EP3852951A1 - Giesskern für giessformen sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Giesskern für giessformen sowie verfahren zu dessen herstellung

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EP3852951A1
EP3852951A1 EP19773055.9A EP19773055A EP3852951A1 EP 3852951 A1 EP3852951 A1 EP 3852951A1 EP 19773055 A EP19773055 A EP 19773055A EP 3852951 A1 EP3852951 A1 EP 3852951A1
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EP
European Patent Office
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core
casting
binder
mold
ceramic particles
Prior art date
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Pending
Application number
EP19773055.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz-Josef Wöstmann
Lukas Stumm
Christian Soltmann
Matthias Busse
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • B22C1/181—Cements, oxides or clays
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    • 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
    • B22C1/185—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 containing phosphates, phosphoric acids or its derivatives
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    • 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
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    • B22C1/20—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 organic agents

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 comprising a core core and a core jacket arranged around the core core.
  • the core jacket contains or consists of ceramic particles bound with a binder.
  • the core core contains ceramic particles bound with a binder as well as one or more placeholder elements.
  • the / the placeholder element (s) is / are at least partially thermally decomposable.
  • 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 closed. In order to obtain a good casting surface, additional requirements are placed on the core material. Here, as little as possible wetting between the melt and the casting core and a smooth, chemically suitable surface is advantageous. Particularly with casting cores for the production of a complex inner shape, 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 shaping can be done by pressing, core shooting or casting.
  • the surface of the cores can be improved by applying coatings.
  • the thermal decomposition of the organic binder 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.
  • a casting core for casting molds which comprises a core core and a core shell arranged around the core core.
  • the core jacket contains or consists of ceramic particles bound with a binder.
  • the core core contains ceramic particles bound with a binder as well as one or more placeholder elements.
  • the placeholder element is or the placeholder elements are at least partially thermally decomposable.
  • the casting core according to the invention advantageously comprises several parts, namely an inner part, the core core, and an outer part, the core jacket. Due to this core structure with a core jacket which is in contact with the melt and a core core, the casting core according to the invention is optimally adapted to the different requirements during and after a casting process. Due to the presence of the thermally decomposable placeholder elements in the core core, the core core can be destabilized by thermal stress, which simplifies the removal of the casting core from the casting. Due to the heat input during the casting process, which is, for example, at a temperature in the range from 300 ° C to 1500 ° C, the placeholder element or the placeholder elements are thermally decomposed, e.g.
  • the thermally decomposable placeholder element (s) are only arranged in the core core and not in the core shell, the core shell or the casting core has a dense and mechanically solid surface which is suitable for contact with the melt in the Casting process is suitable, which is why the casting core remains dimensionally stable during the casting process.
  • the functionality of the material composition in the different core areas can be adapted to the opposite requirements.
  • fillers or ceramic particles can be used in the jacket, which have a low interaction with the melt.
  • a lower porosity and higher mechanical strength can be provided in the core jacket.
  • the thermal properties can be selected by the fillers used in the core jacket so that, depending on the casting temperature and the amount of heat input, the core soul is destabilized at different times. This decoupling enables high process reliability and good casting quality to be achieved.
  • the thermally decomposable placeholder element (s) reduce the amount of inorganic fillers or ceramic particles that may have to be disposed of and reduce the weight of the cores.
  • a preferred embodiment of the casting core according to the invention is characterized in that the ceramic particles of the core shell and / or the ceramic particles of the core core are selected from the group consisting of quartz sand particles, zircon sand particles, aluminosilicate particles, mullite particles, inorganic hollow spheres, alumina particles and mixtures thereof.
  • the thermal properties can be influenced in such a way that, depending on the casting temperature and the amount of heat input, the core soul is destabilized at different times.
  • the speed of the temperature rise in the core core and thus the beginning of the destruction of the material cohesion in the core core can be set in this way via the thermal properties of the core shell.
  • the ceramic particles of the core shell and / or the ceramic particles of the core core have an average particle diameter of 0.5 miti to 500 miti. The average particle diameter can be determined, for example, by means of laser diffraction.
  • binder of the core shell and / or the binder of the core core is selected from the group consisting of
  • inorganic binders preferably silicate binders, e.g.
  • a further preferred embodiment of the casting core according to the invention is characterized in that the placeholder element (s) from (or at) a temperature in the range from 300 ° C. to 1500 ° C., preferably from (or at) a temperature in the range of 400 ° C to 1400 ° C, preferably from (or at) a temperature in the range from 500 ° C to 1300 ° C, is / are at least partially thermally decomposable.
  • the placeholder element (s) is / are at least partially thermally decomposable from a temperature in a range of 300 ° C. to 1500 ° C. is to be understood in such a way that the placeholder element (s) are separated any temperature in the range of 300 ° C to 1500 ° C decomposed or partially decomposed.
  • the placeholder element or the placeholder elements can decompose from a temperature of 800 ° C, which means that the placeholder element or the placeholder elements can / are thermally decomposable at a temperature> 800 ° C.
  • Thermal decomposition can e.g. a burnout, e.g. a partial burnout or a residue-free burnout of the placeholder element or the placeholder elements.
  • the placeholder element (s) is / are preferably thermally decomposable or (completely) thermally decomposable from (or at) a temperature in the range from 300 ° C. to 1500 ° C. It is also possible for the placeholder element (s) to be thermally decomposable over the entire temperature range from 300 ° C. to 1500 ° C.
  • the placeholder element (s) can be burned out, preferably can be burned out without residue.
  • the placeholder element (s) is / are selected from the group consisting of wood foam elements
  • Polymer foam elements Polystyrene beads, polymer granules and mixtures thereof.
  • the core core consists of the ceramic particles bound with the binder and the placeholder element (s).
  • a further preferred embodiment is characterized in that the core jacket and the core core have pores with an average pore size of 1 pm to 50 pm, the core jacket having a lower porosity than the core core.
  • the average pore size and / or the porosity can e.g. are determined by means of mercury porosimetry.
  • the core jacket has a thickness of 3 mm to 15 mm, preferably 3 mm to 10 mm, particularly preferably 3 mm to 7 mm.
  • the speed of the temperature rise in the core core and thus the beginning of the destruction of the material cohesion in the core core can be set via the thickness of the core shell. This ensures increased pressure resistance of the core during mold filling and destabilization of the core after sufficient heat input into the core.
  • the core core has a diameter of 5 mm to 100 mm, preferably 10 mm to 100 mm, particularly preferably 15 mm to 100 mm.
  • the present invention also relates to a method for producing a casting core according to the invention, in which
  • the placeholder element (s) (preferably from or at a temperature in the range from 300 ° C. to 1500 ° C.) is / are at least partially thermally decomposable
  • the dried core core of the casting core is inserted into a second casting mold, which has the negative contour of the casting core to be produced, and then a second aqueous, ceramic suspension, which comprises ceramic particles, a binder and water, is poured into this second casting mold becomes,
  • the second ceramic suspension located in the second casting mold is solidified to form a core shell of the casting core
  • the casting core comprising the core core and the core shell is removed from the second casting mold and then dried.
  • inorganic binders based on gypsum, cement, phosphate or silica can be used. Binder based on water glass can be gassed with carbon dioxide after shaping. The water glass reacts with the formation of colloidal silica and sodium carbonate and this strengthens the suspension to the corresponding part of the casting core. In suspensions with water glass or colloidal silica sol as a binder, a solidification can also be obtained by shifting the pH to the neutral range (for example by adding an acid) or drying. After shaping, excess water and bound water, which can be split off at the required casting temperature of the molten metal and which could impair the casting quality, must be removed. This is done by drying. If the required drying temperature is higher than the temperature resistance of the placeholder elements used, partial thermal decomposition of the placeholder elements begins when drying and the porosity or instability in the core core is increased.
  • Drying in steps c) and f) is preferably carried out at a temperature from 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 from 0.5 to 5 hours, particularly preferably from 1 to 3 hours. Drying can be carried out over several steps, for example a low temperature being selected in the first drying step and a higher temperature being selected in the second drying step.
  • the dried core core is preferably provided with core brands (for positioning the core core in the second mold).
  • the core brands then allow the exact positioning of the core core within this second mold when the dried core core of the casting core is inserted into the second casting mold, so that the core core later has the desired position in the finished casting core.
  • a preferred variant of the method according to the invention is characterized in that in step a) a mixture of a first aqueous, ceramic suspension which comprises ceramic particles, a binder and water, and a plurality of placeholder elements, preferably polystyrene beads, are produced. is set and the mixture is then poured into a first casting mold, which has the negative contour of a core core of the casting core to be produced.
  • a further preferred variant of the method according to the invention is characterized in that in step a) a mixture of a first aqueous ceramic suspension comprising ceramic particles, a binder and water, and a placeholder element, preferably a wood foam element or a polymer foam element , is produced in a first casting mold, which has the negative contour of the core core of the casting core to be produced, with the placeholder element first being cut into the shape of the core core and placed in the first casting mold and then the placeholder element with the first aqueous, ceramic Suspen sion is infiltrated and / or cast.
  • the present invention also relates to the use of a casting core according to the invention in a method for casting one or more components.
  • a core mass based on a phosphate binder is produced as follows: 60% "Wirovest" phosphate binder (BEGO) and 40% quartz powder are stirred into water until a flowable consistency is obtained.
  • a reticulated foam (polyether-based dryfeel, pore size 15 ppi , Eurofoam) is cut in the form of the core core, inserted into a mold and infiltrated with the core material produced and cast. After the beginning of solidification, the component is removed from the mold.
  • the core core is dried (at 90 ° C. to remove excess water, then at 180 ° C for one hour) and inserted in a divisible form that reflects the geometry of the core.
  • the core core is cast with the core mass. After solidification and After demolding, the core is dried at a temperature of 180 ° C for one hour.
  • Polystyrene beads are stirred into a ceramic mass consisting of 88.5% phosphate binder "Wirovest” (BEGO) and 11.5% demineralized water and poured into a mold for the core core.
  • the hardened component is shaped and divided into parts Insert the core mold and cast the following ceramic mass: 40% mullite (Symulox M72 K0, Nabaltec, average particle size between 7-15 pm) and 60% phosphate binder "Wirovest” (BEGO) are stirred into water until a flowable mass is obtained. After solidification, the core is removed from the mold and dried at 100 ° C.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gießkern für Gießformen, wobei der Gießkern eine Kernseele und einen um die Kernseele herum angeordneten Kernmantel umfasst. Der Kernmantel enthält mit einem Binder gebundene Keramik-Partikel oder besteht hieraus. Die Kernseele enthält mit einem Binder gebundene Keramik-Partikel sowie zusätzlich ein oder mehrere Platzhalter- element(e). Das/Die Platzhalterelement(e) ist/sind zumindest teilweise thermisch zersetzbar. 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 eine Kernseele und einen um die Kernseele herum angeordneten Kernmantel umfasst. Der Kernmantel enthält mit einem Binder gebundene Keramik-Partikel oder besteht hieraus. Die Kernseele enthält mit einem Binder gebundene Keramik-Partikel sowie zusätzlich ein oder mehrere Platzhalter- element(e). Das/Die Platzhalterelement(e) ist/sind zumindest teilweise ther misch zersetzbar. 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, deren Aushärtung jeweils durch kalte oder heiße Verfahren erfolgen kann. Die Formgebung kann durch Pressen, Kernschießen oder Gießen ge schehen. Die Oberfläche der Kerne kann durch das Aufträgen von Schlichten verbessert werden. Die thermische Zersetzung der organischen Binder wäh rend des Gießvorgangs schwächt das Kerngefüge und ermöglicht das Entfer nen des Kernmaterials aus dem Gussstück, ist aber auch mit der Emission von umweltschädlichen Gasen verbunden. Weiterhin können diese Gase zu Fehlern im Gussteil führen. Bei dickwandigen Bauteilen kann es Vorkommen, dass die eingetragene Wärme nicht ausreicht, um den Binder im Kerninneren ausreichend für eine leichte Entformung zu zersetzen. Die Gasentwicklung kann auch für den Gießprozess problematisch sein. Die gebrauchten Kernsan de können in der Regel nicht wiederverwendet werden und müssen als Son dermüll entsorgt werden. Bei anorganischen Bindersystemen muss neben einer ausreichenden Kernfestigkeit auch eine gute Entformbarkeit gegeben sein. Der Wärmeeintrag muss das Gefüge lockern und eine Versinterung aus geschlossen sein. Weiterhin sind die konventionellen Kerne wie oben be schrieben nur für den Sand, Kokillen- und Niederdruckguss geeignet. Für den Einsatz im Druckguss sind sie nicht einsetzbar.
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 12 gelöst. Patentan spruch 15 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 eine Kernseele und einen um die Kernseele herum angeordneten Kernmantel umfasst. Der Kernmantel enthält mit einem Binder gebundene Keramik- Partikel oder besteht hieraus. Die Kernseele enthält mit einem Binder gebun dene Keramik-Partikel sowie zusätzlich ein Platzhalterelement oder mehrere Platzhalterelemente. Das Platzhalterelement ist bzw. die Platzhalterelemente sind zumindest teilweise thermisch zersetzbar.
Der erfindungsgemäße Gießkern umfasst vorteilhafterweise mehrere Teile, nämlich einen inneren Teil, die Kernseele, und einen äußeren Teile, den Kernmantel. Durch diesen Kernaufbau mit einem Kernmantel, der mit der Schmelze in Kontakt steht, und einer Kernseele, ist der erfindungsgemäße Gießkern optimal an die unterschiedlichen Anforderungen während und nach einem Gießprozess angepasst. Aufgrund der Anwesenheit der thermisch zersetzbaren Platzhalterelemente in der Kernseele, kann die Kernseele durch thermische Belastung destabilisiert werden, wodurch die Entfernung des Gusskerns aus dem Gussstück vereinfacht wird. Durch den Wärmeeintrag beim Gießprozess, welcher z.B. bei einer Temperatur im Bereich von 300 °C bis 1500 °C liegt, werden das Platzhalterelement bzw. die Platzhalterelemente thermisch zersetzt, also z.B. ausgebrannt oder im Volumen massiv ge schrumpft, wodurch der Materialzusammenhalt der Kernseele geschwächt und damit eine Entfernung des Gießkerns vereinfacht wird. Mit anderen Wor ten entstehen an den Stellen, an denen sich vorher das Platzhalterelement bzw. die Platzhalterelemente befunden haben, Lücken bzw. Hohlräume, wes wegen die Kernseele porös bzw. instabil wird. Diese Instabilität vereinfacht dann die Entfernung des Gießkerns. Da das/die thermisch zersetzbare(n) Platzhalterelement(e) aber lediglich in der Kernseele und nicht im Kernmantel angeordnet sind weist der Kernmantels bzw. der Gießkern eine dichte und mechanisch feste Oberfläche auf, die für den Kontakt mit der Schmelze im Gießprozess geeignet ist, weswegen der Gießkern während dem Gießprozess formstabil bleibt.
Durch den Kernaufbau aus einem Kernmantel, der mit der Schmelze in Kon takt steht, und einer Kernseele, kann die Funktionalität der Materialzusam mensetzung in den unterschiedlichen Kernbereichen den gegenläufigen An forderungen angepasst werden. So können im Mantel Füllstoffe bzw. Kera mik-Partikel eingesetzt werden, die eine geringe Wechselwirkung mit der Schmelze aufweisen. Zudem kann im Kernmantel auch eine geringere Porosi tät und höhere mechanische Festigkeit vorgesehen sein. Die thermischen Ei genschaften können durch die verwendeten Füllstoffe im Kernmantel so ge wählt werden, dass je nach Gusstemperatur und eingetragener Wärmemenge eine zeitlich versetzte Destabilisierung der Kernseele erfolgt. Durch diese Ent kopplung kann eine hohe Prozesssicherheit und gute Gussqualität erreicht werden. Das/Die thermisch zersetzbare(n) Platzhalterelement(e) reduzieren die Menge an anorganischen Füllstoffen bzw. Keramik-Partikeln, die unter Umständen entsorgt werden müssen, und reduzieren das Gewicht der Kerne.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns zeichnet sich dadurch aus, dass die Keramik-Partikel des Kernmantels und/oder die Keramik-Partikel der Kernseele ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Quarzsand-Partikeln, Zirkonsand-Partikeln, Aluminosilikat-Partikeln, Mullit-Partikeln, anorganischen Hohlkügelchen, Aluminiumoxid-Partikeln und Mischungen hiervon.
Durch die Wahl der verwendeten Füllstoffe bzw. Keramik-Partikel im Kern mantel können die thermischen Eigenschaften so beeinflusst werden, dass je nach Gusstemperatur und eingetragener Wärmemenge eine zeitlich versetzte Destabilisierung der Kernseele erfolgt. Somit kann auf diese Weise über die thermischen Eigenschaften des Kernmantels die Geschwindigkeit des Tempe raturanstiegs in der Kernseele und damit der Beginn der Zerstörung des Mate rialzusammenhalts in der Kernseele eingestellt werden. Damit wird eine er höhte Druckfestigkeit des Gießkerns während der Formfüllung gewährleistet und nach ausreichendem Wärmeeintrag in die Kerne eine Destabilisierung des Kerns erzeugt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns weisen die Keramik-Partikel des Kernmantels und/oder die Kera mik-Partikel der Kernseele einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 miti bis 500 miti auf. Der mittlere Partikeldurchmesser kann z.B. bestimmt werden mittels Laserbeugung.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Binder des Kernmantels und/oder der Bin der der Kernseele ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
anorganischen Bindern, vorzugsweise Silikatbindern, z.B.
Silikasolen und Wasserglas, Phosphatbindern, Gips, Zement, organischen Bindern, vorzugsweise Kunststoff harzen, Proteinbin dern, und
Mischungen hiervon.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns ist dadurch gekennzeichnet, dass das/die Platzhalterelement(e) ab (oder bei) einer Temperatur im Bereich von 300 °C bis 1500 °C, bevorzugt ab (oder bei) einer Temperatur im Bereich von 400 °C bis 1400 °C, bevorzugt ab (oder bei) einer Temperatur im Bereich von 500 °C bis 1300 °C, zumindest teilweise thermisch zersetzbar ist/sind.
Das Merkmal, dass das/die Platzhalterelement(e) ab einer Temperatur in ei nem Bereich von 300 °C bis 1500 °C zumindest teilweise thermisch zersetzbar ist/sind, ist dabei so zu verstehen, dass das/die Platzhalterelement(e) sich ab irgendeiner Temperatur im Bereich von 300 °C bis 1500 °C zersetzt oder teil weise zersetzt. Beispielsweise kann/können sich das Platzhalterelement bzw. die Platzhalterelemente ab einer Temperatur von 800 °C zersetzen, was be deutet, dass das Platzhalterelement bzw. die Platzhalterelemente bei einer Temperatur > 800 °C thermisch zersetzbar ist/sind. Ein thermisches Zersetzen kann z.B. ein Ausbrennen, z.B. ein teilweises Ausbrennen oder ein rückstands loses Ausbrennen, des Platzhalterelements bzw. der Platzhalterelemente sein.
Vorzugsweise ist/sind das/die Platzhalterelement(e) ab (oder bei) einer Tem peratur im Bereich von 300 °C bis 1500 °C thermisch zersetzbar oder vollstän dig thermisch zersetzbar. Es ist auch möglich, dass das/die Platzhalterelemente über den gesamten Temperaturbereich von 300 °C bis 1500 °C thermisch zersetzbar ist/sind.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das/die Platzhalterelement(e) ausbrennbar, vorzugsweise rückstandslos ausbrennbar ist/sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießkerns zeichnet sich dadurch aus, dass das/die Platzhalterelement(e) ausgewählt ist/sind aus der Gruppe bestehend aus Holzschaumelementen,
Polymerschaumelementen, Polystyrolkügelchen, Polymergranulaten und Mi schungen hiervon.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Kernseele aus den mit dem Binder gebundenen Keramik-Partikeln sowie dem/den Platz- halterelement(en).
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kernmantel und die Kernseele Poren mit einer mittleren Porengröße von 1 pm bis 50 pm aufweisen, wobei der Kernmantel eine geringere Porosität als die Kernseele aufweist. Die mittlere Porengröße und/oder die Porosität kann z.B. bestimmt werden mittels Quecksilberporosimetrie.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Kernmantel eine Dicke von 3 mm bis 15 mm, bevorzugt von 3 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 3 mm bis 7 mm, aufweist. Über die Dicke des Kernmantels kann die Geschwindigkeit des Tem peraturanstiegs in der Kernseele und damit der Beginn der Zerstörung des Materialzusammenhalts in der Kernseele eingestellt werden. Damit wird eine erhöhte Druckfestigkeit des Kerns während der Formfüllung gewährleistet und nach ausreichendem Wärmeeintrag in die Kerne eine Destabilisierung des Kerns erzeugt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kernseele ei nen Durchmesser von 5 mm bis 100 mm, bevorzugt von 10 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt von 15 mm bis 100 mm, auf. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gießkerns, bei welchem
a) eine Mischung aus einer ersten wässrigen, keramische Suspension, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser umfasst, und einem oder mehreren Platzhalterelement(en)
hergestellt wird und anschließend in eine erste Gießform gegossen wird, die die negative Kontur einer Kernseele des herzustellenden Gießkerns aufweist, oder in einer ersten Gießform hergestellt wird, die die negative Kontur der Kernseele des herzustellenden Gießkerns auf weist,
wobei das/die Platzhalterelement(e) (vorzugsweise ab bzw. bei ei ner Temperatur im Bereich von 300 °C bis 1500 °C) zumindest teil weise thermisch zersetzbar ist/sind,
b) die sich in der ersten Gießform befindende Mischung zur Kernseele des Gießkerns verfestigt wird,
c) die Kernseele des Gießkerns aus der ersten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird,
d) die getrocknete Kernseele des Gießkerns in eine zweite Gießform eingesetzt wird, die die negative Kontur des herzustellenden Gieß kerns aufweist, und anschließend eine zweite wässrige, keramische Suspensionen, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser um fasst, in diese zweite Gießform gegossen wird,
e) die sich in der zweiten Gießform befindende zweite keramische Suspension zu einem Kernmantel des Gießkerns verfestigt wird, f) der die Kernseele und den Kernmantel umfassende Gießkern aus der zweiten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird.
Es können beispielsweise anorganische Binder auf Basis von Gips, Zement, Phosphat oder Silika genutzt werden. Binder auf Basis von Wasserglas können nach der Formgebung mit Kohlendioxid begast werden. Das Wasserglas rea giert unter Bildung von kolloidaler Kieselsäure und Natriumcarbonat und ver- festigt damit die Suspension zum entsprechenden Teil des Gießkerns. Bei Sus pensionen mit Wasserglas oder kolloidalem Silikasol als Binder, kann auch durch eine Verschiebung des pH-Werts in den neutralen Bereich (zum Beispiel durch Zugabe einer Säure) oder einer Trocknung eine Verfestigung erhalten werden. Nach der Formgebung muss überschüssiges Wasser und gebundenes Wasser, welches bei der benötigten Gießtemperatur der Metallschmelze ab gespalten werden kann und dabei die Gussqualität beeinträchtigen könnte, entfernt werden. Dies geschieht durch das Trocknen. Liegt die benötigte Tro ckentemperatur höher als die Temperaturbeständigkeit der eingesetzten Platzhalterelemente beginnt schon beim Trocknen eine teilweise thermische Zersetzung der Platzhalterelemente und die Porosität bzw. die Instabilität in der Kernseele wird erhöht.
Das Trocknen in den Schritten c) und f) erfolgt vorzugsweise bei einer Tempe ratur 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 erfolgen, wobei beispielsweise im ersten Trocknungsschritt einen niedrige Temperatur und im zweiten Trocknungsschritt eine höhere Temperatur gewählt wird.
In der Gießerei ist es fachüblich und somit dem Fachmann ohne Weiteres ge läufig, dass Kerne über Kernmarken und Kernlager in der Gießform positio niert und gehalten werden. Dies kann auch bei der vorliegenden Erfindung bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren geschehen. Vorzugsweise wird somit zwischen Schritt c) und Schritt d) die getrocknete Kernseele mit Kernmarken (zur Positionierung der Kernseele in der zweiten Gießform) versehen. Die Kernmarken ermöglichen dann beim Einsetzen der getrockneten Kernseele des Gießkerns in die zweite Gießform die exakte Positionierung der Kernseele innerhalb dieser zweiten Gießform, sodass die Kernseele dementsprechend später die gewünschte Position im fertigen Gießkern hat.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in Schritt a) eine Mischung aus einer ersten wässrigen, ke ramische Suspension, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser umfasst, und mehreren Platzhalterelementen, vorzugsweise Polystyrolkügelchen, her- gestellt wird und die Mischung anschließend in eine erste Gießform gegossen wird, die die negative Kontur einer Kernseele des herzustellenden Gießkerns aufweist.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist da durch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Mischung aus einer ersten wäss rigen, keramische Suspension, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser umfasst, und einem Platzhalterelement, vorzugsweise einem Holzschaum element oder einem Polymerschaumelement, in einer ersten Gießform herge stellt wird, die die negative Kontur der Kernseele des herzustellenden Gieß kerns aufweist, wobei zunächst das Platzhalterelement in die Form der Kern seele zugeschnitten und in der ersten Gießform platziert wird und anschlie ßend das Platzhalterelement mit der ersten wässrigen, keramischen Suspen sion infiltriert und/oder umgossen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines erfindungs gemäßen Gießkerns in einem Verfahren zum Gießen von einem oder mehre ren 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 wird eine Kernmasse auf Basis eines Phosphatbinders wir folgt hergestellt: 60 % Phosphatbinder„Wirovest" (BEGO) und 40 % Quarzmehl werden in Wasser eingerührt, bis eine fließfähige Konsistenz erhalten wird. Ein retiku- lierter Schaumstoff (Dryfeel auf Polyetherbasis, Porengröße 15 ppi, Eurofoam) wird in Form der Kernseele zugeschnitten, in eine Form eingelegt und mit der hergestellten Kernmasse infiltriert und umgossen. Nach beginnender Verfesti gung wird das Bauteil entformt. Die Kernseele wird getrocknet (bei 90 °C zum Entfernen von überschüssigen Wasser, anschließend bei 180 °C für eine Stun de) und in eine teilbare Form eingelegt, die die Geometrie des Kerns abbildet. Die Kernseele wird mit der Kernmasse umgossen. Nach der Verfestigung und dem Entformen, wird der Kern bei einer Temperatur von 180 °C für eine Stun de getrocknet.
Ausführungsbeispiel 2
50 vol. % Polystyrolkügelchen werden in eine keramische Masse, bestehend aus 88,5 % Phosphatbinder„Wirovest" (BEGO) und 11,5 % demineralisierten Wasser, eingerührt und in eine Form für die Kernseele gegossen. Das erhärte- te Bauteil wird ausgeformt und in die teilbare Kernform eingelegt und mit folgender keramischen Masse umgossen: 40 % Mullit (Symulox M72 K0, Nabaltec, mittlere Partikelgröße zwischen 7-15 pm) und 60 % Phosphatbinder „Wirovest" (BEGO) werden in Wasser eingerührt, bis eine fließfähige Masse erhalten wird. Nach der Verfestigung wird der Kern entformt und bei 100 °C getrocknet.

Claims

Patentansprüche
1. Gießkern für Gießformen, umfassend eine Kernseele und einen um die Kernseele herum angeordneten Kernmantel, wobei der Kernmantel mit einem Binder gebundene Keramik-Partikel enthält oder hieraus besteht und wobei die Kernseele mit einem Binder gebundene Kera mik-Partikel sowie zusätzlich ein oder mehrere Platzhalterelement(e) enthält, wobei das/die Platzhalterelement(e) zumindest teilweise thermisch zersetzbar ist/sind.
2. Gießkern gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die Keramik-Partikel des Kernmantels und/oder die Ke ramik-Partikel der Kernseele ausgewählt sind aus der Gruppe beste hend aus Quarzsand-Partikeln, Zirkonsand-Partikeln, Aluminosilikat- Partikeln, Mullit-Partikeln, anorganischen Hohlkügelchen, Aluminium- oxid-Partikeln und Mischungen hiervon.
3. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Keramik-Partikel des Kernmantels und/oder die Keramik-Partikel der Kernseele einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 pm bis 500 pm aufweisen.
4. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Binder des Kernmantels und/oder der Binder der Kernseele ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
anorganischen Bindern, vorzugsweise Silikatbindern, z.B.
Silikasolen und Wasserglas, Phosphatbindern, Gips, Zement, organischen Bindern, vorzugsweise Kunststoffharzen, Proteinbin dern, und
Mischungen hiervon.
5. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das/die Platzhalterelement(e) ab einer Temperatur im Bereich von 300 °C bis 1500 °C, bevorzugt ab einer Temperatur im Bereich von 400 °C bis 1400 °C, besonders bevorzugt ab einer Tempe ratur im Bereich von 500 °C bis 1300 °C, zumindest teilweise thermisch zersetzbar ist/sind.
6. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das/die Platzhalterelement(e) ausbrennbar, vor zugsweise rückstandslos ausbrennbar, ist/sind.
7. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das/die Platzhalterelement(e) ausgewählt ist/sind aus der Gruppe bestehend aus Holzschaumelementen,
Polymerschaumelementen, Polystyrolkügelchen, Polymergranulaten, und Mischungen hiervon.
8. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kernseele aus den mit dem Binder gebundenen Keramik-Partikeln sowie dem/den Platzhalterelement(en) besteht.
9. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kernmantel und die Kernseele Poren mit einer mittleren Porengröße von 1 pm bis 50 pm aufweisen, wobei der Kern mantel eine geringere Porosität als die Kernseele aufweist.
10. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kernmantel eine Dicke von 3 mm bis 15 mm, bevorzugt von 3 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 3 mm bis 7 mm, aufweist.
11. Gießkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kernseele einen Durchmesser von 5 mm bis 100 mm, bevorzugt von 10 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt von 15 mm bis 100 mm, aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, bei welchem a) eine Mischung aus einer ersten wässrigen, keramische Suspension, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser umfasst, und einem oder mehreren Platzhalterelement(en)
hergestellt wird und anschließend in eine erste Gießform gegossen wird, die die negative Kontur einer Kernseele des herzustellenden Gießkerns aufweist, oder in einer ersten Gießform hergestellt wird, die die negative Kontur der Kernseele des herzustellenden Gießkerns auf weist,
wobei das/die Platzhalterelement(e) zumindest teilweise thermisch zersetzbar ist/sind,
b) die sich in der ersten Gießform befindende Mischung zur Kernseele des Gießkerns verfestigt wird,
c) die Kernseele des Gießkerns aus der ersten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird,
d) die getrocknete Kernseele des Gießkerns in eine zweite Gießform eingesetzt wird, die die negative Kontur des herzustellenden Gieß kerns aufweist, und anschließend eine zweite wässrige, keramische Suspensionen, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser um fasst, in diese zweite Gießform gegossen wird,
e) die sich in der zweiten Gießform befindende zweite keramische Suspension zu einem Kernmantel des Gießkerns verfestigt wird, f) der die Kernseele und den Kernmantel umfassende Gießkern aus der zweiten Gießform entnommen und anschließend getrocknet wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in
Schritt a) eine Mischung aus einer ersten wässrigen, keramische Sus pension, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser umfasst, und mehreren Platzhalterelementen, vorzugsweise Polystyrolkügelchen, hergestellt wird und die Mischung anschließend in eine erste Gießform gegossen wird, die die negative Kontur einer Kernseele des herzustel lenden Gießkerns aufweist.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in
Schritt a) eine Mischung aus einer ersten wässrigen, keramische Sus pension, die Keramik-Partikel, einen Binder und Wasser umfasst, und einem Platzhalterelement, vorzugsweise einem Holzschaumelement oder einem Polymerschaumelement, in einer ersten Gießform herge stellt wird, die die negative Kontur der Kernseele des herzustellenden Gießkerns aufweist, wobei zunächst das Platzhalterelement in die Form der Kernseele zugeschnitten und in der ersten Gießform platziert wird und anschließend das Platzhalterelement mit der ersten wässri gen, keramischen Suspension infiltriert und/oder umgossen wird.
15. Verwendung eines Gießkerns gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Verfahren zum Gießen von einem oder mehreren Bauteilen.
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