EP1513632B1 - Verfahren zur herstellung eines giesskerns oder einer giessform - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines giesskerns oder einer giessform Download PDF

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EP1513632B1
EP1513632B1 EP03718779A EP03718779A EP1513632B1 EP 1513632 B1 EP1513632 B1 EP 1513632B1 EP 03718779 A EP03718779 A EP 03718779A EP 03718779 A EP03718779 A EP 03718779A EP 1513632 B1 EP1513632 B1 EP 1513632B1
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Gotthard Wolf
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Georg Fischer AG
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Georg Fischer AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/02—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

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of casting cores or molds for casting molds from a molding base material and a binder and casting cores or molds after production of the process.
  • Cast cores have the task of forming cavities in the casting or undercut outer contours.
  • This type of Giesskernen be prepared in known manner in core boxes by means of core shooting equipment, wherein the molding sand provided with binder and optionally with additives is introduced by means of compressed air into the cavities of the core molding boxes.
  • binders liquid synthetic resins or inorganic binders are generally used.
  • the invention relates to all organic and inorganic molding and core production processes, preferably to the urethane cold box process and / or the resol CO 2 process. Also conceivable are physical methods, for example ultrasonic methods.
  • the core production after the urethane cold box takes place in cold core boxes using organic binder systems, which are gas-hardened directly in the core box, for example by tertiary amines.
  • the solidification of the molding material mixture eg quartz sand, organic bonding system, hardener
  • the mixing of the individual components takes place beforehand in special facilities.
  • One advantage of this urethane cold box process is, among others, the achievement of high strengths of the cores or molds.
  • the finished cores can be coated by means of a sizing.
  • a sizing are refractory materials in powdery, liquid or pasty form for the production of a thin coating on the Giesskernen.
  • the sizing has several tasks. Among others, the sizing is for thermal insulation, smoothing, preventing sticking of metal to the mold wall, blade rib formation, and thus ensuring a secure separation of the casting from the mold wall when the mold is emptied.
  • the casting cores are removed from the casting.
  • the Giesskerne are removed, for example, by blasting, vibration, blowing, knocking or washing.
  • DE 195 49 469 A1 describes a Giesskern for casting from using a water-soluble binder based on polyphosphates solidified molding sand, wherein the binder is instantiated sodium polyphosphate and that a mixing ratio of 3 to 7 parts by weight of binder and 0.5 to 2 parts by weight of water per 100 Parts by weight of molding sand is given.
  • the binder mixture for core sand production consists of a single component (single resin) or a mixture of one or more individual components (resin mixture) with additives.
  • the invention has for its object to provide a Giesskern or a form of the type mentioned, which have a pore structure while avoiding the aforementioned disadvantages.
  • the use of a size should no longer be necessary.
  • the disadvantageous leaf rib formation in the casting process should be avoided.
  • this object is achieved in that a pore-forming substance is added to the molding material and / or the binder.
  • Nuclei produced by the known resol-carbon dioxide process show a typical pore structure in scanning electron microscopic investigations. It has been proven that this pore structure the o.g. Expansion error ("leaf ribs") prevented.
  • Pore-forming substances give off their decomposition by acid generator or heat, for example, from carbon dioxide, which produces the desired fine-pored structure in the molding material mixture.
  • acid generator or heat for example, from carbon dioxide
  • the application of physical methods e.g. Ultrasound procedure, contribute.
  • the pore-forming substance is not limited to the formation of carbon dioxide. It is any pore-forming additive conceivable that produces the desired pores in Giesskern or the mold, for example, nitrogen-producing substances would be conceivable.
  • pore-forming substances that generate carbon dioxide, such as.
  • ammonium carbonate ammonium bicarbonate, sodium carbonate and / or sodium bicarbonate. It has been shown that sodium bicarbonate proves to be particularly suitable.
  • an acidifying agent is added to the carbon dioxide-forming substance and / or heat is supplied.
  • the carbon dioxide is released in particular by an acidic environment or by energy supply in the form of heat.
  • an acidulant is added to the carbon dioxide-forming substance, for example, tartar.
  • the binder is composed in the ratio 1: 1 of a phenolic resin and an isocyanate component, wherein both binder components are added simultaneously or successively in the molding material and then mixed.
  • the pore-forming substance can be added simultaneously or subsequently with the binder of the core molding material mixture.
  • the carbon dioxide-forming substance is added together with a component of the binder.
  • the main technical advantages are a simplified, less expensive casting compared to the prior art. Because the sizing treatment is eliminated by the fine-pored pore structure and the appropriate strength of Giesskerne.
  • the weight proportions of resin and isocyanate can be between 0.5 and 1, depending on the desired strength of the Giesskerne. In general, resin and isocyanate are used in equal amounts, i. H. in the ratio 1: 1 added.
  • the pore-forming substance is usually added in the amount of 0.5 to 1 parts by weight.
  • an acid generator for example, tartar
  • 0.2 to 0.7 parts by weight of an acid generator for example, tartar
  • an acid generator for example, tartar
  • the single figure shows the pore-shaped structure of a Giesskernmaterials, wherein the average pore size is 100 nm to 500 nm.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Giesskernen oder Formen für Giessformen aus einem Formgrundstoff und einem Bindemittel und Giesskerne oder Formen nach Herstellung des Verfahrens.
  • Giesskerne haben die Aufgabe, Hohlräume im Gussstück oder unterschnittene Aussenkonturen zu bilden. Diese Art von Giesskernen werden auf bekannte Weise in Kernkästen mittels Kernschiessanlagen hergestellt, wobei der mit Binder und gegebenenfalls mit Additiven versehene Formsand mittels Druckluft in die Hohlräume der Kernformkästen eingeleitet wird. Als Bindemittel werden im allgemeinen flüssige Kunstharze oder anorganische Binder verwendet.
  • Die Erfindung bezieht sich auf alle organischen und anorganischen Form- und Kernherstellungsverfahren, vorzugsweise auf das Urethan-Cold-Box-Verfahren und/oder das Resol-CO2-Verfahren. Ebenso denkbar sind physikalische Verfahren, beispielsweise Ultraschallverfahren.
  • Die Kernherstellung nach dem Urethan-Cold-Box erfolgt in kalten Kernkästen unter Verwendung organischer Bindersysteme, die unmittelbar im Kernkasten beispielsweise durch tertiäre Amine gasgehärtet werden. Die Verfestigung des Formstoffgemisches (z. B. Quarzsand, organisches Bindesystem, Härter) erfolgt nach dem Füllen des Formstoffes in den kalten Kernkästen durch einen gasförmigen Katalysator oder durch ein gasförmiges tertiäres Amin. Das Vermischen der einzelnen Komponenten erfolgt zuvor in Spezialeinrichtungen. Ein Vorteil dieses Urethan-Cold-Box-Verfahrens besteht unter anderem in der Erreichung hoher Festigkeiten der Kerne oder Formen.
  • Andere, z. B. sogenannte Resol-CO2-Verfahren, sind Kernherstellungsverfahren mit alkalisch kondensiertem Phenolharz als Binder, der zur Härtung mit Kohlendioxid begast wird. Der Formstoff basiert wie beim Urethan-Cold-Box-Verfahren im Allgemeinen auf dem Formgrundstoff Quarzsand. Dieses Verfahren zeichnet sich durch die Verhinderung von "Blattrippen" im Giessprozess aus. Nachteilig an diesem Begasungsverfahren sind geringere Festigkeiten, die durch erhöhte Erosion und unzureichende Thermostabilität begründet sind.
  • Die fertiggeformten Kerne können mittels einer Schlichte überzogen werden. Das sind feuerfeste Stoffe in pulvriger, flüssiger oder pastöser Form zur Herstellung eines dünnen Überzuges auf den Giesskernen. Die Schlichte hat mehrere Aufgaben. Unter anderen dient die Schlichte der Wärmeisolierung, der Glättung, der Verhinderung von Ankleben von Metall an der Formwand, der Blattrippenbildung und somit zur Gewährleistung einer sicheren Trennung des Gussstückes von der Formwand beim Ausleeren der Form.
  • Nach dem Giessvorgang des fertigen Gussteiles erfolgt die Entfernung der Giesskerne aus dem Gussteil. Die Giesskerne werden beispielsweise durch Strahlen, Vibrationen, Ausblasen, Klopfen oder Auswaschen entfernt.
  • Aus der DE 195 25 307 A1 ist ein Giesskern für Giessformen bekannt geworden. Es wird ein Giesskern für Giessformen aus einem mittels eines Bindemittels verfestigten Trockenstoffs vorgeschlagen, der durch Wassereinwirkung seine Form verliert.
  • Die DE 195 49 469 A1 beschreibt einen Giesskern zum Giessformen aus mittels eines wasserlöslichen Bindemittels auf der Basis von Polyphosphaten verfestigtem Formsand, wobei das Bindemittel instantiertes Natriumpolyphosphat ist und dass ein Mischungsverhältnis von 3 bis 7 Gewichtsteilen Bindemittel und 0,5 bis 2 Gewichtsteilen Wasser auf 100 Gewichtsteile teile Formsand gegeben ist.
  • Die DE 199 14 586 A1 offenbart ein Bindemittel auf Harzbasis zur Herstellung von Giessereisanden zur Verwendung im Giessereiwesen. Das Bindemittelgemisch zur Kernsandherstellung besteht aus einer Einzelkomponente (Einzelharz) oder einem Gemisch aus einem oder mehreren Einzelkomponenten (Harzgemisch) mit Additiven.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Giesskern oder eine Form der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine Porenstruktur aufweisen. Insbesondere soll die Verwendung einer Schlichte nicht mehr erforderlich sein. Ferner sollte die nachteilige Blattrippenbildung im Giessprozess vermieden werden.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass dem Formstoff und/oder dem Bindemittel ein porenbildender Stoff zugegeben wird.
  • Nach dem bekannten Resol-Kohlendioxid-Verfahren hergestellte Kerne zeigen bei rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen eine typische Porenstruktur. Es hat sich erwiesen, dass diese Porenstruktur die o.g. Ausdehnungsfehler ("Blattrippen") verhindert.
  • Poren bildende Stoffe geben bei ihrer Zersetzung durch Säurebildner oder Wärmeeinwirkung beispielsweise Kohlendioxid ab, welches in der Formstoffmischung die gewünschte feinporige Struktur erzeugt. Ebenso können zur Bildung feinporiger Strukturen die Anwendung von physikalischen Methoden, z.B. Ultraschallverfahren, beitragen.
  • Der porenbildende Stoff ist nicht auf die Entstehung von Kohlendioxid beschränkt. Es ist jeder porenbildende Zusatz denkbar, der die gewünschten Poren im Giesskern oder der Gießform erzeugt, beispielsweise wären auch Stickstoff erzeugende Stoffe denkbar.
  • Das Vorhandensein der Porenstruktur ermöglicht es, dass eine anschliessende Schlichtebehandlung des Giesskernes nicht mehr notwendig ist, um Ausdehnungsfehler zu vermeiden.
  • Vorzugsweise werden als porenbildende Stoffe Stoffe verwendet, die Kohlendioxid erzeugen, wie z. B. Ammoniumkarbonat, Ammoniumhydrogenkarbonat, Natriumkarbonat und/oder Natriumhydrogenkarbonat. Es hat sich gezeigt, dass sich Natriumhydrogenkarbonat als besonders geeignet erweist.
  • Vorteilhafterweise wird dem Kohlendioxid bildenden Stoff ein Säuerungsmittel zugegeben und/oder Wärme zugeführt. Das Kohlendioxid wird insbesondere durch eine saure Umgebung oder durch Energiezuführung in Form von Wärme freigegeben. Um die frei werdende Kohlendioxidmenge quantitativ zu steuern und/oder auch den Zeitpunkt der Kohlendioxidabgabe festzulegen, wird dem Kohlendioxid bildenden Stoff ein Säuerungsmittel zugegeben, beispielsweise Weinstein.
  • Gemäss einer besonders bevorzugten Verfahrensgestaltung ist das Bindemittel im Verhältnis 1:1 aus einer Phenolharz- und einer Isocyanatkomponente zusammengesetzt, wobei beide Bindemittelkomponenten gleichzeitig oder nacheinander in den Formstoff gegeben und anschliessend vermischt werden.
  • Vorteilhaft kann auch der porenbildende Stoff gleichzeitig oder anschliessend mit dem Bindemittel der Kernformstoffmischung zugegeben werden.
  • Ebenso ist denkbar, dass der Kohlendioxid bildende Stoff zusammen mit einer Komponente des Bindemittels zugegeben wird.
  • Aufgrund des oben ausgeführten Herstellungsverfahren für Giesskerne weisen diese eine Materialstruktur auf, die porenförmig ist. Zumindest entstehen im Giesskern porenförmige Bereiche, die die gewünschten Vorteile beim Giessvorgang und beim Entfernen der Giesskerne im Metallgussstück aufweisen.
  • Die wesentlichen technischen Vorteile sind ein vereinfachtes, weniger aufwendiges Giessverfahren gegenüber dem Stand der Technik. Denn die Schlichtebehandlung entfällt durch die feinporige Porenstruktur und die geeignete Festigkeit der Giesskerne.
  • Nachstehend ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für die Zusammensetzung der Mischung aus Quarzsand und Bindemittel für das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren angegeben.
    100 Gewichtsteile Quarzsand
    0,6 Gewichtsteile Harz (beispielsweise Phenolharz)
    0,6 Gewichtsteile Isocyanat
    0,75 Gewichtsanteile porenbildender Stoff, z.B. Natriumhydrogenkarbonat
  • Die Gewichtsanteile von Harz und Isocyanat können zwischen 0,5 und 1 liegen, je nach gewünschter Festigkeit der Giesskerne. In der Regel werden Harz und Isocyanat in gleichen Mengen, d. h. im Verhältnis1:1 zugegeben.
  • Der porenbildende Stoff wird in der Regel in der Menge von 0,5 bis 1 Gewichtsanteilen zugegeben.
  • Optional können der Mischung zur Steuerung der Kohlendioxidabgabe 0,2 bis 0,7 Gewichtsanteile eines Säurebildners, beispielsweise Weinstein zugegeben werden.
  • Im folgenden wird ein beispielhafter typischer Verfahrensablauf einer Giesskernherstellung beschrieben. Die Verfahrensschritte sind im einzelnen im Urethan-Cold-Box-Verfahren
    • Abwiegen des Quarzsandes bzw. volumetrische Dosierung
    • Einlauf des Quarzsandes in einen Chargenmischer
    • Dosierung der Harz - und Isocyantkomponente über Dosierpumpen. Die Dosierung kann parallel oder sequenziell erfolgen
    • Die Zugabe des porenbildenden Stoffes erfolgt sequenziell, parallel mit beiden Binderkomponenten oder parallel mit einer Binderkomponente, wobei gegebenenfalls der Säurebildner hinzugefügt wird
    • Die Mischzeit beträgt 10 bis 120 Sekunden, je nach gewünschten Anforderungen und Mischertyp
    • Verarbeiten der feuchten Mischung auf der Giessschiessmaschine
    • Entnahme der Kerne
    • Wärmebehandlung bei beispielsweise 200°C, wobei die Wärmebehandlung unterschiedlich, abhängig von der Anwendung, sein kann
    • Einlegen der fertigen Kerne in die Sandform für den eigentlichen Giessvorgang
  • Weiterhin zeigt die einzige Figur die porenförmige Struktur eines Giesskernmaterials, wobei die mittlere Porengrösse 100 nm bis 500 nm beträgt.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung von Giesskernen oder Formen aus einem Formstoff, basierend auf Formgrundstoff und Bindemittel, das Phenolharz und Isocyanat enthält, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formstoff ein porenbildender Stoff zugegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als porenbildende Stoffe Ammoniumkarbonat, Ammoniumhydrogenkarbonat, Natriumkarbonat und/oder Natriumhydrogenkarbonat oder andere geeignete Karbonatsalze verwendet werden.
  3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem porenbildenden Stoff zur Steuerung der abzugebenden Menge und/oder zur Steuerung des Abgabezeitpunktes von Kohlendioxid ein Säuerungsmittel zugegeben wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Kern oder die Form einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel im Verhältnis 1:1 aus einer Phenolharz- und einer Isocyanatkomponente zusammengesetzt ist, wobei beide Bindemittelkomponenten gleichzeitig in den Quarzsand gegeben und anschliessend vermischt werden.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der porenbildende Stoff gleichzeitig oder anschliessend mit dem Bindemittel der Kemformstoffmischung zugegeben wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der porenbildende Stoff zusammen mit einer Komponente oder mehreren Komponenten des Bindemittels zugegeben wird.
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