B E S C H R E I B U N G
Entfernbarer Kern zum Metallgießen und Verfahren zur Herstellung eines Kerns
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Salzkerns für die Erzeugung eines Formhohlraums in einem durch ein Gießverfahren geformten
Gegenstand. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Salzkern zur Verwendung zum Beispiel in einer druckbeaufschlagbaren Gießform.
Bei verschiedenen Gütern, die mittels eines Gießverfahrens hergestellt werden, ist es erforderlich, Formhohlräume im Inneren dieser Güter zu erzeugen. Insbesondere beim Metallgießen, wobei hier insbesondere die Leichtmetalle und deren Legierungen angesprochen sind, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Güter zu gießen. Eine Möglichkeit, die Gießverfahren zu unterscheiden ist die Einteilung in drucklose und druckbeaufschlagte Gießverfahren. Bei den drucklosen Verfahren, wie beispielsweise das Schwerkraftgießen, wird ein Formkern aus verfestigtem Sand oder Salz innerhalb der
Gießform angeordnet und mit Metallschmelze umgössen, wobei die Gießform gefüllt und der Formkern umschlossen wird. Bei den druckbeaufschlagten Gießverfahren besteht ein Hauptproblem darin, einen druckfesten Formkern zu erzeugen. Der Formkern muß einerseits druckfest, er muß andererseits aber nach dem Erkalten des Gußteils auch leicht zu entfernen sein. Darüber hinaus muß der Formkern eine Penetration des ihn umgebenden flüssigen Gießmetalls verhindern. Das flüssige Metall wird zumeist unter hohem Druck in die Gießform eingefüllt, so dass der Formkern neben der hohen Druckfestigkeit auch eine hohe Resistenz gegen das flüssige Metall besitzen sollte.
Ein Einsatzgebiet bei dem Formkörper zum Gießen verwendet werden sind Kolben von Verbrennungsmotoren. Besonders bei aufgeladenen Motoren und bei hochbelasteten Diesel- und auch Ottomotoren ist die im Kolben entstehende Wärme beim Brennvorgang so hoch, dass eine intensive Kolbenkühlung notwendig wird. In diesem Fall kann der Kolben durch einen im Kolbenboden angeordneten Kühlkanal besonders ausgerüstet werden, damit die notwendige Wärmeabfuhr gesichert ist. Dazu werden beim Gießen die vorgefertigten Salzkerne in die Gießform eingelegt, die die Geometrie des späteren
Kühlkanals besitzen und die nach dem Erstarren des Metalls mit Wasser und Druckluft wieder ausgespült werden. Salzkerne zum Gießen sind aber nur zum Schwerkraftgießen geeignet, da sie wenig druckbeständig und gleichzeitig zur Penetration neigen, so dass im fertigen Kühlkanal Unebenheiten oder sogar kleine Trennwände entstehen, die den Kühlöldurchfluß behindern. Um das Eindringen von Metallschmelze in den Salzkern zu verhindern und den Salzkern gleichzeitig druckfest zu gestalten, sind verschiedene Verfahren bekannt geworden. In der EP 0 501 549 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns beschrieben. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Mischens eines aus groben Teilchen bestehenden Salzpulvers mit einem aus feinen Teilchen bestehenden Salzpulver im Verhältnis von 50 : 50 bis 70 : 30 grob zu fein, wobei das grobe Pulver eine maximale Teilchengröße von 250 Mikrometern und das feine Pulver eine maximale teilchengröße von 25 Mikrometern aufweist, ferner des Beimengens eines Schmiermittels, des Pressens der Mischung zum Formen einer gewünschten Kernform und des Sinterns bei einer Temperatur im Bereich von 650° C bis 775 ° C. Neben dem Beimengen eines Schmiermittels, ist auch die Zugabe eines oberflächenaktiven Mittels vorgesehen.
Ein weiteres Verfahren, bei dem unter Verwendung eines gepressten Sandkems ein Gießteil erzeugt wird, ist aus der US 4,298,051 bekannt. In der Druckschrift wird ein Verfahren beschrieben, mittels dem ein Sandkern mit Hinterschnitten erzeugbar ist. Dazu wird ein Binder aus Aluminium, Bor und Phosphor dem Sand zugemischt. Der Sandkern kann ebenfalls mit den genannten Elementen beschichtet werden.
Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung eines Sandkerns ist in der EP 0 465 947 B1 offenbart. Hierin werden die den Grundstoff bildenden Sandteilchen mittels eines Bindemittels vollständig gebunden. Um unter anderem die Penetration des den Sandkern umfließenden Gießmetalls zu minimieren, wird in der Druckschrift vorgeschlagen, den Sandkern mit anorganischen, schwer schmelzbaren Stoffen zu beschichten, so dass beim Hochdruckgießen kein geschmolzenes Metall in den Sandkern eindringen kann. Nach dem Entfernen des Sandes aus dem erstarrten Produkt bleibt kein Sand auf der Gießfläche des Produktes zurück.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Salzkerns zu entwickeln, mit dem ein Salzkern hergestellt werden kann, der sich leicht entfernen lässt, eine gute Beständigkeit gegen das umgießende Metall aufweist und der gleichzeitig eine geringe Penetration des flüssigen Metalls zulässt. Darüber hinaus soll das Verfahren kostengünstig und in den vorhandenen Verfahrensablauf integrierbar sein.
Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Salzkern zur Verwendung in einer Gießform zu entwickeln, der ohne Vorwärmen einsetzbar ist und der darüber hinaus leicht aus dem fertigen Gießteil zu entfernen ist und der durch seine Bestandteile eine Komfeinung im Bereich des formgebenden Kerns hervorruft.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht dahingehend gelöst, dass die Herstellung des Salzkerns nach folgenden Verfahrensschritten erfolgt:
• Homogenes Mischen eines körnigen Salzes mit einem phosphathaltigen Feuerfest- binder,
• Einfüllen des gemischten Salzes in ein Formwerkzeug zur Bildung eines Formkerns und
• Verdichten des Formkerns unter Druck und/oder erhöhter Temperatur, wobei eine Polymerisation des Feuerfestbinders erfolgt.
Mit den Mitteln nach der Erfindung ist nun die Möglichkeit geschaffen, einen druckbeständigen Salzkern zu schaffen, der leicht zu entfernen ist, der dem flüssigen Metall einen ausreichenden Widerstand gegenüberstellt und der sich darüber hinaus durch eine ausgezeichnete Oberflächenglätte auszeichnet, so dass eine Penetration des flüssigen Metalls verhindert wird. Durch die Zumischung eines handelsüblichen Feuerfestbinders auf Phosphatbasis ist der Salzkern äußerst kostengünstig herzustellen und kann ebenfalls ohne zusätzliche Verfahrensschritte in den Fertigungsablauf eines Gießverfahrens integriert werden.
Die aus dem Salzkem während des Gießens in die Schmelze eingetragenen Gase, wobei hier bevorzugt das Phosphor gemeint ist, dienen zur Komfeinung. Das Phosphor wirkt sich positiv auf die Bindungsenthalpie bei der gerichteten Erstarrung aus, es unterstützt die Keimbildung wodurch eine feinere Körnung erzielt wird.
Die verwendungstechnische Aufgabe wird dahingehend gelöst, dass der mit dem phosphathaltigen Feuerfestbinder versehene Salzkern ohne Vorwärmen in die Gießform eingelegt und anschließend mittels eines druck oder drucklosen Gießverfahrens mit einem niedrig schmelzenden Metall umgössen wird und das abschließend der gebundene Salzkem mittels Wasser entfernt wird. Durch den Einsatz eines phosphathaltigen Feuerfestbinders wird die Thermoschockfähigkeit des Salzkerns in der Weise gesteigert, dass ein Vorwärmen des Salzkerns nicht erforderlich ist. Der Salzkem kann somit
unmittelbar, das heißt aus dem Vorratsbehälter oder der Herstellung in die Gießform eingelegt werden. Dies bietet den erfindungsgemäßen Vorteil, dass der Verfahrensschritt des Vorwärmens des Salzkerns entfällt.
Zur Herstellung des Salzkerns wird das in körniger Form vorliegende Salz oder Sand mit einem Feuerfestbinder auf Phosphatbasis vermischt. Die Mischung erfolgt so lange, bis ein homogenes Gemisch aus Salz oder Sand und Feuerfestbinder vorliegt. Dabei werden dem Salz 0,5 Gew.-% bis 6 Gew.-% des Feuerfestbinders zugemischt. Als phosphathalti- ge Feuerfestbinder können dabei zum Beispiel Phosphate der Form Natriumhexame- taphosphat, das auch unter dem Handelsnamen Budit 6 vertrieben wird, Borphosphatmo- nohydrat, das unter dem Handelsnamen FFB 761 vertrieben wird, Monoaluminiumdi- hydrogenorthophosphat, das unter dem Handelsnamen FFB 716 vertrieben wird oder eine Kombination aus anorganischen Boraten und Phosphaten, die unter dem Handelsnamen FFB 102 vertrieben werden und zu denen zum Beispiel die Monozink-Phosphate gehören, eingesetzt werden. Es ist erfindungsgemäß ebenfalls vorstellbar, eine
Kombination aus den verschiedenen Phosphatbindern in einer Menge, die in der Summe nicht mehr als 6 Gew.-% der Mischung darstellen, einzusetzen.
Nach dem Mischen des Salzes mit dem phosphathaltigen Feuerfestbinder wird die Mischung in ein Formwerkzeug zur Bildung des Salzkerns gefüllt. Das Formwerkzeug ist eine Dauerform, die zum Beispiel einen Kühlkanal für einen Kolben oder ein Zylinderkurbelgehäuse darstellen kann. Im Formwerkzeug wird die Mischung aus Salz und Feuerfestbinder unter einem Druck von ca. 800 Bar verdichtet und bei einer erhöhten Temperatur von bis zu ca. 350° C zur Bildung des Salzkerns verpresst. Unter dem hohen Druck und dem Einfluß der erhöhten Temperatur polymerisiert der Feuerfestbinder, wobei es auch zu einem Anschmelzen des Feuerfestbinders kommen kann, so dass ein druckbeständiger, gegen das flüssige Metall widerstandsfähiger Salzkern gebildet wird. Durch die Polymerisation oder das Anschmelzen des Feuerfestbinders wird eine sehr glatte Oberfläche am Salzkem erzeugt, die ein Penetrieren des flüssigen Metalls in den Salzkem verhindert. Es ist erfindungsgemäß ebenso vorstellbar, das homogene Gemisch aus Salz und Feuerfestbinder lediglich unter einem hohen Druck zu Verpressen.
Durch den Einsatz des phosphathaltigen Feuerfestbinders ist erfindungsgemäß ein Salzkem geschaffen, der leicht aufzulösen ist und der mittels Wasser aus dem gegosse- nen Bauteil sehr leicht herausgespült werden kann. Der Phosphatbinder und das Salz sind in der erfindungsgemäß vorliegenden Form wasserlöslich, bieten aber gleichzeitig
den Vorteil eines druckbeständigen Salzkerns und einer resistenten Oberfläche. Es können somit Gußteile hergestellt werden, die einerseits Hinterschnittkonturen aufweisen und die frei von die Oberfläche des fertigen Gußteils aufrauhenden Penetrationen oder sogar Trennwänden durch Brüche in den Salzkernen sind.
Anzumerken bleibt noch, dass die erfindungsgemäßen Salzkerne natürlich auch in den sogenannten Squeeze-Castingverfahren einsetzbar sind. In diesen Verfahren wird zuerst die Form zum größten Teil ohne Druckbeaufschlagung gefüllt und nachträglich, zum Beispiel zur Infiltration von porösen Körpern unter Druckbeaufschlagung vollständig gefüllt und anschließend unter Druckbeaufschlagung gehalten, bis dass das flüssige
Metall zur Erstarrung gelangt ist. Insbesondere wegen der hohen Fließgeschwindigkeiten der Metallschmelze beim Druckgußverfahren muss der Salzkem eine hohe Widerstandsfähigkeit aufweisen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, Salzkerne zur Verfügung zu stellen, die bereits bei Sintertemperaturen von ab 200°C eine ausreichende Zugfestigkeit aufweisen, die bei Temperaturen von unter 700°C und die bei allen bekannten Gussarten einsetzbar sind. Darüber hinaus ist es die Aufgabe der zu entwickelnden Salzkerne, dass die Ausgasungen der Salzkerne einen Einfluss auf die Komfeinung nehmen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den im Patentanspruch 7 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterentwicklungen der Erfindung und insbesondere ein erfindungsgemäßes Verfahren sind in den weiteren Ansprüchen dargestellt.
Erfindungsgemäß sind wasserlösliche Salzkerne, die durch Verdichten einer Mischung aus wasserlöslichen Salzten und einem Bindemittel unter Druck und anschließendem Polymerisieren hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein anorganisches Phosphat oder eine Mischung anorganischer Phosphate mit einem Anteil von zwischen 1 ,5 und 6 Gew.-% der Mischung ist. Die Mischung kann einen Anteil eines anorganischen Borats enthalten. Ein hoher Anteil Bindemittel ergibt in Abhängigkeit der Korngröße des Salzes bei niedrigem Pressdruck eine eher raue Oberfläche, ein niedriger Anteil Bindemittel bei hohem Pressdruck eine glatte Oberfläche.
Das anorganische Phosphat ist beispielsweise ein Monoaluminiumphosphat, ein Borphosphat oder ein Natriumpolyphospat.
Die Wärmebehandlung erfolgt bei Temperaturen von unter 730 °C, so dass keine Änderung des Polymerisationsgrades des Bindersystems der Salzkerne eintritt, vorzugsweise bei Temperaturen von zwischen 200°C und 650° C, diese wird auch erste Polymerisationsstufe bezeichnet. Temperaturen von über 760°C, im Besonderen aber eigentlich von über 850°C führen zu einer Verglasung der Salzkerne, die dann als zweite Polymerisationsstufe bezeichnet wird. Hierbei wird darauf hingewiesen, dass wie allgemein bekannt die Polymerisation und Verglasung nicht an feste Temperaturwerte gebunden ist sondern, dass es sich hierbei um relative Temperaturangaben handelt.
Mit diesen Rezepturen kann auf den kostenaufwendigen Vorgang des Vorwärmens in der Gießerei verzichtet werden, die Salzkerne können bei relativ niedrigen Temperaturen automatisch eingesetzt werden. Auch findet die Wärmebehandlung bei Temperaturen unterhalb der 2. Polymerisationsstufe von 700 - 750°C statt, was den Energiebedarf bei der Kernherstellung verringert.