EP3320999A1 - Fertigungsverfahren mit einer vakuum-sandgussform - Google Patents

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EP3320999A1
EP3320999A1 EP16198875.3A EP16198875A EP3320999A1 EP 3320999 A1 EP3320999 A1 EP 3320999A1 EP 16198875 A EP16198875 A EP 16198875A EP 3320999 A1 EP3320999 A1 EP 3320999A1
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EP
European Patent Office
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mold
sand
casting
cooling
molding box
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Christoph Stratmann
Andreas Güll
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GF Casting Solutions AG
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Georg Fischer GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D30/00—Cooling castings, not restricted to casting processes covered by a single main group

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing cast parts from metal with a sand mold according to the preamble of claim 1.
  • the present invention relates to casting production with sand casting molds made by a vacuum molding process.
  • Casting method for producing castings of metal e.g. Of iron, aluminum or magnesium alloys are well known.
  • Typical casting methods that require sand casting molds are gravity casting or low pressure casting.
  • a molding box In low-pressure casting, a molding box is positioned with a vacuum or negative pressure sand casting mold via a Druckvergiess issued.
  • the molding box with the standing under vacuum / vacuum sand mold is then docked over the sprue of the mold box at the furnace outlet of the Druckvergiess announced and connected to this non-positively.
  • the sprue of the sand casting mold leads into a sprue area, which distributes the flow of liquid metal over a channel system and optimally fills the mold cavities of the sand casting mold. So that turbulence does not occur during flow of the liquid metal or material-specific critical velocities are exceeded, which negatively influence the later component mechanically or chemically (oxidation processes), the flow velocity of the liquid metal is regulated by the pressure in the pressure casting device. After the casting has been completed, the mold is allowed to cool until the casting produced is sufficiently solidified that it can be unpacked from the molding box. For example, the sand mold is passed over a vibrating table to release the sand from the casting.
  • a sand mold In gravity casting, a sand mold is filled from above with liquid metal. Thanks to gravity - mostly turbulent - the metal flows into the sprue of the sand casting mold and is also distributed in the sprue area via distribution channels into the cavities of the casting mold.
  • filters In the use of appropriate filters in the sprue of the sand casting mold, a laminar flow can also be generated during gravity casting.
  • the filters have the additional advantage that even impurities or oxidation products can be filtered out of the liquid metal.
  • the described low-pressure casting method or gravity casting is used in particular for the casting of light metals, e.g. Aluminum alloys, used.
  • the font US 7121318 suggests that after filling a sand mold (a sand stock conglomerate with binder) with liquid metal, the sand mold comes into contact with a solvent, eg water. As a result, the liquid metal is cooled faster in the edge zones and begins to solidify there. Of the Edge area of the casting with a solidified surface also comes into direct contact with the solvent and is thereby further quenched. The solvent also dissolves the sand mold in the cooled area.
  • the US patent suggests that the sand mold is immersed in a bath filled with the solvent.
  • the font DE 11 2006 000 627 T5 describes another method and a sand mold with improved heat dissipation, preferably for the production of castings from aluminum alloys.
  • the sand mold and the cores are made of quartz sand, which are mixed with a water-soluble binder, so that the quartz sand remains in the desired shape.
  • water-soluble cores are used at corresponding points of the sand casting mold. If, after the casting process, the sand casting mold is splashed with water at the points where the water-soluble cores are used, the water-soluble binder dissolves and the cores are washed away.
  • the font US 4,222,429 describes a cooling method for a vacuum sand mold.
  • the under-pressure sand mold is filled with liquid metal.
  • additional gases vaporizing styrene resin
  • a gas is subsequently rinsed through the (porous) casting mold and then sucked out of it again, which causes additional cooling or quenching of the casting mold and the cast part.
  • a cooling gas for example, air is used, which is pumped by means of a compressor in the sand casting mold. It can also be rinsed with water vapor instead of air. This rinse of the sand mold results in heat removal.
  • the sand mold can be sprayed with water from the outside.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method for the production of castings, which greatly improves the cooling of sand casting molds produced by means of vacuum molding and the castings solidifying therein.
  • the process according to the invention has numerous advantages over known casting processes. Thanks to the use of sand casting molds produced by the vacuum process, no binder is required (cost savings). The sand preparation is very easy. There are no expensive and bulky sand processing plants needed. The sand consumption is low with the inventive production method and accordingly environmentally friendly, because no additives are needed. Sand casting molds produced by means of vacuum molding require less draft and, in contrast to other sand casting molds, can also have undercuts. As the sand casting molds produced by the vacuum process contain no water, no water vapor is generated during the casting process. Thus, even lower wall thicknesses can be cast on the casting.
  • castings produced thereby have a higher dimensional accuracy and can have a very fine surface, since sand with a small particle size can be used. Even burr-free production is possible. The castings then do not necessarily have to be sandblasted.
  • the inventive production method can also be used in all known and common casting.
  • the quenching of the casting with water or another cooling liquid is brought to a very high level by the resulting suction effect.
  • the cooling liquid penetrates much faster and deeper into the porous sand casting mold, so that significantly higher cooling rates
  • the castings are effected as with conventional cooling methods. By touching the edge-solidified casting in the sand mold with the cooling liquid, the heat is dissipated abruptly.
  • the FIG. 1 shows first the production of a sand casting mold after the vacuum forming process.
  • the illustrated method is state of the art and can also find application in the inventive manufacturing process.
  • the first picture shows the provision of a vacuum box with a model half of the casting mold to be produced. On the model half a casting funnel is attached, through which the liquid metal should later flow into the sand casting mold.
  • the second picture shows a first process step for the production of the sand casting mold. In this case, a film or model film is heated until it becomes plastically deformable. Subsequently, the model film is lowered from above over the Giesstrichterform and the model half.
  • a negative pressure is created (see arrow), which sucks the model foil to the model half and to the pouring funnel.
  • the model half and the pouring funnel shape can be offset with small holes for better suction of the model film.
  • the model film cools and remains in the modeled form.
  • sizing can then be applied to the model film.
  • the top of the mold box is positioned over the half of the model with mounted model foil and filled with sand, eg quartz sand, and finally closed with an upper cover foil.
  • sand eg quartz sand
  • the vacuum or negative pressure in the molding box upper part is kept stable by means of pumps, so that the negative pressure remains in the upper part of the molding box.
  • the top of the flask is now removed from the half of the model and the casting funnel shape (see 7th picture).
  • the mold half made of sand hereby remains in its shape due to the negative pressure exerted, similar to a vacuumed food packaging.
  • the resulting benefits have already been explained above.
  • the bottom of the mold box with the lower mold half is made in the same way.
  • the flask top is anschnetend assembled with the associated lower part of the molding box and connected to each other non-positively.
  • the mold box with the sand mold in it under vacuum is now ready for filling with liquid metal (see 8th picture). After the liquid metal has solidified to the casting, the negative pressure can be released and the manufactured casting removed from the molding box (see 9th image).
  • the two following subfigures 2.1 and 2.2 show a schematic representation of the two-part molding box 2, wherein each mold box half 2 contains a Sandgussformhhan which is held under negative pressure. Part 2.1 also shows how both sand mold halves are held in their formed by the model sheets 12 due to the negative pressure.
  • the underprint in the two casting mold halves is held by the molding box 2, as well as a mold box cover film 7 and a model film 12.
  • the schematic figures show at both mold box halves a suction point 11, by means of which air is sucked out of the mold halves and thus the negative pressure is generated.
  • the molding box upper part also has a casting funnel 10, through which the melt is poured into the closed casting mold in a later step.
  • the two mold box halves acted upon by negative pressure are stacked on top of each other and frictionally connected with each other.
  • both mold box halves are joined together. These are non-positively connected so that the sand casting mold does not open during the casting process.
  • the two mold box halves form the actual mold box 2 with the sand mold 1 assembled therein from the two sand mold halves.
  • the assembled sand mold 1 forms a cavity 13 which has the casting mold to be produced.
  • the closed molding box 2 can now be filled with the melt, ie, solid metal 5.
  • the present invention may be applied to any casting method, for example the gravity or die casting methods described above.
  • the sand mold 1 is now filled according to part 2.2 with liquid metal, wherein the liquid metal cools and - slowly begins to solidify in the edge zones to the sand mold.
  • the two subfigures 3.1 and 3.2 now show the inventive method step:
  • the molding box 2 with the still located therein under vacuum sand mold 1, which is filled with liquid, teilerstarrtem metal is moved away from the casting device (not shown).
  • the casting device will thus release for the next casting operation, ie filling of a further mold box.
  • the filled molding box 2 is for this purpose, for example, by a robot, not shown, moved away from the casting apparatus and pivoted via a cooling device.
  • the cooling device can, as shown in the two sub-figures consist of a large cooling pool or bath 6 (eg a water bath).
  • the cooling device can also have nozzles 9 for the cooling liquid admission, which spray the liquid metal filled molding box 2 from different directions, eg from above, with a cooling liquid.
  • a cooling liquid typically, water is used as the cooling fluid or coolant.
  • the molding box 2 is now partially immersed, for example, in the cooling basin 6 and sprayed from above by means of the nozzles 9 with the cooling liquid.
  • the mold box 2 can also be completely immersed in the cooling tank 6, in which case no additional nozzles are necessary.
  • the molding box 2 with the sand casting mold 1, which is still under reduced pressure, is now opened according to the invention completely or even only at the locations with the application of cooling liquid. This is done by removing the mold box cover sheets 7.
  • the invention now makes use of the suction effect of the negative pressure (typically -0.6 to -0.8 bar):
  • the sand mold 1 is made of sand, ie quartz sand, and contains no blocking binder (eg Betonit) or other fines, the water can penetrate very quickly and deeply into the porous sand mold, ie between the individual grains of sand, thanks to the pre-existing negative pressure / vacuum.
  • a sand casting mold is very compact, it is actually porous and has a theoretical cavity between the grains of sand, which can account for 33% of the total sand casting mold volume.
  • inventive cooling or quenching effect is very high compared to the known cooling methods.
  • inventive method also applies to vacuum sand casting molds, which are provided with additives.
  • the additives used do not adversely affect the porosity of the sand casting mold or its permeability to the cooling liquid, or at least do not influence it too negatively.
  • Betonit should preferably not be used as additive / binder, because this when in contact with water closes the cavities between the grains of sand and makes the sand mold impermeable to water (despite the low pressure little or no water is sucked into the sand mold).
  • the molding box 2 After the cover sheets 7 of the molding box have been removed, it is also conceivable for the molding box 2 to be immersed deeper into the cooling basin 6.
  • the immersion of the molding box 2 in the water bath 6 offers the additional advantage that the immersion process can be controlled or regulated. That is, the cooling process can be influenced by the dipping direction and speed.
  • the molding box can be immersed horizontally in the casting position, obliquely or rotated through 180 degrees about a horizontal or a vertical axis. Accordingly, certain areas of the casting may be quenched faster via the dipping direction and / or speed.
  • the subfigures 4.1 and 4.2 show a further variant of the inventive method.
  • the filled with liquid metal molding box 2 is completely immersed in a water bath 6, before the cover sheets 7 are removed on the molding box.
  • the suction effect for the quenching of the liquid or partly already randerstarrten casting 3 with the cooling liquid is exploited even more efficient.
  • the molding box instead of the cover sheets 7 also slide 8 may have. These slides 8 take over the function of the cover sheet.
  • the use of sliders - e.g. at the bottom of the box - be more advantageous than the use of cover sheets.
  • the slides can also be reused without further ado.
  • the molding box is opened after the cooling liquid is applied by the removal of the cover sheets or the slider.
  • the idea of the invention also includes the possibility that the (partial) opening of the molding box takes place before or immediately before or at the same time as the application of cooling liquid.
  • the molding box can thus be opened before or after the cooling liquid application (preferably only at the points withchenkeitsbeetzschlagung).
  • the invention naturally used suction and thus cooling effect is used most efficiently if the sand mold absorbs only or mostly only cooling liquid and not also ambient air (much lower heat capacity). It is therefore preferable that the molding box is opened only after the cooling liquid application by the removal of the cover sheets or slider.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Gusssteilen aus Metall mit einer Sandgussform (1). Die Sandgussform (1) wird hierbei in einem Formkasten (2) mit einem Unterdruck-Formverfahren hergestellt. Erfindungsgemäss wird die sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform (1) im Formkasten (2) zunächst mit flüssigem Metall (5) gefüllt. Der Formkasten (2) wird anschliessend mit der sich darin unter Unterdruck befindlichen Sandgussform (1) ganz oder teilweise mit einer Kühlflüssigkeit (4) beaufschlagt und nach, gleichzeitig oder vor der Kühlflüssigkeit-Beaufschlagung an Stellen mit Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung geöffnet. Hierdurch wird Kühlflüssigkeit (4) in die sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform (1) aufgesogen, wodurch das erstarrende Gussteil (3) sehr schnell abschreckt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen aus Metall mit einer Sandgussform gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Gussteilherstellung mit Sandgussformen, welche mit einem Unterdruck-Formverfahren hergestellt werden. Giessverfahren zur Herstellung von Gussteilen aus Metall, z.B. aus Eisen-, Aluminum- oder Magnesiumlegierungen sind allgemein bekannt. Typische Giessverfahren, welche Sandgussformen benötigen sind das Schwerkraftgiessen oder das Niederdruck-Giessen.
  • Beim Niederdruck-Giessen wird ein Formkasten mit einer unter Vakuum bzw. Unterdruck stehenden Sandgussform über eine Druckvergiesseinrichtung positioniert. Der Formkasten mit der unter Vakuum/Unterdruck stehenden Sandgussform wird dann über die Eingussöffnung des Formkastens am Ofenauslauf der Druckvergiesseinrichtung angedockt und mit dieser kraftschlüssig verbunden. Durch einen geregelten Druckaufbau im Ofeninneren, steigt flüssiges Metall über ein Ofensteigrohr in den Ofenauslauf der Druckvergiesseinrichtung und fliesst über die Eingussöffnung des Formkastens in den Einguss der Sandgussform. Der Einguss der Sandgussform führt in einen Angussbereich, welcher den Strom flüssigen Metalls über ein Kanalsystem verteilt und die Formhohlräume der Sandgussform optimal füllt. Damit beim Fliessen des flüssigen Metalls keine Turbulenzen entstehen oder werkstoffspezifische kritische Geschwindigkeiten überschritten werden, welche das spätere Bauteil mechanisch oder chemisch (Oxidationsprozesse) negativ beeinflussen, wird die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls über den Druck in der Druckvergiesseinrichtung geregelt. Nach erfolgtem Vergiessen lässt man die Sandgussform abkühlen, bis das damit hergestellte Gussteil genug erstarrt ist, dass man dieses aus dem Formkasten auspacken kann. Die Sandgussform wird zum Beispiel über einen Rütteltisch geführt, damit sich der Sand vom Gussstück löst.
  • Beim Schwerkraftgiessen wird eine Sandgussform von oben mit flüssigem Metall gefüllt. Das Metall fliesst dank der Schwerkraft - meist turbulent - in den Einguss der Sandgussform und wird dort ebenfalls im Angussbereich über Verteilkanäle in die Hohlräume der Gussform verteilt. Durch das Einsetzen von entsprechenden Filtern im Einguss der Sandgussform kann auch beim Schwerkraftgiessen eine laminare Strömung erzeugt werden. Die Filter haben den zusätzlichen Vorteil, dass auch noch Verunreinigungen oder Oxidationsprodukte aus dem flüssigen Metall ausgefiltert werden können.
  • Das beschriebenen Niederdruck-Giessverfahren oder das Schwerkraftgiessen wird insbesondere für das Vergiessen von Leichtmetallen, z.B. AluminiumLegierungen, verwendet.
  • Für das Giessen in industriellem Massstab ist es wichtig die Giessanlage möglichst effizient zu betreiben. Daher ist es wichtig kurze Taktzeiten für das Herstellen der einzelnen Gussteile zu erreichen. Ein wichtiger Faktor für die Taktzeit ist die Abkühlgeschwindigkeit des hergestellten Bauteiles. Je schneller das Gussteil erstarrt bzw. starr genug ist, um es aus der Sandgussform bzw. dem Formkasten auszupacken, desto effizienter kann die Giessanlage betrieben werden.
    Eine schnellere Abschreckung bzw. Erstarrung des flüssigen Metalls bringt aber auch verbesserte mechanische Eigenschaften für das hergestellte Gussteil mit sich. D.h. durch eine schnelle und gezielte Abkühlung der Schmelze werden Metallgefüge mit besseren mechanischen Eigenschaften erzeugt (z.B. Härtung des Gussteiles).
  • Um die Abkühlung der Sandgussform zu beschleunigen sind bereits Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die Schrift US 7121318 schlägt vor, dass nach dem Füllen einer Sandform (ein Sandstoff-Konglomerat mit Bindemittel) mit flüssigem Metall, die Sandform mit einem Lösungsmittel, z.B. Wasser, in Kontakt kommt. Dadurch wird das flüssige Metall in den Randzonen schneller abgekühlt und beginnt dort zu erstarren. Der Randbereich des Gussteils mit erstarrter Oberfläche kommt dabei auch direkt mit dem Lösungsmittel in Kontakt und wird dadurch weiter abgeschreckt. Durch das Lösungsmittel wird die Sandgussform im gekühlten Bereich auch aufgelöst. Die US-Schrift schlägt vor, dass die Sandgussform in ein mit dem Lösungsmittel gefülltes Bad getaucht wird.
  • In einem weiteren Dokument, der US 7 216 691 , wird vorgeschlagen eine mit flüssigem Metall gefüllte Sandgussform mit Wasser zu bespritzen oder in ein Wasserbad einzutauchen zwecks schnellerer Kühlung der Gussform bzw. schnellerer Erstarrung des darin enthaltenen Gussteiles. Bezweckt wird hierbei auch die Auflösung der Sandgussform. Durch die gezielte Beaufschlagung einzelner Bereiche der Sandgussform mit dem Kühlmittel wird auch eine zonal gerichtete Abschreckung erreicht und damit auch zonal bessere mechanische Eigenschaften am hergestellten Gussteil.
  • Die Schrift DE 11 2006 000 627 T5 beschreibt ein weiteres Verfahren und eine Sandgussform mit verbesserter Wärmeabfuhr, bevorzugt für die Herstellung von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen. Die Sandform und die Kerne bestehen aus Quarzsand, welcher mit einem wasserlöslichen Bindemittel versetzt sind, damit der Quarzsand in der gewünschten Form bleibt. Zwecks gezielter Härtung bestimmter Stellen am herzustellenden Gussteil, werden wasserlösliche Kerne an entsprechenden Stellen der Sandgussform eingesetzt. Wird nach erfolgtem Giessprozess die Sandgussform an den Stellen mit eingesetzten, wasserlöslichen Kernen mit einem Wasserstrahl bespritzt, so löst sich das wasserlösliche Bindemittel auf und die Kerne werden weggewaschen. Dadurch bildet sich nicht nur in relativ kurzer Zeit eine erstarrte Randzone am Gussteil, sondern das Gussteil wird an dieser Stelle auch noch weit schneller abgeschreckt, sobald der Kern weggewaschen ist und der Wasserstrahl direkt mit der erstarrten Gussteiloberfläche in Berührung kommt. Dadurch kann auch eine lokale Härtung des Gussteiles stattfinden.
  • Die Schrift US 4 222 429 beschreibt ein Kühlverfahren für eine Vakuum-Sandgussform. Hierbei wird die sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform mit flüssigem Metall gefüllt. Mittels des durch die Absaugung fortbestehenden Unterdruckes in der Sandgussform werden beim Giessprozess ev. zusätzlich entstehende Gase (verdampfendes Styrolharz) aus der Sandgussform abgeführt. Zur Kühlung der Sandgussform wird anschliessend an der Erstarrung des Gussteiles ein Gas durch die (poröse) Gussform gespült und dann wieder daraus abgesaugt, wodurch eine zusätzliche Abkühlung bzw. Abschreckung der Gussform und des Gussteiles bewirkt wird. Als Kühlgas wird z.B. Luft verwendet, welche mittels Kompressor in die Sandgussform gepumpt wird. Es kann auch mit Wasserdampf anstelle von Luft gespült werden. Diese Spülung der Sandgussform erzeugt eine Wärmeabführung. Zusätzlich zur Spülung der Sandgussform mit einem Kühlgas bzw. Luft kann die Sandgussform von aussen noch mit Wasser besprüht werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gussteilen vorzusehen, welches die Abkühlung von mittels Unterdruck-Formverfahren hergestellter Sandgussformen und der darin erstarrenden Gussteile stark verbessert.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung von Gussteilen gemäss Anspruch 1 gelöst.
  • Bekannte Giessverfahren zur Herstellung von Gusssteilen mit einer Sandgussform enthalten die folgenden Schritte:
    • Herstellung der Sandgussform in einem Formkasten mit einem Unterdruck-Formverfahren
    • Füllung der hergestellten Sandgussform im Formkasten mit flüssigem Metall
    • Kühlung der Sandgussform und des darin erstarrenden Gussteiles mit einer Kühlflüssigkeit (z.B. Wasser).
  • Das erfindungsgemässe Verfahren enthält aber noch die folgenden spezifischen Schritte:
    • die sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform im Formkasten wird zunächst mit flüssigem Metall gefüllt
    • der Formkasten wird anschliessend mit der sich darin unter Unterdruck befindlichen Sandgussform ganz oder teilweise mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt
    • der Formkasten wird - nach oder unmittelbar vor der Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung - an Stellen mit Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung geöffnet, so dass die Kühlflüssigkeit in die sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform gesogen wird und dadurch das erstarrende Gussteil abschreckt.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren hat zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Giessverfahren. Dank der Verwendung von im Unterdruck-Verfahren hergestellter Sandgussformen wird kein Bindemittel benötigt (Kostenersparnis). Die Sandaufbereitung ist sehr einfach. Es werden keine teuren und sperrige Sandaufbereitungsanlagen benötigt. Der Sandverbrauch ist mit der erfindungsgemässen Herstellmethode gering und entsprechend umweltschonend, weil keine Zusatzstoffe benötigt werden. Mittels Unterdruck-Formverfahren hergestellte Sandgussformen benötigen geringere Formschrägen und können im Gegensatz zu anderen Sandgussformen auch Hinterschneidungen aufweisen. Da die im Unterdruck-Verfahren hergestellten Sandgussformen kein Wasser enthalten, wird beim Gussprozess kein Wasserdampf erzeugt. Damit sind auch geringere Wanddicken am Gussteil giessbar. Damit hergestellte Gussteile haben zudem eine höhere Masshaltigkeit und können eine sehr feine Oberfläche aufweisen, da Sand mit kleiner Korngrösse verwendet werden kann. Selbst eine gratfreie Fertigung ist möglich. Die Gussteile müssen anschliessend nicht zwingend sandgestrahlt werden.
    Das erfindungsgemässe Herstellverfahren kann zudem bei allen bekannten und gängigen Giessverfahren eingesetzt werden.
    Beim erfindungsgemässen Herstellverfahren wird die Abschreckung des Gussteiles mit Wasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit durch den entstehenden Ansaugeffekt auf ein sehr hohes Mass gebracht. Die Kühlflüssigkeit dringt sehr viel schneller und tiefer in die poröse Sandgussform ein, so dass deutlich höhere Abkühlgeschwindigkeiten der Gussteile bewirkt werden als mit herkömmlichen Kühlverfahren. Durch die Berührung des randerstarrten Gussteiles in der Sandgussform mit der Kühlflüssigkeit wird die Wärme schlagartig abgeführt. Durch die extreme Abkühlgeschwindigkeit fallen sowohl die Primärdendritenbildung wie auch die eutektische Erstarrung sehr feinkörnig aus. Die Saugwirkung wird zudem dadurch verbessert, dass die Hohlräume zwischen den Sandkörnern nicht durch Bindemittel blockiert sind. Die Sandgussform ist damit viel poröser und die Kühlflüssigkeit wird durch den Unterdruck schlagartig in die Sandgussform gesaugt, ohne am Durchfluss gehindert zu werden.
  • Im Folgenden werden das erfindungsgemässe Herstellverfahren und deren Wirkweise anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es soll aber ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass sich das erfindungsgemässe Verfahren und der Erfindungsgedanke nicht auf die in den Beispielen gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Es zeigen:
    • Figur 1
    Herstellung einer Sandgussform mit bekanntem Unterdruck- oder Vakuum-Formverfahren
    Figur 2.1 und 2.2
    Bereitstellung des Formkastens mit der sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform
    Figur 2.2
    Füllung der Sandgussform mit flüssigem Metall
    Figur 3.1 und 3.2
    Erfindungsgemässes Abkühlen und Auspacken der sich unter Unterdruck befindlichen Sandgussform
    Figur 4.1 und 4.2
    Weitere Variante für das erfindungsgemässe Abkühlen und Auspacken der sich unter Unterdruck befindlichen Sandgussform
  • Die Figur 1 zeigt zunächst die Herstellung einer Sandgussform nach dem Unterdruck-Formverfahren. Das dargestellte Verfahren ist Stand der Technik und kann auch beim erfinderischen Herstellverfahren Anwendung finden. Das erste Bild zeigt die Bereitstellung eines Unterdruckkastens mit einer Modelhälfte der herzustellenden Gussteilform. An der Modelhälfte ist eine Giesstrichterform angebracht, durch welche das flüssige Metall später in die Sandgussform fliessen soll. Im zweiten Bild wird ein erster Prozessschritt zur Herstellung der Sandgussform gezeigt. Hierbei wird eine Folie bzw. Modellfolie erwärmt bis sie plastisch verformbar wird. Anschliessend wird die Modellfolie von oben über die Giesstrichterform und die Modellhälfte abgesenkt. Mittels Absaugung an der Unterkasten-Modellplatte wird ein Unterdruck erzeugt (siehe Pfeil), welcher die Modellfolie an die Modellhälfte und an den Giesstrichter ansaugt. Die Modellhälfte und die Giesstrichterform können zwecks besserer Ansaugung der Modellfolie mit kleinen Löchern versetzt sein. Die Modellfolie kühlt ab und verbleibt in der modellierten Form. Optional kann auf die Modellfolie anschliessend noch Schlichte aufgebracht werden. Im 4. bis 6. Bild wird gezeigt, wie das Formkasten-Oberteil über die Modellhälfte mit aufgezogener Modellfolie positioniert und mit Sand, z.B. Quarzsand, gefüllt und schliesslich mit einer oberen Deckfolie verschlossen wird. Im Formkasten-Oberteil wird nun ebenfalls ein Unterdruck erzeugt indem die Luft daraus abgesogen wird (siehe Pfeil in den Figuren). Das Vakuum bzw. Unterdruck im Formkasten-Oberteil wird mittels Pumpen stabil gehalten, so dass der Unterdruck im Formkasten-Oberteil bestehen bleibt. Das Formkasten-Oberteil wird nun von der Modellhälfte und der Giesstrichterform abgezogen (siehe 7. Bild). Die hiermit aus Sand hergestellte Gussformhälfte verbleibt durch den ausgeübten Unterdruck in ihrer Form, ähnlich einer vakuumierten Lebensmittelverpackung. Die daraus hervorgehenden Vorteile wurden bereits weiter oben erläutert. Das Formkasten-Unterteil mit der unteren Gussformhälfte wird auf gleicher Weise hergestellt. Das Formkasten-Oberteil wird anschiessend mit dem zugehörigen Formkasten-Unterteil zusammengefügt und miteinander kraftschlüssig verbunden. Der Formkasten mit der sich darin unter Unterdruck befindlichen Sandgussform ist nun bereit für die Befüllung mit flüssigem Metall (siehe 8. Bild). Nachdem das flüssige Metall zum Gussteil erstarrt ist, kann der Unterdruck aufgehoben und das hergestellte Gussteil aus dem Formkasten entfernt werden (siehe 9. Bild).
  • Die beiden folgenden Teilfiguren 2.1 und 2.2 zeigen in schematischer Darstellung den zweiteiligen Formkasten 2, wobei jede Formkastenhälfte 2 eine Sandgussformhälfte enthält, die unter Unterdruck gehalten wird. Die Teilfigur 2.1 zeigt auch, wie beide Sandgussformhälften aufgrund des Unterdruckes in ihrer durch die Modellfolien 12 gebildeten Form gehalten werden. Der Unterduck in den beiden Gussteilformhälften wird jeweils durch den Formkasten 2, sowie einer Formkasten-Deckfolie 7 und einer Modellfolie 12 gehalten. Die schematischen Figuren zeigen an beiden Formkastenhälften eine Absaugstelle 11, mittels welcher Luft aus den Formhälften abgesogen und so der Unterdruck erzeugt wird. Das Formkasten- Oberteil weist noch einen Giesstrichter 10 auf, durch welchen in einem späteren Schritt die Schmelze in die geschlossene Gussform gegossen wird. Gemäss Teilfigur 2.1 werden die beiden mit Unterdruck beaufschlagten Formkastenhälften aufeinandergelegt und kraftschlüssig miteinander verbunden. In der Teilfigur 2.2 sind beide Formkastenhälften zusammengefügt. Diese sind kraftschlüssig miteinander verbunden damit sich die Sandgussform beim Giessprozess nicht öffnet. Die beiden Formkastenhälften bilden den eigentlichen Formkasten 2 mit der darin aus den beiden Sandgussformhälften zusammengefügten Sandgussform 1. Die zusammengefügte Sandgussform 1 bildet einen Hohlraum 13, welcher die herzustellende Gussteilform aufweist. Der geschlossene Formkasten 2 kann nun mit der Schmelze, d.h. füssigem Metall 5 gefüllt werden. Die vorliegende Erfindung kann bei einem beliebigen Giessverfahren angewendet werden, z.B. bei den weiter vorne beschriebenen Schwerkraft- oder Druckgiessverfahren. Weitere gängige und anwendbare Giessverfahren wären z.B. das Kippgiessen, das fallende Giessen oder auch das seitliche Giessen. Die Sandgussform 1 ist nun gemäss Teilfigur 2.2 mit flüssigem Metall gefüllt, wobei das flüssige Metall abkühlt und - zuerst in den Randzonen zur Sandform hin - langsam zu erstarren beginnt.
  • Die beiden Teilfiguren 3.1 und 3.2 zeigen nun den erfinderischen Verfahrensschritt: Der Formkasten 2 mit der sich darin weiterhin unter Unterdruck befindlichen Sandgussform 1, welche mit flüssigen, teilerstarrtem Metall gefüllt ist, wird von der Gießvorrichtung (nicht dargestellt) wegbewegt. Die Gießvorrichtung wird damit für den nächsten Gussvorgang, d.h. Befüllung eines weiteren Formkastens, freigeben. Der gefüllte Formkasten 2 wird hierzu, z.B. von einem nicht dargestellten Roboter, von der Gießvorrichtung wegbewegt und über eine Kühlvorrichtung geschwenkt. Die Kühlvorrichtung kann, wie in den beiden Teilfiguren dargestellt aus einem grossen Kühlbecken bzw. Bad 6 (z.B. ein Wasserbad) bestehen. Nebst dem eigentlichen Kühlbecken 6 kann die Kühlvorrichtung auch Düsen 9 für die Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung aufweisen, welche den mit flüssigem Metall gefüllten Formkasten 2 aus verschiedenen Richtungen, z.B. von oben, mit einer Kühlflüssigkeit besprühen. Typischerweise wird als Kühlflüssigkeit bzw. Kühlmittel Wasser verwendet.
    Der Formkasten 2 wird nun z.B. teilweise in das Kühlbecken 6 getaucht und von oben mittels der Düsen 9 mit der Kühlflüssigkeit besprüht. Der Formkasten 2 kann auch ganz in das Kühlbecken 6 getaucht werden, wobei dann keine zusätzlichen Düsen notwendig sind. Der Formkasten 2 mit der sich weiterhin unter Unterdruck befindlichen Sandgussform 1 wird nun erfindungsgemäss ganz oder auch nur an den Stellen mit Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung geöffnet. Dies geschieht dadurch, dass die Formkasten-Deckfolien 7 entfernt werden. Die Erfindung macht sich nun den Saugeffekt des Unterdruckes (typischerweise -0.6 bis -0.8 bar) zunutze: Durch das Entfernen der Deckfolien 7 wird augenblicklich Wasser in die Sandgussform 1 gesogen, welches das Gussteil 3 augenblicklich abschreckt. Da die Sandgussform 1 aus Sand, d.h. Quarzsand, besteht und keine blockierende Bindemittel (z.B. Betonit) oder andere Feinanteile enthält, kann das Wasser dank des vorbestehenden Unterdruckes/Vakuums sehr schnell und tief in die poröse Sandgussform, d.h. zwischen den einzelnen Sandkörnern, eindringen. Obschon eine Sandgussform sehr kompakt wirkt, ist sie in Wirklichkeit porös und besitzt einen theoretischen Formhohlraum zwischen den Sandkörnern, welcher 33% des gesamten Sandgussformvolumens ausmachen kann. Aufgrund dessen ist der erfinderische Kühl- oder Abschreckeffekt sehr hoch im Vergleich zu den bekannten Kühlverfahren.
    Selbstverständlich ist nicht ausgeschlossen, dass das erfindungsgemässe Verfahren auch mit Unterdruck-Sandgussformen Anwendung findet, welche mit Zusätzen versehen sind. Wie den vorangehenden Ausführungen zu entnehmen ist, muss hierbei darauf geachtet werden, dass die verwendeten Zusätze die Porosität der Sandgussform bzw. deren Durchlässigkeit für die Kühlflüssigkeit nicht negativ beeinflussen oder zumindest nicht zu stark negativ beeinflussen. Entsprechend sollte Betonit als Zusatz / Bindemittel vorzugsweise nicht verwendet werden, weil dieses bei Kontakt mit Wasser die Hohlräume zwischen den Sandkörnern verschliesst und die Sandform damit für Wasser undurchlässig macht (es wird trotz des Unterdruckes wenig oder kein Wasser in die Sandform gesogen).
    Nachdem die Deckfolien 7 des Formkastens entfernt wurden ist auch denkbar, dass der Formkasten 2 tiefer ins Kühlbecken 6 eingetaucht wird. Das Eintauchen des Formkastens 2 in das Wasserbad 6 bietet den zusätzlichen Vorteil, dass der Eintauchvorgang gesteuert bzw. geregelt erfolgen kann. D.h. der Abkühlvorgang kann über die Eintauchrichtung und -geschwindigkeit beeinflusst werden. So kann der Formkasten beispielsweise waagrecht in Giesslage, schräg oder um 180 Grad um eine horizontale oder eine vertikale Achse gedreht eingetaucht werden. Entsprechend können bestimmte Bereiche des Gussteiles über die Eintauchrichtung und /oder -geschwindigkeit schneller abgeschreckt werden.
  • Die Teilfiguren 4.1 und 4.2 zeigen eine weitere Variante des erfindungsgemässen Verfahrens. Hierbei wird der mit flüssigem Metall gefüllte Formkasten 2 vollständig in ein Wasserbad 6 getaucht, bevor die Deckfolien 7 am Formkasten entfernt werden. Der Ansaugeffekt zur Abschreckung des flüssigen oder teils bereits randerstarrten Gussteiles 3 mit der Kühlflüssigkeit wird hierbei noch effizienter ausgenutzt. Wie in den Teilfiguren 4.1 und 4.2 dargestellt ist, kann der Formkasten anstelle der Deckfolien 7 auch Schieber 8 aufweisen. Diese Schieber 8 übernehmen hierbei die Funktion der Deckfolie. Je nach Anwendung und Formkastengrösse kann die Verwendung von Schiebern - z.B. an der Formkasten-Unterseite - vorteilhafter sein als der Einsatz von Deckfolien. Die Schieber können auch ohne weiteres wiederverwendet werden.
  • In der vorangehenden Beschreibung wurde ausgeführt, dass der Formkasten nach der Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung durch die Entfernung der Deckfolien oder Schieber geöffnet wird. Selbstverständlich umfasst die Erfindungsidee aber auch die Möglichkeit, dass die (Teil-)Öffnung des Formkastens vor bzw. unmittelbar vor oder gleichzeitig mit der Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung erfolgt. Der Formkasten kann also vor oder auch nach der Kühlflüssigkeit-Beaufschlagung geöffnet werden (vorzugsweise nur an den Stellen mit Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung). Der erfindungsgemäss verwendete Saug- und damit Kühleffekt wird natürlich am effizientesten genutzt, wenn die Sandgussform nur oder grösstenteils nur Kühlflüssigkeit und nicht auch Umgebungsluft (wesentlich geringere Wärmekapazität) aufsaugt. Es ist daher zu bevorzugen, dass der Formkasten erst nach der Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung durch die Entfernung der Deckfolien oder Schieber geöffnet wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die explizit genannten Möglichkeiten und Ausführungsformen beschränkt. Diese Varianten sind vielmehr als Anregung für den Fachmann gedacht, um die Erfindungsidee möglichst günstig umzusetzen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sandgussform
    2
    Formkasten, Formkastenhälfte
    3
    Gussteil
    4
    Kühlflüssigkeit, Wasser
    5
    flüssiges Metall
    6
    Kühlbecken, Wasserbad
    7
    Formkasten-Deckfolien
    8
    Formkasten-Schieber
    9
    Düsen für die Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung
    10
    Giesstrichter
    11
    Absaugstelle Sandgussform
    12
    Modellfolie
    13
    Hohlraum der Sandgussform

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen aus Metall mit einer Sandgussform (1), wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:
    - Herstellung der Sandgussform (1) in einem Formkasten (2) mit einem Unterdruck-Formverfahren
    - Füllung der hergestellten Sandgussform (1) im Formkasten (2) mit flüssigem Metall
    - Kühlung der Sandgussform (1) und des darin erstarrenden Gussteiles (3) mit einer Kühlflüssigkeit (4),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform (1) im Formkasten (2) zunächst mit flüssigem Metall (5) gefüllt wird, dass
    der Formkasten (2) anschliessend mit der sich darin unter Unterdruck befindlichen Sandgussform (1) ganz oder teilweise mit einer Kühlflüssigkeit (4) beaufschlagt wird und dass
    der Formkasten (2) nach, gleichzeitig oder vor der Kühlflüssigkeit-Beaufschlagung, an Stellen mit Kühlflüssigkeitsbeaufschlagung geöffnet wird, so dass die Kühlflüssigkeit (4) in die sich unter Unterdruck befindliche Sandgussform (1) aufgesogen wird und dadurch das erstarrende Gussteil (3) abschreckt.
  2. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (4) Wasser ist.
  3. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des Formkastens (2) mit der Kühlflüssigkeit (4) in einem Kühlbecken (6), vorzugsweise ein Wasserbad, erfolgt,
    besonders bevorzugt wird der Formkasten (2) hierbei teilweise oder vollständig in das Kühlbecken (6) getaucht.
  4. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandgussform (1) durch den Unterdruck im Formkasten (2) in ihrer Form gehalten wird.
  5. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandgussform (1) aus Quarzsand gebildet wird, vorzugsweise ohne Bindemittel.
  6. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandgussform (1) kein Bindemittel, insbesondere Betonit, oder Schlichte enthält.
  7. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen des Formkastens (2) durch entfernen der Formkasten-Deckfolien (7) oder mittels sich am Formkasten (2) befindliche Schiebern (8) erfolgt.
  8. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkasten (2) waagrecht in Giesslage oder um einen Winkel von 0 bis 180 Grad um eine horizontale oder vertikale Achse gedrehte Lage in das Kühlbecken (6) eingetaucht wird, bevorzugt findet das Eintauchen in das Kühlbecken (6) zeitlich gesteuert statt.
  9. Verfahren zur Herstellung von Gusssteilen (3) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussverfahren ein Vakuum-Formverfahren oder ein Schwerkraft-Verfahren ist.
  10. Giessanlage zur Herstellung von Gusssteilen (3) mit einem Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.
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