WO1989003736A1 - Heteroporous form tool for manufacturing casting moulds from moulding sand and process for its manufacture - Google Patents

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WO1989003736A1
WO1989003736A1 PCT/EP1988/000942 EP8800942W WO8903736A1 WO 1989003736 A1 WO1989003736 A1 WO 1989003736A1 EP 8800942 W EP8800942 W EP 8800942W WO 8903736 A1 WO8903736 A1 WO 8903736A1
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WO
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molding
molding tool
tool according
pore
sand
Prior art date
Application number
PCT/EP1988/000942
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English (en)
French (fr)
Inventor
Walter KNÖSS
Original Assignee
Metallwerk Plansee Gesellschaft M.B.H.
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C5/00—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose
    • B22C5/18—Plants for preparing mould materials
    • 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
    • B22C9/123—Gas-hardening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/06—Core boxes

Definitions

  • the invention relates to a gas-permeable molding tool for the production of casting and core molds from hardenable molding sand, as well as a method for its production and an advantageous use of such tools.
  • Molds made from molding sand are widely used in the manufacture of cast metal parts. These are solid or shell-shaped shapes that can only be used once.
  • fine-grained molding sand is provided with hardenable binder additives, introduced into a mold via a sanding opening and cured there.
  • the hardening takes place thermally - high energy expenditure - or more recently alternatively also by means of reaction gases which are pressed under pressure through the molding sand in the molding tool. In the latter variant, the gas is pressed into the sand at the sand inlet opening and must pass through. Boreholes, nozzles or other channels and openings mechanically introduced into the mold wall emerge from the mold.
  • DE 3002939 describes a molding tool with a wall into which ribs and slots of different dimensions are mechanically inserted. The reaction gas entering the molding sand through an inlet is drawn off through the slots.
  • the slots are sanding.
  • the production is very expensive and does not allow the production of a really close-knit network of slots and bores.
  • the reaction gas also flows through the sand only unevenly in this embodiment of a mold.
  • reaction gas is consumed in excess, that is, in much larger amounts than required after the stoichiometry of the desired reaction.
  • the object of the present invention is therefore to produce a mold with a gas-permeable wall homogeneous in the micro range. The methods and techniques described at the outset are thus ruled out.
  • the specific task is to create a heteroporous mold wall by a suitable combination of techniques known per se for producing porous materials, which has a suitable microporosity in its area adjacent to the molding sand and a coarse-pored, skeleton-like area in its adjacent area Shoring forms.
  • the molding tools produced in this way are intended to permit the production of casting molds from molding sand in large numbers, in particular also as a non-massive, shell-shaped casting mold.
  • the surface of the molding tool exposed to the molding sand must be particularly wear-resistant. Pore clogging by molding sand should no longer be a major cause of the molding tool. Pores which may be blocked by molding sand have to be regenerated with little labor, ie can be uncovered again.
  • the object of creating a gas-permeable molding tool is achieved according to the invention in that the tool consists of a heteroporous, open-pore material, the wall of the molding tool having a first, fine-pored layer region of 0.2-2 mm thickness adjacent to the molding sand Has 75-95% theoretical material density and pore diameter ⁇ 50 ⁇ m, to which a second, massive area in the form of a large-pore support skeleton with ⁇ 80% theoretical material density and an average pore diameter> 100 ⁇ m adjoins materially.
  • designs according to subclaims 2-10 have proven particularly useful.
  • the molding tools include both casting and core forms, i. H. both molds for the production of solid and hollow cast parts.
  • metallic and / or ceramic materials and / or plastics come into consideration as materials for the mold wall.
  • Up to 60,000 sand molds of the order of magnitude are produced in a single molding tool of known designs.
  • the sand is filled into the mold at high speed and under high pressure.
  • the wear requirements for the surface of the mold coming into contact with the sand are correspondingly high. This fact must be taken into account by the selection of the material for the fine-pored layer of the molding tool.
  • Wear-resistant types of steel have proven themselves for this layer as well as wear-resistant ceramics and metallic and non-metallic hard materials, e.g. As silicon nitride, boron nitride, titanium carbide, titanium nitride, silicon carbide.
  • the heteroporous wall of the molding tool can either be formed by viscous, foamed and subsequently solidified material, or the wall is formed by means of a powdery starting material to be solidified.
  • the layer of the mold wall that comes into contact with the molding sand can be formed by isostatically pressing powder onto a jig mold corresponding to the casting.
  • the powder, mixed with a volatile solvent, can be applied or sprayed on as a paste on the gauge.
  • Galvanic processes and gas deposition processes (PVD processes) for forming such layers have also proven successful.
  • the layer can be placed on the gauge shape in the form of a flexible metallic or ceramic film.
  • the flexibility of such foils is given by volatile, highly flexible thermoplastic components in later heat treatment. Otherwise, the foils consist of powdery metals, hard materials or ceramics.
  • the gauge shape covered with the layer material is then either foamed or, after embedding in a corresponding outer shape, backfilled with coarse-grained powder material and preferably isostatically pressed.
  • the finished composite body is produced by thermal or chemical curing, firing or sintering of the compacted composite materials.
  • the open-pore support structure For the manufacture of the open-pore support structure, it has proven useful to first coat sand, glass or ceramic grains with a thin plastic layer by dipping them into appropriate dispersions or solutions.
  • the granules pretreated in this way can be poured into a mold and / or pressed and then cured chemically or thermally.
  • Molding tools according to the present invention have a number of advantages.
  • the molding sand enclosed in the molding tool can be pressurized through the heteroporous wall.
  • the gas pressure and time it is possible to harden the enclosed molding sand only in an edge zone to a desired depth.
  • An even finer dosage can be achieved by soaking the mold with a suitable liquid.
  • a defined capillary pressure builds up in the fine pores of the tool wall, which releases the reaction gas only when this pressure is exceeded.
  • the core of the enclosed sand remains free-flowing when the gas is dosed stoichiometrically and can be removed and reused after the edge zone has hardened through the sand inlet opening.
  • a major advantage of molding tools according to the present invention lies in the possibility of adapting their surface facing the molding sand to the desired casting mold, but the rear surface of which with few flat surfaces, eg. B. quaderför ig or cylindrical. Due to the gas exposure of the molding sand through the porous wall of the molding tool, a fine gas layer is regularly formed between the wall of the molding tool and the molding sand. This prevents the molding sand from sticking to the mold wall during the sand curing process. The sand mold easily detaches from the mold after the hardening process.
  • Figure 1 shows the design of a half-shell of a mold, in section, and devices for producing the mold according to a preferred method.
  • 1 shows the model plate -1- with the gauge shape for the half-shell of a molding tool.
  • the area of the model plate which releases the sand inlet opening of the molding tool -la- when used later is particularly marked.
  • a sealing plate -2- lies on the model plate, or is screwed or clamped to it. It has a central recess in accordance with the geometric shape of the molding tool to be produced.
  • the fine-pore layer area -3- of the mold adjoining the molding sand has a constant layer thickness over the entire surface area, with the exception of a narrow area on the separating surface of the two half-shells.
  • the open-pore support skeleton -4- is materially adjacent to the fine-pore layer area of the molding tool.
  • the outer geometric shape of the molding tool is predetermined by a molding box 5 or molding frame screwed onto the model plate.
  • the molding box is not completely filled with the material, but where an air space -6- remains between the supporting skeleton and the top of the molding box when filling in a flowable or spreadable material.
  • a model plate with the gauge shape of one half of the cast part to be manufactured is first produced from a metallic and / or ceramic material or from plastic using customary methods. In the majority of cases, it is advisable for core and casting molds to produce the mold from two half-shells. After applying a release agent, a sealing plate, preferably made of steel or ceramic, is applied to the model plate and screwed to the model plate. The central recess in the sealing plate is to be dimensioned such that in the area of the separating surface of the two half-shells of the mold between the gauge surface (model plate) and the sealing plate there remains a gap of at least the thickness of the fine-pored layer area of the mold.
  • the fine-pored layer of the molding tool is first applied to the gauge surface of the model plate - if necessary after a previous application of a release agent on the gauge surface.
  • a paste is spread or sprayed on.
  • the paste consists of fine-grained, corrosion-resistant ceramic powder with an average of 10-100 ⁇ m in grain size, to which 10-20% by volume titanium carbide powder (measured in terms of the proportion of ceramic powder) of approximately the same grain size is added to increase the surface wear resistance of the molding tool.
  • the powder is mixed with a volatile or thermally evaporable binders processed into a paste.
  • Non-volatilizable metallic and / or non-metallic components and / or pore formers are optionally added to the binder.
  • the fine-pore layer is advantageously applied in several layers until the desired total layer thickness is reached.
  • the layer application according to FIG. 1 also takes place over the edge of the sealing plate.
  • the fine-pored layer applied in this way is dried or cured.
  • a molding box or molding frame according to FIG. 1 is screwed onto the model plate or sealing plate and the material for forming the wall area is introduced into the molding box with an open-pore support skeleton.
  • It is a coarse-grained ceramic powder to which volatile pore-forming materials have been added, such as are used, for example, in the production of porous ceramic filters.
  • the ceramic powder is mixed with volatile binders to form a paste, which is then brushed into the molding box and cured there.
  • the mold is then separated from the model plate and sintered or fired in high-temperature furnaces. In this way, wear-resistant, mountable mold half-shells with flat parting surfaces are obtained.
  • the mold surface does not require any surface treatment.
  • the area of the sand egg opening of the molding tool is finally sealed with a pore filler, so that no reaction gas can pass through this area of the molding tool wall during later operation and the molding sand cannot harden in this area.
  • the production of a casting mold from hardenable molding sand using a molding tool then proceeds as follows.
  • the molding tool is pressurized with reaction gas from the outside at a pressure of> 2 bar.
  • the core area of the filled molding sand remains free-flowing.
  • the gas pressure drops below 2 bar, the barrier liquid is drawn back into the pores of the fine-pored layer by wicking. This means short production times for the individual sand molds as well as low susceptibility to faults and reject rates.
  • a jig mold or model plate for a half-shell of a molding tool is produced.
  • a sealing plate is clamped onto the model plate.
  • the mold wall material for the fine-pored layer is placed on the gauge shape in the form of a flexible metallic foil.
  • the separately manufactured metallic foil consists of a homogeneous mixture of corrosion-resistant steel particles with a grain size distribution of 10 - 100 ⁇ m, possibly enriched with a few volume percent wear-resistant titanium carbide particles of comparable grain size, possibly supplemented with pulverulent fillers and pore-forming materials as well as a higher temperature volatilizing thermoplastic.

Description

HETEROPORÖSES FORMWERKZEUG ZUR HERSTELLUNG VON GUSSFORMEN AUS FORMSAND UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft ein gasdurchlässiges Formwerkzeug zur Herstellung von Guß- und Kernformen aus aushärtbarem Formsand sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine vorteilhafte Verwendung derartiger Werkzeuge.
Gußformen aus Formsand haben eine große Verbreitung bei der Herstellung von Metallguß-Massenteilen. Es handelt sich dabei um nur einmal verwendbare, massive oder schalenföππige Formen. Zur Herstellung der Gußform wird fein¬ körniger Formsand mit aushärtbaren Binderzusätzen versehen, über eine Sandei laßöffnung in ein Formwerkzeug gebracht und dort ausgehärtet. Die Aushärtung erfolgt thermisch - hoher Energieaufwand - oder in jüngerer Zeit alternativ auch mittels Reaktionsgasen, welche unter Druck durch den Formsand im Form¬ werkzeug gepreßt werden. Bei letzterer Variante wird das Gas an der Sandein¬ laßöffnung in den Sand eingepreßt und muß durch. Bohrungen, Düsen bzw. sonstige, mechanisch in die Foππwerkzeugwand eingebrachte Kanäle und Öffnungen aus dem Formwerkzeug austreten.
Nach einer bekannten Ausführung (DE 2403199, DE 3039394) werden Bohrunge in der Wand des Formwerkzeuges an der Form-Außenseite durch Überdruckventile verschlossen. Derartige Formwerkzeuge haben den Nachteil hoher Werkzeug- kosten. Die Ventile verstopfen häufig durch vom Gas mitgerissene Formsand¬ körner und müssen gereinigt werden. Vor allem aber weist die Formwerkzeugwand keine homogene Gasdurchlässigkeit auf, so daß die Reaktionsgase den Formsand nicht homogen durchströmen können und demzufolge der Formsand nicht gleich¬ mäßig aushärtet. Kernformen lassen sich nur in massiver Ausführung herstellen
In der DE 3002939 ist ein Formwerkzeug mit einer Wandung beschrieben, in welche Rippen und Schlitze unterschiedlicher Abmessungen mechanisch einge¬ bracht sind. Das durch einen Einlaß in den Formsand gelangende Reaktionsgas wird durch die Schlitze abgesaugt.
Doch die Schlitze versanden. Zudem ist die Herstellung sehr kostspielig und erlaubt nicht die Fertigung eines wirklich engmaschigen Netzwerkes von Schlitzen und Bohrungen. Der Sand wird auch bei dieser Ausführung eines Form¬ werkzeuges vom Reaktionsgas nur ungleichmäßig durchströmt. Weiterhin wird Reaktionsgas im Überschuß verbraucht, das heißt, in weit größeren Mengen als nach der Stöchio etrie der gewünschten Reaktion erforderlich.
Es wurde auch bereits gefordert, das Formwerkzeug aus porösen und gasdurch¬ lässigen Werkstoffen herzustellen. Die Umsetzung dieser Forderung scheiterte bisher jedoch an den zu erwartenden technischen Schwierigkeiten, komplexe Geo metrien von Gußteilen in einem Formwerkzeug aus porösen Werkstoffen umzu¬ setzen, dabei sowohl dem Anspruch einer homogenen Gasdurchlässigkeit der Wand im Mikrobereich als auch deren mechanische Festigkeit gerecht zu werden und gleichzeitig sicherzustellen, daß der Formsand bei der Druckbeaufschlagung mit Reaktionsgas nicht die Formwerkzeugporen verstopft oder sogar durch die Poren der Formwerkzeugwand hindurchtritt. Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht demzufolge darin, ein Formwerkzeug mit im Mikrobereich homogen gasdurchl ssiger Wand herzustellen. Damit scheiden die eingangs geschilderten Verfahren und Techniken aus. Die Aufgabe besteht im einzelnen darin, durch geeignete Kombination von an sich bekannten Techniken zur Herstellung poröser Materialien eine heteroporöse Formwerkzeug¬ wand zu schaffen, welche in ihrem, an den Formsand angrenzenden Bereich eine geeignete Mikroporosität aufweist und in ihrem daran angrenzenden Bereich ein grobporiges, skelettartiges Stützgerüst bildet. Die derart hergestellten Form werkzeuge sollen die Anfertigung von Gußformen aus Formsand in großer Stück¬ zahl erlauben, insbesondere auch als nichtmassive, schalenför ige Gußform. Dazu muß die dem Formsand ausgesetzte Oberfläche des Formwerkzeuges besonders verschleißfest sein. Porenverstopfung durch Formsand soll keine wesentliche AusfallUrsache des Formwerkzeuges mehr sein. Eventuell durch Formsand ver¬ stopfte Poren müssen sich mit geringem Arbeitsaufwand regenerieren, d. h. wieder freilegen lassen.
Die Aufgabe zur Schaffung eines gasdurchl ssigen Formwerkzeuges wird erfin¬ dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkzeug aus heteroporös aufgebautem, offenporigem Material besteht, wobei die Wand des Formwerkzeuges einen ersten, an den Formsand angrenzenden feinporigen Schichtbereich von 0,2 - 2 mm Dicke, von 75 - 95 % theoretischer Materialdichte und Porendurch¬ messer <50 ,um aufweist, an welchen ein zweiter, massiver Bereich in Form eines großporigen Stützskeletts mit <80 % theoretischer Materialdichte und einem mittleren Porendurchmesser >100 ,um materialschlüssig angrenzt. Für das gasdurchlässige Formwerkzeug, sowie Verfahren zu deren Herstellung und deren vorteilhafte Verwendung, haben sich Ausführungen entsprechend der Unteransprüche 2 - 10 besonders bewährt.
Zu den Formwerkzeugen gehören sowohl Guß- als auch Kernformen, d. h. sowohl Formen zur Herstellung massiver wie innen hohler Gußteile.
Zur Erreichung der geforderten Material- und Struktureigenschaften der Form¬ werkzeugwand entsprechend vorliegender Erfindung stehen dem Durchschnittsfach¬ mann für die Herstellung von porösen Werkstoffen eine Reihe von Einzelver¬ fahren zur Verfügung, welche sinnvoll zu kombinieren sind.
Als Materialien für die Formwerkzeugwand kommen grundsätzlich metallische und/oder keramische Materialien und/oder Kunststoffe in Frage. In einem ein¬ zigen Formwerkzeug bekannter Ausführungen werden bis zu größenordnungsmäßig 60.000 Sandformen hergestellt. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen wird der Sand jeweils mit großer Geschwindigkeit und unter hohem Druck in die Form einge¬ füllt. Entsprechend hoch sind die Verschleißanforderungen an die mit dem Form sand in Berührung kommende Oberfläche des Formwerkzeuges. Diesem Umstand ist durch die Auswahl des Materials für die feinporige Schicht des Formwerkzeuges Rechnung zu tragen. Es haben sich für diese Schicht verschleißfeste Stahl¬ sorten ebenso bewährt wie verschleißfeste Keramiken sowie metallische und nichtmetallische Hartstoffe, z. B. Siliziumnitrid, Bornitrid, Titankarbid, Titannitrid, Siliziumkarbid. Die heteroporös aufgebaute Wand des Formwerkzeuges läßt sich entweder durch zähflüssiges, aufgeschäumtes und anschließend verfestigtes Material bilden oder aber die Wand wird mittels pulverförmiger, zu verfestigender Ausgangs¬ werkstoff geformt.
Die mit dem Formsand in Berührung kommende Schicht der Formwerkzeugwand kann gebildet werden, indem Pulver isostatisch auf eine Lehrenform entsprechend dem Gußteil aufgepreßt wird. Das Pulver kann, mit einem flüchtigen Lösungs¬ mittel vermischt, als Paste auf die Lehrenform aufgetragen bzw. aufgespritzt werden. Es haben sich auch galvanische Verfahren und Gasabscheide-Verfahren (PVD-Verfahren) zur Bildung derartiger Schichten bewährt. Schließlich kann die Schicht in Form einer flexiblen metallischen oder keramischen Folie auf die Lehrenform aufgelegt werden. Die Flexibilität derartiger Folien ist gegeben durch bei späterer Wärmebehandlung flüchtige, in fester Form hoch¬ flexible thermoplastische Komponenten. Im übrigen bestehen die Folien aus pulverförmigen Metallen, Hartstoffen oder Keramiken.
Die mit dem Schichtmaterial belegte Lehrenform wird anschließend entweder umschäumt oder nach Einbettung in eine entsprechende äußere Form mit grob¬ körnigem Pulvermaterial hinterfüllt und vorzugsweise isostatisch verpreßt.
Der fertige Verbundkörper wird durch thermisches oder chemisches Aushärten, Brennen oder Sintern der kompaktierten Verbundwerkstoffe erzeugt.
Zur Herstellung des offenporigen Stützgerüstes hat es sich bewährt, Sand-, Glas- oder Keramik-Körner durch Tauchen in entsprechende Dispersionen oder Lösungen zunächst mit einer dünnen KunststoffSchicht zu überziehen. Das derart vorbehandelte Granulat läßt sich in eine Form einschütten und/oder verpressen und anschließend chemisch oder thermisch aushärten.
Die Techniken zur Erzielung feinporiger bzw. grobporiger und offenporiger Materialien sind bekannt. So sind beispielsweise bei der Herstellung von Diaphragmen für Elektroden in der Elektrochemie Techniken unter Verwendung spezieller Porenbildner erarbeitet worden, welche eine MaterialStruktur mit definierter Gasdurchlässigkeit ergeben, wie sie auch im vorliegenden Fall gefordert sind. Techniken zur Herstellung grob- und offenporiger Materialien sind im weiten Anwendungsbereich der mechanischen Filter ebenso erarbeitet worden wie beispielsweise auf dem Gebiet selbstschmierende Gleitlager oder auf dem Gebiet der elektrischen Kontaktwerkstoffe, bestehend aus porösem Skelett eines Werkstoffes A, in welches ein Werkstoff B infiltriert wird.
Formwerkzeuge gemäß vorliegender Erfindung weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf.
Sie weisen einen bis in den Mikrobereich völlig homogenen, offenporigen Wand¬ aufbau mit definiertem Druckabfall auf. Dieser erlaubt einen gleichmäßigen Gasdurchtritt durch die Wand und damit homogene Aushärtung des Formsandes. Die Poren im feinporigen Bereich der Formwerkzeugwand sind so beschaffen, daß sich nur in Ausnahmefällen Sandkörner in der Forrawerkzeugwand festsetzen können. Entscheidend ist aber, daß diese Sandkörner mit geringem Aufwand in der Regel wieder aus den Poren entfernt werden können, indem Luft unter hohem Druck, evtl. in Verbindung mit Lösungsmitteldämpfen, aus Richtung des grob¬ porigen Skelettes der Formwerkzeugwand durch die feinporige Wandschicht ge¬ blasen wird. Im Unterschied zu bekannten Verfahren, bei denen die Gasaushärtung des Form¬ sandes durch Gaseinblasen über die Sandeinlaßöffnung erfolgt, kann bei Anwen¬ dung der erfindungsgemäßen Formwerkzeuge die Druckbeaufschlagung des im Form¬ werkzeug eingeschlossenen Formsandes durch die heteroporöse Wand erfolgen. Durch entsprechende Einstellung von Gasdruck und Zeit ist es möglich, das Aus härten des eingeschlossenen Formsandes nur in einer Randzone bis zu einer gewünschten Tiefe zu bewirken. Eine noch feinere Dosierung läßt sich dadurch erreichen, daß man das Formwerkzeug mit einer geeigneten Flüssigkeit tränkt. Dadurch baut sich in den feinen Poren der Werkzeugwand ein definierter Kapillardruck auf, der erst bei Überschreiten dieses Druckes das Reaktionsgas freigibt. Der Kern des eingeschlossenen Sandes bleibt bei entsprechend stöchiometrischer Dosierung des Gases rieselfähig und kann nach Aushärten der Randzone durch die Sandeinlaßöffnung entfernt und wiederverwendet werden.
Ein wesentlicher Vorteil von Formwerkzeugen gemäß vorliegender Erfindung liegt in der Möglichkeit, deren dem Formsand zugewandte Oberfläche der ge¬ wünschten Gußform anzupassen, deren rückseitige Oberfläche aber mit wenigen ebenen Flächen, z. B. quaderför ig oder zylindrisch, auszugestalten. Aufgrund der Gasbeaufschlagung des Formsandes durch die poröse Wand des Form¬ werkzeuges bildet sich regelmäßig eine feine Gasschicht zwischen der Wand des Formwerkzeuges und dem Formsand. Dadurch wird das Verkleben des Formsandes mit der Formwerkzeugwand während des Sand-Aushärt-Prozesses ausgeschlossen. Die Sandform löst sich nach dem Aushärt-Prozeß leicht vom Formwerkzeug. Besondere Maßnahmen gegen das Verkleben von Formsand und Formwerkzeug (Besprühen der Formwerkzeugwand, Einlegen einer Folie), wie sie bei bekannten Werkzeugen und Verfahren zur Herstellung von Gußformen erforderlich sind, können daher in der Regel unterbleiben. Die Technik des aufeinanderfolgenden Auftragens von feinporiger Schicht und Skelettmaterialien auf die Lehrenform erlaubt es, dem Formwerkzeug unmittelbar die endgültige Gestalt, Oberfl chen- beschaffenheϊt und Verschleißfestigkeit zu geben. Es ist somit weder eine kostenintensive mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche der Formwerkzeug¬ wand zur Erzeugung der gewünschten Geometrie und Oberflächenrauhigkeit, noch eine" Nachbehandlung, insbesondere thermische Härteverfahren, zur Erzielung der erforderlichen Oberflächenhärte bzw. -Verschleißfestigkeit erforderlich - im Unterschied zu den bisherigen Herstellverfahren von Formwerkzeugen, welche nicht von porösen Materialien ausgehen.
Die Erfindung wird an Hand der Figur 1 sowie mittels zweier Ausführungs¬ beispiele näher erläutert.
Figur 1 zeigt die Ausgestaltung einer Halbschale eines Formwerkzeuges, im Schnitt, sowie Einrichtungen zur Herstellung des Formwerkzeuges nach einem bevorzugten Verfahren. Im einzelnen zeigt das Schnittbild nach Figur 1 die Modellplatte -1- mit der Lehrenform für die Halbschale eines Formwerkzeuges. Dabei ist derjenige Bereich der Modellplatte besonders gekennzeichnet, welcher bei der späteren Verwendung die Sandeinlaßöffnung des Formwerk¬ zeuges -la- abgibt. Eine Dichtplatte -2- liegt auf der Modellplatte auf, bzw. ist mit dieser verschraubt oder verklemmt. Sie besitzt eine zentrale Aus¬ sparung entsprechend der geometrischen Form des herzustellenden Formwerk¬ zeuges. Der an den Formsand angrenzende, feinporige Schichtbereich -3- des Formwerkzeuges weist eine konstante Schichtdicke über den gesamten Ober¬ fl chenbereich auf, ausgenommen ein schmaler Bereich an der Trennfläche der beiden Halbschalen. An den feinporigen Schichtbereich des Formwerkzeuges grenzt das offenporige Stützskelett -4- materialschlüssig an. Die äußere geo¬ metrische Form des Formwerkzeuges wird durch einen, auf die Modellplatte auf¬ geschraubten Formkasten -5- bzw. Formrahmen vorgegeben. Dabei sind Herstel- lungsvarianten möglich, wo der Formkasten nicht vollständig mit dem Material ausgefüllt wird, sondern wo beim Einfüllen eines fließ- oder streichfähigen Materials ein Luftraum -6- zwischen Stützskelett und Formkastenoberseite ver¬ bleibt.
Beispiel 1
Entsprechend der in Figur 1 gezeigten Technik (für die Herstellung des Form¬ werkzeuges) wird zunächst eine Modellplatte mit der Lehrenform einer Hälfte des zu fertigenden Gußteiles aus einem metallischen und/oder keramischen Werk¬ stoff oder aus Kunststoff nach gebräuchlichen Verfahren hergestellt. In der Mehrzahl der Fälle bietet es sich bei Kern- und Gußformen an, das Formwerk¬ zeug aus zwei Halbschalen herzustellen. Auf die Modellplatte wird nach vor¬ herigem Aufbringen eines Trennmittels eine Dichtplatte, vorzugsweise aus Stahl oder Keramik, aufgebracht und mit der Modellplatte verschraubt. Dabei ist die zentrale Aussparung in der Dichtplatte so zu bemessen, daß im Bereich der Trennfläche der beiden Halbschalen des Formwerkzeuges zwischen Lehrenober¬ fläche (Modellplatte) und Dichtplatte ein Spalt mindestens von der Dicke des feinporigen Schichtbereiches des Formwerkzeuges bestehen bleibt.
Auf die Lehrenoberfläche der Modellplatte wird zunächst die feinporige Schicht des Formwerkzeuges aufgetragen - gegebenenfalls nach vorheriger Auf¬ tragung eines Trennmittels auf der Lehrenoberfl che. Hierzu wird eine Paste aufgestrichen bzw. aufgespritzt. Die Paste besteht aus feinkörnigem, korro¬ sionsfestem Keramikpulver von durchschnittlich 10 - 100 ,um Korngröße, welchem zur Erhöhung der Oberflächenverschleißfestigkeit des Formwerkzeuges 10 - 20 Vol.% Titankarbidpulver (gemessen am Anteil Keramikpulver) etwa gleicher Korngröße zugegeben sind. Das Pulver wird mit einem flüchtigen bzw. thermisch ausdampfbaren Bindemittel zu einer Paste verarbeitet. Dem Binde¬ mittel sind gegebenenfalls nicht verflüchtigbare metallische und/oder nicht- metallische Komponenten und/oder Porenbildner beigegeben. Die Auftragung der feinporigen Schicht erfolgt vorteilhafterweise in mehreren Lagen bis zum Er¬ reichen der gewünschten Gesamtschichtdicke. Dabei erfolgt die Schichtauftra¬ gung entsprechend Figur 1 auch über den Rand der Dichtplatte hinweg.
Die derart aufgebrachte, feinporige Schicht wird getrocknet bzw. ausgehärtet. Daran anschließend wird ein Formkasten oder Formrahmen entsprechend Figur 1 auf die Modellplatte bzw. Dichtplatte aufgeschraubt und das Material zur Bil¬ dung des Wandbereiches mit offenporigem Stützskelett in den Formkasten einge¬ bracht. Es handelt sich dabei um ein grobkörniges Keramikpulver, welchem flüchtige Porenbildnermaterialien zugesetzt sind, wie sie beispielsweise bei der Herstellung poröser keramischer Filter verwendet werden. Das keramische Pulver wird mit flüchtigen Bindemitteln zu einer Paste angerührt, diese wird in den Formkasten eingestrichen und dort ausgehärtet. Daran anschließend wird das Formwerkzeug von der Modellplatte getrennt und in Hochtemperaturöfen gesintert bzw. gebrannt. Man erhält auf diese Weise verschleißfeste, montage¬ fähige Formwerkzeug-Halbschalen mit ebenen Trennflächen. Die Formenoberfläche bedarf in der Regel keiner Oberflächennachbehandlung. Der Bereich der Sand- eiπ aßöffnung des Formwerkzeuges wird abschl eßend mit einem Porenfüller abge¬ dichtet, so daß im späteren Betrieb kein Reaktionsgas durch diesen Bereich der Formwerkzeugwand hindurchtreten und der Formsand in diesem Bereich nicht aushärten kann.
Die Prüfung derart hergestellter Formwerkzeuge mit erfindungsgemäßem Wandauf¬ bau hat ergeben, daß sich an der Grenze zwischen grob- und feinporiger Schicht ein Druckunterschied von 1 - 2 bar aufbauen läßt. Dabei liegt die Schwankungsbreite des absoluten Gasdruckes vor der Grenze im grobporigen Teil der Wand in verschiedenen Abschnitten der Formwerkzeugwand bzw. in verschie¬ denen, nach gleichem Verfahren hergestellten Formwerkzeugen zwischen 0,1 - 0,2 bar und ist somit in weitem Umfang unabhängig davon, wie dick das grobporige Stützskelett der Formwand tatsächlich ist. Der besagte Sprung des Gasdruckes an der Grenze zwischen grob- und feinporiger Schicht stellt sich praktisch allein aufgrund der Struktur der feinporigen Schicht ein. Dieser Drucksprung läßt sich noch verstetigen, indem das Formwerkzeug mit einer ge¬ eigneten Sperrflüssigkeit getränkt wird, wodurch sich in den Poren der fein¬ porigen Schicht ein sehr homogener Kapillardruck über den gesamten Ober¬ fl chenbereich des Formwerkzeuges aufbaut.
Die Herstellung einer Gußform aus aushärtbarem Formsand unter Verwendung eines Formwerkzeuges entsprechend vorliegender Erfindung läuft danach wie folgt ab. Nach dem Einfüllen des Formsandes wird das Formwerkzeug mit Reaktionsgas eines Druckes von > 2 bar von außen beaufschlagt. Dieses drückt die Flüssigkeit aus den Kapillaren der feinporigen Schicht des Formwerkzeuges und gelangt mit exakt dosierbarem Gasdruck in den Formsand bzw. in eine Rand¬ zone der Sandform. Das ermöglicht die Aushärtung des Formsandes bis in eine gewünschte, gut dosierbare Tiefe. Der Kernbereich des eingefüllten Formsandes bleibt rieselfähig. Er kann nach Abschluß des Aushärtens über die Sandeinla߬ öffnung entfernt und wiederverwendet werden. Mit dem Absenken des Gasdruckes unter 2 bar wird die Sperrflüssigkeit durch Dochtwirkung wieder in die Poren der feinporigen Schicht zurückgezogen. Das bedeutet kurze Fertigungszeiten für die einzelnen Sandformen sowie geringe Störanfälligkeit und Ausschußquote. Beispiel 2
Analog zu Beispiel 1 wird eine Lehrenform bzw. Modellplatte für eine Halb¬ schale eines Formwerkzeuges hergestellt. Ebenfalls entsprechend Beispiel 1 wird eine Dichtplatte auf die Modellplatte aufgeklemmt. Das Formwerkzeug-Wand¬ material für die feinporige Schicht wird in Form einer flexiblen metallischen Folie auf die Lehrenform aufgelegt. Die separat gefertigte metallische Folie besteht aus einer homogenen Mischung aus korrosionsfesten Stahlteilchen einer Korngrößenverteilung von 10 - 100 ,um, ggf. angereichert mit einigen Volum¬ prozenten verschleißfester Titankarbidteilchen vergleichbarer Korngröße, ggf. ergänzt um pul erförmige Füllstoffe und Porenbildner-Materialien sowie aus einem bei höheren Temperaturen verflüchtigenden thermoplastischen Kunststoff. Mittels für das isostatische Pulver-Schlauchpressen bekannter Techniken wird sodann ein Gummi- oder Plastik-nSchlauch" an den Boden der Modellplatte ange¬ klemmt und mit einer grobkörnigen Pulvermischung, bestehend aus legiertem Eisenpulver und Porenbildner gefüllt - die feinporige Schicht überdeckend. Das Schlauchinnere wird daraufhin evakuiert, der Schlauch verschlossen. Die komplette Einheit wird kaltisostatisch gepreßt. Der so erzeugte Grünling des Formwerkzeuges läßt sich vom Modell trennen und mittels gebräuchlicher Sinter¬ verfahren weiterverarbeiten. Das gesinterte Formwerkzeug kann - soweit erfor¬ derlich - mechanisch bearbeitet und beispielsweise für die Aufnahme in Werk¬ zeughalterungen maßlich angepaßt werden.
Beim isostatischen Pulverpressen in Plastik- bzw. Guπm.hüllen ist es üblich, der Gummihülle die Grobform bzw. Grobkonturen des zu pressenden Formteiles zu geben. Entsprechend lassen sich auf den vorliegenden Fall angewendet Halb¬ schalen von Formwerkzeugen mit näherungsweise homogener Formwerkzeug-Wand¬ stärke erzielen. Wie weiter oben bereits angeführt, sind entsprechend dem breiten Anwendungs¬ feld für poröse Formkörper eine Vielzahl von Techniken bekannt, um feinporige und/oder großporige Formkörper ausgehend von pulverförmigen Materialien herzu stellen. Die Beschreibung zur Herstellung von Formwerkzeugen entsprechend vor liegender Erfindung erfolgt daher unter Hinweis auf jene Produktgruppen nicht abschließend.

Claims

- W -
P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Gasdurchlässiges Formwerkzeug zur Herstellung von Guß- und Kernformen aus aushärtbarem Formsand, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Werkzeug aus heteroporös aufgebautem, offenporigem Material be¬ steht, wobei die Wand des Formwerkzeuges einen ersten, an den Formsand an¬ grenzenden feinporigen Schichtbereich von 0,2 - 2 mm Dicke, 75 - 95 % der theoretischen Materialdichte und Porendurchmesser <50,um aufweist, an den ein zweiter, massiver Bereich in Form eines großporigen Stützskeletts von <80 % der theoretischen Materialdichte und einem mittleren Poren¬ durchmesser > 100 ,um materialschlüssig angrenzt.
2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein offenporiger, verfestigter Schaum ist.
3. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses aus einem keramischen Werkstoff besteht.
4. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses aus einem metallischen Werkstoff besteht. 5. Formwerkzeug nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Bereich aus jeweils zwei oder mehreren Lagen mit in sich homogener Struktur und MaterialZusammensetzung besteht.
δ. Formwerkzeug nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand¬ bereiche verschiedener Porengröße aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
7. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Werkzeugoberfläche die komplexe Geometrie des zu erzeugen¬ den Gußteiles aufweist und die äußere Werkzeugoberfläche aus wenigen ebenen Flächen besteht.
8. Formwerkzeug nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Form¬ werkzeug zwei- oder mehrteilig ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeuges nach einem der An¬ sprüche 1, sowie 3 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens¬ schritte,
- Aufbringen einer Schicht aus einem feinkörnigen Pulver aus einem Material A auf eine Lehrenform des Gußkörpers,
- Auftragen, insbesondere Aufpressen, eines grobkörnigen Pulvers aus einem Material B auf die Schicht
- Verfestigen des so geformten Verbundkörpers in einem einzigen Arbeits¬ gang, insbesondere bei sich stufenweise ändernden Verfahrensbedingungen. -
10. Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeuges nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der pulverförmigen Materialien vor dem Auftragen Porenbi dner zugegeben wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeuges nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung des Verbundkörpers durch Sintern erfolgt.
12. Verwendung des Formwerkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Her¬ stellung von nicht massiven, schalenför igen Gußformen aus Formsand.
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