EP3852950A1 - GIEßKERN FÜR GIEßFORMEN SOWIE VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG - Google Patents

GIEßKERN FÜR GIEßFORMEN SOWIE VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG

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Publication number
EP3852950A1
EP3852950A1 EP19773051.8A EP19773051A EP3852950A1 EP 3852950 A1 EP3852950 A1 EP 3852950A1 EP 19773051 A EP19773051 A EP 19773051A EP 3852950 A1 EP3852950 A1 EP 3852950A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
core
casting
ceramic
casting core
mold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19773051.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Busse
Christian Soltmann
Lukas Stumm
Franz-Josef Wöstmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3852950A1 publication Critical patent/EP3852950A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B22C1/186—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 contaming ammonium or metal silicates, silica sols
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C3/00—Selection of compositions for coating the surfaces of moulds, cores, or patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/106—Vented or reinforced cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening
    • B22C9/126—Hardening by freezing

Definitions

  • Casting core for casting molds and process for its production
  • the present invention relates to a casting core for casting molds, the casting core containing or consisting of ceramic particles bonded with a silica sol.
  • the casting core has a pore structure in which the middle
  • Pore size of the pores increases at least in sections from the outside inwards in the casting core.
  • the present invention also relates to a method for producing the casting core according to the invention and the use of the casting core according to the invention.
  • Casting cores or cores are used when casting components in molds in order to keep the cavities provided in the later component clear when filling the mold.
  • the casting cores must have the necessary strength and remain dimensionally stable during the casting process. Soaking the casting cores with melt when casting with increased pressure must be ruled out.
  • additional requirements are placed on the core material.
  • rings wetting between melt and casting core and a smooth, chemically suitable surface advantageous.
  • good disintegration is required in order to ensure the removal of the core material from the component after casting.
  • Refractory fillers e.g. quartz sand, zircon sand, aluminosilicates, but also inorganic hollow spheres
  • an organic e.g. synthetic resin, protein binder
  • inorganic binder silicate binder, phosphate binder
  • the surface of the cores can be improved by applying coatings.
  • the thermal decomposition of the organic binders during the casting process weakens the core structure and enables the core material to be removed from the casting, but is also associated with the emission of environmentally harmful gases. Water glass is often used as the inorganic silicate binder.
  • Water glass can be solidified by fumigation with C0 2 or by the addition of esters or acids or by drying. Instead of water glass, commercially available silica sols can also be used and solidified using the same methods. In addition to sufficient core strength, inorganic binder systems must also have good mold release properties. The heat input must loosen the structure and sintering must be excluded.
  • a casting core for casting molds which contains ceramic particles bonded with a silica sol or consists thereof.
  • the casting core has a pore structure in which the average pore size of the pores increases at least in sections from the outside inwards in the casting core.
  • the average pore size and / or the course of the average pore size within the casting core can e.g. be determined by means of
  • the silica sol is a colloidal silica sol.
  • the present invention is characterized in particular by the fact that the casting core has a pore structure in which the average pore size of the pores increases at least in sections from outside to inside in the casting core. Due to the smaller average pore size in the outer area of the casting core, the casting core has a dense and mechanically strong surface which is suitable for contact with the melt in the casting process, which is why the casting core remains dimensionally stable during the casting process. Due to the larger average pore size in the inner region of the casting core, the casting core has a very porous or unstable support structure on the inside, which facilitates removal of the casting core after the casting process. The casting core according to the invention can thus be removed from the cast component in a simple manner after the casting process.
  • the invention can thus be removed from the cast component in a simple manner after the casting process.
  • Casting core thus has a hierarchical pore structure which is very advantageous for use in casting processes.
  • This advantageous pore structure can be achieved by a special manufacturing process which is based on the freeze-gelation of ceramic suspensions.
  • the use of silica sols as binders of the ceramic particles is essential for this.
  • the silica sols can be irreversibly converted into the gel state by freezing, so that the ceramic suspensions do not melt after thawing.
  • the freeze-induced sol-gel transition leads to a solidification of the material.
  • the freezing front starts when the mold surface cools down on the casting core surface.
  • the initially high freezing rate leads to the formation of a dense structure with small pores on the surface of the casting core.
  • the heat of crystallization is dissipated more slowly, which gives the ice crystals more time to grow and leads to the formation of increasingly larger pore channels.
  • This core structure with a dense surface and large pore channels inside is ideal for the casting process and the subsequent removal of the core material from the cast body.
  • the freeze-induced sol-gel transition and the subsequent drying at an elevated temperature are not associated with any significant change in volume or deformation.
  • the inorganic bond does not lead to harmful emissions or gas formation during thermal stress during casting.
  • the used core material can be used again as a filler after crushing and classifying.
  • the casting core has a pore structure in which the average pore size of the pores increases at least in sections from outside to inside in the casting core, preferably continuously.
  • the mean pore size of the pores can increase from the outer surface of the core to the center of the core, preferably continuously increasing.
  • the pore size can also increase only in one or more sections between the outer surface and the center of the casting core. It is particularly possible that the casting core cuts from the outside inwards, or from the outer surface to the center, into several sections, e.g. a core core and at least one core jacket is divided, the pore size of the pores increasing from the outside to the inside of the casting core in each of the sections.
  • the pores of an outer region of a section of the casting core lying further inside can have a smaller average pore size than the pores of an inner region of a section of the casting core lying further outside.
  • the last-mentioned variant can be implemented, for example, in that the casting core is produced in sections from the inside to the outside by the freeze-gel process mentioned.
  • a preferred embodiment of the casting core according to the invention is characterized in that the average pore size of the pores increases from the outside inwards in the casting core and the average pore size of the pores in an outer region, preferably at an outer edge, of the casting core 3 miti to 20 miti, is preferred 3 miti to 8 miti, and / or the average pore size of the pores in an inner region, preferably at the center, of the casting core is 100 miti to 1500 miti, preferably 100 miti to 1000 miti, particularly preferably 500 miti to 1000 miti.
  • the outer area lies further outside, ie further away from the center of the casting core than the inner area.
  • the average pore size can be determined using, for example
  • the ceramic particles are inorganic ceramic particles which are preferably selected from the group consisting of mullite particles, zircon sand particles, quartz sand particles, aluminosilicate particles, inorganic hollow spheres, aluminum oxide particles and Mixtures of these.
  • the ceramic particles have an average particle diameter of 0.5 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the average particle diameter can e.g. be determined by laser diffraction.
  • the silica sol is selected from the group consisting of water glass, colloidal nanosols and mixtures thereof.
  • the silica sol can be sodium, potassium or lithium stabilized.
  • the silica sol is a colloidal silica sol.
  • the silica sol is in the form of particles with an average particle diameter of 8 nm to 40 nm, preferably from 15 nm to 40 nm, particularly preferably from 20 nm to 40 nm. Brine with larger particles enable a higher solids content.
  • a further preferred embodiment of the casting core according to the invention is characterized in that the casting core comprises a core core which contains ceramic particles bound with a silica sol and at least one core shell which is arranged around the core core and which contains ceramic particles bound with a silica sol, wherein the core core has a pore structure in which the average pore size of the pores increases from the outside inwards in the casting core, the at least one core jacket each having a pore structure in which the average pore size of the pores increases in the casting core from the outside inwards, and the Average pore size of the pores in an outer region, preferably an outer edge, the core core is smaller than the average pore size of the pores in an inner region, preferably an inner edge, of the core jacket.
  • the rate of freezing decreases with increasing distance from the freezing surface and the size of the ice crystals formed during freezing increases.
  • Very large ice crystals can promote the formation of cracks in the component. This can be prevented by building the casting core in shells. For this, a partial volume from the center of the core, i.e. the core soul, poured and frozen. After shaping, this inner core area, i.e. Core soul, inserted into the core shape and with an outer shell, i.e. the kernmantel, poured over and frozen one. This prevents excessive growth of the ice crystals.
  • the casting core can also be constructed from more than two parts, i.e. from a core soul and several core shells.
  • a casting core obtained in this way thus has a core core and at least one core shell, both core core and core cores each having a pore structure in which the average pore size of the pores increases from the outside inwards in the casting core.
  • the core core has a pore structure in which the average pore size of its pores increases from the outside inwards in the core core, each core shell also having a pore structure. shows, in which the average pore size of their pores increases from the outside inwards in the respective core jacket.
  • the aforementioned shell-by-shell production also has the result that the average pore size of the pores in an outer region, for example an outer edge, of the core core is smaller than the average pore size of the pores in an inner region, for example an inner edge, of the core shell or from one of the core shells.
  • a further preferred embodiment of the casting core according to the invention is characterized in that the average pore size of the pores in an outer region, preferably on an outer edge, of the core core and in an outer region, preferably on an outer edge, of the core shell from 3 pm to 20 pm, preferably 3 pm to 8 pm, and / or the average pore size of the pores in an inner region, preferably at the center, of the core core and in an inner region, preferably at an inner edge, of the core shell 100 pm to 1500 pm, preferably 500 pm to 1500 pm, particularly preferably 500 pm to 1000 pm.
  • the average pore size can e.g. are determined using mercury porosimetry or microscopic images.
  • composition of the core soul differs from the composition of the core shell, and / or
  • the core jacket has a higher packing density than the core soul, and / or
  • the material of the ceramic particles contained in the core core differs from the material of the ceramic particles contained in the core jacket, and / or
  • the average particle diameter of the ceramic particles contained in the core core differs from the average particle diameter of the ceramic particles contained in the core jacket.
  • the shell-like structure explained above ie a structure of the casting core from a core core and at least one core shell, also offers the advantage of using freeze-gelable suspensions of different compositions. to be able to, so that the core core and the core jacket or core jackets subsequently also have different compositions.
  • a denser structure for the outer shell, ie for the core shell, which comes into contact with the melt can be obtained.
  • the inner area of the core ie the core core
  • freeze-gellable suspensions with other filler particles, particle sizes or lower solids content can be used, so that after consolidation a structure is created, for example with a higher porosity and lower mechanical parameters.
  • Other fillers can be selected for the outer core area, ie for the core jacket, than for the inner core area, ie for the core core. This can result in economic advantages if, for example, high-priced materials (e.g. zircon sand, aluminosilicates) have to be used for the outer area and a cheaper filler (e.g. quartz sand) can be selected for the inner area.
  • the casting core is infiltrated and / or coated with at least one size and / or at least one reinforcing component.
  • the present invention also relates to a method for producing a casting core according to the invention, in which
  • a) at least one aqueous, ceramic suspension is produced which comprises ceramic particles, a silica sol as binder and water, b) the ceramic suspension is poured into a casting mold which has the negative contour of the casting core to be produced or a part of the casting core to be produced,
  • the ceramic suspension in the casting mold is subjected to a cold treatment and is thereby frozen, the ceramic suspension solidifying to form a casting core or part of a casting core, d) the casting core or the part of the casting core is removed from the casting mold in the frozen state and then dried.
  • an aqueous, ceramic suspension is thus first produced, which comprises ceramic particles, a binder in the form of a silica sol and water.
  • the aqueous, ceramic suspension thus produced in step a) is poured into a casting mold in step b), this casting mold having the negative contour of the casting core which is to be produced.
  • the casting mold or the aqueous ceramic suspension in the casting mold is subjected to a cold treatment in which the aqueous ceramic suspension is frozen, whereby the aqueous, ceramic suspension solidifies to form a casting core is coming.
  • step d) the casting core obtained in step c) is finally removed from the casting mold in the frozen state and then dried.
  • the freeze-induced sol-gel transition and the subsequent drying at an elevated temperature are not associated with any significant change in volume or deformation.
  • the inorganic bond does not lead to harmful emissions or gas formation during thermal stress during casting.
  • This special process based on freeze gelling can ultimately maintain the special pore structure of the casting core according to the invention.
  • the freezing front starts by cooling the mold surface on the casting core surface.
  • the initially high freezing rate leads to the formation of a dense structure with small pores on the surface of the casting core.
  • the heat of crystallization is dissipated more slowly, which gives the ice crystals more time to grow and leads to the formation of increasingly larger pore channels.
  • This core structure with a dense surface and large pore channels inside is ideal for the casting process and the subsequent removal of the core material from the cast body.
  • the ceramic suspension in the cold treatment in step c) is at a speed of 0.1 K / min to 15 K / min, preferably 1 K / min to 10 K / min, particularly preferably of 3 K / min to 7 K / min, cooled to a temperature ⁇ -10 ° C, preferably to a temperature ⁇ -20 ° C, very particularly preferably to a temperature ⁇ -40 ° C.
  • the aqueous, ceramic suspension can preferably also have substances added which influence the crystallization behavior of the aqueous, ceramic suspension, e.g. so-called cryoprotective substances (see U.S. Patent US 4341725 A).
  • the drying in step d) is preferably carried out at a temperature of 50 ° C. to 300 ° C., particularly preferably from 90 ° C. to 200 ° C., and / or over a period of 0.1 to 10 hours, preferably of 0.5 up to 5 hours, particularly preferably from 1 to 3 hours. Drying can be carried out over several steps, with a low temperature being selected, for example, in the first drying step and a higher temperature in the second drying step.
  • the casting core is infiltrated and / or coated with at least one size and / or at least one reinforcing component after step d).
  • aqueous, ceramic suspensions are produced, each comprising ceramic particles, a silica sol as binder and water,
  • a first of the ceramic suspensions is poured into a first casting mold which has the negative contour of a core core of the casting core to be produced
  • the first ceramic suspension in the first casting mold is subjected to a first cold treatment and thereby freezing, whereby the first ceramic suspension becomes a core core of a casting core, dl) the core core of the casting core is removed from the first casting mold in the frozen state,
  • the core core of the casting core removed from the first casting mold is inserted into a second casting mold which has the negative contour of the casting core to be produced or part of the casting core to be produced and a second of the ceramic suspensions is then poured into this second casting mold, c2) the second ceramic suspension located in the second casting mold is subjected to a second cold treatment and is thereby frozen, the second ceramic suspension solidifying into a core shell of the casting core or part of the core shell of the casting core,
  • the casting core comprising the core core and the core shell or the part of the casting core comprising the core core and the part of the core shell in the frozen state is removed from the second mold and then dried.
  • steps bl), cl) and dl the core soul of a casting core according to the invention is first produced and then in steps b2), c2) and d2) a core jacket or more core jackets of the casting core according to the invention are produced.
  • steps bl), cl), dl), b2), c2) and d2) are carried out in the order mentioned above, ie step cl) comes after bl), step dl) comes after step cl), step b2) comes after step dl), step c2) comes after step b2), step d2) comes after step c2).
  • the suspensions produced in step a) do not all have to be prepared simultaneously or in succession.
  • the suspensions produced in step a) do not have to be produced (up to the first suspension) either before step bl).
  • the second suspension or the further suspensions in step a) can be produced sometime before step b2) or the respective step b), that is to say, for example, only directly before step b2) or the respective step b).
  • This special process variant of the shell-wise construction enables a casting core to be produced which contains a core core which contains ceramic particles bonded with a silica sol and at least one core jacket which is arranged around the core core and which contains ceramic particles bonded to a silica sol , wherein the core core has a pore structure in which the average pore size of the pores increases from the outside inwards in the casting core, the at least one core shell each having a pore structure in which the average pore size of the pores increases in the casting core from the outside in, and wherein the average pore size of the pores in an outer region, preferably an outer edge, of the core core is smaller than the average pore size of the pores in an inner region, preferably an inner edge, of the core jacket.
  • the ceramic suspension in the cold treatment in step cl) and / or step c2), is at a rate of 0.1 K / min to 15 K / min, preferably from 1 K / min to 10 K / min, particularly preferably from 3 K / min to 7 K / min, cooled to a temperature ⁇ -10 ° C, preferably to a temperature ⁇ -20 ° C, very particularly preferably to a temperature ⁇ -40 ° C.
  • the first cold treatment in step c2) can be the same cold treatment as the cold treatment in step cl) or a different cold treatment than the cold treatment in step cl).
  • steps b2), c2) and d2) are repeated at least once after step d2). If a casting core with more than one core jacket is produced, the method after step d2) has further corresponding steps b), c) and d), ie steps b2), c2) and d2) are repeated. For example, the process ren in the production of a casting core with two core shells after step d2) still have the corresponding steps b3), c3) and d3).
  • step dl the core core of the casting core is removed from the first casting mold in the frozen state and then dried, and in step b2) the dried core core of the casting core is inserted into the second casting mold, or
  • step dl the core core of the casting core is removed from the first mold in the frozen state, and in step b2) the core core of the casting core which is still frozen is inserted into the second mold.
  • the core core produced can thus either be dried or not dried after removal from the first casting mold, the dried core core of the casting core being inserted into the second mold in step b2), and not in step b2) in the latter case dried, still frozen core core of the casting core is inserted into the second mold.
  • composition of the first ceramic suspension differs from the composition of the second ceramic suspension, and / or
  • the second ceramic suspension has a higher solids content than the first ceramic suspension, and / or the second ceramic suspension has a higher packing density than the first ceramic suspension, and / or the material of the ceramic particles contained in the first ceramic suspension is different from the material the ceramic particles contained in the second ceramic suspension, and / or the average particle diameter of the ceramic particles contained in the first ceramic suspension differs from the average particle diameter of the ceramic particles contained in the second ceramic suspension.
  • the casting core according to the invention can preferably be produced or produced using the method according to the invention.
  • the present invention also relates to the use of the casting core according to the invention in a method for casting one or more components.
  • Embodiment 2 A suspension of 56.8% quartz flour (siligran, euro quartz, sieve fraction 63 pm) and 43.2% silica sol (Begosol K, Bego, particle size 8 nm) is produced and in a silicone form at around 3K / min to -40 ° C frozen.
  • the frozen component is removed from the mold and dried (after a first drying at 90 ° C, the temperature is raised to 200 ° C and held for two hours).
  • the dried component, cooled to RT, is placed in a separable aluminum mold.
  • a suspension of 75% mullite (Symulox M72 K0, Nabaltec, average particle size between 7-15 pm) and 25% silica sol (Nyacol 1440, Akzonobel, average particle diameter 14 nm, solids content 40%) is made and filled into the aluminum mold and so that the dried component is cast around.
  • the aluminum mold is cooled at a speed of 7K / min to -40 ° C. The frozen component is removed from the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gießkern für Gießformen, wobei der Gießkern mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält oder hieraus besteht. Der Gießkern weist eine Porenstruktur auf, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren zumindest abschnittsweise von außen nach innen im Gießkern zunimmt. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gießkerns sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Gießkerns.

Description

Gießkern für Gießformen sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gießkern für Gießformen, wobei der Gießkern mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält oder hieraus besteht. Der Gießkern weist eine Porenstruktur auf, bei welcher die mittlere
Porengröße der Poren zumindest abschnittsweise von außen nach innen im Gießkern zunimmt. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gießkerns sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Gießkerns.
Gießkerne bzw. Kerne werden beim Gießen von Bauteilen in Formen einge setzt, um im späteren Bauteil vorgesehene Hohlräume beim Befüllen der Form freizuhalten. Hierfür müssen die Gießkerne die notwendige Festigkeit besitzen und während des Gießprozesses formstabil bleiben. Ein Durchträn- ken der Gießkerne mit Schmelze beim Gießen mit erhöhtem Druck muss aus geschlossen sein. Um eine gute Gussoberfläche zu erhalten, werden zusätzli che Anforderungen an den Kernwerkstoff gestellt. Hier ist eine möglichst ge- ringe Benetzung zwischen Schmelze und Gießkern und eine glatte, chemisch geeignete Oberfläche vorteilhaft. Besonders bei Gießkernen zur Herstellung einer komplexen inneren Form, wird eine gute Zerfallsfähigkeit benötigt, um die Entfernung des Kernmaterials nach dem Guss aus dem Bauteil sicherzu stellen.
Zur Herstellung von Gießkernen werden üblicherweise feuerfeste Füllstoffe (z.B. Quarzsand, Zirkonsand, Aluminosilikate, aber auch anorganische Hohlkü gelchen) mit einem organischen (z.B. Kunstharze, Proteinbinder) oder anorga nischen Binder (silikatische Binder, Phosphatbinder) in die benötigte Form gebracht. Dies kann durch Pressen, Kernschießen oder Gießen geschehen. Die Oberfläche der Kerne kann durch das Aufträgen von Schlichten verbessert werden. Die thermische Zersetzung der organischen Binder während des Gießvorgangs schwächt das Kerngefüge und ermöglicht das Entfernen des Kernmaterials aus dem Gussstück, ist aber auch mit der Emission von umwelt schädlichen Gasen verbunden. Als anorganischer silikatischer Binder wird häu fig Wasserglas verwendet. Wasserglas kann durch eine Begasung mit C02 oder durch den Zusatz von Estern oder Säuren oder durch Trocknung verfestigt werden. Anstatt Wasserglas können auch handelsübliche Silikasole verwendet werden und mit den gleichen Methoden verfestigt werden. Bei anorganischen Bindersystemen muss neben einer ausreichenden Kernfestigkeit auch eine gute Entformbarkeit gegeben sein. Der Wärmeeintrag muss das Gefüge lo ckern und eine Versinterung ausgeschlossen sein.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Gießkern anzugeben, der einerseits während dem Gießprozess formstabil bleibt und andererseits nach dem Gießprozess auf einfache Weise aus dem gegossenen Bauteil entfernt werden kann.
Diese Aufgabe wird bezüglich eines Gießkerns mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Gießkerns mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Patentan spruch 18 gibt Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Gießkerns an. Die jeweilig abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Wei terbildungen dar. Erfindungsgemäß wird somit ein Gießkern für Gießformen angegeben, der mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält oder hieraus besteht. Der Gießkern weist eine Porenstruktur auf, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren zumindest abschnittsweise von außen nach innen im Gießkern zu nimmt.
Die mittlere Porengröße und/oder der Verlauf der mittleren Porengröße in nerhalb des Gießkerns kann z.B. bestimmt werden mittels
Quecksilberporosimetrie und/oder mikroskopischen Aufnahmen.
Vorzugsweise ist das Silikasol ein kolloidales Silikasol.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Gießkern eine Porenstruktur aufweist, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren zumindest abschnittsweise von außen nach innen im Gießkern zu nimmt. Durch die geringere mittlere Porengröße im äußeren Bereich des Gießkerns weist der Gießkern eine dichte und mechanisch feste Oberfläche auf, die für den Kontakt mit der Schmelze im Gießprozess geeignet ist, wes wegen der Gießkern während dem Gießprozess formstabil bleibt. Aufgrund der höheren mittleren Porengröße im inneren Bereich des Gießkerns weist der Gießkern im Inneren eine sehr poröse bzw. instabile Stützstruktur auf, die ein Entfernen des Gießkerns nach dem Gießprozess erleichtert. Somit kann der erfindungsgemäße Gießkern nach dem Gießprozess auf einfache Weise aus dem gegossenen Bauteil entfernt werden. Der erfindungsgemäße
Gießkern weist somit eine für die Verwendung in Gießverfahren sehr vorteil hafte hierarchische Porenstruktur auf.
Diese vorteilhafte Porenstruktur kann durch ein spezielles Herstellungsverfah ren erreicht werden, welches auf dem Gefriergelieren keramischer Suspensi onen beruht. Hierfür ist der Einsatz von Silikasolen als Binder der Keramik- Partikel von wesentlicher Bedeutung. Die Silikasole können durch Gefrieren irreversibel in den Gelzustand überführt werden, so dass ein Zerlaufen der keramischen Suspensionen nach dem Auftauen verhindert wird. Der gefrier induzierte Sol-Gel Übergang führt dabei zu einer Verfestigung des Materials. Die Gefrierfront startet durch das Abkühlen der Formoberfläche an der Gieß kernoberfläche. Die anfänglich hohe Gefrierkinetik führt zur Ausbildung einer dichten Struktur mit kleinen Poren an der Oberfläche des Gießkerns. Mit zu nehmender Entfernung von der Gießkernoberfläche wird die Kristallisations wärme langsamer abgeführt, was den Eiskristallen mehr Zeit zum Wachsen gibt und zur Bildung von zunehmend größeren Porenkanälen führt. Diese Kernstruktur mit einer dichten Oberfläche und großen Porenkanälen im Inne ren ist ideal für den Gießprozess und die anschließende Entfernung des Kern materials aus dem Gusskörper geeignet.
Der gefrierinduzierte Sol-Gel Übergang und das anschließende Trocknen bei erhöhter Temperatur ist mit keiner nennenswerten Volumenveränderung oder Verformung verbunden. Die anorganische Bindung führt bei der thermi schen Belastung während des Gusses zu keiner schädlichen Emission oder Gasbildung. Das gebrauchte Kernmaterial kann nach dem Zerkleinern und Klassieren erneut als Füllstoff eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß weist der Gießkern eine Porenstruktur auf, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren zumindest abschnittsweise von außen nach innen im Gießkern zunimmt, vorzugsweise kontinuierlich zunimmt. Beispiels weise kann somit die mittlere Porengröße der Poren von der äußeren Ober fläche des Gießkerns bis hin zum Mittelpunkt des Gießkerns zunehmen, vor zugsweise kontinuierlich zunehmen. Gemäß einem alternativen Beispiel kann die Porengröße aber auch nur in einem oder in mehreren Abschnitten zwi schen der äußeren Oberfläche und dem Mittelpunkt des Gießkerns zuneh men. Hierbei ist es insbesondere möglich, dass der Gießkern von außen nach innen, bzw. von der äußeren Oberfläche zum Mittelpunkt hin, in mehrere Ab schnitte, z.B. eine Kernseele und mindestens einen Kernmantel, unterteilt ist, wobei in jedem der Abschnitte die Porengröße der Poren von außen nach in nen im Gießkern zunimmt. Dabei können die Poren eines äußeren Bereichs eines weiter innen liegenden Abschnitts des Gießkerns eine geringere mittlere Porengröße aufweisen als die Poren eines inneren Bereichs eines weiter au ßen liegenden Abschnitts des Gießkerns.
Die zuletzt genannte Variante kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Gießkern abschnittsweise von innen nach außen durch das genannte Gefriergelierungsverfahren hergestellt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns zeichnet sich dadurch aus, dass die mittlere Porengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt und die mittlere Porengröße der Poren in einem äußeren Bereich, vorzugsweise an einem äußeren Rand, des Gießkerns 3 miti bis 20 miti, bevorzugt 3 miti bis 8 miti, beträgt und/oder die mittlere Porengrö ße der Poren in einem inneren Bereich, vorzugsweise am Mittelpunkt, des Gießkerns 100 miti bis 1500 miti, bevorzugt 100 miti bis 1000 miti, besonders bevorzugt 500 miti bis 1000 miti, beträgt. Der äußere Bereich liegt hierbei wei ter außen, d.h. weiter entfernt vom Mittelpunkt des Gießkerns, als der innere Bereich. Die mittlere Porengröße kann z.B. bestimmt werden mittels
Quecksilberporosimetrie oder mikroskopischen Aufnahmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns sind die Keramik-Partikel anorganische Keramik-Partikel, die vor zugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mullit-Partikeln, Zirkonsand-Partikeln, Quarzsand-Partikeln, Aluminosilikat-Partikeln, anorgani schen Hohlkügelchen, Aluminiumoxidpartikeln und Mischungen hiervon.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Keramik- Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,5, pm bis 300 pm auf. Der mittlere Partikeldurchmesser kann z.B. bestimmt werden mittels Laserbeu gung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns ist das Silikasol ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser glas, kolloidalen Nanosolen und Mischungen hiervon. Das Silikasol kann Natri um-, Kalium- oder Lithium-stabilisiert sein. Vorzugsweise ist das Silikasol ein kolloidales Silikasol.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Silikasol in Form von Partikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 8 nm bis 40 nm, bevorzugt von 15 nm bis 40 nm, besonders bevorzugt von 20 nm bis 40 nm, vorliegt. Sole mit größeren Partikeln ermöglichen einen höheren Feststoffgehalt. Der mittlere
Partikeldurchmesser kann z.B. bestimmt werden mittels Laserbeugung. Mul timodale Partikelgrößenverteilungen der Silikasol-Partikel können die Dichte des keramischen Gefüges erhöhen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern eine Kernseele, welche mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält, und mindestens einen um die Kernseele herum angeordneten Kernmantel , welcher mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält, umfasst, wobei die Kernseele eine Porenstruktur aufweist, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt, wobei der mindestens eine Kernmantel jeweils eine Porenstruktur aufweist, bei welcher die mittlere Po rengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt, und wobei die mittlere Porengröße der Poren in einem äußeren Bereich, vorzugweise einem äußeren Rand, der Kernseele kleiner ist als die mittlere Porengröße der Poren in einem inneren Bereich, vorzugsweise einem inneren Rand, des Kernmantels.
Bei einem sehr großen Kernvolumen besteht im Inneren des Gießkerns die Gefahr der Rissbildung, da bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Gieß kerns mittels Gefriergelieren die Gefriergeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand von der Gefrierfläche abnimmt und die Größe der sich beim Gefrie ren bildenden Eiskristalle zunimmt. Sehr große Eiskristalle können eine Riss bildung im Bauteil begünstigen. Dies kann durch einen schalenweisen Aufbau des Gießkerns verhindert werden. Hierzu wird zuerst ein Teilvolumen aus der Mitte des Kerns, d.h. die Kernseele, gegossen und eingefroren. Nach dem Aus formen wird dieser innere Kernbereich, d.h. Kernseele, in die Kernform einge setzt und mit einer äußeren Schale, d.h. dem Kernmantel, umgossen und ein gefroren. Ein übermäßiges Wachsen der Eiskristalle wird so unterbunden. Hierbei kann der Gießkern auch aus mehr als zwei Teilen aufgebaut werden, d.h. aus einer Kernseele und mehreren Kernmänteln.
Ein so erhaltener Gießkern weist somit eine Kernseele und mindestens einen Kernmantel auf, wobei sowohl für die Kernseele als auch für jeden der Kern mäntel gilt, dass sie jeweils eine Porenstruktur aufweisen, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt. Mit anderen Worten weist die Kernseele eine Porenstruktur auf, bei welcher die mittlere Porengröße ihrer Poren von außen nach innen in der Kernseele zunimmt, wobei auch jeder der Kernmäntel jeweils eine Porenstruktur auf- weist, bei welcher die mittlere Porengröße ihrer Poren von außen nach innen im jeweiligen Kernmantel zunimmt. Die erwähnte schalenweise Herstellung hat zudem zur Folge, dass die mittlere Porengröße der Poren in einem äuße ren Bereich, z.B. einem äußeren Rand, der Kernseele kleiner ist als die mittlere Porengröße der Poren in einem inneren Bereich, z.B. einem inneren Rand, des Kernmantels bzw. von einem der Kernmäntel.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns zeichnet sich dadurch aus, dass die mittlere Porengröße der Poren in einem äußeren Bereich, vorzugsweise an einem äußeren Rand, der Kernseele und in einem äußeren Bereich, vorzugsweise an einem äußeren Rand, des Kernman tels 3 pm bis 20 pm, bevorzugt 3 pm bis 8 pm, beträgt und/oder die mittlere Porengröße der Poren in einem inneren Bereich, vorzugsweise am Mittel punkt, der Kernseele und in einem inneren Bereich, vorzugsweise an einem inneren Rand, des Kernmantels 100 pm bis 1500 pm, bevorzugt 500 pm bis 1500 pm, besonders bevorzugt 500 pm bis 1000 pm, beträgt. Die mittlere Porengröße kann z.B. bestimmt werden mittels Quecksilberporosimetrie oder mikroskopischen Aufnahmen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass
sich die Zusammensetzung der Kernseele von der Zusammenset zung des Kernmantels unterscheidet, und/oder
der Kernmantel eine höhere Packungsdichte aufweist als die Kern seele, und/oder
sich das Material der in der Kernseele enthaltenden Keramik- Partikel vom Material der im Kernmantel enthaltenen Keramik- Partikel unterscheidet, und/oder
sich der mittlere Partikeldurchmesser der in der Kernseele enthal tenden Keramik-Partikel vom mittleren Partikeldurchmesser der im Kernmantel enthaltenen Keramik-Partikel unterscheidet.
Der zuvor erläuterte schalenweise Aufbau, d.h. ein Aufbau des Gießkerns aus einer Kernseele und mindestens einem Kernmantel, bietet zudem den Vorteil, gefriergelierbare Suspensionen unterschiedlicher Zusammensetzung verwen- den zu können, sodass die die Kernseele und der Kernmantel bzw. Kernmäntel in der Folge ebenfalls unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Hier durch kann beispielsweise über einen höheren Feststoffgehalt und/oder einer höheren Packungsdichte (angepasste Partikelgrößenverteilung der Füllstoffe) eine dichtere Struktur für die äußere Schale, d.h. für den Kernmantel, die mit der Schmelze in Kontakt kommt, erhalten werden. Für den inneren Bereich des Kerns, d.h. die Kernseele, können dagegen beispielsweise gefriergelierba- re Suspensionen mit anderen Füllstoffpartikeln, Partikelgrößen oder geringe ren Feststoffgehalt eingesetzt werden, so dass nach der Konsolidierung eine Struktur beispielsweise mit einer höheren Porosität und niedrigeren mechani schen Kennwerten entsteht. Es können andere Füllstoffe für den äußeren Kernbereich, d.h. für den Kernmantel, als für den inneren Kernbereich, d.h. für die Kernseele, gewählt werden. Hieraus können sich wirtschaftliche Vorteile ergeben, wenn beispielsweise für den äußeren Bereich hochpreisige Materia lien (z.B. Zirkonsand, Aluminosilikate) eingesetzt werden müssen und für den inneren Bereich ein günstiger Füllstoff (z.B. Quarzsand) gewählt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Gießkern mit mindestens einer Schlichte und/oder mindestens einer verstärkenden Kom ponente infiltriert und/oder beschichtet. Hierdurch wird eine noch höhere Stabilität der Oberfläche des Gießkerns während dem Gießprozess erreicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gießkerns, bei welchem
a) mindestens eine wässrige, keramische Suspension hergestellt wird, die Keramik-Partikel, ein Silikasol als Binder und Wasser umfasst, b) die keramische Suspension in eine Gießform gegossen wird, die die negative Kontur des herzustellenden Gießkerns oder eines Teils des herzustellenden Gießkerns aufweist,
c) die sich in der Gießform befindende keramische Suspension einer Kältebehandlung unterzogen und dabei eingefroren wird, wobei es zu einer Verfestigung der keramischen Suspension zu einem Gießkern oder zu einem Teil eines Gießkerns kommt, d) der Gießkern bzw. der Teil des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird.
In Schritt a) wird somit zunächst eine wässrige, keramische Suspension herge stellt, welche Keramik-Partikel, einen Binder in Form eines Silikasols sowie Wasser umfasst. Die so in Schritt a) hergestellte wässrige, keramische Suspen sion wird in Schritt b) in eine Gießform gegossen, wobei diese Gießform die negative Kontur des Gießkerns aufweist, der hergestellt werden soll. In Schritt c) wird die Gießform bzw. die sich die sich in der Gießform befindende wässri ge, keramische Suspension einer Kältebehandlung unterzogen, bei welcher die wässrige, keramische Suspension eingefroren wird, wobei es zu einer Ver festigung der wässrigen, keramischen Suspension zu einem Gießkern kommt. Bei diesem Gefrieren werden die Silikasole irreversibel in den Gelzustand überführt (Gefriergelieren), so dass ein Zerlaufen der keramischen Suspensio nen nach dem Auftauen des hergestellten Gießkerns verhindert wird. Der ge frierinduzierte Sol-Gel Übergang führt somit zu einer Verfestigung des Materi als. In Schritt d) wird schließlich der in Schritt c) erhaltene Gießkern im gefro renen Zustand aus der Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird. Der gefrierinduzierte Sol-Gel Übergang und das anschließende Trocknen bei erhöhter Temperatur ist mit keiner nennenswerten Volumenveränderung oder Verformung verbunden. Die anorganische Bindung führt bei der thermi schen Belastung während des Gusses zu keiner schädlichen Emission oder Gasbildung.
Durch dieses spezielle auf dem Gefriergelieren beruhende Verfahren kann letztlich die besondere Porenstruktur des erfindungsgemäßen Gießkerns er halten werden. Beim Gefrieren in Schritt c) startet die Gefrierfront durch das Abkühlen der Formoberfläche an der Gießkernoberfläche. Die anfänglich hohe Gefrierkinetik führt zur Ausbildung einer dichten Struktur mit kleinen Poren an der Oberfläche des Gießkerns. Mit zunehmender Entfernung von der Gieß kernoberfläche wird die Kristallisationswärme langsamer abgeführt, was den Eiskristallen mehr Zeit zum Wachsen gibt und zur Bildung von zunehmend größeren Porenkanälen führt. Diese Kernstruktur mit einer dichten Oberfläche und großen Porenkanälen im Inneren ist ideal für den Gießprozess und die anschließende Entfernung des Kernmaterials aus dem Gusskörper geeignet. Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Kältebehandlung in Schritt c) die keramische Suspension mit einer Ge schwindigkeit von 0,1 K/min bis 15 K/min, bevorzugt von 1 K/min bis 10 K/min, besonders bevorzugt von 3 K/min bis 7 K/min, bis auf eine Temperatur < -10 °C, bevorzugt auf eine Temperatur < -20 °C, ganz besonders bevorzugt auf eine Temperatur < -40 °C, abgekühlt.
Vorzugsweise können der wässrigen, keramischen Suspension in Schritt a) zusätzlich Substanzen zugesetzt werden, die das Kristallisationsverhalten der wässrigen, keramischen Suspension beeinflussen, wie z.B. sogenannte cryoprotektive Substanzen (siehe U.S. Patent US 4341725 A).
Das Trocknen in Schritt d) erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 50 °C bis 300 °C, besonders bevorzugt von 90 °C bis 200 °C, und/oder über ein Dauer von 0,1 bis 10 Stunden, bevorzugt von 0,5 bis 5 Stunden, besonders bevorzugt von 1 bis 3 Stunden. Das Trocknen kann über mehrere Schritte er folgen, wobei beispielsweise im ersten Trocknungsschritt einen niedrige Tem peratur und im zweiten Trocknungsschritt eine höhere Temperatur gewählt wird.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Gießkern im Anschluss an Schritt d) mit mindestens einer Schlichte und/oder mindestens einer verstärkenden Komponente infiltriert und/oder beschichtet.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist da durch gekennzeichnet, dass
a) mehrere wässrige, keramische Suspension hergestellt werden, die jeweils Keramik- Partikel, ein Silikasol als Binder und Wasser umfas sen,
bl) eine erste der keramischen Suspensionen in eine erste Gießform gegossen wird, die die negative Kontur einer Kernseele des herzu stellenden Gießkerns aufweist,
cl) die sich in der ersten Gießform befindende erste keramische Sus pension einer ersten Kältebehandlung unterzogen und dabei einge- froren wird, wobei es zu einer Verfestigung der ersten keramischen Suspension zu einer Kernseele eines Gießkern kommt, dl) die Kernseele des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der ersten Gießform entnommen,
b2) die aus der ersten Gießform entnommene Kernseele des Gießkerns in eine zweite Gießform eingesetzt wird, die die negative Kontur des herzustellenden Gießkerns oder eines Teils des herzustellen den Gießkerns aufweist und anschließend eine zweite der kerami schen Suspensionen in diese zweite Gießform gegossen wird, c2) die sich in der zweiten Gießform befindende zweite keramische Suspension einer zweiten Kältebehandlung unterzogen und dabei eingefroren wird, wobei es zu einer Verfestigung der zweiten ke ramischen Suspension zu einem Kernmantel des Gießkerns oder zu einem Teil des Kernmantels des Gießkerns kommt,
d2) der die Kernseele und den Kernmantel umfassende Gießkern bzw. der die Kernseele und den Teil des Kernmantels umfassende Teil des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der zweiten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird.
Diese spezielle Verfahrensvariante wird ein schalenweiser Aufbau des Gieß kerns erreicht. Somit wird in den Schritten bl), cl) und dl) zunächst die Kern seele eines erfindungsgemäßen Gießkerns und im Anschluss in den Schritten b2), c2) und d2) ein Kernmantel oder mehrere Kernmäntel des erfindungsge mäßen Gießkerns hergestellt. Die Schritte bl), cl), dl), b2), c2) und d2) wer den dabei in der oben genannten Reihenfolge durchgeführt, d.h. Schritt cl) kommt nach bl), Schritt dl) kommt nach Schritt cl), Schritt b2) kommt nach Schritt dl), Schritt c2) kommt nach Schritt b2), Schritt d2) kommt nach Schritt c2). Die in Schritt a) hergestellten Suspensionen müssen nicht alle gleichzeitig oder direkt nacheinander hergestellt werden. Die in Schritt a) hergestellten Suspensionen müssen (bis aus die erste Suspension) auch nicht alle vor Schritt bl) hergestellt werden. Die Herstellung der zweiten Suspension bzw. der wei teren Suspensionen in Schritt a) kann irgendwann vor Schritt b2) bzw. dem jeweiligen Schritt b), also z.B. auch erst direkt vor Schritt b2) bzw. dem jewei ligen Schritt b), erfolgen. Durch diese spezielle Verfahrensvariante des schalenweisen Aufbaus kann somit ein Gießkern hergestellt werden, der eine Kernseele, welche mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält, und mindestens einen um die Kernseele herum angeordneten Kernmantel , welcher mit einem Silikasol ge bundene Keramik-Partikel enthält, umfasst, wobei die Kernseele eine Poren struktur aufweist, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt, wobei der mindestens eine Kernmantel jeweils eine Porenstruktur aufweist, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt, und wobei die mittlere Porengröße der Poren in einem äußeren Bereich, vorzugweise einem äußeren Rand, der Kernseele kleiner ist als die mittlere Porengröße der Poren in einem inneren Bereich, vorzugsweise einem inneren Rand, des Kernmantels.
Bei einem sehr großen Kernvolumen besteht im Inneren des Gießkerns die Gefahr der Rissbildung, da bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Gieß kerns mittels Gefriergelieren die Gefriergeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand von der Gefrierfläche abnimmt und die Größe der sich beim Gefrie ren bildenden Eiskristalle zunimmt. Sehr große Eiskristalle können eine Riss bildung im Bauteil begünstigen. Dies kann durch einen schalenweisen Aufbau des Gießkerns verhindert werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Kältebehandlung in Schritt cl) und/oder Schritt c2) die keramische Suspension mit einer Geschwindigkeit von 0,1 K/min bis 15 K/min, bevorzugt von 1 K/min bis 10 K/min, besonders bevorzugt von 3 K/min bis 7 K/min, bis auf eine Temperatur < -10 °C, bevorzugt auf eine Temperatur < -20 °C, ganz besonders bevorzugt auf eine Temperatur < -40 °C, abgekühlt. Bei der ersten Kältebehandlung in Schritt c2) kann es sich um die gleiche Kältebehandlung wie bei der Kältebehandlung in Schritt cl) oder um eine andere Kältebehand lung handeln als bei der Kältebehandlung in Schritt cl) handeln.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante werden nach Schritt d2) die Schritte b2), c2) und d2) mindestens einmal wiederholt. Wird ein Gießkern mit mehr als einem Kernmantel hergestellt, weist das Verfahren nach Schritt d2) weitere entsprechende Schritte b), c) und d) auf, d.h. die Schritte b2), c2) und d2) werden wiederholt. Beispielsweise kann das Verfah- ren bei der Herstellung eines Gießkerns mit zwei Kernmänteln nach Schritt d2) noch die entsprechenden Schritte b3), c3) und d3) aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante zeichnet sich dadurch aus, dass in Schritt dl) die Kernseele des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der ersten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird, und in Schritt b2) die getrocknete Kernseele des Gießkerns in die zweite Gießform eingesetzt wird, oder
in Schritt dl) die Kernseele des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der ersten Gießform entnommen wird, und in Schritt b2) die noch gefrorene Kernseele des Gießkerns in die zweite Gießform eingesetzt wird.
Die hergestellte Kernseele kann nach der Entnahme aus der ersten Gießform also entweder getrocknet oder nicht getrocknet werden, wobei im ersteren Fall in Schritt b2) die getrocknete Kernseele des Gießkerns in die zweite Gieß form eingesetzt wird und wobei im letzteren Fall in Schritt b2) die nicht ge trocknete, noch gefrorene Kernseele des Gießkerns in die zweite Gießform eingesetzt wird.
Weiterhin ist es bevorzugt dass,
sich die Zusammensetzung der ersten keramischen Suspension von der Zusammensetzung der zweiten keramischen Suspension unter scheidet, und/oder
die zweite keramische Suspension einen höheren Feststoffgehalt aufweist als die erste keramische Suspension, und/oder die zweite keramische Suspension eine höhere Packungsdichte aufweist als die erste keramische Suspension, und/oder sich das Material der in der ersten keramischen Suspension enthal tenden Keramik-Partikel vom Material der in der zweiten kerami schen Suspension enthaltenen Keramik-Partikel unterscheidet, und/oder sich der mittlere Partikeldurchmesser der in der ersten kerami schen Suspension enthaltenen Keramik-Partikel vom mittleren Partikeldurchmesser der in der zweiten keramischen Suspension enthaltenen Keramik-Partikel unterscheidet.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Gießkern mit dem erfindungsgemä ßen Verfahren herstellbar oder hergestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemä ßen Gießkerns in einem Verfahren zum Gießen von einem oder mehreren Bauteilen.
Anhand der nachfolgenden Beispiele soll die vorliegende Erfindung näher er läutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungs formen und Parameter zu beschränken.
Ausführungsbeispiel 1
Es werden 46,7 % Mullit (Symulox M72 K0, Nabaltec, mittlere Partikelgröße zwischen 7-15 pm) und 20 % Aluminiumoxid (CT 3000 SG, Almatis, mittlerer Partikeldurchmesser 500 nm) in 33,3 % natriumstabilisiertes Siliciumoxid Nanosol (Nyacol 1440, Akzonobel, mittlerer Partikeldurchmesser 14 nm, Fest stoffgehalt 40 %) eingerührt. Die erhaltene homogene Suspension wird in eine teilbare Form aus Silikon eingefüllt und mit einer Einfriergeschwindigkeit von 3 K/min bis -40 °C eingefroren. Das gefrorene Bauteil wird entformt und in eine teilbare Aluminiumform als Kern eingelegt, so dass das gefrorene Bauteil einen inneren Volumenanteil der durch die Aluminiumform gebildeten Geo metrie darstellt. In die Aluminiumform wird die oben beschriebene Suspensi on eingefüllt, und so das innenliegende gefrorene Bauteil umgossen. Die Alu miniumform wird mit einer Geschwindigkeit von 7K/min bis -40 °C abgekühlt. Das gefrorene Bauteil wir aus der Form entnommen und bei 90 °C getrocknet.
Ausführungsbeispiel 2 Es wird eine Suspension aus 56,8 % Quarzmehl (Siligran, Euroquarz, Siebfrak tion 63 pm) und 43,2 % Silikasol (Begosol K, Bego, Partikelgröße 8 nm) herge stellt und in einer Silikonform mit etwa 3K/min bis -40°C eingefroren. Das ge- frorene Bauteil wird entformt und getrocknet (nach einer ersten Trocknung bei 90 °C wird die Temperatur auf 200 °C erhöht und für zwei Stunden gehal ten). Das getrocknete und auf RT abgekühlte Bauteil wir in eine teilbare Alu miniumform eingesetzt. Es wird eine Suspension aus 75 % Mullit (Symulox M72 K0, Nabaltec, mittlere Partikelgröße zwischen 7-15 pm) und 25 % Silikasol (Nyacol 1440, Akzonobel, mittlerer Partikeldurchmesser 14 nm, Fest stoffgehalt 40 %) hergestellt und in die Aluminiumform gefüllt und damit das getrocknete Bauteil umgossen. Die Aluminiumform wird mit einer Geschwin digkeit von 7K/min bis -40 °C abgekühlt. Das gefrorene Bauteil wir aus der
Form entnommen und bei 90 °C getrocknet.

Claims

Patentansprüche
1. Gießkern für Gießformen, welcher mit einem Silikasol gebundene Ke ramik-Partikel enthält oder hieraus besteht, wobei der Gießkern eine Porenstruktur aufweist, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren zumindest abschnittsweise von außen nach innen im Gießkern zu nimmt.
2. Gießkern gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die mittlere Porengröße der Poren von außen nach in nen im Gießkern zunimmt und die mittlere Porengröße der Poren in einem äußeren Bereich, vorzugsweise an einem äußeren Rand, des Gießkerns 3 pm bis 20 pm, bevorzugt 3 pm bis 8 pm, beträgt und/oder die mittlere Porengröße der Poren in einem inneren Bereich, vorzugs weise am Mittelpunkt, des Gießkerns 100 pm bis 1500 pm, bevorzugt 100 pm bis 1000 pm, besonders bevorzugt 500 pm bis 1000 pm, be trägt.
3. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Keramik-Partikel anorganische Keramik-Partikel sind, die vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mullit-Partikeln, Zirkonsand-Partikeln, Quarzsand-Partikeln,
Aluminosilikat-Partikeln, anorganischen Hohlkügelchen, Aluminium- oxid-Partikeln und Mischungen hiervon.
4. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Keramik-Partikel einen mittleren
Partikeldurchmesser von 0,5 pm bis 300 pm aufweisen.
5. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Silikasol ausgewählt ist aus der Gruppe beste hend aus Wasserglas, kolloidalen Nanosolen und Mischungen hiervon.
6. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Silikasol in Form von Partikeln mit einem mitt leren Partikeldurchmesser von 8 nm bis 40 nm, bevorzugt von 15 nm bis 40 nm, besonders bevorzugt von 20 nm bis 40 nm, vorliegt.
7. Gießkern gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass der Gießkern eine Kernseele, welche mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält, und mindestens einen um die Kernseele herum angeordneten Kernmantel, welcher mit einem Silikasol gebundene Keramik-Partikel enthält, umfasst, wobei die Kern seele eine Porenstruktur aufweist, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt, wobei der mindestens eine Kernmantel jeweils eine Porenstruktur aufweist, bei welcher die mittlere Porengröße der Poren von außen nach innen im Gießkern zunimmt, und wobei die mittlere Porengröße der Poren in einem äußeren Bereich, vorzugweise an einem äußeren Rand, der Kernseele kleiner ist als die mittlere Porengröße der Poren in einem inneren Bereich, vorzugsweise an einem inneren Rand, des Kernman tels.
8. Gießkern gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittle re Porengröße der Poren in einem äußeren Bereich, vorzugsweise an einem äußeren Rand, der Kernseele und in einem äußeren Bereich, vorzugsweise an einem äußeren Rand, des Kernmantels 3 pm bis 20 pm, bevorzugt 3 pm bis 8 pm, beträgt und/oder die mittlere Poren größe der Poren in einem inneren Bereich, vorzugsweise am Mittel punkt, der Kernseele und in einem inneren Bereich, vorzugsweise an einem inneren Rand, des Kernmantels 100 pm bis 1500 pm, bevorzugt 500 pm bis 1500 pm, besonders bevorzugt 500 pm bis 1000 pm, be trägt.
9. Gießkern gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, dass
sich die Zusammensetzung der Kernseele von der Zusammenset zung des Kernmantels unterscheidet, und/oder
der Kernmantel eine höhere Packungsdichte aufweist als die Kern seele, und/oder
sich das Material der in der Kernseele enthaltenden Keramik- Partikel vom Material der im Kernmantel enthaltenen Keramik- Partikel unterscheidet, und/oder sich der mittlere Partikeldurchmesser der in der Kernseele enthal tenden Keramik-Partikel vom mittleren Partikeldurchmesser der im Kernmantel enthaltenen Keramik-Partikel unterscheidet.
10. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Gießkern mit mindestens einer Schlichte und/oder mindestens einer verstärkenden Komponente infiltriert und/oder beschichtet ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, bei welchem
e) mindestens eine wässrige, keramische Suspension hergestellt wird, die Keramik-Partikel, ein Silikasol als Binder und Wasser umfasst, f) die keramische Suspension in eine Gießform gegossen wird, die die negative Kontur des herzustellenden Gießkerns oder eines Teils des herzustellenden Gießkerns aufweist,
g) die sich in der Gießform befindende keramische Suspension einer Kältebehandlung unterzogen und dabei eingefroren wird, wobei es zu einer Verfestigung der keramischen Suspension zu einem Gießkern oder zu einem Teil eines Gießkerns kommt,
h) der Gießkern bzw. der Teil des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kältebehandlung die keramische Suspension mit einer Geschwindigkeit von 0,1 K/min bis 15 K/min, bevorzugt von 1 K/min bis 10 K/min, be sonders bevorzugt von 3 K/min bis 7 K/min, bis auf eine Temperatur
< -10 °C, bevorzugt auf eine Temperatur < -20 °C, ganz besonders be vorzugt auf eine Temperatur < -40 °C, abgekühlt wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass der Gießkern im Anschluss an Schritt d) mit mindestens einer Schlichte und/oder mindestens einer verstärkenden Komponen te infiltriert und/oder beschichtet wird.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, dass
b) mehrere wässrige, keramische Suspension hergestellt werden, die jeweils Keramik- Partikel, ein Silikasol als Binder und Wasser umfas sen,
el) eine erste der hergestellten keramischen Suspensionen in eine ers te Gießform gegossen wird, die die negative Kontur einer Kernsee le des herzustellenden Gießkerns aufweist,
fl) die sich in der ersten Gießform befindende erste keramische Sus pension einer ersten Kältebehandlung unterzogen und dabei einge froren wird, wobei es zu einer Verfestigung der ersten keramischen Suspension zu einer Kernseele eines Gießkerns kommt, gl) die Kernseele des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der ersten Gießform entnommen wird,
e2) die aus der ersten Gießform entnommene Kernseele des Gießkerns in eine zweite Gießform eingesetzt wird, die die negative Kontur des herzustellenden Gießkerns oder eines Teils des herzustellen den Gießkerns aufweist, und anschließend eine zweite der herge stellten keramischen Suspensionen in diese zweite Gießform ge gossen wird,
f2) die sich in der zweiten Gießform befindende zweite keramische Suspension einer zweiten Kältebehandlung unterzogen und dabei eingefroren wird, wobei es zu einer Verfestigung der zweiten ke ramischen Suspension zu einem Kernmantel des Gießkerns oder zu einem Teil des Kernmantels des Gießkerns kommt,
g2) der die Kernseele und den Kernmantel umfassende Gießkern bzw. der die Kernseele und den Teil des Kernmantels umfassende Teil des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der zweiten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach
Schritt d2) die Schritte b2), c2) und d2) mindestens einmal wiederholt werden.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, dass
in Schritt dl) die Kernseele des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der ersten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird, und in Schritt b2) die getrocknete Kernseele des Gießkerns in die zweite Gießform eingesetzt wird, oder
in Schritt dl) die Kernseele des Gießkerns im gefrorenen Zustand aus der ersten Gießform entnommen wird, und in Schritt b2) die noch gefrorene Kernseele des Gießkerns in die zweite Gießform eingesetzt wird.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, dass
sich die Zusammensetzung der ersten keramischen Suspension von der Zusammensetzung der zweiten keramischen Suspension unter scheidet, und/oder
die zweite keramische Suspension einen höheren Feststoffgehalt aufweist als die erste keramische Suspension, und/oder die zweite keramische Suspension eine höhere Packungsdichte aufweist als die erste keramische Suspension, und/oder sich das Material der in der ersten keramischen Suspension enthal tenden Keramik-Partikel vom Material der in der zweiten kerami schen Suspension enthaltenen Keramik-Partikel unterscheidet, und/oder
sich der mittlere Partikeldurchmesser der in der ersten kerami schen Suspension enthaltenen Keramik-Partikel vom mittleren Partikeldurchmesser der in der zweiten keramischen Suspension enthaltenen Keramik-Partikel unterscheidet.
18. Verwendung eines Gießkerns gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Verfahren zum Gießen von einem oder mehreren Bauteilen.
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