EP2017022A1

EP2017022A1 - Von einer Metallschmelze durchströmbares Bauteil eines Gießsystems

Info

Publication number: EP2017022A1
Application number: EP08011982A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr. Hagenburger
Original assignee: HAGENBURGER
Current assignee: HAGENBURGER FEUERFESTE PRODUKTE GMBH
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2009-01-21
Also published as: DE102007034426B3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein von einer Metallschmelze durchströmbares Bauteil eines Gießsystems, das eine Wandstärke < 9mm aufweist und aus einem Werkstoff besteht, der in Kontakt mit der Metallschmelze zumindest teilweise zerstört wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein von einer Metallschmelze durchströmbares Bauteil eines Gießsystems. Ein solches Gießsystem umfasst üblicherweise einen Einguss, einen so genannten "Lauf" und so genannte "Anschnitte", die zusammen als Gießkanalsystem bezeichnet werden. Dieses Gießkanalsystem ist zumindest teilweise in eine Gießform integriert, die einen oder mehrere Hohlräume aufweist, in denen das Gussstück erstellt wird. Dazu wird eine Metallschmelze über das Gießkanalsystem in den/die Hohlräume zugeführt. Anschließend erstarrt die Schmelze.
Die Bauteile des Gießkanalsystems bestehen aus feuerfesten keramischen Produkten. Diese Bauteile sind so ausgelegt, dass sie den hohen Gießtemperaturen widerstehen und formstabil bleiben, um zu verhindern, dass nicht metallische Komponenten aus diesen Bauteilen in die Metallschmelze und damit in das Gussstück gelangen. Entsprechend weisen die Bauteile große Wandstärken (> 10 mm) und hoch feuerfeste Werkstoffe auf.
Nach dem Erstarren und Aushärten der Schmelze wird die meist aus Quarz- oder Zirkonsand bestehende Gießform demontiert (zerstört), um das Gussteil freizulegen. Das Formenmaterial soll möglichst wieder verwendet werden. Dabei stören die keramischen Komponenten des Gießkanalsystems, die beim Entformen des Gussstücks zwar meist mechanisch zerstört werden, aber in Form von Bruchstücken im Sand (Formenmaterial) verbleiben und anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt abgetrennt werden müssen.
Ein weiterer Nachteil bekannter Bauteile der genannten Art besteht darin, dass beispielsweise zur Erstellung längerer Gießkanäle mehrere Bauteile hintereinander angeordnet und miteinander verbunden werden müssen. Dabei entstehen Unstetigkeitsstellen im Bereich der Gießkanalwand. Dies erhöht die Gefahr, dass keramische Abschnitte oder Formenmaterial in die durchströmende Metallschmelze gelangen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Bauteil für den Metallguss zu optimieren. Dabei geht es unter anderem darum, den Recyclingaufwand nach Abschluss des Gießvorgangs zu reduzieren, die Gefahr der Infiltration nicht metallischer Einschlüsse in das Gussstück zu minimieren und die Konfektionierung des Gießkanalsystems innerhalb der Gießform zu vereinfachen.
Der Erfindung liegt folgender Gedanke zugrunde: Übliche Gießzeiten für metallische Gussstücke betragen wenige Minuten, beispielsweise 1,5 bis 2,5 Minuten. Dies ist der Zeitraum, während dem eine Metallschmelze über das Gießkanalsystem in die Gießform eingeleitet wird. Nur während dieser Zeit besteht die Gefahr, dass Bestandteile des Gießkanalsystems mit dem Schmelzestrom mitgerissen werden und in das herzustellende Gussstück gelangen. Nach Abschluss des Gießvorgangs bleibt das Gießkanalsystem zwar zumindest partiell mit Metallschmelze gefüllt, die dann erstarrt. Diese Herstellungsphase hat jedoch keinen entscheidenden Einfluss mehr auf die Qualität des Gussstücks.
Im Stand der Technik wurde darauf geachtet, die Bauteile des Gießkanalsystems so stabil zu machen, dass Abplatzungen oder dergleichen zuverlässig vermieden werden. Erfindungsgemäß steht der Gedanke im Vordergrund, das Bauteil so auszubilden, dass es einerseits während des Gießvorgangs die nötige Stabilität aufweist, um die Schmelze zuverlässig in die Gießform (den Formkasten) zu leiten, andererseits aber bei der anschließenden Demontage des Formkastens möglichst wenig Bestandteile des Bauteils im Formenmaterial verbleiben.
Dies vorausgeschickt liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, das Bauteil aus einem Werkstoff auszubilden, der in Kontakt mit der Metallschmelze, das heißt nach Temperaturbeaufschlagung durch die Metallschmelze, zumindest teilweise zerstört wird. Die Zerstörung kann eine chemische Zerstörung, beispielsweise durch Aufbrechen von chemischen Bindungen sein.
Diese Zerstörung soll insbesondere nach Abschluss des Gießvorgangs erfolgen, also zu dem Zeitpunkt, zu dem der Hohlraum zur Ausbildung des Gussstücks und das Gießkanalsystem mit Metall gefüllt sind und danach, kann aber auch bereits während des Gießvorgangs beginnen, sofern die mechanische Stabilität des Bauteils im Übrigen sichergestellt ist, um die Metallschmelze in der Gießform zu verteilen.
In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung danach ein Bauteil eines Gießsystems, wobei das Bauteil von einer Metallschmelze durchströmbar ist und eine Wandstärke < 9 mm aufweist sowie aus einem Werkstoff besteht, der in Kontakt mit der Metallschmelze zumindest teilweise zerstört wird.
Aus dem Gedanken der zumindest teilweisen Zerstörung folgt auch der Gedanke, das Bauteil möglichst dünnwandig auszubilden, das heißt mit einer Wandstärke deutlich unterhalb der bekannter keramischer Bauteile. Dadurch ist ein erfindungsgemäßes Bauteil massearm. Zusätzlich soll sich das Bauteil unter thermischer Last zumindest teilweise zersetzen. Im Ergebnis gelangen nur minimale Feststoffmengen in das umgebende Formenmaterial und können im Kreislauf des Formenmaterials verbleiben.
Die zumindest teilweise Auflösung (Zerstörung) des Bauteils muss selbstverständlich auf einer Art und Weise erfolgen, bei der verhindert wird, dass nicht metallische Feststoffe in den Gießstrom gelangen. Eine Möglichkeit dazu bietet die Verwendung eines Werkstoffes aus mindestens einem temporären Bindemittel und mindestens einem Armierungsmittel. Dabei gibt das Armierungsmittel quasi eine Art Grundfestigkeit, während das temporäre Bindemittel unter Einfluss der Temperatur der Metallschmelze zumindest teilweise und/oder sukzessive ausbrennt. Da das umgebende Formenmaterial (wie Quarzsand, Zirkonsand) innerhalb des Formkastens eine gewisse Gasdurchlässigkeit aufweist, können flüchtige Bestandteile des aus dem Bauteil stammenden Bindemittels ohne weiteres aus dem Formkasten weggeleitet werden.
Geeignete temporäre Bindemittel sind: Phenolharze, Furanharze, Polysaccharide, Polymere auf Basis Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylacrylat, Phosphatbinder wie Aluminiumphosphat, Wasserglas, Cellulosederivate, Ligninsulfonate. Die Auswahl einzelner dieser Bindemittel und/oder Kombinationen daraus erfolgt je nach Anwendungsfall. Während die genannten Polymere auf Basis von Polyvinylacetat relativ schnell verdampfen, ist die Standzeit von Bauteilen auf Basis von Phenolharzen und insbesondere Furanharzen deutlich höher. Unter Verwendung eines Werkstoffes aus beispielsweise 20 bis 80 Masse-% Furanharz und 20 bis 80 Masse-% eines (faserförmigen) Armierungsmittels behält ein rohrförmiges Bauteil innerhalb des Gießsystems während des Eingießens der Metallschmelze (angenommen: 2 Minuten) problemlos seine Grundform, so dass die Schmelze störungsfrei eingefüllt werden kann. Der Abrieb ist Null. Schon bald (gegebenenfalls wenige Sekunden) nach dem Kontakt zwischen der Metallschmelze kann jedoch die Zersetzung des Furanharzes beginnen, allerdings nur in einem Ausmaß, welches die Stabilität des Gießrohres nicht gefährdet. Erst nach Abschluss des Gießvorgangs (hier: >2 min) zersetzt sich das Furanharz weiter, bis es sich beispielsweise nach einigen Stunden mehr oder weniger vollständig aufgelöst hat (ohne nennenswerte Feststoff-Rückstände). Dies hat für die weiteren Verfahrensschritte den Vorteil, dass keine nennenswerten Fremdbestandteile im Formensand verbleiben (allenfalls Verbrennungsrückstände des Harzes und das Armierungsmittel). Dies ermöglicht es, das Formenmaterial wieder zu verwenden. Aufwändige Reinigungsprozesse, wie im Stand der Technik, entfallen.
Durch die Verwendung eines temporären, zerstörbaren Bindemittels kommt dem Armierungsmittel eine wesentliche Bedeutung innerhalb des ausgewählten Werkstoffs zu. Das Armierungsmittel sorgt auch während der sukzessiven Zersetzung der weiteren Komponente für eine zumindest temporäre Stabilität des Bauteils. Armierungsmittel aus der Gruppe oxidische Fasern und Kohlenstofffasern sind besonders geeignet. Die Erfindung schließt Armierungsmittel ein, die sich unter Temperaturlast ebenfalls zumindest teilweise zersetzen.
Oxidische Fasern umfassen beispielsweise Steinfasern, Glasfasern, keramische Fasern. Auch nicht oxidische Fasern sind denkbar, jedoch teuer.
Die Fasern können "Endlosfasern" sein. Solche Fasern werden insbesondere dann verwendet, wenn rohrförmige Bauteile hergestellt werden. Die Endlosfaser kann dazu beispielsweise auf einen Dorn aufgewickelt werden. Sie wird entweder vorher oder während des Aufwickelns mit dem Bindemittel in Kontakt gebracht, welches die Verbindung benachbarter Faserabschnitte und Ausbildung des gewünschten Rohrkörpers sicherstellt. Nach Aushärten des Bindemittels ist das Bauteil fertig. Aufgrund der genannten Wickeltechnik weist es eine extrem glatte innere Oberfläche auf. Dies kommt dem gewünschten Anwendungsfall zugute. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass auch große Bauteile, insbesondere lange Rohre hergestellt werden können, so dass unerwünschte Anschlussstellen benachbarter Rohrabschnitte vermieden werden. Auch dies minimiert die Gefahr, dass unerwünschte Bestandteile in den Gießstrom gelangen.
Ebenso können "endliche" Fasern verwendete werden, mit Faserlängen zwischen 20 µm und mehreren cm.
Rohrförmige Bauteile können auch im so genannten Schleuderverfahren hergestellt werden. Dazu wird das Bindemittel über eine Lanze einer rotierenden Matrize gemeinsam mit dem Armierungsmittel, beispielsweise Mineralfasern, zugeführt. Nach Aushärten des Bindemittels kann der Rohrkörper aus der Matrize entnommen werden. Auch auf diese Weise lassen sich große Rohrlängen herstellen.
Für kompliziertere Bauteile, wie Krümmer, Kupplungsteile oder dergleichen sind andere Herstellungsverfahren möglich.
Die Mischung aus temporärem beständigem Matrixmaterial und Armierung lässt sich alternativ durch Faserharzspritzen, Formpressen, Spritzpressen oder Spritzgießen sowie Laminieren zu dem gewünschten Bauteil verarbeiten.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil muss lediglich während der eigentlichen Gießphase (während der Metallschmelze in die Gießform eingefüllt wird) ausreichend formbeständig sein, um die Schmelze hindurchzuleiten, oft also nur für wenige Minuten (<5, oft <3, auch <2min). Dies ermöglicht es, die Wandstärke gegenüber bekannten keramischen Bauteilen deutlich zu reduzieren. Wandstärken < 5 mm, < 4 mm, < 3 mm, < 2 mm bis < 1mm sind möglich und gewünscht.
Die Verwendung dünner Armierungsmaterialien ermöglicht es, Wandstärken deutlich unter 1 mm zu realisieren. Beispielsweise Fasermaterialien können einen Faserdurchmesser < 20 µm, insbesondere < 12 µm aufweisen. Kohlenstofffasern weisen üblicherweise Durchmesser < 8µm auf. Der Durchmesser von Mineralfasern (Steinfasern, Glasfasern) liegt üblicherweise zwischen 2 µm und 7 µm. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Wanddicke von Bauteilen in etwa gleicher Größenordnung auszubilden, da das Bindemittel die Wandstärke nicht wesentlich verändert. Wandstärken von < 50 µm, ja sogar < 20 µm oder < 10 µm sind so möglich, aber auch < 100 µm, < 250 µm oder < 500 µm. Die Länge der Bauteile kann von wenigen cm bis zu mehreren Metern reichen, der meist runde Strömungskanal einen Durchmesser von 2 bis 30 cm aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann ausschließlich aus dem genannten temporären Matrixmaterial in Kombination mit dem beschriebenen Armierungsmittel bestehen, es kann aber auch weitere Bestandteile aufweisen. Diese weiteren Bestandteile können beispielsweise keramische, auch hochtemperaturbeständige (feuerfeste) Materialien sein, beispielsweise Ton, Kohlenstoff, Tonerde, Zirkon. Ihr Anteil wird jedoch deshalb möglichst gering gehalten, um das Ziel, nicht metallischer Einschlüsse im Gießstrom zu vermeiden, nicht zu gefährden.
Nach einer Ausführungsform betrifft der Anteil des temporären Bindemittels deshalb regelmäßig ≥ 30 Masse-%, oft ≥ 40 Masse-%, je nach Bedarf aber auch ≥ 50 Masse-%, während der Masseanteil des Armierungsmittels entweder auf 100 Masse-% insgesamt angepasst wird oder so, dass maximal 30 Masse-%, nach Ausführungsformen ≤ 20 Masse-% beziehungsweise ≤ 10 Masse-%, gegebenenfalls auch ≤ 5 Masse-% Fremdkomponenten berücksichtigt werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil ist auf Grund der geringen Wandstärke leicht transportierbar. Es kann leicht geschnitten und damit an die jeweiligen Gießsysteme angepasst werden. Es kann als Rohr Längen von mehreren Metern aufweisen. Auch andere Bauteil-Formen sind möglich.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, dass es sich bei einem erfindungsgemäßen Bauteil - in Vergleich mit dem Stand der Technik - um ein nicht gebranntes Bauteil handelt. Es besitzt deshalb eine deutlich verringerte Standfestigkeit. Es muss lediglich während des eigentlichen Gießvorgangs eine Stabilität aufweisen, die eine ordnungsgemäße Zuführung des Gießstrahls in die Gießform ermöglicht. Im Übrigen ist das Bauteil so gestaltet, dass es sich zumindest teilweise, nach Ende des Gießvorgangs möglichst weitgehend auflöst (zerstört), so dass eine Wiederaufbereitung des umgebenden Formenmaterials in Vergleich mit dem eingangs genannten Stand der Technik deutlich erleichtert wird. Im Idealfall verbleiben im Formenmaterial lediglich Verkokungsreste des Harzes und/oder Faserreste, die im Formenmaterial für den nächsten Formgebungsprozess verbleiben können.
Die Armierungsmittel für ein erfindungsgemäßes Bauteil sind nicht auf Faserwerkstoffe beschränkt. Vielmehr sind auch plättchenförmige oder körnige Armierungsmaterialien geeignet, sofern sie die übrigen, oben genannten Kriterien erfüllen. Hierzu gehören beispielsweise: Kohlenstoff-Teilchen, geblähter Perlit, geblähter Vermiculit, Blähglas, Bims, jeweils möglichst in geringen Teilchengrößen, um die Wandstärke des Bauteils gering halten zu können. Die Verbindung der Teilchen untereinander erfolgt wiederum in erster Linie über ein temporäres Bindemittel der genannten Art.
Auch hier gilt, dass nach Abbrand (Zersetzung) der nur temporär beständigen Werkstoffkomponente die Armierungsstoffe ohne weiteres im Formenmaterial verbleiben können, zumal sie kleinkörnig (meist <5mm, oft <2mm, auch <1mm) und temperaturbeständig sind.

Claims

Von einer Metallschmelze durchströmbares Bauteil eines Gießsystems, das eine Wandstärke < 9mm aufweist und aus einem Werkstoff besteht, der in Kontakt mit der Metallschmelze zumindest teilweise zerstört wird.
Bauteil nach Anspruch 1, dessen Werkstoff zumindest ein temporäres Bindemittel und mindestens ein Armierungsmittel umfasst.
Bauteil nach Anspruch 1, dessen Werkstoff ≥ 20 Masse-% mindestens eines temporären Bindemittels und ≥ 30 Masse-% mindestens eines Armierungsmittels umfasst.
Bauteil nach Anspruch 1, dessen Werkstoff maximal 20 Masse-%, insbesondere maximal 10 Masse-% sonstige Komponenten umfasst.
Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dessen temporäres Bindemittel aus der Gruppe: Phenolharze, Furanharze, Polysaccharide, Polymere auf Basis Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyacrylat stammt.
Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dessen Armierungsmittel aus der Gruppe oxidische Fasern, Kohlenstofffasern stammt.
Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dessen Armierungsmittel gewickelte Langfasern umfasst.