EP3181264A1

EP3181264A1 - Salzkerne und verfahren zur herstellung von salzkernen

Info

Publication number: EP3181264A1
Application number: EP16195650.3A
Authority: EP
Inventors: Dr. Bernhard Gatternig; Dieter Käfer; Gudrun Schiller; Thorsten Hartig
Original assignee: Emil Mueller GmbH
Current assignee: Emil Mueller GmbH
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2017-06-21
Also published as: DE102016221033A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Kerne auf der Basis von Salz, Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, sowie die Verwendung solcher Kerne als Hohlraumplatzhalter für Urformverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft Kerne auf der Basis von Salz, Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, sowie die Verwendung solcher Kerne als Hohlraumplatzhalter für Urformverfahren, die sich durch Lösungsmittel vollständig und problemlos ohne Verbleib fester Rückstände aus den Werkstücken entfernen lassen.
An Kerne, die beim Urformen von Werkstücken aus Metall, Kunststoffen und faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt werden, um die in den Werkstücken vorgesehenen Hohlräume beim Füllen der Formen freizuhalten, werden hohe Anforderungen gestellt. Die Kerne müssen sich leicht herstellen lassen, formstabil und konturgenau sein und die für ihre Herstellung verwendeten Werkstoffe sowie die sie auflösenden Lösungsmittel sollen weder die Bauteilqualität, noch die Umwelt belasten und keine gesundheitlichen Gefährdungen verursachen.
Werden an die Oberfläche und die Konturgenauigkeit der Hohlräume der Werkstücke besondere Anforderungen gestellt, muss die Oberfläche der Kerne besonders glatt und konturgenau sein und die Kerne müssen sich in einem geeigneten Lösungsmittel vollständig auflösen und sich ohne Verbleib fester Rückstände aus den Hohlräumen der Werkstücke leicht entfernen lassen. Rückstände von Kernen, die nicht lösbare Komponenten wie beispielsweise Quarzsand enthalten, können zu einem Schaden an zu veredelnden Oberflächen führen oder den Ausfall eines Aggregats bewirken, beispielsweise wenn Kernrückstände zur Verstopfung einer Einspritzdüse im Commonrailsystem eines Dieselaggregates führen. Kerne auf der Basis von Salz, die sowohl den extremen thermischen, als auch den mechanischen Beanspruchungen, die beim Füllen der Form auftreten, standhalten, Kerne die einerseits eine hohe Festigkeit aufweisen und sich andererseits nach dem Formgebungsprozess leicht aus dem Bauteil herauslösen lassen, sowie eine möglichst gute, glatte Oberflächenbeschaffenheit im Werkstück hinterlassen, können mittlerweile mit Hilfe des so genannten Trockenpressverfahrens, mit oder ohne anschließenden Sinter- oder Rekristallisationsprozess, hergestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Kerne auf der Basis von Salz mit geringer Porosität, guter Oberflächengüte und möglichst hoher Festigkeit herzustellen, die sich nach dem Urformprozess der Werkstücke leicht und vollständig aus den Werkstücken entfernen lassen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Kerne in einem möglichst einfachen und kostengünstigen Formgebungsverfahren, vorzugsweise durch das so genannte Trockenpressverfahren, herzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Trockenpressverfahren zu verbessern und Kerne bereitzustellen, die in ihrer Festigkeit deutlich verbessert sind und sich dennoch nach dem Formgebungsverfahren leicht aus dem Bauteil herauslösen lassen, sowie eine gute, glatte Oberflächenbeschaffenheit im Werkstück hinterlassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch beschriebene Ausführungsform gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß sind die Salzkerne in einem Lösungsmittel löslich und insbesondere wasserlöslich.
Die erfindungsgemäßen Kerne umfassen einen Kernwerkstoff vorzugsweise kristalline Salzpartikel, Binder sowie ggf. Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel, Härter und Katalysatoren.
Die erfindungsgemäßen Salzkerne werden mittels eines uniaxialen Trockenpressverfahrens hergestellt. Besonders bevorzugt wird dem Trockenpressverfahren ein Masseaufbereitungsschritt vorgelagert, bei dem Salze fein aufgemahlen und anschließend granuliert werden. Dies dient dazu, eine gleichmäßige Kornform zu erzielen wodurch Festigkeit und Oberflächengüte des Presslings verbessert werden können. Das Mahlen kann nass (Nassmahlung) oder trocken (Trockenmahlung) durchgeführt werden.
Das Nassmahlen kann mit gängigen Mahlverfahren, besonders bevorzugt durch Rührwerkskugelmühlen erfolgen. Die resultierende Korngröße vor dem Sprühgranulieren liegt im Bereich von 1 µm bis 1000 µm. Der Prozessschritt des Sprühgranulierens wird bei Temperaturen bis 800°C, bevorzugt bis 500°C durchgeführt.
Vorzugsweise wird für die hier beschriebenen Salzkerne kristallines Salz als Ausgangsstoff verwendet. Nach dem Aufbereitungsprozess kann der Kernwerkstoff eine unimodale, aber auch bi- oder multimodale Korngrößenverteilung aufweisen. Eine bi- oder multimodale Korngrößenverteilung kann vorteilhaft in Hinblick auf eine besonders dichte Packung der Kristalle sein. Die in den erfindungsgemäßen Salzkernen vorhandene Porosität kann somit variiert werden. Die erfindungsgemäßen Salzkerne weisen eine Restporosität von weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Salzkerns auf.
Wesentliche Auswahlkriterien für die zu verwendenden Salze sind deren Giftigkeit und Löslichkeit.
Als Kernwerkstoffe für die erfindungsgemäßen Kerne eignen sich die Salze der Alkali- und Erdalkalielemente wie insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Magnesiumchlorid, die Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente wie insbesondere Kaliumsulfat, Magnesiumsulfat, sowie Ammoniumsalze wie insbesondere Ammoniumsulfat. Die wasserlöslichen Vertreter dieser Kernwerkstoffe sind bevorzugt. Diese Stoffe können einzeln oder auch als Mischung eingesetzt werden, soweit sie nicht miteinander reagieren und so die gewünschten Eigenschaften negativ beeinflussen, denn der Kernwerkstoff soll bei der Kernherstellung keine Stoffumwandlung erfahren, die seine rückstandsfreie Entfernung negativ beeinflusst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Korngröße des aufbereiteten Kernwerkstoffs im Bereich von 1 µm bis 2000 µm. Besonders bevorzugte Korngrößenbereiche liegen zwischen 1 µm bis 150 µm, zwischen 200 µm bis 1300 µm und/oder zwischen 1310 µm bis 2000 µm, wobei die ersten beiden Fraktionen als eher feinkörniges Granulat und die letzte Fraktion als eher grobkörniges Granulat in multimodal zusammengesetzten Mischungen Verwendung finden. Die Korngrößenverteilung wird über Siebanalysen gemäß DIN 66 165 (Stand: Ausgabe 4.1987 / 26.10.2015), bzw. nach dem Verfahren der dynamische Bildanalyse, vorzugsweise mittels Camsizer P4, durchgeführt.
Die erfindungsgemäßen Kerne bestehen aus einem oder mehreren Salzen, denen wahlweise ein spezielles Bindersystem, sowie Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel und Katalysatoren beigemischt werden.
Diese Kerne sind vorzugsweise für Werkstücke vorgesehen, die im Druckguss von Metallen, Spritzguss von Kunststoffen, oder der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Kerne sind aus Stoffen zusammengesetzt, die sich mit Wasser, als aus Gründen des Umweltschutzes bevorzugtes Lösungsmittel, rückstandsfrei aus den Hohlräumen der Werkstücke entfernen lassen. Die erfindungsgemäßen Kerne haben den Vorteil, dass sie aus Stoffen (= Kernwerkstoffen) zusammengesetzt sind, die bei sachgerechter Handhabung keinerlei gasabspaltende Reaktionen zeigen, welche die Umwelt belasten, weder bei ihrer Herstellung, noch beim Urformprozess. Dadurch, dass bei ihrem Einsatz in Gießprozessen auch keine Crackingprodukte eines organischen Binders entstehen, wird die Qualität der Gussteile verbessert, indem Gießfehler wie Lunker, Gasporen o. ä. durch entstehende Kerngase vermieden werden können. Bei der Entfernung der Kerne aus den Werkstücken entstehen keine Rückstände, die einer besonderen Entsorgung bedürfen. Je nach Zusammensetzung lassen sich die Stoffe durch geeignete Verfahren aus der flüssigen Phase zurückgewinnen, beispielsweise das Salz durch Sprühtrocknen oder Eindampfen.
Alle Zusammensetzungen der Kernwerkstoffe lassen sich in herkömmlichen mechanischen oder hydraulischen Pressen durch Verdichten verarbeiten. Die Komplexität der Geometrie der Kerne bestimmt die Fertigungsparameter sowie die Gestaltung und konstruktive Auslegung des Werkzeugs zur Herstellung der Kerne und der Presse.
Durch das erfindungsgemäße Feinmahlen (nass oder trocken) und die nachfolgende Granulation, beispielsweise Sprühgranulation oder Aufbauagglomeration, kann eine spezielle Korngrößenverteilung hergestellt werden, welche beim eingesetzten Trockenpressverfahren die größtmögliche Packungsdichte im verdichteten Salzkern ergibt und so die Festigkeit und Oberflächengüte der Kerne maßgeblich erhöht.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst:
Feinmahlen einer Kernwerkstoffmischung;

Granulation der Kernwerkstoffmischung;

Formen und Verdichten der Kernwerkstoffmischung mittels Trockenpressverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff als Ausgangsmaterial in geeigneten Mühlen auf Korngrößen von 1 µm bis 1000 µm gemahlen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemahlene Material durch Sprühgranulation bei Temperaturen bis 800°C und besonders bevorzugt bis 500°C, getrocknet wird und dadurch zu Granulaten mit den in Anspruch 11 bis 13 angegebenen Korngrößen agglomeriert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemahlene Material durch Aufbaugranulation zu Granulaten mit den in Anspruch 11 bis 13 angegebenen Korngrößen agglomeriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Mahlen und die Granulation eine bi- oder multimodaler Korngrößenverteilung der Kernwerkstoffmischung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne nach der Formgebung wärmebehandelt werden.
Kern auf der Basis von Salz, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne aus einem oder mehreren Salzen bestehen.
Kern nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Binder / Bindemittel, Additive, Füllstoffe, Benetzungsmittel und/oder Katalysatoren dem Kernwerkstoff zugesetzt werden, wobei sämtliche eingesetzten Hilfsstoffe wasserlöslich sind.
Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Salze (Kernwerkstoff) Chloride der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat, Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder Mischungen dieser Salze eingesetzt werden.
Kern nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Salz Natriumchlorid ist.
Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Korngrößen des eingesetzten Salzes im Bereich von 1 µm bis 2000 µm liegen.
Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Salz in bi- oder multimodaler Korngrößenverteilung vorliegt.
Kern nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aufbereitete Salz in einer Korngrößenverteilung von 1 µm bis 150 µm, zwischen 200 µm bis 1300 µm und/oder zwischen 1310 µm bis 2000 µm vorliegt.
Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Kern eine Porosität von <5% aufweisen.
Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Kern eine Biegefestigkeit > 16,5 MPa aufweisen.