EP4626625A1 - Giessform zum giessen von metallen - Google Patents

Giessform zum giessen von metallen

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Publication number
EP4626625A1
EP4626625A1 EP23726292.8A EP23726292A EP4626625A1 EP 4626625 A1 EP4626625 A1 EP 4626625A1 EP 23726292 A EP23726292 A EP 23726292A EP 4626625 A1 EP4626625 A1 EP 4626625A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
concrete
casting mold
strength
casting
starting materials
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
EP23726292.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Wetzel
Sebastian Müller
Lucas PELCHEN
Bernhard Middendorf
Dominik HÜBENTHAL
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.)
Universitaet Kassel
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Original Assignee
Universitaet Kassel
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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 Universitaet Kassel, Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg filed Critical Universitaet Kassel
Publication of EP4626625A1 publication Critical patent/EP4626625A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B22C9/061—Materials which make up the mould
    • 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
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/22—Dies; Die plates; Die supports; Cooling equipment for dies; Accessories for loosening and ejecting castings from dies
    • B22D17/2209—Selection of die materials

Definitions

  • the invention relates to a casting mold for casting metals, in particular for pressure-assisted casting of metallic alloys based on aluminum, magnesium, zinc or tin.
  • the casting of metals or metallic alloys is a manufacturing process of primary forming in which metallic castings are produced from the molten phase.
  • the different process variants in particular mold casting, die casting, ingot casting or continuous casting, have in common that the metallic melt is filled or pressed into the cavity of a casting mold or passed through the cavity, whereby the melt solidifies (at least on the surface) to form the casting.
  • the contact surface of the casting mold for the poured melt corresponds to the negative of the surface of the casting.
  • Casting molds that are used multiple times are called permanent molds and are typically forged, milled and/or eroded from a hot-work tool steel. Under the extreme operating conditions in contact with the molten metal, especially in die casting, the casting molds are subject to high wear due to the combined effect of thermal fatigue, metal corrosion and erosive and abrasive loading at high filling speeds.
  • the publication DE 102007 037 701 A1 discloses the use of a high-performance concrete with a compressive strength of at least 60 N/mm 2 for casting molds.
  • the casting mold can either be made entirely from the concrete, or the concrete forms a support part for receiving a metallic contour part that has the contact surface for the melt to be poured in.
  • the invention includes the technical teaching that the casting mold comprises a high-strength or ultra-high-strength concrete which is formed with the addition of cellulose fibers.
  • the basic idea of the invention is to use the high strength and resistance to mechanical and chemical stress of a high-strength or ultra-high-strength concrete, and to make the material suitable for use under cyclic thermal stress with operating temperatures of more than 500 °C by adding cellulose fibers.
  • the mold is (first) heated, the cellulose fibers irreversibly degenerate and shrink while releasing moisture, which creates a network of pores in the structure of the concrete. Water released in the concrete when heated, which is chemically or physically bound in the structure, can be released into the environment via this pore network via the surfaces of the mold.
  • the cellulose fibers added to the concrete according to the invention can be natural plant fibers, for example cotton or bast fibers, or synthetically obtained, so-called regenerated cellulose fibers.
  • the cellulose fibers used have a length in the range of 0.1 - 10 mm and/or a diameter in the range of 5 - 100 pm.
  • the high-strength or ultra-high-strength concrete has a high chemical resistance to metallic melts, so that the chemical composition (alloy layer) of the poured melt is not changed by material exchange with the casting mold and, conversely, no significant corrosion of the casting mold occurs.
  • a casting mold according to the invention it is therefore advantageously possible to dispense with the process aids commonly used in the prior art, in particular release agents applied to the contact surface.
  • the concrete is formed from mineral starting materials that contain expanded glass.
  • Expanded glass is a foamed glass of low density with closed, gas-filled pores and is provided in particular as a granulate made of round grains. By adding expanded glass, the thermal conductivity of the concrete formed is reduced, in particular to the range below 1 W/mK.
  • the casting mold according to the invention is in principle suitable for a variety of metal casting processes, for example mold casting, pressure casting, ingot casting or continuous casting. Use for the pressure-assisted casting of aluminum alloys has proven to be particularly advantageous.
  • the present invention further relates to a method for producing a casting mold according to one of the aforementioned embodiments, comprising at least the following steps in no fixed order:
  • a computer-aided mathematical-physical packing density optimization method can be used to determine an optimized grading curve, for example based on a method according to Schwanda, Reschke or Geisenhanslüke (Schwanda, F.: The computational method for determining the cavity and Cement paste requirement of aggregates and its significance for prestressed concrete construction, Cement and Concrete 37, 1966, pp.
  • the mineral starting materials comprise at least one binding agent, for example Portland cement and silica fume, and an inert aggregate, for example quartz sand and quartz powder.
  • the volumetric release regarding the amount of cellulose fibers added refers to the bulk density of the mineral raw materials.
  • the cellulose fibers are usually provided in a dried state and are added to the concrete mix in this state.
  • a water-binding value in the range of 0.2 - 0.25 is formed.
  • the water-binding value is the ratio between the mass of the effective water and the mass of the binding agents, i.e., in the compositions of Table 1, Portland cement and silica fume.
  • the effective water corresponds to the sum of the added water, the inherent moisture of the aggregate and, if necessary, the water content of added aqueous additives.
  • the mineral starting materials are provided with at least one alkaline-activatable binding agent and free of Portland cement.
  • the alkaline-activatable binding agent comprises granulated blast furnace slag, silica fume and/or metakaolin.
  • Table 2 shows exemplary compositions of concrete mixtures used according to the invention based on alkaline-activatable binding agents without Portland cement, ie the mineral starting materials with details of the respective smallest and largest grain size and a range of the respective proportion. The cellulose fibers to be added to the concrete mixture are not taken into account in Table 2.
  • an aqueous activator solution is added, which is based on alkali hydroxide, alkali silicate and/or alkali carbonate, for example.
  • the alkaline activator solution is added in an amount in the range of 30 - 60% by weight of the alkaline-activatable binder. This creates a water binder value in the range of 0.15 - 0.3. In comparison to the use of a Portland cement-based concrete, an even lower water binder value can therefore be sufficient to develop strength.
  • a casting mold made from this has particularly good high-temperature resistance, since the proportion of water separated from the concrete structure when heated is particularly low.
  • the cellulose fibers are soaked with the alkaline activator solution before the concrete mixture is prepared. This ensures that when the fresh concrete hardens, the volumes immediately adjacent to the cellulose fibers also participate in the desired microstructure and strength development.
  • the negative mold for casting the mold from the fresh concrete can, for example, be provided as a milled or 3D-printed component made of polytetrafluoroethylene (PTFE). With a negative mold made of PTFE, the use of a mold release agent between the mold and the concrete can advantageously be dispensed with. Furthermore, photopolymers can be used as printable materials for producing the negative mold in 3D printing.
  • the figure shows a schematic cross-sectional view of a cold chamber casting machine for pressure-assisted casting of metals, in particular for pressure-assisted casting of metallic alloys based on aluminum, magnesium, zinc or tin.
  • the casting machine comprises a casting mold 100 according to the invention, a casting unit comprising a casting chamber 4 and a casting piston 5, as well as an ejector unit 3.
  • the use of a casting mold according to the invention in a cold chamber casting machine is to be understood as a purely exemplary application without restricting the generality.
  • the casting mold 100 comprises the two mold halves 1, T, each of which has a high-strength or ultra-high-strength concrete 10 that is formed with the addition of cellulose fibers.
  • the mold halves 1, T are formed monolithically from the concrete 10, so that the contact surfaces 11, 1 T of the casting mold 100 for the metal 2 to be poured in are also formed from the concrete 10.
  • the casting mold 100 is in the closed state , wherein the cavity 20 is formed between the two mold halves 1, 1', which is delimited by the contact surfaces 11, 11'.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Gießform (100) zum Gießen von Metallen (2), insbesondere zum druckunterstützten Gießen von metallischen Legierungen basierend auf Aluminium, Magnesium, Zink oder Zinn. Erfindungsgemäß weist die Gießform (100) einen hochfesten oder ultrahochfesten Beton (10) auf, der unter Zugabe von Zellulosefasern gebildet ist.

Description

GlEßFORM ZUM GlEßEN VON METALLEN
Die Erfindung betrifft eine Gießform zum Gießen von Metallen, insbesondere zum druckunterstützten Gießen von metallischen Legierungen basierend auf Aluminium, Magnesium, Zink oder Zinn.
STAND DER TECHNIK
Das Gießen von Metallen bzw. metallischen Legierungen stellt ein Fertigungsverfahren des Urformens dar, bei dem metallische Gussstücke aus der schmelzflüssigen Phase hergestellt werden. Den unterschiedlichen Verfahrensvarianten, insbesondere Formguss, Druckguss, Blockguss oder Strangguss, ist gemein, dass die metallische Schmelze in die Kavität einer Gießform gefüllt oder gedrückt oder durch die Kavität hindurchgeführt wird, wobei die Schmelze unter Bildung des Gussstücks (zumindest oberflächlich) erstarrt. Dabei entspricht die Kontaktfläche der Gießform für die eingegossene Schmelze dem Negativ der Oberfläche des Gussstücks.
Mehrfach genutzte Gießformen werden als Dauerformen bezeichnet und typischerweise aus einem Warmarbeitsstahl geschmiedet, gefräst und/oder erodiert. Unter den extremen Betriebsbedingungen im Kontakt mit der metallischen Schmelze, insbesondere beim Druckguss, unterliegen die Gießformen hohem Verschleiß aufgrund der kombinierten Wirkung von thermischer Ermüdung, Metallkorrosion sowie erosiver und abrasiver Belastung bei hohen Füllgeschwindigkeiten.
Um den Verschleiß zu reduzieren ist es im Stand der Technik gebräuchlich, vor der Formfüllung flüssige oder pastöse Prozesshilfsstoffe, sogenannte Schlichten bzw. Formtrennstoffe, auf die Kontaktfläche der Gießformen aufzutragen, die darüber hinaus auch die Benetzbarkeit erhöhen oder ein Anhaften der Gussstücke beim Entformen verhindern können. Die Verwendung derartiger Prozesshilfsstoffe bedingt einen nachteilig hohen Material- und Arbeitseinsatz und stellt zudem eine potenzielle Quelle für Verunreinigungen und Qualitätsminderungen der gefertigten Gussstücke dar.
Die Druckschrift DE 102007 037 701 A1 offenbart die Verwendung eines Hochleistungsbetons mit einer Druckfestigkeit von mindestens 60 N/mm2 für Gießformen. Dabei kann die Gießform entweder vollständig aus dem Beton gefertigt sein, oder der Beton bildet ein Trägerteil zur Aufnahme eines metallischen Konturteils, das die Kontaktfläche für die einzugießende Schmelze aufweist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Ausgestaltung einer auf einem Beton basierenden Gießform zum Gießen von Metallen, insbesondere zum druckunterstützten Gießen von metallischen Legierungen basierend auf Aluminium, Magnesium, Zink oder Zinn, vorzuschlagen, die insbesondere durch eine hohe Dauerbeständigkeit gegen die im Gießprozess auftretenden thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen gekennzeichnet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst von einer Gießform gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Gießform einen hochfesten oder ultrahochfesten Beton aufweist, der unter Zugabe von Zellulosefasern gebildet ist.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die hohe Festigkeit und Beständigkeit gegen mechanische und chemische Beanspruchung eines hochfesten oder ultrahochfesten Betons zu nutzen, und den Werkstoff zudem durch die Zugabe von Zellulosefasern zum Einsatz bei zyklischer thermischer Belastung mit Betriebstemperaturen von mehr als 500 °C zu befähigen. Bei der (ersten) Erwärmung der Gießform degenerieren und schrumpfen die Zellulosefasern irreversibel unter Abgabe von Feuchtigkeit, wodurch im Gefüge des Betons ein Netzwerk von Poren gebildet wird. Über dieses Porennetzwerk kann bei Erwärmung im Beton freigesetztes Wasser, welches im Gefüge chemisch oder physikalisch gebunden ist, über die Oberflächen der Gießform an die Umgebung abgegeben werden. Dadurch wird der typische Versagensmechanismus von konventionellem hochfestem oder ultrahochfestem Beton unter Hochtemperaturbelastung vermieden, der darin besteht, dass das innerhalb des dichten Gefüges freigesetzte Wasser nicht entweichen kann, bis dass der sich zunehmend aufbauende Wasserdampfdruck die Zugfestigkeit des Betons überschreitet und ein explosionsartiges Versagen des Bauteils erfolgt.
Der Beton weist als hochfester Beton eine Zylinderdruckfestigkeit von mindestens 60 N/mm2 oder als ultrahochfester Beton eine Zylinderdruckfestigkeit von mindestens 100 N/mm2 auf (charakteristische Druckfestigkeit von Zylindern mit 150 mm Durchmesser und 300 mm Länge nach 28 Tagen bei Prüfung nach DIN EN 12390-3). Insbesondere kann der ultrahochfeste Beton eine Zylinderdruckfestigkeit von mindestens 130 N/mm2 aufweisen. Als Obergrenze für die Festigkeit des ultrahochfesten Betons kann eine Zylinderdruckfestigkeit von 250 N/mm2 als gegenwärtig technisch realisierbarer Wert angegeben werden, wobei prinzipiell auch Betone mit noch höheren Festigkeiten für die erfindungsgemäße Gießform verwendet werden können. Somit liegt die Zylinderdruckfestigkeiten des die Gießform bildenden Betons insbesondere im Bereich von 60 N/mm2 bis 250 N/mm2, wobei ein Beton im Bereich von 60 N/mm2 bis 100 N/mm2 als hochfest und im Bereich von 100 N/mm2 bis 250 N/mm2 als ultrahochfest bezeichnet wird. Diese Festigkeitswerte sind zumindest für den Ausgangszustand des Betons vor der ersten Erwärmung der Gießform in einem Gießprozess gültig. Die hohe Festigkeit des Betons beruht auf der hohen Dichtheit seines Gefüges, die durch eine Optimierung der Packungsdichte des Haufwerks der mineralischen Ausgangsstoffe, die Zugabe von reaktiven Zusatzstoffen und/oder die Wahl eines geringen Wasserbindemittelwerts beim Anmischen des Frischbetons, insbesondere höchstens 0,3, erzielt wird. Die Dichtheit ist durch die erfindungsgemäß zugegebene Menge an Zellulosefasern nicht derart verringert, dass die mechanischen Eigenschaften des Betons signifikant beeinträchtigt werden.
Die erfindungsgemäß dem Beton zugegebenen Zellulosefasern können als natürliche Pflanzenfasern, beispielsweise Baumwoll- oder Bastfasern, oder als synthetisch gewonnene, sogenannte Zelluloseregeneratfasern ausgebildet sein. Die verwendeten Zellulosefasern weisen eine Länge im Bereich von 0,1 - 10 mm und/oder einen Durchmesser im Bereich von 5 - 100 pm auf.
Insbesondere ist bei einer erfindungsgemäßen Gießform wenigstens eine Kontaktfläche der Gießform für das einzugießende Metall aus dem Beton ausgebildet. Es hat sich erwiesen, dass die Oberfläche eines hochfesten oder ultrahochfesten Betons in mehrfacher Hinsicht besonders geeignet ist, im Gießprozess die Kontaktfläche zum eingegossenen Metall zu bilden. So besteht einerseits eine hohe Benetzbarkeit, insbesondere durch schmelzflüssige Aluminiumlegierungen, bei gleichzeitig guter Entformbarkeit des ausgehärteten Gussstücks. Somit können ohne weiteren prozesstechnischen Aufwand sehr formtreue Gussstücke gefertigt werden. Weiterhin weist der hochfeste oder ultrahochfeste Beton eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber metallischen Schmelzen auf, sodass die chemische Zusammensetzung (Legierungslage) der eingegossenen Schmelze nicht durch stofflichen Austausch mit der Gießform verändert wird und umgekehrt keine signifikante Korrosion der Gießform auftritt. Bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Gießform kann daher vorteilhafterweise auf die im Stand der Technik gebräuchlichen Prozesshilfsstoffe, insbesondere auf die Kontaktfläche applizierte Trennmittel, verzichtet werden.
Vorzugsweise ist die gesamte Gießform bzw. jede Formhälfte der Gießform monolithisch aus einem mit Zellulosefasern versetzten hochfesten oder ultrahochfesten Beton gebildet, sodass die gesamte Kontaktfläche zwischen der Gießform und einer eingegossenen Schmelze aus dem Beton ausgebildet ist. Damit ist die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Betons maßgeblich für die Abkühlrate der Schmelze bzw. des erstarrenden Gussstücks. Die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäß verwendeten Betons liegt bei Raumtemperatur insbesondere im Bereich von 0,5 - 3 W/mK und damit um ca. einen Faktor 10 und mehr unterhalb der Wärmeleitfähigkeit von typischen Warmarbeitsstählen. Dementsprechend fallen die Abkühlraten der eingegossenen Schmelze wesentlich geringer aus als bei konventionellen stählernen Gießformen, sodass etwa bei druckunterstützten Gießverfahren bei gegebenem Fülldruck wesentlich längere Fließwege realisierbar sind. Insbesondere können in einer erfindungsgemäßen Gießform somit sehr dünnwandige Gussstücke hergestellt werden, beispielsweise mit Wandstärken im Bereich von lediglich 0,1 - 1 mm. Vorzugsweise ist die Gießform dementsprechend frei von einem metallischen Konturteil, wie beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2007 037 701 A1 bekannt, oder einer Beschichtung ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist der Beton aus mineralischen Ausgangsstoffen gebildet, die Blähglas aufweisen. Blähglas ist ein aufgeschäumtes Glas geringer Dichte mit geschlossenen, gasgefüllten Poren und wird insbesondere als ein Granulat aus Rundkörnern bereitgestellt. Durch Zugabe von Blähglas wird die Wärmeleitfähigkeit des gebildeten Betons herabgesetzt, insbesondere in den Bereich unterhalb von 1 W/mK.
Die Zellulosefasern sind beispielsweise in einer Menge von 0,1 - 1 ,2 Vol.% der mineralischen Ausgangsstoffe des Betons zugegeben, insbesondere in einer Menge von mindestens 0,3 Vol.%. Mit einem derartigen Anteil wird die erfindungsgemäß angestrebte Permeabilität der Gießform für bei der Erwärmung im Gefüge freigesetztes Wasser erzielt, ohne dass die mechanischen Eigenschaften des Betons in unerwünschtem Maße kompromittiert werden. Die Volumenabgabe betreffend die zugegebene Menge an Zellulosefasern bezieht sich dabei auf die Rohdichte der mineralischen Ausgangsstoffe. Der Volumenanteil der Zellulosefasern am ausgehärteten Beton (vor der ersten Erwärmung der Gießform, d.h., bevor eine Degeneration/Zersetzung der Fasern stattfindet) hängt von der Menge an Zuschlagwasser ab, welches zur Betonbildung der Mischung aus mineralischen Ausgangsstoffen und Zellulosefasern beigegeben wird, wobei zur Bildung eine erfindungsgemäß (ultra-)hochfesten Betons ein Wasserbindemittelwert von höchstens 0,3 in Betracht kommt. Die Zellulosefasern werden handelsüblich im getrockneten Zustand bereitgestellt und in diesem der Betonmischung insbesondere auch zugegeben. Alternativ kann ein Tränken der Zellulosefasern mit Wasser oder einer alkalischen Aktivatorlösung infrage kommen. Beispielsweise weist der verwendete Beton eine Wassereindringtiefe bei Prüfung gemäß DIN EN 12390-8 von 1 - 5 mm, vorzugsweise 1 - 2 mm auf. Diese Werte ergeben sich insbesondere bei Prüfung am Beton im wiehergestellten Zustand vor der Degeneration/Zersetzung der Fasern. Die Kapillarporosität (Porengrößen im Bereich von 0,05 pm bis 10 pm) eines für die Gießform verwendeten Betons beträgt im wie-hergestellten Zustand vorzugsweise 0,5°Vol.% bis 2 Vol.% und im Zustand nach signifikanter Erwärmung, d.h. nach Zersetzung der Zellulosefasern, beispielsweise 2 Vol.% bis 5 Vol.%, insbesondere 3 Vol.% bis 4 Vol.%.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießform ist der Beton aus mineralischen Ausgangsstoffen gebildet, die mindestens ein alkalisch aktivierbares Bindemittel aufweisen, wobei die mineralischen Ausgangsstoffe ohne Zugabe von Portlandzement gebildet sind. Alkalisch aktivierbare Bindemittel weisen alumo-silikatische Feststoffe auf, die vielfach als Sekundärrohstoffe aus Industrieprozessen gewonnen werden, beispielsweise als Flugasche oder Hüttensand. Weiterhin können alkalisch aktivierbare Bindemittel Silikastaub oder Metakaolin aufweisen. Die im Vergleich zu Portlandzement weniger reaktiven Bindemittel müssen für eine gute Festigkeitsentwicklung aktiviert werden, wozu Aktivatorlösungen basierend auf Alkalihydroxid, Alkalisilikat oder Alkalicarbonat genutzt werden. Der resultierende Beton weist ein dichtes Gefüge mit einem ein Netzwerk aus amorph/nanokristallinen Phasen auf, und ist im Vergleich zu einem auf Portlandzement als Bindemittel basierendem Beton durch eine nochmals höhere thermo-mechanische Belastbarkeit gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Gießform ist prinzipiell für eine Vielzahl an Verfahren des Metallgießens geeignet, beispielsweise Formguss, Druckguss, Blockguss oder Strangguss. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Verwendung für das druckunterstützte Gießen von Aluminiumlegierungen erwiesen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Gießform gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen, wenigstens umfassend die folgenden Schritte in nicht festgelegter Reihenfolge:
- Bereitstellen einer Betonmischung aus mineralischen Ausgangsstoffen und Zellulosefasern zur Bildung eines hochfesten oder ultrahochfesten Betons, wobei die Zellulosefasern in einer Menge von 0,1 — 1 ,2 Vol.% der mineralischen Ausgangsstoffe vorliegen, insbesondere in einer Menge von mindestens 0,3 Vol.%,
- Bereitstellen einer Negativform,
- Zugeben von Wasser und/oder einer alkalischen Aktivatorlösung zur Betonmischung unter Bildung eines Frischbetons,
- Gießen des Frischbetons in die Negativform,
- Erhalt der Gießform aus hochfestem oder ultrahochfestem Beton nach dem Aushärten des Frischbetons und Entnahme aus der Negativform.
Um das für hochfesten oder ultrahochfesten Beton kennzeichnende hochdichte Gefüge zu erhalten, wird das Haufwerk der mineralischen Ausgangsstoffe der Betonmischung basierend auf einer Packungsdichteoptimierung bereitgestellt. Zur Durchführung der Packungsdichteoptimierung kann eine Anpassung der Sieblinien der mineralischen Ausgangsstoffe an formalisierte Kornverteilungskurven vorgenommen werden. Dementsprechende Ansätze sind beispielsweise in DIN 1045-2 in Form von Regelsieblinien für Gesteinskömungen verankert. Alternativ kann ein computergestütztes mathematisch-physikalisches Packungsdichteoptimierungsverfahren zur Bestimmung einer optimierten Sieblinie verwendet werden, beispielsweise basierend auf einem Verfahren nach Schwanda, Reschke oder Geisenhanslüke (Schwanda, F.: Das rechnerische Verfahren zur Bestimmung des Hohlraumes und Zementleimanspruches von Zuschlägen und seine Bedeutung für den Spannbetonbau, Zement und Beton 37, 1966, S. 8-17; Reschke, T.: Der Einfluss der Granulometrie der Feinstoffe auf die Gefügeentwicklung und die Festigkeit von Beton, Schriftreihe der Zementindustrie, Heft 62/2000, Bau+Technik Verlag, Düsseldorf 2001 ; Geisenhanslüke, C.: Einfluss der Granulometrie von Feinstoffen auf die Rheologie von Feinstoffleimen / Influence of the granulometry of fine particles on the rheology of pastes, Dissertation, Structural Materials & Engineering Series No, vol. 13, Kassel University Press, Kassel, 2008). Die mineralischen Ausgangsstoffe umfassen wenigstens ein Bindemittel, beispielsweise Portlandzement und Silikastaub, und eine inerte Gesteinskörnung, beispielsweise Quarzsand und Quarzmehl.
Die Volumenabgabe betreffend die zugegebene Menge an Zellulosefasern bezieht sich auf die Rohdichte der mineralischen Ausgangsstoffe. Die Zellulosefasern werden handelsüblich im getrockneten Zustand bereitgestellt und in diesem der Betonmischung insbesondere auch zugegeben.
Tab. 1 zeigt beispielhafte Zusammensetzungen von erfindungsgemäß verwendeten Betonmischungen basierend auf Portlandzement, d.h., die mineralischen Ausgangsstoffe unter Angabe des jeweiligen Kleinst- und Größtkorns sowie einer Bereichsangabe des jeweiligen Anteils. Die darüber hinaus der Betonmischung zuzugebenden Zellulosefasern sind in der Tab. 1 nicht berücksichtigt.
Tab. 1
Zur Bildung des Frischbetons aus einer Betonmischungen basierend auf Portlandzement wird eine solche Menge an Wasser zugegeben, dass ein Wasserbindemittelwert im Bereich von 0,2 - 0,25 gebildet wird. Der Wasserbindemittelwert ist das Verhältnis zwischen der Masse des wirksamen Wassers und der Masse der Bindemittel, d.h., bei den Zusammensetzungen der Tab. 1 des Portlandzements und des Silikastaubs. Das wirksame Wasser entspricht der Summe aus dem zugegebenen Wasser, der Eigenfeuchtigkeit der Gesteinskörnung und ggfs. des Wasseranteils zugegebener wässriger Zusatzmittel.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die mineralischen Ausgangsstoffe mit mindestens einem alkalisch aktivierbaren Bindemittel und frei von Portlandzement bereitgestellt. Beispielsweise umfasst das alkalisch aktivierbare Bindemittel Hüttensand, Silikastaub und/oder Metakaolin. Tab. 2 zeigt beispielhafte Zusammensetzungen von erfindungsgemäß verwendeten Betonmischungen basierend auf alkalisch aktivierbaren Bindemitteln ohne Portlandzement, d.h., die mineralischen Ausgangsstoffe unter Angabe des jeweiligen Kleinst- und Größtkorns sowie einer Bereichsangabe des jeweiligen Anteils. Die darüber hinaus der Betonmischung zuzugebenden Zellulosefasern sind in der Tab. 2 nicht berücksichtigt.
Tab. 2
Zur Bildung des Frischbetons aus einer Betonmischungen basierend allein auf alkalisch aktivierbaren Bindemitteln, insbesondere Hüttensand, Metakaolin und Silikastaub, wird eine wässrige Aktivatorlösung zugegeben, die beispielsweise auf Basis von Alkalihydroxid, Alkalisilikat und/oder Alkalicarbonat gebildet ist. Insbesondere wird die alkalische Aktivatorlösung in einer Menge im Bereich von 30 - 60 Gew.% des alkalisch aktivierbaren Bindemittels zugegeben. Damit wird ein Wasserbindemittelwert im Bereich von 0, 15 - 0,3 gebildet. Im Vergleich zur Verwendung eines auf Portlandzement basierenden Betons kann somit ein noch geringerer Wasserbindemittelwert zur Festigkeitsentwicklung ausreichend sein. Eine daraus gefertigte Gießform weist eine besonders gute Hochtemperaturbeständigkeit auf, da der Anteil an aus dem Betongefüge unter Erwärmung ausgeschiedenem Wasser besonders gering ist.
In einer weiteren Ausführungsform werden die mineralischen Ausgangsstoffe mit Blähglas bereitgestellt. Tab. 3 - 5 zeigen beispielhafte Zusammensetzungen von erfindungsgemäß verwendeten Betonmischungen mit Blähglas, d.h. , die mineralischen Ausgangsstoffe unter Angabe des jeweiligen Kleinst- und Größtkorns sowie einer Bereichsangabe des jeweiligen Anteils. Die darüber hinaus der Betonmischung zuzugebenden Zellulosefasern sind in Tab. 3 - 5 nicht berücksichtigt. Die Zugabe von Blähglas führt tendenziell zu einer Verringerung der Druckfestigkeit des gebildeten Betons, und ab einem Anteil von mindestens 10 Gew.% Blähglas an den mineralischen Ausgangsstoffen ist der gebildete Beton typischerweise nicht mehr als ultrahochfest, sondern nur noch als hochfest zu qualifizieren.
Tab. 3
Tab. 4
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden die Zellulosefasern vor dem Bereitstellen der Betonmischung mit der alkalischen Aktivatorlösung getränkt. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Aushärten des Frischbetons auch die unmittelbar an die Zellulosefasern angrenzenden Volumina an der gewünschten Mikrostruktur- und Festigkeitsentwicklung teilnehmen. Die Negativform zum Gießen der Gießform aus dem Frischbeton kann beispielsweise als ein gefrästes oder 3D-gedrucktes Bauteil aus einem Polytetrafluorethylen (PTFE) bereitgestellt werden. Bei einer Negativform aus PTFE kann vorteilhafterweise auf die Verwendung eines Formtrennstoffs zwischen Form und Beton verzichtet werden. Weiterhin können Photopolymere als druckbare Werkstoffe zur Herstellung der Negativform im 3D-Druck verwendet werden.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nachstehend mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figur näher dargestellt.
Die Figur zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Kaltkammer- Gießmaschine zum druckunterstützten Gießen von Metallen, insbesondere zum druckunterstützten Gießen von metallischen Legierungen basierend auf Aluminium, Magnesium, Zink oder Zinn. Die Gießmaschine umfasst eine erfindungsgemäße Gießform 100, eine Gießeinheit aus einer Gießkammer 4 und einem Gießkolben 5, sowie eine Auswerfereinheit 3. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gießform in einer Kaltkammer- Gießmaschine ist dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit als ein rein beispielhafter Anwendungsfall zu verstehen.
Die Gießform 100 umfasst die zwei Formhälften 1 , T, die jeweils einen hochfesten oder ultrahochfesten Beton 10 aufweisen, der unter Zugabe von Zellulosefasern gebildet ist. Die Formhälften 1 , T sind monolithisch aus dem Beton 10 gebildet, sodass auch die Kontaktflächen 11 , 1 T der Gießform 100 für das einzugießende Metall 2 aus dem Beton 10 ausgebildet sind. Die Gießform 100 ist im geschlossenen Zustand dargestellt, wobei zwischen den beiden Formhälften 1 , 1‘ die Kavität 20 gebildet ist, die durch die Kontaktflächen 11 , 11 ' begrenzt ist.
Das einzugießende Metall 2 ist im schmelzflüssigen Zustand dargestellt und wird mittels des Gießlöffels 6 durch eine Füllöffnung in die Gießkammer 4 gefördert. Durch Vorschub des Gießkolbens 5 kann das Metall 2 in die Kavität 20 gedrückt werden. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Betons 10, insbesondere im Vergleich zu einem im Stand der Technik für Gießformen gebräuchlichen Warmarbeitsstahl, kann die metallische Schmelze 2 vor der Erstarrung lange Fließwege innerhalb der Gießform 100 zurücklegen bzw. sehr dünne Bereiche der Kavität 20 durchfließen. Dadurch ermöglicht es die erfindungsgemäße Gießform 100, auch bei moderatem Fülldruck überaus dünnwandige und/oder weitverzweigte Gussstücke aus Metall zu fertigen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste: 100 Gießform
I, 1‘ Formhälfte
10 hochfester oder ultrahochfester Beton
II, 11‘ Kontaktfläche
2 Metall 20 Kavität
3 Auswerfereinheit
4 Gießkammer
5 Gießkolben
6 Gießlöffel

Claims

Ansprüche: Gießform (100) zum Gießen von Metallen (2), insbesondere zum druckunterstützten Gießen von metallischen Legierungen basierend auf Aluminium, Magnesium, Zink oder Zinn, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (100) einen hochfesten oder ultrahochfesten Beton (10) aufweist, der unter Zugabe von Zellulosefasern gebildet ist. Gießform (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kontaktfläche (11, 11 ') der Gießform (100) für das einzugießende Metall (2) aus dem Beton (10) ausgebildet ist. Gießform (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (100) frei von einem metallischen Konturteil oder einer Beschichtung ausgebildet ist. Gießform (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefasern in einer Menge von 0,1 - 1,2 Vol.% der mineralischen Ausgangsstoffe des Betons (10) zugegeben sind, insbesondere in einer Menge von mindestens 0,3 Vol.%. Gießform (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton (10) eine Wassereindringtiefe bei Prüfung gemäß DIN EN 12390-8 von 1 - 5 mm, vorzugsweise 1 -2 mm aufweist. Gießform (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton (10) eine Wärmeleitfähigkeit von 0,5 - 3 W/mK aufweist. Gießform (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton (10) aus mineralischen Ausgangsstoffen gebildet ist, die mindestens ein alkalisch aktivierbares Bindemittel aufweisen, wobei die mineralischen Ausgangsstoffe ohne Zugabe von Portlandzement gebildet sind. Gießform (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das alkalisch aktivierbare Bindemittel Hüttensand, Silikastaub und/oder Metakaolin aufweist. Gießform (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton (10) aus mineralischen Ausgangsstoffen gebildet ist, die Blähglas aufweisen. Gießform (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton (10) als hochfester Beton eine Zylinderdruckfestigkeit von mindestens 60 N/mm2 oder als ultrahochfester Beton eine Zylinderdruckfestigkeit von mindestens 100 N/mm2, insbesondere mindestens 130 N/mm2 aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Gießform (100) gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wenigstens umfassend die folgenden Schritte in nicht festgelegter Reihenfolge:
- Bereitstellen einer Betonmischung aus mineralischen Ausgangsstoffen und Zellulosefasern zur Bildung eines hochfesten oder ultrahochfesten Betons (10), wobei die Zellulosefasern in einer Menge von 0,1 —1,2 Vol.% der mineralischen Ausgangsstoffe vorliegen, insbesondere in einer Menge von mindestens 0,3 Vol.%,
- Bereitstellen einer Negativform,
- Zugeben von Wasser und/oder einer alkalischen Aktivatorlösung zur Betonmischung unter Bildung eines Frischbetons,
- Gießen des Frischbetons in die Negativform,
- Erhalt der Gießform (100) aus hochfestem oder ultrahochfestem Beton (10) nach dem Aushärten des Frischbetons und Entnahme aus der Negativform.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die mineralischen Ausgangsstoffe mit mindestens einem alkalisch aktivierbaren Bindemittel und frei von Portlandzement bereitgestellt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Hüttensand, Silikastaub und/oder Metakaolin als alkalisch aktivierbare Bindemittel bereitgestellt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine alkalische Aktivatorlösung auf Basis von Alkalihydroxid, Alkalisilikat und/oder Alkalicarbonat zugegeben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Aktivatorlösung in einer Menge von 30 - 60 Gew.% des alkalisch aktivierbaren Bindemittels zugegeben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefasern vor dem Bereitstellen der Betonmischung mit der alkalischen Aktivatorlösung getränkt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralischen Ausgangsstoffe mit Blähglas bereitgestellt werden, insbesondere in einer Menge von 5-20 Gew.%.
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