplex geformte Innenräume ausbilden.
Schließlich sollen die Formstoffe nach Gebrauch so regenerierbar sein, dass beim Formgrundstoff eine möglichst hohe Quote der Wiederverwendung erreicht wird. Dies lässt sich in an sich bekannter Weise durch Verwendung von anorganischen Bindern erreichen, die während der Herstellung der Formteile geringe Emissionen freisetzen und nach Beendigung des Gießvorgangs durch Einwirken von ausreichend hohen Temperaturen annähernd rückstandslos verbrannt werden können.
In der praktischen Anwendung zeigt sich, dass die bekannten FormstoffSysteme unabhängig davon, ob organische oder anorganische Binder enthalten, unter üblichen Bedingungen die für ein optimales Arbeitsergebnis erforderlichen Eigenschaften besitzen. Doch besonders bei dünnwandigen Formteilen, wie sie beispielsweise für das Gießen von Motorblöcken oder Zylinderköpfen als Formkerne für Ölkanäle eingesetzt werden, kann es in Folge unvermeidbarer Wärmeausdehnung dazu kommen, dass die Anforderungen an die Maßhaltigkeit des Gussteils nicht mehr erfüllt werden.
Ein weiteres Problem beim Abgießen von komplex geformten Gussstücken unter Verwendung von konventionell hergestellten Gießformteilen besteht darin, dass sich der Sand nach der Abkühlung nur schwer aus dem Gussteil entfernen lässt. Üblicherweise wird das Gussteil dazu geschüttelt oder Schlägen ausgesetzt, die einen Zerfall der im Innern des Gussteils befindlichen Gießkerne und der Außen an dem Gussteil haftenden Formteile bewirken und das Herausrieseln der erhaltenen Formstoffpartikel fördern sollen. Diese mechanischen Verfahren zum Entfernen der Formteile bringen jedoch die Gefahr einer Beschädigung des Gussteils mit sich. So kann es insbesondere bei filigran geformten oder dünnwandigen Bauteilen zu Rissbildungen kommen.
Es ist daher vorgeschlagen worden, anstelle mechanisch auf das Gussteil einwirkender Maßnahmen das Gussstück so stark zu erhitzen, dass der Binder verbrennt bis allein der Formgrundstoff zurückbleibt und als rieselfähiges Material leicht aus und von dem Gussteil entfernt werden kann. Der dazu erforderliche apparative Aufwand ist erheblich. Darüber hinaus sind die für das Verbrennen des Binders erforderlichen Temperaturen so hoch, dass mit der Erwärmung unvermeidbar auch eine Änderung der Eigenschaften des metallischen Gussstücks verursacht wird. Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich qualitativ hochwertige, komplex geformte Gussstücke herstellen lassen und bei dem nach Beendigung des Gießvorgangs die Gießformteile auf einfache Weise und gefahrlos aus bzw. von dem Gussstück entfernt werden können. Darüber hinaus sollte ein Formstoff zur Verfügung gestellt werden, mit welchem sich Formteile herstellen lassen, die zur Erzeugung qualitativ hochwertiger, komplex geformter Gussstücke geeignet sind und sich nach Beendigung des Gießvorgangs auf einfache Weise und gefahrlos aus bzw. von dem Gussstück entfernen lassen.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen von Gussstücken aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, gelöst, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
- Herstellen eines Gießformteils aus dem Formstoff, der aus einem gegenüber der Metallschmelze inerten, rieselfähigen Formgrundstoff und einem Binder gemischt ist, wobei das Wärmeausdehnungsverhalten von Formgrundstoff und Binder derart aufeinander abgestimmt sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschmelze über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des aus dem Formstoff hergestellten Gießformteils liegt,
- Zusammenstellen einer Gießform unter Verwendung des Gießformteils,
- Abgießen der Metallschmelze in die Gießform zu einem Gussstück, - Abkühlen des Gussstücks über eine Erstarrungs- und Abkühlzeit, in der das Gießformteil selbsttätig zu Bruchstücken zerfällt,
- Entfernen der Bruchstücke des Gießformteils von oder aus dem Gussstück,
- Aufbereiten der Bruchstücke des Formstoffs zu rieselfähigem Formgrundstoff.
Zum anderen wird die voranstehend genannte Aufgabe gelöst durch einen Formstoff für die Herstellung von Gießformteilen für das Abgießen von Metallschmelze, insbesondere von Leichtmetallschmelze, der aus einem Gemisch aus einem gegenüber der Metallschmelze inerten, rieselfähigen Formgrundstoff und einem mit dem Formgrundstoff vermischten Binder, wobei das Wärmeausdehnungsverhalten von Formgrundstoff und Binder derart aufeinander abgestimmt sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschmelze über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des aus dem Formstoff hergestellten Gießformteils liegt.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich durch die Wahl eines geeigneten Formstoffs Gießformteile erzeugen lassen, die in optimaler Weise die für die einfache, sichere und umweltfreundliche Herstellung von hochwertigen, maßhaltigen Gussteilen erforderlichen Eigenschaften miteinander verbinden.
Erfindungsgemäßer Formstoff verbindet in optimaler Weise die Eigenschaften, welche Voraussetzung für die Herstellung eines qualitativ hochwertigen Gussteils bei gleichzeitig einfacher Herstellweise sind. Zu diesem Zweck enthält der erfindungsgemäße Formstoff einen in körniger oder vergleichbar partikelartiger Form vorliegenden und als solcher rieselfähigen Grundstoff, der bei seiner während des Abgusses unvermeidbar eintretenden Erwärmung eine gegenüber konventionell verwendetem Quarzsand deutlich geringe Wärmeausdehnung zeigt. Der Formgrundstoff gewährleistet so auch bei geringer Materialstärke eine hohe Maßhaltigkeit bei der Herstellung komplex geformter Gussstücke.
Der im ungebundenen Zustand rieselfähige Grundstoff ist mit einem Binder vermischt, der ein von dem Grundstoff unterschiedliches Ausdehungsverhalten bei Erwärmung besitzt. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Formgrundstoff und Bindemittel kommt es nach dem Wärmeeintrag aus der Gießhitze zur Ablösung des Binders von den Körnern des Formgrundstoffs. Im Ergebnis sprengt daher der Binder dann, wenn er sich stärker ausdehnt als der Grundstoff, das Formteil so auf, dass es seine feste Form verliert und leicht aus bzw. von dem Gussteil entfernt werden kann. Umgekehrt kann das Ausdehnungsverhalten des Formgrundstoffes so beschaffen sein, dass durch eine mit der Erwärmung einhergehende Volumenänderung die Bindung zu dem Binder gebrochen und der Grundstoff wieder rieselfähig wird. Wesentlich ist, dass es einhergehend mit der Erwärmung zum Aufbrechen des Kern- bzw. Formbauteils kommt, so dass dieses nach der Abkühlung des Gussteils in leicht entfernbare, lose Einzelteile zerfallen ist.
Indem das thermische Ausdehnungsverhalten des erfindungsgemäßen Formstoffs in erfindungsgemäßer Weise auf das thermische Ausdehnungsverhalten der zu vergießenden Metallschmelze abgestimmt ist und indem gleichzeitig dieser Formstoff auf Basis eines rieselfähigen Grundstoffs hergestellt ist, wird erreicht, dass nach dem Abkühlen des Gussteils das von dem Gussteil jeweils zumindest teilweise umfasste bzw. an das Gussteil angrenzende Formteil aufgrund der im Zuge des Abkühlens auftretenden Kräfte in lose Einzelstücke zerbrochen ist, die leicht entfernt werden können. Der Bruch der Gießformteile wird dabei durch die in Folge der unterschiedlichen Ausdehnung von Gießmetall und Formmaterial auftretenden Krä te bewirkt .
Besonders günstig wirkt sich die Erfindung beim Gießen von Bauteilen aus Aluminiumschmelzen aus. Aluminium weist einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass die im Zuge des Abgießens und Erstarrens der Schmelze auf die mit dem abgegossenen Teil in Berührung stehenden Formteile so hohe Kräfte ausgeübt werden, dass das betreffende Formteil sicher in kleinere Teile zerbricht. Als besonders günstig erweist sich dies, wenn es sich bei dem Formteil um eine Kernform handelt.
Eine weitere für die Erfindung günstige Eigenschaft des erfindungsgemäß beschaffenen und verwendeten Formstoffs besteht darin, dass Binder und Formgrundstoff so aufeinander abgestimmt sind, dass bei den aus dem Formstoff erzeugten Formgussteilen die Partikel des Grundstoffs thermisch stabil und nicht elastisch von dem Binder gebunden sind. Das aus einem derart beschaffenen Formgrundstoff erzeugte Formgussteil verhält sich über das gesamte beim Abgießen der Schmelze durchlaufene Temperaturintervall spröde, wodurch das gemäß der Erfindung erwünschte Zerbrechen der Formteile gefördert wird.
Das Bindemittel der Formteile ist bevorzugt so gewählt, dass es sich durch die Einwirkung von Wärme nicht zersetzt. Auf diese Weise wird vermieden, dass im Kern Volumina freigegeben werden, die zu einer gemäß der Erfindung unerwünschten Nachgiebigkeit des betreffenden Formteils führen könnten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Partikel des Formgrundstoffs eine im Wesentlichen runde, kugelige Form aufweisen. Die Kugelform des Formgrundstoffes und das damit verbundene Vorherrschen von Punktkontakten zwischen den Formgrundstoffpartikeln fördert den selbsttätigen Zerfall der Formteile in Folge der beim Abgießen und Erstarren der Schmelze auftretenden mechanischen Kräfte. Ein Formgrundstoff der diese Anforderung besonders gut erfüllt, ist synthetisch erzeugter Mullit. Dementsprechend sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Formgrundstoff mindestens einen Teil, vorzugsweise mehr als 50 % oder mehr als 70 % des Quarzsandes subsituierende Aluminiumoxid-Sand (Mullit) aufweist. Mullit weist eine runde Kornform und eine mit Quarzsand vergleichbare Dichte auf . Daher sind die daraus hergestellten Formstoffe wesentlich einfacher zu verarbeiten als beispielsweise bekannte Zr02-Sande. Neben den Vorteilen in Bezug auf den erfindungsgemäß angestrebten mechanisch ausgelösten Zerfall der Formteile führt die runde Kugelform der Mullitpartikel in der Praxis zu einer vereinfachten Verarbeitbarkeit der aus solchen Formgrundstoffen erzeugten Formstoffe und damit einhergehend zu einem verminderten Verschleiß der für die Herstellung der Formteile verwendeten Werkzeuge und Maschinen. Darüber besitzt ein Formstoff mit hohen Gehalten an Mullit auf Grund seiner geringen Wärmeausdehnung auch bei geringer Materialstärke eine hohe Maßhaltigkeit bei der Herstellung komplex geformter Gussstücke .
Überraschend hat sich gezeigt, dass der Zerfall der aus erfindungsgemäß zusammengesetztem Formstoff hergestellten Formteilen soweit zeitverzögert gegenüber dem Abgießen der Metallschmelze selbsttätig eintritt, dass er keinen negativen Einfluss mehr auf die Qualität des zu diesem Zeitpunkt schon ausreichend erstarrten Gussteils hat.
Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften ist erfindungsgemäß zusammengesetzter Formstoff besonders zur Herstellung von Gießkernen geeignet. Diese können nach dem Gießen ohne die Gefahr einer Beschädigung des fertigen Gussstücks entfernt werden.
Wärmetechnisch wirkt ein aus einem Mullit- Quarzsandgemisch zusammengesetzter Formgrundstoff und ein daraus erzeugter Formstoff eher isolierend. Daher können diese Stoffe gezielt für solche gießtechnische Anwendungen genutzt werden, in denen es zwar zu einer über die für Quarzsande kritische Temperatur von 573 °C hinausgehenden Erwärmung kommt, bei denen die Wärmeleitfähigkeit der aus den betreffenden Stoffen erzeugten Formteile jedoch eine untergeordnete Rolle spielt bzw. die Wärmeleitung bewusst eingeschränkt werden soll. Praktische Versuche haben ergeben, dass durch das Zumischen einer ausreichenden Menge von Mullit-Sand zu einem Quarzsand die Probleme der spontanen Geometrieveränderungen abgefangen werden können, die bei alleiniger Verwendung von Quarzsand als Formgrundstoff für die Herstellung von schlanken, filigranen Gussteilen auftreten. Wesentlich ist dabei, dass der Anteil des Al2Si05-Sands jeweils ausreichend hoch ist, um die bei Quarzsand andernfalls mit der Erwärmung über die kritische Temperatur einhergehende Längenänderung des Quarzes ausgleichen zu können.
Bei erfindungsgemäß beschaffenem Formstoff sind Binder und Grundstoff darüber hinaus bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass ein aus dem Formstoff erzeugtes Gießformteil eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Diese Eigenschaft bewirkt, dass nach dem Abgießen der Metallschmelze der Temperaturunterschied zwischen Gussmaterial und dem Formteil groß bleibt, so dass die Gefahr einer vorzeitigen thermisch bzw. chemisch ausgelösten Zersetzung des Formteils auf ein Minimum reduziert ist.
Zusätzlich lässt sich der Zerfall der Gießkerne dadurch unterstützen, dass die Bestandteile des Formstoffs so aufeinander abgestimmt werden, das sich Formgrundstoff und Binder bei Erwärmung unterschiedlich ausdehnen mit der Folge, dass die Bindungen zwischen ihnen bei einer mit dem Abgießen der Schmelze einhergehenden Erwärmung aufbrechen.
Besonders praxisgerecht lässt sich die Erfindung dadurch verwirklichen, dass ein Formstoff verarbeitet wird, der aus einer Mischung eines in körniger oder vergleichbar partikelartiger Form vorliegenden und als solcher rieselfähigen Grundstoffs und einem anorganischen Binder, gebildet ist.
Der Vorteil der Verwendung von anorganischen Bindern besteht in ihrer besseren UmweltVerträglichkeit und dem Umstand, dass sich die mit derartigen Bindern hergestellten Formteile problemlos in den Kreislauf des Formstoffs zurückführen lassen. Als besonders geeignet haben sich in diesem Zusammenhang Formstoffe erwiesen, die aus einem auf Wasserglas basierenden Binder und einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Formgrundstoff gemischt sind. Wesentlich ist dabei jedoch, dass das Ausdehnungsverhalten der miteinander vermischten Komponenten in ausreichender Weise voneinander unterscheidet .
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn sich Formgrundstoff und Bindemittel unterschiedlich ausdehnen. In diesem Fall kommt es nach dem Wärmeeintrag aus der Gießhitze zur Ablösung des Binders von den Körnern des Formgrundstoffs. So sprengt der Binder, wenn er sich stärker ausdehnt als der Grundstoff, das Formteil so auf, dass es seine feste Form verliert und in Bruchstücke zerfällt. Diese können ohne die Gefahr mechanischer Beschädigung leicht aus bzw. von dem Gussteil abgeschüttelt werden. Wesentlich dafür, dass es bei dieser Variante zum erfindungsgemäß angestrebten selbsttätigen Zerfall des Formteils kommt, ist folglich die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Formgrundstoff und Bindemittel in der Art, dass unter Einwirkung der Gießhitze das Bindemittel in Folge der zwischen Formgrundstoff und Binder entstehenden thermischen Spannungen von den Formgrundstoffteilchen abplatzt oder in sich bricht . Durch dieses nach dem Aushärten des Formteils spröde Bruchverhalten des Bindemittels wird die Bindung zwischen den einzelnen Partikeln des Formgrundstoffs aufgebrochen und das Formteil zerfällt. Das verbleibende lose Gemisch aus Formgrundstoff- und Bindemittelbruchstücken ist rieselfähig und kann einfach aus bzw. von dem Gussstück entfernt werden.
Das jeweilige Gießformteil wird auch beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch hergestellt, dass eine erfindungsgemäß zusammengesetzte Formstoffmischung in bekannter Weise in den Kernkasten einer Kernformmaschine eingeschossen wird. Anschließend wird der Formstoff beispielsweise gemäß dem in der DE 196 32 293 AI beschriebenen Verfahren gehärtet, indem an die Hohlform des auf eine Temperatur von 100 °C bis 160 °C erwärmten Kernkastens ein Unterdruck angesetzt und der Kernformling über eine Zeit von 20 bis 30 Sekunden von dem Kernkasten erwärmt wird.
Während dieser Zeit wird das Gießformteil so fest, dass es aus dem Kernkasten entnommen werden und in eine außerhalb des Kernformkastens angeordnete Heizeinrichtung, beispielsweise einen Mikrowellenofen, gesetzt werden kann. In dieser Heizeinrichtung wird es bei ausreichender Wärmeleistung soweit erwärmt, dass ihm eine für die vollständige Aushärtung ausreichende Menge an Wasser entzogen wird.
Alternativ oder ergänzend zu einer außerhalb des Kernformkastens angeordneten Mikrowellenheizung kann der Wasserentzug auch durch eine ausreichende Beheizung des Kernkastens selbst oder durch eine Heißluftbegasung erfolgen. Diese Maßnahmen können jeweils mit einer außerhalb des Kernkastens erfolgenden Beheizung kombiniert werden. Ebenso ist es möglich, den Wasserentzung durch eine direkt auf den noch im Kernkasten befindlichen Kernformling einwirkende Mikrowellenbeheizung zu bewirken.
Wird für die Aushärtung eine Beheizung des Formteils außerhalb des Kernkastens vorgenommen, so kann das jeweilige Formteil zur Steigerung der
Kernoberflächenfestigkeit mit Binderflüssigkeit besprüht werden. Die so behandelten Formteile weisen eine erhöhte Stabilität bei ebenso erhöhter Abriebfestigkeit auf, so dass sie problemlos gelagert werden können und höchsten Anforderungen an ihre Maßhaltigkeit gerecht werden. Dies erweist sich insbesondere dann als günstig im Hinblick auf eine optimierte Qualität des zu erzeugenden Gussstücks, wenn ein Wasserglasbinder eingesetzt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch im Schnitt einen Nockenwellenkern 1 einer weiter nicht dargestellten Gießform für das Gießen eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgusslegierung.
In die Unterseite 2 des Nockenwellenkerns 1 sind in Längsrichtung beabstandet zueinander zwei Ausnehmungen 3,4 eingeformt, durch welche jeweils die Form der zur Lagerung der Nockenwelle vorgesehenen Lagerböcke des herzustellenden Zylinderkopfes bestimmt ist. In die Ausnehmungen 3,4 reicht jeweils ein Ast 5,6 eines sich mit seinem Hauptabschnitt 7 parallel und in einem Abstand zum Nockenwellenkern 1 erstreckenden Ölkanalkerns 8. Die Länge A der Äste 5,6 ist dabei um ein Vielfaches größer als ihr Durchmesser B. Ebenso ist die Länge C des Hauptabschnitts 7 des Ölkanalkerns 8 um ein Vielfaches größer als sein Durchmesser D.
Der Olkanalkern 8 ist in an sich bekannter Weise in einer konventionellen Formschießmaschine aus einem erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt worden, der durch Mischung eines aus Mullit-Sand und Quarzsand bestehenden Formgrundstoffs mit einem Wasserglasbinder erzeugt worden ist. Aufgrund des Anteils an Mullit-Sand ist gewährleistet, dass der Olkanalkern 8 auch bei seiner im Zuge des Abgießens des herzustellenden Zylinderkopfes auf bis über 573 °C ansteigenden Erwärmung sich gleichmäßig und infolgedessen eindeutig vorausbestimmbar ausdehnt.
Brüche im Bereich der Äste 5,6, Dehnungen des Hauptabschnitts 7 im Bereich zwischen den Ästen 5,6 sowie Krümmungen im Bereich der freien Enden des Hauptabschnitts 7, wie sie bei in konventioneller Weise basierend auf reinen Quarzsand enthaltenden Formgrundstoffen hergestellten Ölkanalkernen festgestellt werden, werden auf diese Weise sicher vermieden. Durch Verwendung eines in erfindungsgemäßer Weise zusammengesetzten Formstoffs lassen sich somit Zylinderköpfe und vergleichbare Gussstücke, die dünne, sich über große Länge erstreckende Kanäle aufweisen, mit hoher Präzision in großen Stückzahlen im Leichmetallguss zuverlässig herstellen. Während des Abgusses der Metallschmelze, bei der es sich bevorzugt um eine Aluminiumschmelze oder eine andere Leichtmetallschmelze handelt, und der Zeit, in der das Metall des Gusssstücks noch fließfähig ist, verfor en sich die Gießkerne 1,8 aufgrund der in erfindungsgemäßer Weise aufeinander abgestimmten Eigenarten von Formgrundstoff und Binder nur unwesentlich. Die geringe Wärmeausdehnung des Formgrundstoffs unterstützt so das prozesssichere Erreichen der Maßanforderungen des Gussstücks .
Nach einer Erstarrungs- und Abkühlzeit, in der das Gussstück eine für die Weiterverarbeitung ausreichende Festigkeit erreicht, werden die Bruchstücke, in die der jeweilige Gießkern 1,8 in Folge der Einwirkung der Gießhitze und auf Grund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens des Formgrundstoffs und des Binders selbsttätig zerfällt, aus dem Gussstück entleert und aufbereitet . Im Zuge des Erstarrungsvorgangs und in der Abkühlphase nach vollständiger Erstarrung des Metalls wird durch die verglichen mit den Gießkernen 1,8 erheblich höhere Festkδrperkontraktion des Gussmetalls der jeweilige Gießkern 1,8 hohen mechanischen Spannungen unterworfen. Diese führen aufgrund der spröden, unelastischen Beschaffenheit der Gießkerne 1,8 dazu, dass die Gießkerne 1,8 zu knollenartigen Bruchstücken zerspringen. Deren Volumen und Festigkeit ist so gering, dass die Gussteile alleine durch Einbringen von Schwingungsenergie entsandet werden können, da sämtlicher Kernaltsand losgelöst vom Gussteil vorliegt. Durch Presslufthämmer ausgeübte Hammerschläge, wie sie beim Stand der Technik noch erforderlich sind, werden für die Entsandung nicht benötigt . Die Aufbereitung der Gießkernbruchstücke kann ein schonendes Brechen zu körnigen Partikeln umfassen. Dann können die erhaltenen körnigen Partikel einer Metallabscheidung und einer Entstaubung unterzogen werden, um den für ihre Wiederverwendung notwendigen Zustand herzustellen. Anschließend werden die zu körnigem Material recycleten Gießformteile wieder als Grundstoff für erfindungsgemäß zusammengesetzten Formstoff verwendet .
Werden in erfindungsgemäßer Weise Formstoffe verwendet, die aus mit Wasserglasbinder vermischtem Formgrundstoff, wie synthetischem Mullit, bestehen, so treten bei der Herstellung der Gießformteile keine nennenswerten Emissionen auf. Dadurch können bei konventioneller Vorgehensweise in Folge von Gasbildung immer wieder auftretende Gussfehler, umfangreiche Vorkehrungen für das Absaugen von Gasen und aufwendige Werkzeugreinigungen vermieden werden. Belastungen der Umwelt und des Bedienpersonals sind so auf ein Minimum reduziert.
Wird Mullit oder ein vergleichbar inerter Feuerfestwerkstoff als Grundstoff des erfindungsgemäßen FormstoffSystems verwendet, so besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung in der chemischen Beständigkeit des Formgrundstoffs gegenüber Binder und Schmelze. Diese Eigenschaft stellt sicher, dass bei erfindungsgemäßer Vorgehens eise ein Gussstück erhalten wird, dessen Oberfläche nach dem Entleeren der Bruchstücke der Formkerne und Formteile ohne zusätzliche Reinigungsmaßnahmen völlig frei von Restsandanhaftungen ist . BEZUGSZEICHEN
1 Nockenwellenkern
2 Unterseite des Nockenwellenkerns 1 3 , 4 Ausnehmungen
5,6 Äste des Ölkanalkerns 8
7 Hauptabschnitt 7 des Ölkanalkerns 8
8 Olkanalkern
A Länge A der Äste 5 , 6
B Durchmesser B der Äste 5,6
C Länge des Hauptabschnitts 7
D Durchmesser des Hauptabschnitts 7

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Verfahren zum Herstellen von Gussstücken aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, umfassend folgende Schritte:
Herstellen eines Gießformteils aus dem Formstoff, der aus einem gegenüber der Metallschmelze inerten, rieselfähigen Formgrundstoff und einem Binder gemischt ist, wobei das
Wärmeausdehnungsverhalten von Formgrundstoff und Binder derart aufeinander abgestimmt sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschmelze über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des aus dem Formstoff hergestellten Gießformteils liegt,
Zusammenstellen einer Gießform unter Verwendung des Gießformteils,
Abgießen der Metallschmelze in die Gießform zu einem Gussstück,
Abkühlen des Gussstücks über eine Erstarrungs- und Abkühlzeit, in der das Gießformteil selbsttätig zu Bruchstücken zerfällt,
Entfernen der Bruchstücke des Gießformteils von oder aus dem Gussstück,
Aufbereiten der Bruchstücke des Formstoffs zu rieselfähigem Formgrundstoff.
2. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Herstellung des Gießformteils das Einschießen des Formstoffs in eine in einem Kernkasten ausgebildete Hohlform, das Vorhärten des in den Kernkasten eingeschossenen Formstoffs zu dem Gießformteil durch Wärmezufuhr und das Aushärten des Gießformteils in einer außerhalb des Kernkastens angeordneten Heizeinrichtung umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Heizeinrichtung eine Mikrowellenheizung umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Gießformteil vor dem Aushärten mit Binder besprüht wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Aufbereiten der Bruchstücke des Formstoffs ein Brechen der Bruchstücke, eine Metallabscheidung, eine Kornvereinzelung und/oder eine Entstaubung umfasst.
6. Formstoff für die Herstellung von Gießformteilen für das Abgießen von Metallschmelze, insbesondere von Leichtmetallschmelze, bestehend aus einem Gemisch aus einem gegenüber der Metallschmelze inerten, rieselfähigen Formgrundstoff und einem mit dem Formgrundstoff vermischten Binder, wobei das Wärmeausdehnungsverhalten von Formgrundstoff und Binder derart aufeinander abgestimmt sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschmelze jeweils über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines aus dem Formstoff hergestellten Gießformteils liegt .
7. Formstoff nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s sich der Binder bei Erwärmung anders ausdehnt als der Formgrundstoff .
8. Formstoff nach einem der Ansprüche 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Binder unter Einwirkung der Gießhitze stabil ist.
9. Formstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Binder ein Wasserglasbindemittel ist .
10. Formstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formgrundstoff einen Anteil an synthetischem Mullit aufweist.
11. Formstoff nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formgrundstoff vollständig aus Mullit besteht.
12. Formstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metallschmelze eine Aluminiumschmelze ist.
13. Formstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formgrundstoff aus Partikeln besteht, deren Form im Wesentlichen kugelförmig ist.
14. Formstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s seine Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des zu vergießenden Metalls.
15. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14 ausgebildeten Formgrundsto fs zur Durchführung des gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildeten Verfahrens .
16. Verwendung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, d a s s das aus dem Formstoff hergestellte Gießformteil ein Gießkern ist
17. Verwendung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Länge
(A,C) des Gießformteils um ein Vielfaches größer ist als sein Durchmesser (B,D) .
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