EP1525929B1 - Formmassenzusammensetzung - Google Patents

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EP1525929B1
EP1525929B1 EP04015692A EP04015692A EP1525929B1 EP 1525929 B1 EP1525929 B1 EP 1525929B1 EP 04015692 A EP04015692 A EP 04015692A EP 04015692 A EP04015692 A EP 04015692A EP 1525929 B1 EP1525929 B1 EP 1525929B1
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EP
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granules
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compound composition
aluminium
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Werner Menk
Stefan Tuma
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Georg Fischer Automotive AG
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Georg Fischer Automotive 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
    • B22C1/16—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
    • 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
    • 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 molding composition for producing molds from a metal granules and an inorganic binder, wherein the metal granules of aluminum or an aluminum alloy is formed.
  • molds of metal or molding compositions of sand-binder mixtures are used as molds.
  • Metal molds have the advantage of higher thermal conductivity but the disadvantage of higher production costs. Mixtures of sand and binder are more cost-effective, especially for smaller quantities of castings, but have a significantly lower thermal conductivity. This has the consequence that the castings go through a different temperature-time profile in the cooling phase after casting. The slower cooling leads, especially at high wall thicknesses of the castings to poorer mechanical properties.
  • the molding compound is composed of metal granules, preferably aluminum or aluminum alloys, and the binder is preferably synthetic resin. At casting temperatures above 400 ° C, the synthetic resin causes substances that pose a danger to the environment and employees.
  • a molding composition which is easy to produce, has a good thermal conductivity and is optimally compatible with the environment.
  • the molding compound should not release dangerous substances during manufacture, casting, unpacking and reprocessing for the environment and the health of foundry workers.
  • the water-soluble salt is magnesium (II) sulfate.
  • Magnesium (II) sulfate has a high and with increasing temperature a continuously higher solubility, so that you can work with highly concentrated salt water solutions. Even when unpacking the moldings can be dissolved with little water, much binder from the molding compound. The plant for the molding material preparation can be made smaller.
  • casting moldings made of aluminum can be produced with the novel molding composition which can not absorb hydrogen during casting. This is achieved in that the molding material is at least 98 wt.% Of aluminum granules and the remainder of anhydrous magnesium sulfate is formed.
  • the inventive molding composition casting moldings can be produced with mechanical properties that are comparable to the properties of cast in steel molds parts.
  • the aluminum granules have a mean particle size of 0.2 to 0.4 mm.
  • one made of the molding material and operational mold has a thermal conductivity of at least 1.2 (J / kg K).
  • FIG. 1 the thermal conductivity and the thermal diffusivity of three different compositions for the production of molds are shown.
  • SK the use of a steel mold is indicated.
  • QS a casting mold made of quartz sand and with A a casting mold made of 98% by weight of aluminum granules with 2% by weight of magnesium sulfate as binder.
  • the casting mold made of aluminum granules has twice the thermal conductivity and a 1.85 times greater thermal conductivity than a corresponding casting mold made of quartz sand.
  • the thermal conductivity of the mold can be increased.
  • FIG. 2 is the so-called Dendritenarmabstand of moldings shown in the molds with the three compositions FIG. 1 were manufactured.
  • the dendrite arm spacing when using 98% by weight of aluminum granules and 2% by weight of magnesium sulfate, measured at parts with 18 mm wall thickness at least 30% and measured at parts with 6 mm wall thickness at least 20% smaller than with the use of quartz sand.
  • the Dendritenarmabstand is when using aluminum granules 20 to 40% larger than when using steel molds.
  • the Dendritenarmabstand is a measure of the cooling rate of the casting and can be measured under a microscope on a ground surface of the casting. The smaller the Dendritenarmabstand, the greater are, for example, the notched impact strength and the elongation at break of the casting.
  • FIG. 2 shows that when using aluminum granules a Dendritenarmabstand of about 35 microns can be achieved.
  • a Brinell hardness of about 90 is reached.
  • FIGS. 3 and 4 are further mechanical properties of the molded parts shown.
  • FIG. 3 the properties measured on tension rods taken from the mold parts and in FIG. 4 the properties of the components, such as wheel, wishbone, pivot bearings or other structural parts in the automotive industry, even.
  • FIG. 3 shows that when using aluminum granules, a tensile strength of about 300 MPa, a 0.2% yield strength of about 250 MPa and an elongation at break of about 7% can be achieved.
  • magnesium sulfate is easily soluble in water and environmentally neutral. For frequently changing moldings and smaller quantities, the use of granules is more economical than the use of constantly changing molds.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Formmassenzusammensetzung zur Herstellung von Giessformen aus einem Metallgranulat und einem anorganischen Bindemittel, wobei das Metallgranulat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
  • In der Metallgiesserei werden als Giessformen üblicherweise Kokillen aus Metall oder Formmassen aus Sand-Bindemittelmischungen verwendet. Kokillen aus Metall haben den Vorteil einer höheren Wärmeleitfähigkeit aber den Nachteil höherer Herstellkosten. Mischungen aus Sand und Bindemittel sind kostengünstiger, vor allem bei kleineren Stückzahlen der Gussformteile, weisen aber eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf. Dies hat zur Folge, dass die Gussformteile in der Abkühlphase nach dem Giessen ein anderes Temperatur-Zeit-Profil durchlaufen. Die langsamere Abkühlung führt, vor allem bei hohen Wanddicken der Gussformteile zu schlechteren mechanischen Eigenschaften.
  • Aus der DE OS 2450013 ist eine gattungsgemässe Gussformmischung mit hoher Wärmeleitfähigkeit bekannt. Die Formmasse wird zusammengesetzt aus Metallkörnchen, vorzugsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen und das Bindemittel ist vorzugsweise Kunstharz. Bei Giesstemperaturen oberhalb von 400° C entstehen aus dem Kunstharz Stoffe, die eine Gefahr für die Umwelt und die Mitarbeiter darstellen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Formmassenzusammensetzung anzugeben, die einfach herstellbar ist, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und mit der Umwelt optimal verträglich ist. Die Formmasse soll bei der Herstellung, beim Giessen, beim Auspacken und bei der Wiederaufbereitung keine für die Umwelt und für die Gesundheit der Giessereiarbeiter gefährlichen Stoffen freisetzen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Formmassenzusammensetzung zur Herstellung von Giessformen aus einem Metallgranulat und einem anorganischen Bindemittel, wobei das Metallgranulat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein wasserlösliches anorganisches Magnesiumsalz ist.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es ist von Vorteil, dass bei der Herstellung der Formmassen möglichst wenig Wasser verwendet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das wasserlösliche Salz Magnesium(II)sulfat ist. Magnesium(II)sulfat hat eine hohe und mit steigender Temperatur eine kontinuierlich höhere Löslichkeit, so dass mit hochkonzentrierten Salz-Wasserlösungen gearbeitet werden kann. Auch beim Auspacken der Gussformteile kann mit wenig Wasser viel Bindemittel aus der Formmasse aufgelöst werden. Die Anlage für die Formstoffaufbereitung kann kleiner ausgelegt werden.
  • Es ist auch von Vorteil, dass mit der erfindungsgemässen Formmassenzusammensetzung Gussformteile aus Aluminium hergestellt werden können, die beim Giessen keinen Wasserstoff aufnehmen können. Dies wird dadurch erreicht, dass die Formmasse zu mindestens 98 Gew.% aus Aluminiumgranulat und der Rest aus wasserfreiem Magnesiumsulfat ausgebildet ist.
  • Es ist weiter auch von Vorteil, dass mit der erfindungsgemässen Formmassenzusammensetzung Gussformteile mit mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, die vergleichbar sind mit den Eigenschaften von in Stahlkokillen abgegossenen Teilen. Dies wird dadurch erreicht, dass das Aluminiumgranulat eine mittlere Korngrösse von 0.2 bis 0.4 mm aufweist. Dies wird auch dadurch erreicht, dass eine aus der Formmasse hergestellte und betriebsbereite Giessform eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1.2 (J / kg K) aufweist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1 ein Diagramm zum Vergleich der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit der erfindungsgemässen Zusammensetzung mit anderen Formmassenzusammensetzungen,
    • Figur 2 ein Diagramm zum Vergleich des Dendritenarmabstandes der erfindungsgemässen Zusammensetzung mit anderen Formmassenzusammensetzungen,
    • Figur 3 ein Diagramm zum Vergleich der 0.2%-Dehngrenze, der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung der erfindungsgemässen Zusammensetzung mit anderen Formmassenzusammensetzungen, und
    • Figur 4 ein Diagramm zum Vergleich der Bruchkraft und der Verformung bei Bruch der erfindungsgemässen Zusammensetzung mit anderen Formmassenzusammensetzungen.
  • In Figur 1 sind die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturleitfähigkeit von drei verschiedenen Zusammensetzungen zur Herstellung von Giessformen dargestellt. Mit SK ist die Verwendung einer Stahlkokille angedeutet. Mit QS eine Giessform aus Quarzsand und mit A eine Giessform aus 98 Gew.% Aluminiumgranulat mit 2 Gew.% Magnesiumsulfat als Bindemittel. Die Giessform aus Aluminiumgranulat hat eine 2 mal so grosse Wärmeleitfähigkeit und eine 1.85 mal so grosse Temperaturleitfähigkeit als eine entsprechende Giessform aus Quarzsand. Je nachdem welche Kornverteilung für das Aluminiumgranulat gewählt wird, kann die Wärmeleitfähigkeit der Giessform noch erhöht werden.
  • In Figur 2 ist der sogenannte Dendritenarmabstand von Gussformteilen dargestellt, die in Giessformen mit den drei Zusammensetzungen aus Figur 1 hergestellt wurden. Der Dendritenarmabstand ist, bei Verwendung von 98 Gew.% Aluminiumgranulat und 2 Gew.% Magnesiumsulfat, gemessen an Teilen mit 18 mm Wanddicke mindestens 30% und gemessen an Teilen mit 6 mm Wanddicke mindestens 20% kleiner als bei der Verwendung von Quarzsand. Der Dendritenarmabstand ist bei der Verwendung von Aluminiumgranulat 20 bis 40% grösser als bei der Verwendung von Stahlkokillen. Der Dendritenarmabstand ist ein Mass für die Abkühlungsgeschwindigkeit des Gussformteiles und kann unter einem Mikroskop an einer angeschliffenen Fläche des Gussformteiles gemessen werden. Je kleiner der Dendritenarmabstand, desto grösser sind beispielsweise die Kerbschlagzähigkeit und die Bruchdehnung des Gussformteiles.
  • Aus Figur 2 geht hervor, dass bei der Verwendung von Aluminiumgranulat ein Dendritenarmabstand von ca. 35 µm erreicht werden kann. Je kleiner der Dendritenarmabstand, desto höher wird die Brinellhärte des Gussformteiles. Bei einem Dendritenarmabstand von ca. 35 µm wird eine Brinellhärte von ca. 90 erreicht.
  • In Figur 3 und 4 sind weitere mechanischen Eigenschaften der Gussformteile dargestellt. In Figur 3 die Eigenschaften gemessen an Zugstäben, die aus den Gussformteilen entnommen wurden und in Figur 4 die Eigenschaften der Bauteile, wie beispielsweise Radträger, Querlenker, Schwenklager oder andere tragende Teile im Automobilbau, selbst.
  • Aus Figur 3 geht hervor, dass bei der Verwendung von Aluminiumgranulat eine Zugfestigkeit von ca. 300 MPa, eine 0.2% Dehngrenze von ca. 250 MPa und eine Bruchdehnung von ca. 7 % erreicht werden kann.
  • Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch den Einsatz von Aluminiumgranulat mit Magnesiumsulfat als Bindemittel im Vergleich zu Quarzsand die Abkühlbedingungen stark verbessert werden können und dass die Gussformteile eine Bruchdehnung aufweisen, die sonst nur unter Verwendung von Stahlkokillen erreicht werden kann.
  • Die Verwendung von Aluminiumgranulat und Magnesiumsulfat hat weiterhin den Vorteil, dass Magnesiumsulfat leicht wasserlöslich und umweltneutral ist. Bei häufig wechselnden Formteilen und bei kleineren Stückzahlen ist die Verwendung von Granulat wirtschaftlicher als die Verwendung von ständig wechselnden Kokillenformen.

Claims (8)

  1. Formmassenzusammensetzung zur Herstellung von Giessformen aus einem Metallgranulat und einem anorganischen Bindemittel, wobei das Metallgranulat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein wasserlösliches anorganisches Magnesiumsalz ist.
  2. Formmassenzusammensetzung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche anorganische Magnesiumsalz Magnesium(II)sulfat ist.
  3. Formmassenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse zu mindestens 98 Gew. % aus Aluminiumgranulat und der Rest aus wasserfreiem Magnesiumsulfat ausgebildet ist.
  4. Formmassenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumgranulat eine mittlere Korngrösse von 0.2 bis 0.4 mm aufweist, wobei weniger als 1 Gew. % des Aluminiumgranulates eine Korngrösse grösser als 2.0 mm und weniger als 5 Gew. % des Aluminiumgranulates eine Korngrösse kleiner als 0.1 mm. aufweisen.
  5. Formmassenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der Formmasse hergestellten und betriebsbereiten Giessform eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1.2 (J /kg K) aufweist.
  6. Verwendung einer Formmassenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Gussformteilen mit einem Dendritenarmabstand von weniger als 35 µm.
  7. Verwendung einer Formmassenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Gussformteilen mit einer 0.2% Dehngrenze von mindestens 230 N/mm2 bei einer gleichzeitigen Bruchdehnung von mindestens 6%.
  8. Verwendung einer Formmassenzusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von tragenden Bauteilen für den Automobilbau.
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