Giessform mold
Vorliegende Erfindung betrifft eine Giessform mit einem Formhohlraum und einem die Wärme abführenden und den Formhohlraum ausbildenden Giessformkörper zum Giessen von Gussteilen aus Metall sowie die Verwendung einer Giessform und ein Verfahren zur Herstellung einer Giessform.The present invention relates to a casting mold with a mold cavity and a heat-dissipating and forming the mold cavity for casting metal castings, and the use of a casting mold and a method for producing a casting mold.
Beim Formgussverfahren werden beispielsweise aus sogenannten Gusslegierungen direkt Guss- bzw. Formteile gegossen, wobei hierzu in der Regel sogenannte Dauerformen, d.h. wiederverwendbare Giessformen, eingesetzt werden.In the molding process, for example, cast or molded parts are cast directly from so-called casting alloys, with what are known as permanent molds, i.e. reusable molds.
Die Giessverfahren werden in Bezug auf die Art des Giessprozesses in verschiedene Kategorien aufgeteilt. So unterscheidet man zwischen den sogenannten Schwerkraftgiess- verfahren, z.B. Kokillenguss, und den Druckgussverfahren. Während bei den Schwerkraft- giessverfahren die Metallschmelze allein durch die Schwerkraft in die Giessform fliesst, wird die Schmelze im Druckgussverfahren mit Druckbeaufschlagung in die Giessform ge- presst. Die zur Formfüllung angewendeten Drücke können dabei sehr hoch sein und beispielsweise bis 200 bar betragen, so dass die Metallschmelze richtig gehend in die Giessform hinein geschossen wird. Die für ein Formteil vorgesehene Metallschmelze wird hier in der Regel dosiert in der sogenannten Füllbüchse oder Giesskammer bereit gestellt und mittels eines Kolbens über den Angiesskanal in den Formhohlraum gepresst. Nach Erstarren der Metallschmelze kann die Giessform geöffnet und das Gussteil entnommen werden. Der Druckguss eignet sich insbesondere zur rationellen Fertigung von Grossserien, sowie zur Herstellung dünnwandiger Gussteile.The casting processes are divided into different categories according to the type of casting process. A distinction is made between the so-called gravity casting processes, e.g. Chill casting, and the die casting process. While in the gravity casting process the molten metal flows into the casting mold solely by gravity, the melt is pressed into the casting mold in the die casting process with pressurization. The pressures used to fill the mold can be very high, for example up to 200 bar, so that the molten metal is properly shot into the mold. The molten metal provided for a molded part is generally provided in a metered manner in the so-called filling sleeve or casting chamber and pressed into the mold cavity by means of a piston via the sprue channel. After the molten metal has solidified, the casting mold can be opened and the casting can be removed. Die casting is particularly suitable for the rational production of large series and for the production of thin-walled castings.
Bei den sogenannt modifizierten Druckgussverfahren wird der Formhohlraum der Giessform vor dem Einschiessen der Metallschmelze evakuiert bzw. es wird ein Unterdruck erzeugt. Solche Verfahren sind beispielsweise unter der Bezeichnung MFT-Verfahren (Minimum Filling Time) oder Vacural-Verfahren bekannt.In the so-called modified die-casting processes, the mold cavity of the casting mold is evacuated or a negative pressure is generated before the molten metal is shot in. Such methods are known, for example, under the name MFT method (minimum filling time) or vacuum method.
Ferner kann auch eine Einteilung in Giessverfahren mit langsamer Füllung, wie z.B. Kokillenguss, Kippguss, Vakuumguss oder Niederdruckguss und in solche mit kurzer Füllzeit, wie Druckguss, Thixoguss oder Vacural vorgenommen werden.A division into casting processes with slow filling, such as Chill casting, tilting casting, vacuum casting or low pressure casting and in those with short filling times, such as die casting, thixo casting or vacural.
Die Formgiessverfahren haben alle gemeinsam, dass der Wärmeabfluss aus der Metallschmelze bzw. dem Gussteil im wesentlichen über die Giessform erfolgt. Die Wärmeleitfähigkeit der für den Wärmeabfluss verantwortlichen Teile der Giessform beeinflusst somit den Ablauf eines Giessprozesses massgeblich. Neben der Wärmeleitfähigkeit der Giess-
form übt jedoch auch die sogenannte Trennfläche zwischen Giessform und Schmelze einen- wesentlichen Einfluss auf den Wärmaustausch aus. Der Einfluss der Trennfläche macht jedoch die Kontrolle über den Wärmeaustausch zwischen Metallschmelze und Giessform besonders schwierig. Die Kontrolle des Wärmeaustausches zielt insbesondere darauf ab, dass die Giessform einerseits während des Formfüllvorganges der Schmelze möglichst wenig Wärme entzieht, damit die Fliessfähigkeit der Schmelze erhalten bleibt und es nicht zu vorzeitiger Erstarrungen und somit zu einer unvollständigen Formfüllung kommt. Nach Abschluss des Füllvorganges soll jedoch andererseits, um kurze Zykluszeiten zu garantieren, in kurzer Zeit möglichst viel Wärme durch die Giessform abgeführt werden, damit die Metallschmelze rasch zum Gussteil erstarrt und entformt werden kann. Die Giessform sollte deshalb einerseits gegenüber der Schmelze eine isolierende Wirkung entfalten und andererseits eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.The casting processes all have in common that the heat flow from the molten metal or the casting takes place essentially via the casting mold. The thermal conductivity of the parts of the mold responsible for the heat flow thus significantly influences the course of a casting process. In addition to the thermal conductivity of the casting However, the so-called separating surface between the casting mold and the melt also has a significant influence on the heat exchange. However, the influence of the separating surface makes it particularly difficult to control the heat exchange between the molten metal and the casting mold. The control of the heat exchange is particularly aimed at ensuring that the casting mold extracts as little heat as possible from the melt during the mold filling process, so that the flowability of the melt is preserved and there is no premature solidification and thus incomplete mold filling. After completing the filling process, on the other hand, in order to guarantee short cycle times, as much heat as possible should be dissipated through the casting mold in a short time so that the molten metal can be rapidly solidified and removed from the casting. The casting mold should therefore on the one hand have an insulating effect against the melt and on the other hand have good thermal conductivity.
In komplexeren Giessverfahren, wie z.B. dem Druckguss, ist die Giessform in der Regel vielteilig. Das eigentlich formgebende Werkzeugteil wird Formeinsatz genannt. Der Formeinsatz einer Giessform ist daduch charakterisiert, dass er den Formhohlraum der Giessform ausbildet und die Wärme aus dem Formhohlraum abführen muss. Üblicherweise enthält der Formeinsatz auch einen sogenannten Angiesskanal, welcher in den Formhohlraum führt. Der Formeinsatz ist üblicherweise mehrteilig. In der Regel ist der Formeinsatz zweiteilig und besteht aus zwei Formeinsatzhälften.In more complex casting processes, e.g. die casting, the mold is usually multi-part. The actual molding tool part is called the mold insert. The mold insert of a casting mold is characterized in that it forms the mold cavity of the casting mold and must dissipate the heat from the mold cavity. The mold insert usually also contains a so-called sprue channel, which leads into the mold cavity. The mold insert is usually in several parts. As a rule, the mold insert is in two parts and consists of two mold insert halves.
Neben dem Formeinsatz kann die Giessform z.B. auch eine Giesskammer, Kolbenvorrichtungen, Hydraulikvorrichtungen, eine Auswerfvorrichtungen und weitere Teile enthalten. Bei anderen Giessverfahren, wie z.B. dem Kokillenguss, besteht die Giessform wiederum in der Regel lediglich aus dem den Formhohlraum ausbildenden Teil. Der Einfachheit halber wird nachfolgend das den Formhohlraum ausbildende und die Wärme abführende Bauteil der Giessform als Giessformkörper bezeichnet. Der Giessform- körper entspricht beispielsweise dem Formeinsatz einer Druckgiessform.In addition to the mold insert, the mold can e.g. also contain a casting chamber, piston devices, hydraulic devices, ejectors and other parts. In other casting processes, such as die casting, the casting mold in turn usually only consists of the part that forms the mold cavity. For the sake of simplicity, the part of the casting mold which forms the mold cavity and which dissipates heat is referred to below as the casting mold body. The casting mold body corresponds, for example, to the use of a die casting mold.
Bei Giessverfahren mit langsamer Formfüllung werden in der Regel Giessformen bzw. Giessformkörper aus Grauguss verwendet. Die Giessformen werden üblicherweise an der Trennfläche zum Formhohlraum mit einer isolierenden Schlichte überzogen, die ein vorzeitiges Erstarren der Schmelze verhindern soll. Die Schlichten sind anorganische, feuerbeständige Stoffe mit sehr feiner Körnung. Bekannt sind z.B. sogenannte weisse Schlichten aus Schlämmkreide, Ton oder Kaolin oder schwarze Schlichten aus Russ oder Graphit. Die
Schlichten dienen neben der Regulierung des Wärmeüberganges auch der Verhinderung von chemischen Reaktionen zwischen Metallschmelze und Giessform. Ferner können die Schlichten auch eine Schmierfunktion ausüben.In the case of casting processes with slow mold filling, casting molds or casting molds made of gray cast iron are generally used. The casting molds are usually covered with an insulating size at the interface to the mold cavity, which is intended to prevent premature solidification of the melt. The sizes are inorganic, fire-resistant materials with a very fine grain. For example, so-called white sizes made of sludge chalk, clay or kaolin or black sizes made of carbon black or graphite are known. The In addition to regulating the heat transfer, finishing also serves to prevent chemical reactions between the molten metal and the casting mold. The sizes can also have a lubricating function.
Die Schlichten können wärmeleitend oder isolierend sein. Ferner können wärmeleitende und isolierende Schlichten in derselben Giessform zur Anwendung kommen. Dies ermöglicht eine begrenzte Kontrolle des Wärmeaustausches.The sizes can be thermally conductive or insulating. Furthermore, heat-conducting and insulating sizes can be used in the same mold. This enables a limited control of the heat exchange.
Bei ausreichender Dicke der isolierenden Schlichte von z.B. über 0,5 mm wird der Wärmeaustausch nicht mehr durch die Trennfläche sondern ausschliesslich durch die Wärmeleitfähigkeit der Schlichte beeinflusst, was eine bessere Kontrolle des Wärmeaustausches erlaubt. Die Schlichten sollten jedoch die Schichtdicke von 0,8 mm nicht überschreiten, da sonst die Neigung zu Ablätterungen erheblich zunimmt. Die Kontrolle der Wärmeabfuhr ist somit in der Praxis nur begrenzt möglich, da nicht beliebig grosse Schichtdicken angewendet werden können. Abblätternde Schlichte kann zudem während der Formfüllung in die Schmelze gelangen und die mechanischen Eigenschaften des Gussteils beeinträchtigen. Bei Giessverfahren mit kurzer Füllzeit bestehen die Giessformen bzw. die Giessformkörper in der Regel aus Stahl, insbesondere aus nitriertem Warmarbeitsstahl. In diesen Verfahren werden an der Trennfläche zum Formhohlraum sogenannte Trennmittel jedoch keine Schlichten aufgebracht. Die Trennmittel sollen verhindern, dass die unter hohem Druck eingeschossene Metallschmelze an der Giessform kleben bleibt. Die Trennfläche zum Formhohlraum muss dazu nach jedem Giessvorgang wieder von Neuem mit Trennmittel eingesprüht werden. Reste von Trennmitteln können beim Formfüllvorgang in die Schmelze übergehen und die Qualität der Gussteile mindern. Da solche Trennmittel in der Regel auf der Basis einer wässrigen Lösung aufgebracht werden, können durch das schnelle Einschiessen der Schmelze aufgrund von verdampfenden Lösungsmittelresten beim Kon- takt der Metallschmelze mit dem Trennmittel Gaseinschlüsse entstehen, welche die Qualität des Formteils merklich herabsetzen. Ferner kann das Trennmittel, insbesondere ein organisches Trennmittel, unter Gasbildung mit der Schmelze reagieren. Diese in der Schmelze mitgeführten Gase beeinträchtigen wiederum die mechanischen Eigenschaften und Schweissbarkeit der Gussteile. Bei Giessverfahren mit kurzer Füllzeit kann der Wärmeaustausch zwischen Giessform und Metallschmelze nur unzureichend kontrolliert werden, da dieser massgeblich durch den Wärmeübergang an der Trennfläche bestimmt wird.
Der genannte Wärmeübergang an der Trennfläche wird durch den sogenannten Wärmeübergangskoeffizienten charakterisiert, welcher wiederum von vielen, schwer kontrollierbaren Faktoren wie Fliessgeschwindigkeit der Schmelze, Beschaffenheit der Kontaktfläche, Spaltbildung, lokaler Druck oder Auswaschung des Trennmittels abhängt. Der Kontrolle des Wärmeaustausches bei bekannten Giessformen sind folglich enge Grenzen gesetzt. Erschwerend kommt hinzu, dass der Wärmefluss zeitlich stark schwankt und unmittelbar nach Abschluss der Formfüllung sehr hohe Spitzenwerte erreicht. Die Temperaturen der Giessformoberflächen schwanken deshalb während den einzelnen Giesszyklen in der Regel zwischen 20°C und 500°C. Der Wärmehaushalt der Giessformen wird üblicherweise einerseits durch Heiz- und/oder Kühlkanäle im Innern der Giessform und andererseits durch Besprühen und Ausblasen des Trennmittels nach dem Entformen reguliert. Wegen der, vergleichsweise zu Aluminium, schlechten thermischen Diffusität des Stahls unterliegt in der Regel eine 2-3 cm mächtige Zone an der Trennfläche zum Formhohlraum besonders grossen Temperaturschwankun- gen. Aus oben genannten Gründen ist die Auswahl an geeigneten Werkstoffen zur Herstellung von Giessformen, insbesondere für Druckgussverfahren, beschränkt. So eignen sich bis anhin Giessformen aus Aluminium wegen der stark verringerten mechanischen Festigkeiten bei Temperaturen von über 200°C nicht für Giessformen. Ferner weist Aluminium einen zu Stahl vergleichsweise hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, weswe- gen Aluminium-Giessformen keinen hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt werden können.With a sufficient thickness of the insulating coating, for example more than 0.5 mm, the heat exchange is no longer influenced by the separating surface but only by the thermal conductivity of the coating, which allows better control of the heat exchange. However, the sizes should not exceed the layer thickness of 0.8 mm, otherwise the tendency to flake off increases significantly. The control of heat dissipation is therefore only possible in practice to a limited extent, since layer thicknesses of any size cannot be used. Flaking sizing can also get into the melt during mold filling and impair the mechanical properties of the cast part. In the case of casting processes with a short filling time, the casting molds or the casting mold bodies generally consist of steel, in particular of nitrided hot-work steel. In these processes, however, so-called release agents are not applied to the separating surface from the mold cavity. The release agents are intended to prevent the molten metal injected under high pressure from sticking to the casting mold. The separating surface to the mold cavity must be sprayed again with separating agent after each casting process. Remnants of release agents can pass into the melt during the mold filling process and reduce the quality of the cast parts. Since such release agents are generally applied on the basis of an aqueous solution, the rapid injection of the melt due to evaporating solvent residues when the metal melt comes into contact with the release agent can result in gas inclusions which noticeably reduce the quality of the molded part. Furthermore, the release agent, in particular an organic release agent, can react with the melt to form gas. These gases carried in the melt in turn impair the mechanical properties and weldability of the cast parts. In the case of casting processes with a short filling time, the heat exchange between the casting mold and the molten metal can only be insufficiently controlled, since this is largely determined by the heat transfer at the interface. The heat transfer at the separating surface is characterized by the so-called heat transfer coefficient, which in turn depends on many factors that are difficult to control, such as the melt flow rate, the nature of the contact surface, gap formation, local pressure or washout of the separating agent. The control of the heat exchange in known casting molds is therefore very limited. To make matters worse, the heat flow fluctuates greatly over time and reaches very high peak values immediately after the mold is filled. The temperatures of the mold surfaces therefore usually fluctuate between 20 ° C and 500 ° C during the individual casting cycles. The heat balance of the casting molds is usually regulated on the one hand by heating and / or cooling channels in the interior of the casting mold and on the other hand by spraying and blowing out the release agent after removal from the mold. Because of the poor thermal diffusivity of the steel compared to aluminum, a 2-3 cm thick zone at the interface to the mold cavity is usually subject to particularly large temperature fluctuations. For the reasons mentioned above, the selection of suitable materials for the production of casting molds is particularly important for die casting processes, limited. Up to now, aluminum molds have not been suitable for molds due to the greatly reduced mechanical strength at temperatures of over 200 ° C. Furthermore, aluminum has a coefficient of thermal expansion that is comparatively high compared to steel, which is why aluminum casting molds cannot be exposed to high temperature fluctuations.
Der schwer kontrollierbare Wärmeaustausch zwischen Metallschmelze und Giessform bei herkömmlichen Giessformen wirkt sich negativ auf die Prozessführung und Reproduzierbarkeit der Abläufe aus. So ist es in der Regel notwendig bei Aufnahme eines Giesspro- zesses mit kontinuierlichen Giesszyklen bis zur Einstellung von stationären thermischen Verhältnissen in der Giessform einige Abgüsse als Ausschuss zu produzieren. Stationäre thermische Verhältnisse bedeutet dabei, dass die ändernden thermischen Bedingungen über einen Giesszyklus bei den nachfolgenden Giesszyklen im wesentlichen gleich bleiben. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Giessform vorzuschlagen, welche eine bessere Kontrolle des Wärmeaustausches zwischen Metallschmelze und Giessform und den Einsatz von wärmeempfindlicheren Werkstoffen für Giessformen bzw. Giessformkörper erlaubt, wobei auf den Einsatz von Trennmitteln oder Schlichten verzichtet werden soll.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Giessformkörper an der den Formhohlraum ausbildenden Oberfläche teil- oder vollflächig eine gegen flüssige Metallschmelze resistente Beschichtung in Form eines Schichtkörpers mit einer Dicke von weniger als 5 mm aufweist, und der Schichtkörper aus einem thermisch isolierenden, wärme- schockbeständigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit k von k < 1 W/mK besteht.The difficult to control heat exchange between molten metal and casting mold in conventional casting molds has a negative impact on the process control and reproducibility of the processes. It is usually necessary to produce a few casts as rejects when starting a casting process with continuous casting cycles until the steady-state thermal conditions in the mold are set. Stationary thermal conditions mean that the changing thermal conditions remain essentially the same over a casting cycle in the subsequent casting cycles. The invention is therefore based on the object of proposing a casting mold which allows better control of the heat exchange between molten metal and casting mold and the use of more heat-sensitive materials for casting molds or mold bodies, the use of release agents or sizes being avoided. According to the invention, the object is achieved in that the molded body has a coating in the form of a laminated body with a thickness of less than 5 mm in part or over the entire surface of the surface forming the mold cavity, and the laminated body consists of a thermally insulating, heat-resistant shock-resistant material with a thermal conductivity k of k <1 W / mK.
Teilflächig bedeutet, dass der Schichtkörper auf einzelnen Flächenabschnitten der Formhohlraumoberfläche aufgebracht ist. Eine vollflächige Beschichtung deckt demgegenüber die gesamte Formhohlraumoberfläche ab.Partial surface means that the laminate is applied to individual surface sections of the mold cavity surface. In contrast, a full-surface coating covers the entire surface of the mold cavity.
Die Unteransprüche beschreiben weitere Ausführungsvarianten einer erfindungsgemässen Giessform.The subclaims describe further design variants of a casting mold according to the invention.
Der Schichtkörper besteht vorzugsweise aus einem porösen Material bzw. Festkörper, vorzugsweise aus einem hochporösen Material bzw. Festkörper mit einer Porosität von grö- sser als 50 Vol-%.The layered body preferably consists of a porous material or solid, preferably of a highly porous material or solid with a porosity of greater than 50% by volume.
Die Beschichtung ist zweckmässig dauerhaft auf der besagten Oberfläche fixiert, d.h. die Beschichtung bleibt über mehrere Giesszyklen hinweg funktionstüchtig erhalten. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, dass die Beschichtung nach Verlauf einiger Giesszyklen gegebenenfalls erneuert bzw. ausgebessert, jedoch nicht wie die Trennmittel vollständig von Neuem aufgebracht werden muss.The coating is expediently permanently fixed on said surface, i.e. the coating remains functional over several casting cycles. However, it is within the scope of the invention that the coating may have to be renewed or repaired after a few casting cycles, but not like the release agent has to be completely applied again.
Der die Beschichtung ausbildende Schichtkörper misst vorzugsweise eine Dicke von weni- ger als 2000 μm, besonders bevorzugt von weniger als 1000 μ , insbesondere von weniger als 500 μm, vorteilhaft von weniger als 200 μm, und von grösser als 0,1 μm, vorzugsweise grösser als 1 μm, insbesondere grösser als 5 μm.The layered body forming the coating preferably measures a thickness of less than 2000 μm, particularly preferably less than 1000 μm, in particular less than 500 μm, advantageously less than 200 μm, and greater than 0.1 μm, preferably greater than 1 μm, in particular larger than 5 μm.
Der Schichtkörper besteht zweckmässig aus einem dreidimensionalen, skelett- bzw. gerüstartigen Netzwerk aus miteinander verketteten Teilchen bzw. Partikeln einer Grosse von vorzugsweise 1-50 nm, vorteilhaft 1-20 nm, und insbesondere 2-10 nm. Der Schichtkörper ist, bedingt durch die genannte Skelettstruktur, zu mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 75%, und insbesondere mehr als 95%, offenporig, bezogen auf das gesamte Porenvolumen des Schichtkörpers.The laminate advantageously consists of a three-dimensional, skeletal or framework-like network of interlinked particles or particles of a size of preferably 1-50 nm, advantageously 1-20 nm, and in particular 2-10 nm. The laminate is caused by the said skeletal structure, more than 50%, preferably more than 75%, and in particular more than 95%, open-pore, based on the total pore volume of the laminate.
Die Porengrössen, d.h. die Porendurchmesser, des Schichtkörpers können beispielsweise bis 10 μm betragen. Die Porendurchmesser betragen mehr als 0 nm, vorzugsweise mehr als 0,5 nm, vorteilhaft mehr als 5 nm, insbesondere mehr als 10 nm und vorzugsweise weniger als 1000 nm, vorteilhaft weniger als 500 nm, und insbesondere weniger als 100 nm.
Die Porosität des Schichtkörpers beträgt vorzugsweise über 60 Vol.-% (Volumenprozente), vorteilhaft über 85 Vol.-%, und insbesondere über 90 Vol.-%, wobei die Volumenprozente sich auf das Gesamtvolumen des Schichtkörpers beziehen. Die Porosität kann sogar zwischen 95 und 99 Vol.-% liegen. Die Poren sind bevorzugt mit einem gasförmigen Medium wie z.B. mit Luft gefüllt. Ferner können die Poren auch evakuiert sein. Die Dichte des Schichtkörpers liegt zweckmässig zwischen 10 und 1 '000 kg/m3, vorzugsweise zwischen 10 und 600 kg/m3 und insbesondere zwischen 50 und 400 kg/m3.The pore sizes, ie the pore diameters, of the layered body can be up to 10 μm, for example. The pore diameter is more than 0 nm, preferably more than 0.5 nm, t vorteilhaf more than 5 nm, in particular more than 10 nm and preferably less than 1000 nm, advantageously less than 500 nm, and especially less than 100 nm. The porosity of the laminated body is preferably over 60 vol .-% (volume percent), advantageously over 85 vol .-%, and in particular over 90 vol .-%, the volume percentages relating to the total volume of the laminated body. The porosity can even be between 95 and 99% by volume. The pores are preferably filled with a gaseous medium such as air. Furthermore, the pores can also be evacuated. The density of the laminate is expediently between 10 and 1,000 kg / m 3 , preferably between 10 and 600 kg / m 3 and in particular between 50 and 400 kg / m 3 .
Aufgrund der oben beschriebenen Struktur beträgt die Wärmeleitfähigkeit k des Schicht- körpers vorzugsweise weniger als 0,5 W/mK, besonders bevorzugt weniger als 0,1 W/mK, insbesondere weniger als 0,05 W/mK, und vorteilhaft weniger als 0,02 W/mK, wobei "W" für Watt und "K" für Kelvin und "m" für Meter steht. Sind die Poren des Schichtmaterials evakuiert, so kann die Wärmeleitfähigkeit 0,01 W/mK oder weniger betragen. Aufgrund der tiefen Wärmeleitfähigkeit des Schichtkörpers spielt der Wärmeübergang an der Trennflä- ehe bei erfindungsgemässen Giessformen eine untergeordnete Rolle.Due to the structure described above, the thermal conductivity k of the layer body is preferably less than 0.5 W / mK, particularly preferably less than 0.1 W / mK, in particular less than 0.05 W / mK, and advantageously less than 0, 02 W / mK, where "W" stands for watts and "K" for Kelvin and "m" for meters. If the pores of the layer material are evacuated, the thermal conductivity can be 0.01 W / mK or less. Due to the low thermal conductivity of the laminate, the heat transfer at the parting surface plays a subordinate role in the casting molds according to the invention.
Der Wärmefluss durch den Schichtkörper wird vorzugsweise massgeblich durch Wärmeleitung bestimmt. Der Wärmaustausch über Konvektion ist von geringer Bedeutung, da die Wärme durch das in den Poren vorhandene Gas ausschliesslich mittels der wenig effizienten Diffusion transportiert wird. Die Wärmeleitung über den Skelettkörper spielt bei einem transparenten Schichtkörper im Vergleich zur Wärmestrahlung bei zunehmender Schichtdicke eine immer kleinere Rolle. Da jedoch die Giesszyklen nicht allzu lang dauern und die Erstarrung des Gussteils nicht beliebig viel Zeit in Anspruch nehmen darf, sollte die Wärmeleitung ein bestimmtes Mass nicht unterschreiten und damit die Schichtdicke des Schichtkörpers eine bestimmte Mäch- tigkeit nicht überschreiten.The heat flow through the laminate is preferably determined significantly by heat conduction. The heat exchange via convection is of little importance, since the heat is only transported through the gas in the pores by means of the less efficient diffusion. The heat conduction over the skeletal body plays an increasingly smaller role in a transparent layered body in comparison to the heat radiation with increasing layer thickness. However, since the casting cycles do not take too long and the solidification of the cast part must not take any amount of time, the heat conduction should not fall below a certain level and the layer thickness of the laminated body should therefore not exceed a certain thickness.
Beträgt z.B. die Tempertur Ti an der der Schmelze zugewandten Oberfläche des Schichtkörpers 600°C und die Tempertur T2 an der dem Giessformkörper zugewandten Oberfläche des Schichtkörpers 20°C, so sollte die Schichtdicke des Schichtkörpers bei einer Wärmeleitfähigkeit k = 0,02 W/mK desselben die Dicke von 1 mm nicht überschreiten. Die Oberflächenrauhigkeit des Schichtkörpers entspricht beispielsweise im wesentlichen derjenigen des Giessformkörpers und beträgt bei Stahlformen beispielsweise 10 - 100 μm.
Der Schichtkörper besteht vorzugsweise aus einem in einem Sol-Gel-Prozess hergestellten Material, in welchem eine kollodiale Lösung, das sogenannte Sol, z.B. mittels Hydroly- se/Polykondensation, in ein Gel und anschliessend mittels eines Trocknungsprozesses unter teilweiser oder vollständiger Beibehaltung der Gelstruktur in einen porösen Festkör- per mit oben genannten Eigenschaften überführt wird.For example, if the temperature Ti on the melt-facing surface of the laminate is 600 ° C and the temperature T 2 on the mold-facing surface of the laminate is 20 ° C, the layer thickness of the laminate should have a thermal conductivity k = 0.02 W / mK do not exceed 1 mm in thickness. The surface roughness of the laminated body essentially corresponds, for example, to that of the casting body and is, for example, 10-100 μm for steel molds. The layered body preferably consists of a material produced in a sol-gel process in which a colloidal solution, the so-called sol, for example by means of hydrolysis / polycondensation, in a gel and then by means of a drying process with partial or complete retention of the gel structure in a porous solid with the above-mentioned properties is transferred.
Schichtmaterialien, welche den oben genannten Aufbau und Eigenschaften aufweisen sind die sogenannten Aerogels und Xerogels.Layer materials which have the structure and properties mentioned above are the so-called aerogels and xerogels.
Nach einer enger gefassten Definition sind Aerogels in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellte, hochporöse, gerüstartig bzw. skelettartig aufgebaute Festkörper von niedriger Dichte aus zu einem offenporigen Netzwerk miteinander verketteten Teilchen, wobei das Lösungsmittel unter Beibehaltung der ursprünglichen Gelstruktur mittels eines geeigneten Trocknungsprozesse, wie z.B. überkritisches Trocknen, aus dem Gel entfernt worden ist. Ein Aerogel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Gerüststruktur nach dem Trocknungsprozess im wesentlichen unbeschädigt erhalten bleibt und das Volumen des Aerogels wenigstens 50%, und insbesondere mehr als 85% des ursprünglichen Volumens des Gels vor dem Trocknungsprozess beträgt.According to a narrower definition, aerogels are solids made from a high-porosity, framework-like or skeleton-like structure of low density from particles which are linked together to form an open-pore network, the solvent while maintaining the original gel structure by means of a suitable drying process, such as eg supercritical drying from which gel has been removed. An airgel is characterized in particular by the fact that the framework structure remains essentially undamaged after the drying process and the volume of the airgel is at least 50%, and in particular more than 85% of the original volume of the gel before the drying process.
Xerogels werden analog wie Aerogels hergestellt, nur werden diese unter Beibehaltung der ursprünglichen Gerüststruktur bei unterkritischen Bedingungen getrocknet, wobei das Gerüst in der Regel Risse aufweist und teilweise aufgebrochen ist. Das Xerogel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass während des Trockungsprozesses eine Schrumpfung des Gelkörpers von gegen 90% eintritt.Xerogels are manufactured in the same way as aerogels, except that they are dried while maintaining the original framework structure under subcritical conditions, the framework usually showing cracks and being partially broken. The xerogel is characterized in particular by the fact that the gel body shrinks by around 90% during the drying process.
Überdies sind sogenannte Kryogels als mögliche Schichtkörpermaterialien bekannt, welche analog wie Aerogels oder Xerogels hergestellt werden, wobei die Entfernung der Flüssigkeit, d.h. der Trocknungsprozess, aus dem gefrorenen Zustand durch Sublimation des Lö- sungsmittels geschieht. Aufgrund der Volumenausdehnung des gefrorenen Lösungsmittels wird die ursprüngliche Gelstruktur in der Regel zerstört und die Porengrösse und - geometrie des Kryogels orientiert sich im wesentlichen am Kristallisationsmuster des Lösungsmittels.In addition, so-called cryogels are known as possible laminate materials which are produced analogously to aerogels or xerogels, the removal of the liquid, i.e. the drying process from which the frozen state occurs by sublimation of the solvent. Due to the volume expansion of the frozen solvent, the original gel structure is usually destroyed and the pore size and geometry of the cryogel is essentially based on the crystallization pattern of the solvent.
Der Herstellungsprozess des Aerogels wie auch des Xerogels umfasst hauptsächlich zwei Schritte, nämlich den Sol-Gel-Prozess und den nachfolgenden Trockungsprozess. Im Sol- Gel-Prozess wird eine wässrige oder alkoholische Sol-Lösung beispielsweise über Hydrolyse und Polykondensation in ein Gel überführt, in welchem sich Monomere zu einem dreidimensionalen, offenporigen Netzwerk oder Gerüst verketten. Der pH-Wert der Lösung
spielt bei der Überführung des Sols in ein Gel ein massgebende Rolle. Durch Beigabe von basischen oder sauren Katalysatoren kann die Geschwindigkeit des Sol-Gel-Prozesses und ferner diverse Eigenschaften des Gelkörpers, wie z.B. die Verbindung der einzelnen Ketten, welche wiederum ausschlaggebend für die Wärmeleitfähigkeit und Elastizität des Gelkörpers ist, beeinflusst werden. Die Porosität des Gelkörpers wird durch die Konzentration von polymehsierbaren Monomeren in der Ausgangslösung bestimmt.The manufacturing process of the airgel as well as the xerogel mainly comprises two steps, namely the sol-gel process and the subsequent drying process. In the sol-gel process, an aqueous or alcoholic sol solution is converted, for example via hydrolysis and polycondensation, into a gel in which monomers link to form a three-dimensional, open-pore network or framework. The pH of the solution plays a decisive role in converting the sol into a gel. By adding basic or acidic catalysts, the speed of the sol-gel process and also various properties of the gel body, such as the connection of the individual chains, which in turn is decisive for the thermal conductivity and elasticity of the gel body, can be influenced. The porosity of the gel body is determined by the concentration of polymerizable monomers in the starting solution.
Da das dreidimensionale Netzwerk in der Regel keine geschlossenen Poren enthält, kann das durch das Netzwerk eingeschlossene Lösungsmittel unter Ausbildung eines offenporigen Gerüstes in einem Trockungsprozess vollständig aus dem Gel extrahiert werden. Die Bedingungen, unter welchen der Trockungsprozess ausgeführt wird, sind entscheidend dafür, ob ein Aerogel, d.h. ein Gelkörper aus einem stabilen, dreidimensionalen offenporigen Gerüst, ein Xerogel, ein Kryogel, ein Pulver, oder ein zu einem kompakten Endprodukt geschrumpfter Festkörper zurückbleibt.Since the three-dimensional network generally does not contain closed pores, the solvent enclosed by the network can be completely extracted from the gel with the formation of an open-pore structure in a drying process. The conditions under which the drying process is carried out are decisive for whether an airgel, i.e. a gel body made of a stable, three-dimensional open-pored framework, a xerogel, a cryogel, a powder, or a solid that has shrunk to a compact end product remains.
Der Trockungsprozess muss dergestalt ausgeführt werden, dass beim Extrahieren des Lösungsmittels aus den Porenräumen das Gelgerüst unter Einfluss und Zusammenwirken der auftretenden Kapillarkräfte und Oberflächenspannungen nicht kollabiert und zerbricht.The drying process must be carried out in such a way that when the solvent is extracted from the pore spaces, the gel framework does not collapse and break under the influence and interaction of the capillary forces and surface tensions that occur.
Der Trocknungsprozess eines Aerogels kann bei unterkritischen Bedingungen, z.B. Umgebungsbedingungen, oder unter sogenannten überkritschen Bedingungen stattfinden. Erfolgt die Trockungsprozess bei unterkritischen Bedingungen, so muss durch besondere Behandlung und Modifikation des Gelkörpers, beispielsweise durch Einsatz von oberflächenmodifizierenden Substanzen, und/oder durch Auswechseln des Lösungsmittels, dafür gesorgt sein, dass der Gelkörper erhalten bleibt und keine oder eine nur geringe Schrumpfung eintritt.The drying process of an airgel can take place under subcritical conditions, e.g. Environmental conditions, or take place under so-called supercritical conditions. If the drying process takes place under subcritical conditions, special treatment and modification of the gel body, for example by using surface-modifying substances and / or by changing the solvent, must ensure that the gel body is retained and that there is little or no shrinkage.
Bei überkritischen bzw. hyperkritischen Bedingungen wird der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig, bei welchem die grössten Kapillarkräfte auftreten, umgangen, indem das Gel in einen kritischen Zustand mit einem kritischen Druck Pc und einer kritischen Temperatur Tc überführt wird. Im kritischen Zustand (Pc , Tc) wird nicht mehr zwischen Flüssig- und Gasphase unterschieden, und entsprechend gibt es auch keinen Phasenübergang mehr. Die Dichte der Flüssigphase entspicht jener der Gasphase. In einem solchen Zustand herr- sehen keine Kapillarkräfte mehr.Under supercritical or hypercritical conditions, the phase transition from liquid to gaseous, in which the greatest capillary forces occur, is avoided by converting the gel into a critical state with a critical pressure P c and a critical temperature T c . In the critical state (P c , T c ) there is no longer a distinction between the liquid and gas phases, and accordingly there is no longer any phase transition. The density of the liquid phase corresponds to that of the gas phase. In such a state there are no more capillary forces.
Es sind auch Aerogels, insbesondere Kieselsäure-Aerogels (Silica-Aerogels) bekannt, die durch spezifische Modifikation des Festkörpergerüstes, beim Trockungsprozess zu unterkritischen Bedingungen, d.h. mit Phasenübergang von flüssig zu gasförmig, durch Kraft-
einwirkung in sich zusammenklappen und nach Abschluss des Trockungsprozesses durch einen sogenannten Rückfederungsprozess (spring back effect) wieder in die ursprüngliche Gerüststruktur zurück versetzt werden. Diese Kategorie der Aerogels eignet sich für erfin- dungsgemässe Giessformen besonders gut. Die rückfederenden Aerogels können so kon- zipiert sein, dass diese beispielsweise vor und zu Beginn des Formfüllprozesses vollständig aufgeklappt sind und eine maximale Porosität und minimale thermische Leitfähigkeit aufweisen. Durch den zunehmenden Formfüllungsdruck wird die Gerüststruktur im Laufe bzw. gegen Ende des Formfüllvorganges schrittweise oder kontinuierlich zusammengeklappt. Bedingt durch die abnehmende Porosität wird die Wärmeleitfähigkeit erhöht und der Wärmabfluss in die Giessform gefördert, wodurch die Erstarrung des Gussteils nach Abschluss des Formfüllvorganges beschleunigt und der Giesszyklus verkürzt wird. Nach dem Entformen klappt die Aerogelstruktur durch Druckentlastung wieder in die ursprüngliche hochporöse Skelettstruktur zurück und ein neuer Formfüllvorgang kann beginnen. Die Rückfederungseigenschaften setzen eine gewisse Elastizität des Aerogel-Gerüstes voraus, wodurch auch dessen Sprödigkeit im Vergleich zu anderen Materialien viel geringer ist.There are also known aerogels, in particular silica aerogels (silica aerogels) which, through specific modification of the solid framework, during the drying process under subcritical conditions, ie with a phase transition from liquid to gaseous, by force the action collapses into itself and after the drying process has been completed, it is returned to the original structure by a so-called spring back effect. This category of aerogels is particularly suitable for molds according to the invention. The resilient aerogels can be designed such that they are fully opened, for example before and at the start of the mold filling process, and have maximum porosity and minimum thermal conductivity. Due to the increasing mold filling pressure, the framework structure is gradually or continuously collapsed in the course or towards the end of the mold filling process. Due to the decreasing porosity, the thermal conductivity is increased and the heat flow into the casting mold is promoted, which accelerates the solidification of the casting after the mold filling process and the casting cycle is shortened. After removal from the mold, the airgel structure folds back into the original highly porous skeletal structure by relieving pressure and a new mold filling process can begin. The resilience properties require a certain elasticity of the airgel framework, which means that its brittleness is much lower compared to other materials.
Aerogels wie auch Xerogels können grundsätzlich aus jedem Monomer hergestellt werden, welches sich mittels Verkettungsvorgängen in ein Gel überführen lässt, wobei sich insbesondere Kohlenstoff, Metalle, Metalloxide sowie polymerisierbare, organische Stoffe dazu eignen. Es sind beispielsweise sogenannte oxidische Aerogels bekannt, die z.B. über ein Sol-Gel- Verfahren aus Metalloxiden bzw. Metallalkoxiden hergestellt werden. Die Überführung des Sols in ein Gel kann z.B. durch Hydrolyse und Kondensation von Metall-Alkoxiden, wie Si- oder AI-Alkoxiden, durch Gelieren von partikulärem oder kollodialem Oxid, wie Si- oder AI- Oxid oder einer Kombination dieser Methoden unter Mitwirkung basischer oder saurer Ka- talysatoren erfolgen. Die Flüssigkeit wird bevorzugt mittels überkritischer Trocknung aus dem Gel entfernt. Die oxidischen Aerogels können z.B. ZnO-, Fe2O3-, SiO2-, AI2O3-, TiO2-, ZrO2-, SnO2-, Li2O-, CeO2- oder V2O5-Aerogels oder Gemische davon sein. Die oxidischen Aerogels liegen bevorzugt in Form von Gemischt-oxidischen Aerogels vor. Beispiele von binären Mischoxid-Aerogelen sind ZnO/AI2O3-Aerogele, Fe^s/SiO^Aerogels und insbe- sondere AI2θ3/SiO2-Aerogele.In principle, aerogels as well as xerogels can be produced from any monomer which can be converted into a gel by means of interlinking processes, carbon, metals, metal oxides and polymerizable, organic substances being particularly suitable for this purpose. So-called oxidic aerogels are known, for example, which are produced, for example, from metal oxides or metal alkoxides using a sol-gel process. The sol can be converted into a gel, for example, by hydrolysis and condensation of metal alkoxides, such as Si or Al alkoxides, by gelling particulate or colloidal oxide, such as Si or Al oxide, or a combination of these methods with the participation of basic or acidic catalysts. The liquid is preferably removed from the gel by means of supercritical drying. The oxidic aerogels can be, for example, ZnO-, Fe 2 O 3 -, SiO 2 -, Al 2 O 3 -, TiO 2 -, ZrO 2 -, SnO 2 -, Li 2 O-, CeO 2 - or V 2 O 5 - Be aerogels or mixtures thereof. The oxidic aerogels are preferably in the form of mixed-oxidic aerogels. Examples of binary mixed oxide aerogels are ZnO / Al 2 O 3 aerogels, Fe ^ s / SiO ^ airgel and in particular Al 2 θ 3 / SiO 2 aerogels.
Eine besondere Stellung nimmt die Kieselsäure-Aerogels ein, welche beispielsweise aus Si-Oxiden bzw. -Alkoxiden, Alkoxysilanen, wie Tetramethoxysilanen (TMOS), Tetraethoxy- silane (TEOS) oder Alkalisilikate (Wasserglas), die mit einem beispielsweise alkoholischen Lösungsmittel ein Sol bilden, hergestellt werden. Kieselsäure-Aerogels können bei niedri-
gen Temperaturen von unter 100°C hergestellt werden, wodurch z.B. Eigenspannungspro- bleme in der Aerogel-Schicht vermieden werden können. Die Herstellung von Si-haltigen Gelen wird beispielsweise in der WO 93/06044 beschrieben.Silica aerogels, which consist, for example, of Si oxides or alkoxides, alkoxysilanes such as tetramethoxysilanes (TMOS), tetraethoxysilanes (TEOS) or alkali silicates (water glass), which form a sol with an alcoholic solvent, for example, occupy a special position , getting produced. Silica aerogels can be used at low temperatures below 100 ° C, which can help to avoid, for example, residual stress problems in the airgel layer. The production of gels containing Si is described, for example, in WO 93/06044.
Die oxidischen Aerogels und insbesondere die Kieselsäure-Aerogels werden bevorzugt unter überkritischen Bedingungen getrocknet.The oxidic aerogels and in particular the silica aerogels are preferably dried under supercritical conditions.
Ferner sind auch Aerogels als organische Festkörper bekannt, die in der Regel über Sol- Gel-Verfahren aus, z.B. in einer wässrigen Lösung gelösten, organischen Polymeren, wie z.B. Melaminformaldehydharze, Resorcinformaldehydharze oder Phenol-Furfurale (Pheno- lic-furfural), unter Mitwirkung basischer oder saurer Katalysatoren durch Polymerisation, Polykondensation und anschliessender Trocknung hergestellt werden. Solche Aerogels werden auch Kunststoff-Aerogels genannt. Die Herstellung von organischen Gels wird z.B. in der US-A-5,086,085 und in der US-A4,873,218 beschrieben.Furthermore, aerogels are also known as organic solids, which are usually made from sol-gel processes, e.g. organic polymers dissolved in an aqueous solution, e.g. Melamine formaldehyde resins, resorcinol formaldehyde resins or phenol furfural (phenolic furfural), with the participation of basic or acidic catalysts by polymerization, polycondensation and subsequent drying. Such aerogels are also called plastic aerogels. The production of organic gels is e.g. in US-A-5,086,085 and in US-A4,873,218.
Die Kunststoff-Aerogels können in weiteren Schritten mittels Pyrolyse in Kohlenstoff- Aerogels überführt werden. Die Pyrolyse findet in der Regel unter Schutzgas, wie Argon oder Stickstoff, oder im Vakuum und bei Temperaturen von über 600°C, insbesondere über 1000°C, statt.In further steps, the plastic airgel can be converted into carbon airgel by means of pyrolysis. The pyrolysis usually takes place under protective gas, such as argon or nitrogen, or in vacuo and at temperatures above 600 ° C., in particular above 1000 ° C.
Die Aerogels können, um beispielsweise eine Struktur zu schaffen, welche höheren Drük- ken während des Formfüllvorganges standhält, Füllstoffe enthalten. Solche Füllstoffe könne beispielsweise anorganische Füllstoffmaterialien wie SiO2, AI2O3, TiO2 oder Gemische davon sein, die beispielsweise in einem Volumenanteil von 5 bis 30 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Aerogelkörpers, in das Aerogel eingebracht werden. Ferner können auch organische Füllstoffe, wie beispielsweise thermoplastische oder duroplastische Kunststoffpartikel, z.B. Polystyrol, eingesetzt werden. Hierbei ist zu beachten, dass bei der Pyrolyse der Kunststoffgels diese Materialien mit ausgeschmolzen oder verbrannt werden. Mit Hilfe solcher Materialien ist jedoch eine Kontrolle der Schrumpfung währen der Pyrolyse möglich.To create, for example, a structure that can withstand higher pressures during the mold filling process, the aerogels can contain fillers. Such fillers can be, for example, inorganic filler materials such as SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 or mixtures thereof, which are introduced into the airgel, for example in a volume fraction of 5 to 30% by volume, based on the total volume of the airgel body. Organic fillers, such as thermoplastic or thermosetting plastic particles, for example polystyrene, can also be used. It should be noted here that during the pyrolysis of the plastic gels, these materials are melted out or burned. With the help of such materials, however, it is possible to control the shrinkage during pyrolysis.
Setzt man dem Sol vor der Gelherstellung ein IR-Trübungsmittel, wie Russ, Titandioxid, Eisenoxide oder Zirkonoxid, zu, so kann überdies die Wärmeleitfähigkeit um den Strahlungsbeitrag reduziert werden. Ferner können zur Erzielung einer Färbung Farbstoffe und/oder Farbpigmente zugesetzt werden.If an IR opacifier such as carbon black, titanium dioxide, iron oxides or zirconium oxide is added to the sol before the gel is produced, the thermal conductivity can also be reduced by the radiation contribution. Furthermore, dyes and / or color pigments can be added to achieve a color.
Mögliche Kunststoff-Aerogels könne z.B. auf der Basis von Resorcin/Formaldehyd, die bei geeigneter Zusammensetzung und geeignetem Gehalt an basischem Polymerisationskatalysator, wie Ammoniumhydroxid und/oder Natriumcarbonat, bei Temperaturen zwischen
20 und 50°C ohne überkritisches Trocknen in ein mikrostrukturiertes Kunststoff-Aerogel überführt werden, hergestellt werden.Possible plastic aerogels can be based, for example, on resorcinol / formaldehyde, which, with a suitable composition and suitable content of basic polymerization catalyst, such as ammonium hydroxide and / or sodium carbonate, at temperatures between 20 and 50 ° C without supercritical drying in a micro-structured plastic airgel can be produced.
Die chemische und physikalische Beschaffenheit der Aerogels lässt sich allgemein durch die Ausgangsstoffe, ihre Gemisch und das Herstellungsverfahren in weiten Grenzen variie- ren und modifizieren, so dass es möglich ist, der Aufgabenstellung entsprechend massge- schneiderte Aerogels herzustellen.The chemical and physical properties of the aerogels can generally be varied and modified within wide limits by the starting materials, their mixture and the manufacturing process, so that it is possible to manufacture customized aerogels according to the task.
Bevorzugt werden Kieselsäure- oder Mischoxid-Aerogels als Schichtkörpermaterialien eingesetzt. Kieselsäure-Aerogels zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese durch Metalle und Metalllegierungen nicht benetzt werden und beispielsweise durch die nachfol- gend aufgeführten, giessbaren Metalle und Metalllegierungen chemisch nicht angegriffen werden.Silicic acid or mixed oxide airgel are preferably used as layered body materials. Silica aerogels are characterized in particular by the fact that they are not wetted by metals and metal alloys and are not chemically attacked, for example, by the castable metals and metal alloys listed below.
Dünne Aerogel-Schichten von z.B. weniger als 50 μm können z.B. als Sol in fliessfähigem Zustand mittels Streich-, Sprüh-, Walz-, Schleuder- oder Rakelverfahren, Tauchen, Fluten, Giessen, oder äquivalenten Verfahren auf die entsprechenden Giessformoberflächen auf- getragen und anschliessend ausgehärtet bzw. getrocknet werden. Ferner können die Aerogels, insbesondere bei Aerogel-Schichten von mehr als 50 μm, in Form von Folien hergestellt und auf die entsprechenden Giessformoberflächen aufgeklebt werden, wobei die Folie entsprechend der Oberflächentopographie vorgeformt werden kann. Der Klebstoff, vorzugsweise ein konventioneller Klebstoff, weist zweckmässig eine Wärmebeständigkeit auf, welche auf die an den Klebflächen während des Giessprozesses zu erwartenden Temperaturen und Temperaturschwankungen ausgerichtet ist. Wird die Giessform bzw. der Giessformkörper nicht auf über 100°C erwärmt, so eignet sich unter Umständen bereits ein Epxoy-Kleber-System. Insbesondere Kohlenstoff-Aerogels werden bevorzugt als Folien vorgefertigt, währen z.B. Kieselsäure-Aerogels bevorzugt nach einer der eingangs er- wähnten Methode direkt auf die Oberfläche der Giessform aufgebracht und ausgehärtet bzw. getrocknet werden.Thin airgel layers of e.g. e.g. less than 50 µm as a flowable sol by means of brushing, spraying, rolling, spinning or knife coating, dipping, flooding, pouring, or equivalent processes, applied to the corresponding mold surfaces and then cured or dried. Furthermore, the airgel, in particular in the case of airgel layers of more than 50 μm, can be produced in the form of foils and glued to the corresponding mold surfaces, the foil being able to be preformed in accordance with the surface topography. The adhesive, preferably a conventional adhesive, expediently has a heat resistance which is oriented to the temperatures and temperature fluctuations to be expected on the adhesive surfaces during the casting process. If the casting mold or the casting mold body is not heated to above 100 ° C, an Epxoy adhesive system may already be suitable. Carbon aerogels in particular are preferably prefabricated as foils, while e.g. Silicic acid aerogels are preferably applied directly to the surface of the casting mold and cured or dried by one of the methods mentioned at the outset.
Wird das Aerogel als Folie auf die Giessform aufgebracht, so kann die Schichtdicke in einem Bereich von 50-200 μm liegen. Wird das Aerogel als Sol auf die Giessform aufgebracht und anschliessend ausgehärtet bzw. getrocknet, so kann die Schichtdicke in einem Bereich von 5-20 μm liegen.If the airgel is applied as a film to the casting mold, the layer thickness can be in a range of 50-200 μm. If the airgel is applied as a sol to the casting mold and then cured or dried, the layer thickness can be in a range of 5-20 μm.
Ein typisches Kieselsäure-Aerogel besteht beispielsweise aus miteinander vernetzten Teilchen, mit einem Durchmesser von 2-5 nm, wobei das Porenvolumen 95% oder mehr des
I U I I LI g *> * ιA typical silica airgel consists, for example, of crosslinked particles with a diameter of 2-5 nm, the pore volume being 95% or more of the IUII LI g *> * ι
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Gesamtvolumens des Schichtmaterials ausmacht. Der Porendurchmesser beträgt rund 15- 25 nm.Accounts for the total volume of the layer material. The pore diameter is around 15-25 nm.
Die Giessform bzw. der Giessformkörper besteht zweckmässig aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wobei das Material bei Temperaturen von bis zu 300°C, vorzugs- weise bis 200°C und insbesondere bis 150°C wärmebeständig sein soll, d.h. das Material soll bis zu den genannten Temperaturwerten keine wesentlichen Beeinträchtigung in seinen mechanischen Eigenschaften erfahren. Die Giessform bzw. der Giessformkörper besteht vorzugsweise aus einem Metall. Die Giessform bzw. der Giessformkörper kann z.B. aus einem Eisenmetall, wie Stahl oder einem nicht-Eisenmetall, wie Kupfer, Magnesium oder einer Legierung, enthaltend wenigstens eines der genannten Metalle, bestehen. Die Giessform bzw. der Giessformkörper besteht jedoch vorteilhaft aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Unter guter Wärmeleitfähigkeit im oben genannten Sinne sind Wärmeleitfähigkeiten von gleich oder mehr als 30 W/mK, vorzugsweise von mehr als 100 W/mK, und insbesondere von mehr als 150 W/mK, zu verstehen. Die Oberfläche, insbesondere die mit einer erfindungsgemässen Beschichtung versehene Oberfläche der Giessform kann vor Auftrag des Schichtkörpers bzw. des Aerogels einer Vorbehandlung unterzogen und beispielsweise mit einem Haftvermittler oder Primer versehen werden. Die genannte Oberfläche einer Giessform oder eines Giessformkörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kann beispielsweise eine durch Chromatierung, Phosphatierung oder durch anodische Oxidation erzeugte Vorbehandlungsschicht aufweisen.The casting mold or casting mold body expediently consists of a material with good thermal conductivity, the material being intended to be heat-resistant at temperatures of up to 300 ° C, preferably up to 200 ° C and in particular up to 150 ° C, i.e. up to the temperature values mentioned, the material should not experience any significant impairment in its mechanical properties. The casting mold or the casting mold body preferably consists of a metal. The casting mold or the casting mold body can e.g. consist of an iron metal such as steel or a non-ferrous metal such as copper, magnesium or an alloy containing at least one of the metals mentioned. However, the casting mold or the casting mold body advantageously consists of aluminum or an aluminum alloy. Good thermal conductivity in the above sense means thermal conductivities equal to or more than 30 W / mK, preferably more than 100 W / mK, and in particular more than 150 W / mK. The surface, in particular the surface of the casting mold provided with a coating according to the invention, can be subjected to a pretreatment before application of the laminate or the airgel and can be provided, for example, with an adhesion promoter or primer. Said surface of a casting mold or a casting body made of aluminum or an aluminum alloy can have, for example, a pretreatment layer produced by chromating, phosphating or by anodic oxidation.
Die Vorbehandlungsschicht kann z.B. eine anodisch erzeugte Oxidschicht, die in einem rücklösenden oder nicht rücklösenden Elektrolyten aufgebaut wurde, sein. Ferner kann die Vorbehandlungschicht eine Gelbchromatierschicht, eine Grünchromatierschicht, eine Phosphatschicht oder eine chromfreie Vorbehandlungsschicht, die in einem Elektrolyten, enthaltend wenigstens eines der Elemente Ti, Zr, F, Mo oder Mn, aufgewachsen ist, sein. Die Vorbehandlungsschicht kann auch eine durch natürliche Oxidation erfolgte Oxidschicht sein.The pretreatment layer can e.g. an anodic oxide layer built up in a redissolving or non-redissolving electrolyte. Furthermore, the pretreatment layer can be a yellow chromating layer, a green chromating layer, a phosphate layer or a chromium-free pretreatment layer which has been grown in an electrolyte containing at least one of the elements Ti, Zr, F, Mo or Mn. The pretreatment layer can also be an oxide layer made by natural oxidation.
Die Vorbehandlungsschicht kann eine Dicke von über 20 nm, vorzugsweise über 50 nm, insbesondere über 100 nm, und vorteilhaft über 150 nm (Nanometer) und von weniger als 1500 nm, und bevorzugt weniger als 200 nm, aufweisen.The pretreatment layer can have a thickness of more than 20 nm, preferably more than 50 nm, in particular more than 100 nm, and advantageously more than 150 nm (nanometers) and less than 1500 nm, and preferably less than 200 nm.
Als Vorbehandlung kann auch, alleine oder in Kombination mit oben genannten Vorbehandlungen, ein Entfetten oder ein mechanischer Oberflächenabtrag durch abrasive Mittel
angewendet werden. Ein mechanischer Oberflächenabtrag kann durch Schleifen, Strahlen, Bürsten oder Polieren geschehen.Degreasing or mechanical surface removal by abrasive agents can also be used as pretreatment, alone or in combination with the aforementioned pretreatments be applied. Mechanical surface removal can be done by grinding, blasting, brushing or polishing.
Die erfindungsgemässe, gegebenenfalls auf eine oben genannt vorbehandelte Oberfläche aufgetragene Beschichtung, kann auch an der den Angiesskanal und/oder die Giesskam- mer ausbildenden Hohlraumoberfläche einer Giessform, insbesondere Druckgiessform, teil- oder vollflächig vorgesehen sein.The coating according to the invention, optionally applied to a pretreated surface mentioned above, can also be provided on the cavity surface of the casting mold and / or the casting chamber of a casting mold, in particular a die casting mold, in whole or in part.
Die Giessform bzw. der Giessformkörper kann Mittel zum Kühlen und/oder Heizen derselben enthalten. Die Giessform kann insbesondere Heiz- und/oder Kühlkanäle enthalten, in welchen ein gasförmiges oder flüssiges Heiz- und/oder Kühlmedium, wie z.B. Öl, zirkuliert. Die Erneuerung bzw. Reparatur einer beschädigten oder abgetragenen Beschichtung kann beispielsweise durch Auftragen einer Aerogelschicht in flüssiger bis gelartiger Form nach einer der oben genannten Methode in Situ und Aushärtung bzw. Trocknung unter unter- schritischen Bedingungen bei Temperaturen von unter 200°C, insbesondere unter 100°C, erfolgen. Ferner kann die neue Aerogelschicht auch in Form einer Folie auf die Oberfläche aufgeklebt werden. Falls notwendig können bestehende Aerogelschichten mittels Säure, wie z.B. Flusssäure, weggeätzt und anschliessend erneuert werden.The casting mold or the casting mold body can contain means for cooling and / or heating the same. The casting mold can in particular contain heating and / or cooling channels in which a gaseous or liquid heating and / or cooling medium, such as e.g. Oil circulated. A damaged or worn coating can be renewed or repaired, for example, by applying an airgel layer in liquid to gel-like form using one of the abovementioned methods in situ and curing or drying under below-critical conditions at temperatures below 200 ° C., in particular below 100 ° C. The new airgel layer can also be glued to the surface in the form of a film. If necessary, existing airgel layers can be acidified, e.g. Hydrofluoric acid, etched away and then renewed.
Die erfindungsgemässe Giessform eignet sich insbesondere zum Giessen von Aluminium, Magnesium, Titan oder Legierungen, enthaltend wenigstens eines der genannten Metalle. Besonders geeignete Aluminiumlegierungen sind z.B. AlSi, AISiMg und AICu. Ferner eignet sich die erfindungsgemässe, mit einem Aerogel, insbesondere mit einem Kieselsäure- Aerogel, beschichtete Giessform auch zum Giessen von Zinn und Zinnlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen bzw. Bronzelegierungen, Blei und Bleilegierungen, Zink und Zinklegierungen, Silber und Silberlegierungen sowie Gallium und Galliumlegierungen. Weitere Metalle, die sich mit der erfindungsgemässen Giessform giessen lassen, sollen durch vor- liegende Aufzählung nicht ausgeschlossen sein.The casting mold according to the invention is particularly suitable for casting aluminum, magnesium, titanium or alloys containing at least one of the metals mentioned. Particularly suitable aluminum alloys are e.g. AlSi, AISiMg and AICu. Furthermore, the casting mold according to the invention, coated with an airgel, in particular with a silica airgel, is also suitable for casting tin and tin alloys, copper and copper alloys or bronze alloys, lead and lead alloys, zinc and zinc alloys, silver and silver alloys as well as gallium and gallium alloys. Other metals which can be cast using the casting mold according to the invention are not intended to be excluded by the list at hand.
Mit der erfindungsgemässen Giessform können gegebenenfalls auch schlecht giessbare Legierungen, wie z.B. Knetlegierungen, in Formgiessverfahren gegossen werden.With the casting mold according to the invention, alloys which are difficult to cast, such as e.g. Wrought alloys can be cast in a molding process.
Durch die thermische Isolation der Giessform wird der Wärmeabfluss aus der Schmelze verzögert und die Metallschmelze kühlt insbesondere während des Formfüllvorganges we- niger schnell ab. Die Metallschmelze weist deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Giessformen während des Formfüllvorganges eine verbesserte Fliessfähigkeit auf. Die aktive Aufheizung der Giessform auf Temperaturen von über 150°C ist nicht mehr notwendig, wodurch Energie gespart werden kann. Die Giessform bzw. der Giessformkörper, z.B. aus
Aluminium, kann beispielsweise während des Giesszykluses Minimaltemperaturen von 10 bis 30°C aufweisen.The thermal insulation of the casting mold delays the heat flow from the melt and the metal melt cools down less quickly, especially during the mold filling process. The metal melt therefore has an improved flowability compared to conventional casting molds during the mold filling process. The active heating of the mold to temperatures of over 150 ° C is no longer necessary, which can save energy. The casting mold or the casting mold body, for example made of Aluminum, for example, can have minimum temperatures of 10 to 30 ° C during the casting cycle.
Die Bemessung der Dicke des Schichtkörpers ist in Abhängigkeit von dessen Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Temperatur im Giessformkörper an der Grenzfläche zum Schichtkörper während des Giessprozesses nicht über 200°C, vorzugsweise nicht über 150°C, und insbesondere nicht über 120°C, steigt.Depending on its thermal conductivity, the dimensioning of the laminate is preferably designed such that the temperature in the mold at the interface to the laminate during the casting process does not exceed 200 ° C., preferably not above 150 ° C., and in particular not above 120 ° C. increases.
Die Bemessung der Dicke des Schichtkörpers ist in Abhängigkeit von dessen Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Erstarrungszeit des Gussteils nach Ab- schluss des Formfüllvorganges weniger als 6 sec, vorzugsweise weniger als 4 seα, insbe- sondere weniger als 3 sec, beträgt.Depending on its thermal conductivity, the dimensioning of the layered body is preferably designed such that the setting time of the cast part after the mold filling process has ended is less than 6 seconds, preferably less than 4 seconds, in particular less than 3 seconds.
Da die Maximaltemperaturen der Giessform bzw. des Giessformkörpers während des Giesszykluses geringer sind, ist ein Entspannungsglühen der Giessform nicht mehr in allen Fällen notwendig.Since the maximum temperatures of the casting mold or of the casting mold body are lower during the casting cycle, stress relief annealing of the casting mold is no longer necessary in all cases.
Das thermische Gleichgewicht ist ferner bereits beim Anfahren eines Giessprozesses ge- geben, womit die Produktion von Ausschuss zu Beginn des Giessprozesses reduziert werden kann. Die Wechselzeit der Giessformen bzw. der Giessformkörper sind verkürzt, da diese beim Wechseln weder gekühlt noch aufgeheizt werden müssen.The thermal equilibrium is also already present when a casting process is started, which means that the production of rejects at the start of the casting process can be reduced. The changing times of the casting molds or the casting mold bodies are shortened, since they do not have to be cooled or heated when changing.
Die bessere Fliessfähigkeit ist zu einem weiteren Teil auch auf die geringere Reibung der Metallschmelze an der Oberfläche des Schichtkörpers zurückzuführen. Bedingt durch die hohe Porosität im Nanometerbereich, kommt die Aluminiumschmelze nur punktweise mit der Oberfläche des Schichtkörpers in Kontakt. Die Oberflächenspannung der Schmelze sorgt dafür, dass die Schmelze nicht in die Poren des Schichtkörpers eindringt. Die mechanischen Belastungen, insbesondere bei Druckgussverfahren, sind dank der ausgezeichneten Fliessfähigkeit der Metallschmelzen bis zum Abschluss der Formfüllung we- sentlich kleiner, d.h. aufgrund der guten Fliessfähigkeit kann die Giessform mit geringerem Druck gefüllt werden als bisher.The better flowability is also partly due to the lower friction of the molten metal on the surface of the laminate. Due to the high porosity in the nanometer range, the aluminum melt only comes into contact with the surface of the laminate at certain points. The surface tension of the melt ensures that the melt does not penetrate into the pores of the laminate. The mechanical loads, particularly in the case of die-casting processes, are significantly lower thanks to the excellent flowability of the metal melts until the mold filling is complete, i.e. Due to the good flowability, the mold can be filled with less pressure than before.
Ferner ist aufgrund des punktweisen Kontaktes die Haftfläche zwischen dem Gussteil und der Giessform klein, die Entformungskräfte sind entsprechend gering und es tritt keine Benetzung der Giessformoberfläche durch die flüssige Metallschmelze auf, weswegen auf den Einsatz von Trennmitteln bzw. Schlichten verzichtet werden kann.Furthermore, due to the point-to-point contact, the adhesive surface between the casting and the casting mold is small, the demolding forces are correspondingly low and there is no wetting of the casting mold surface by the molten metal, which means that there is no need to use release agents or sizes.
Dank der besseren und längeren Fliessfähigkeit der Metallschmelze und der verzögerten Erstarrung können Gussteile mit komplizierten geometrischen und dünnwandigen Struktu-
ren hergestellt werden. Ferner kann durch Variation in der Dicke der Beschichtung innerhalb derselben Giessform der Wärmeabfluss lokal gesteuert werden. So können beispielweise bei dünnwandigen Bereichen des Gussteils in der Giessform grössere Schichtdicken vorgesehen sein, um hier den Wärmeabfluss zu verzögern. Bei dickwandigen Bereichen des Gussteils können in der Giessform kleinere Schichtdicken vorgesehen sein, um hier den Wärmeabfluss zu beschleunigen und die Zykluszeit zu verkürzen. Generell kann durch Variation der Schichtdicke das Zeitfenster für die Formfüllung innerhalb der vorgegebenen Randbedingungen beliebig bestimmt werden. Randbedingungen sind beispielsweise die Verhinderung einer Vorerstarrung der Schmelze vor Abschluss der Formfüllung, sowie ma- ximale Formfüllzeiten die noch einen wirtschaftlichen Produktionsablauf erlauben.Thanks to the better and longer flowability of the molten metal and the delayed solidification, castings with complicated geometric and thin-walled structures can be manufactured. Furthermore, the heat flow can be controlled locally by varying the thickness of the coating within the same casting mold. For example, in the case of thin-walled areas of the cast part, larger layer thicknesses can be provided in the casting mold in order to delay the outflow of heat here. In the case of thick-walled areas of the casting, smaller layer thicknesses can be provided in the casting mold in order to accelerate the heat dissipation here and to shorten the cycle time. In general, by varying the layer thickness, the time window for the mold filling can be determined as desired within the specified boundary conditions. Boundary conditions are, for example, the prevention of pre-solidification of the melt before the mold filling is completed, as well as maximum mold filling times which still allow an economical production process.
Die erfindungsgemässe Giessform findet vorzugsweise Verwendung in einer Giessvor- richtung zum Herstellen von Gussteilen aus Metall in einem Formgiessverfahren. Die erfindungsgemässe Giessform ist in Giessvorrichtungen für alle eingangs im Stand der Technik erwähnten Formgiessverfahren, jedoch insbesondere für Vakuumguss-, Niederdruckguss- und Druckgussverfahren verwendbar. Die erfindungsgemässe Giessform ist vorzugsweise eine Dauerform. Die erfindungsgemässe Giessform kann auch in Formatgiessverfahren Einsatz finden. Weitere nicht genannte Giessverfahren sollen vom Einsatz erfindungsge- mässer Giessformen nicht ausgenommen sein.The casting mold according to the invention is preferably used in a casting device for producing castings from metal in a molding process. The casting mold according to the invention can be used in casting devices for all the casting processes mentioned at the outset in the prior art, but in particular for vacuum casting, low-pressure casting and die-casting processes. The casting mold according to the invention is preferably a permanent mold. The casting mold according to the invention can also be used in format casting processes. Other casting processes not mentioned should not be excluded from the use of casting molds according to the invention.
Der Einsatz von erfindungsgemäss beschichteten Aluminium-Giessformen erlaubt wegen dem reduzierten Gewicht eine einfachere Handhabung.The use of aluminum casting molds coated according to the invention allows easier handling because of the reduced weight.
Die vorstehenden Ausführungen zur Herstellung und zum Einsatz von Aerogels als Schichtkörper mit Ausnahme der Aerogel-spezifischen Trocknungsprozesse sollen auch für Xerogels gelten.The above statements regarding the production and use of aerogels as laminated bodies, with the exception of the airgel-specific drying processes, are also intended to apply to xerogels.
Nachfolgend werden je ein Beispiel zur Herstellung eines Kieselsäure-, eines Kunststoff- und eines Kohlenstoff-Aerogels aufgeführt.An example of the production of a silica, a plastic and a carbon airgel is given below.
Beispiel 1 :Example 1 :
Tetramethoxysilan (TMOS) wird in Methanol aufgelöst und unter Beigabe von Wasser zu einem Sol aufgerührt. Nachfolgend wird kontinuierlich ein saurer oder basischer Katalysator, wie NH4OH, NaOH, KOH, AI(OH)3 und/oder kolloidale Kieselsäure, der Lösung hinzu- gegeben, wodurch die Hydrolyse und Polykondensation einsetzt:Tetramethoxysilane (TMOS) is dissolved in methanol and stirred into a sol with the addition of water. An acidic or basic catalyst, such as NH 4 OH, NaOH, KOH, Al (OH) 3 and / or colloidal silica, is then continuously added to the solution, as a result of which the hydrolysis and polycondensation begin:
Si(OCH3)4 + 4H2O → Si(OH)4 + 4CH3OH Hydrolyse
Si(OH)4 -> SiO2 + 2H2O PolykondensationSi (OCH 3 ) 4 + 4H 2 O → Si (OH) 4 + 4CH 3 OH hydrolysis Si (OH) 4 -> SiO 2 + 2H 2 O polycondensation
Das Verhältnis von TMOS zu Methanol bestimmt die Dichte des fertigen Aerogels, während die Menge an zugegebenem Wasser und Katalysator, wie auch die Wahl des Katalysators, die Morphologie des Aerogel-Skelettes bestimmen. Das noch immer niederviskose Sol kann auf die Oberfläche des Formhohlraumes der Giessform aufgetragen werden. Der nachfolgende Übergang vom Sol zu einem Gel kann wenige Sekunden, z.B. bei hohen Konzentrationen von TMOS und stark basischen Bedingungen, bis mehrere Minuten, z.B. für niedrigere Konzentrationen an TMOS und weniger basischen Bedingungen, dauern. Nachfolgend wird das Gel zu einem Kieselsäure-Aerogel getrocknet. Das Gel kann, um beispielsweise die Gelfestigkeit zu erhöhen, in einem Zwischenschritt vor dem Trocknungsprozess einer Alterung unterzogen werden, die Alterung des Gels findet in der Regel bei einer Temperatur von rund 20°C bis zum Siedepunkt des Lösungsmittels statt. Die Dauer der Alterung kann von wenigen Minuten bis mehreren Stunden dauern. Beispiel 2:The ratio of TMOS to methanol determines the density of the finished airgel, while the amount of water and catalyst added, as well as the choice of catalyst, determine the morphology of the airgel skeleton. The still low-viscosity sol can be applied to the surface of the mold cavity of the casting mold. The subsequent transition from sol to gel can take a few seconds, e.g. at high concentrations of TMOS and strongly basic conditions, up to several minutes, e.g. for lower concentrations of TMOS and less basic conditions. The gel is then dried to a silica airgel. To increase the gel strength, for example, the gel can be subjected to aging in an intermediate step before the drying process; the aging of the gel usually takes place at a temperature of around 20 ° C. to the boiling point of the solvent. Aging can last from a few minutes to several hours. Example 2:
Resorcinol, z.B. als Granulat vorliegend, wird in Formaldehyd in einem Mol-Verhältnis von 1 :2 aufgelöst. Zur Lösung wird unter kontinuierlichem Rühren Wasser und Natriumcarbonat als Katalysator zugegeben. Die vorliegende Lösung wird auf die Oberfläche des Formhohlraums aufgetragen. Das Gel kann vor dem Trockungsprozess einer Alterung bei konstanter Temperatur ausgesetzt werden. Vor dem Trocknungsprozess wird das Wasser in den Poren des gealterten Gels durch ein organisches Lösungsmittel wie Aceton ersetzt.Resorcinol, e.g. in the form of granules, is dissolved in formaldehyde in a molar ratio of 1: 2. Water and sodium carbonate as catalyst are added to the solution with continuous stirring. The present solution is applied to the surface of the mold cavity. The gel can be subjected to aging at a constant temperature before the drying process. Before the drying process, the water in the pores of the aged gel is replaced by an organic solvent such as acetone.
Die Dichte des Kunststoff-Aerogel wird durch die Konzentration an Resorcinol- Formaldehyd (RF) in der Ausgangslösung bestimmt. Ferner bestimmt das Mol-Verhältnis R K von Resorcinol (R) zu Katalysator (K) die Reaktionsgeschwindigkeit und somit die Morphologie des Aerogel-Skelettes.The density of the plastic airgel is determined by the concentration of resorcinol formaldehyde (RF) in the starting solution. Furthermore, the molar ratio R K of resorcinol (R) to catalyst (K) determines the reaction rate and thus the morphology of the airgel skeleton.
Um ein Schrumpfen des Gel-Körpers zu vermeiden müssen RF-Gels mit einem niedrigen R/K-Verhältnis bei überkritischen Bedingungen getrocknet werden, während organische Gels mit niedriger Konzentration an Katalysator, das heisst mit einem hohen R/K- Verhältnis, bei unterkritischen Bedingungen, z.B. bei Umgebungsdruck von 1 bar und einer Temperatur von 50°C, getrocknet werden können, wobei die Schrumpfung lediglich einige wenige Prozent beträgt.In order to avoid shrinking the gel body, RF gels with a low R / K ratio have to be dried under supercritical conditions, while organic gels with a low concentration of catalyst, i.e. with a high R / K ratio, have to be dried under subcritical conditions , e.g. at ambient pressure of 1 bar and a temperature of 50 ° C, the shrinkage is only a few percent.
Beispiel 3:
Durch Pyrolyse des in Beispiel 2 erhaltenen Kunststoff-Aerogel bei über 600°C und einer maximalen Temperatur von rund 1050°C unter kontinuierlicher Belüftung mit einem nicht- oxidativen Gas, wie Argon oder Stickstoff, wird das organische Aerogel-Gerüst unter Beibehaltung seiner Morphologie in ein Kohlenstoff-Gerüst umgewandelt. Durch Variation der Temperatur kann die Porosität des entstehenden Kohlenstoff-Aerogels beeinflusst werden. Die Porosität kann ferner durch Einbezug eines oxidativen Gases oder durch Zirkulation einer Kohlenwasserstoffverbindung beeinflusst werden.Example 3: By pyrolysis of the plastic airgel obtained in Example 2 at over 600 ° C and a maximum temperature of around 1050 ° C with continuous aeration with a non-oxidative gas such as argon or nitrogen, the organic airgel framework is retained while maintaining its morphology converted to a carbon scaffold. The porosity of the carbon airgel formed can be influenced by varying the temperature. The porosity can also be influenced by the inclusion of an oxidative gas or by the circulation of a hydrocarbon compound.
Die erfindungsgemässe Giessform ist herstellbar dadurch, dass die Beschichtung als Sol im fliessfähigen Zustand auf die Oberfläche des Formhohlraumes der Giessform aufgetra- gen und mittels Kondensation in ein Gel umgesetzt und mittels Trocknung zu einem festen Schichtkörper umgewandelt wird oder die Beschichtung als Folie auf die Oberfläche des Formhohlraumes der Giessform aufgebracht und, vorzugsweise mittels Kleben, fixiert wird.The casting mold according to the invention can be produced by applying the coating as a flowable sol on the surface of the mold cavity of the casting mold and converting it into a gel by means of condensation and converting it to a solid laminate by drying, or the coating as a film on the surface of the Mold cavity of the mold is applied and fixed, preferably by gluing.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird die Beschichtung mittels Streichen, Sprühen, Walzen, Schleudern, Rakel, Tauchen, Fluten oder Giessen auf die Oberfläche des Formhohlraumes der Giessform aufgetragen.In a preferred embodiment of the method, the coating is applied to the surface of the mold cavity of the mold by means of brushing, spraying, rolling, spinning, knife coating, dipping, flooding or pouring.
Besteht der Giessformkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, so kann auf die die Beschichtung tragende Oberfläche aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vor Auftrag der Beschichtung eine mittels Anodisation, Chromatierung oder Phosphatie- rung erzeugte Vorbehandlungsschicht aufgetragen werden. Im folgenden wird die erfindungsgemässe Giessform beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:If the molded body is made of aluminum or an aluminum alloy, a pretreatment layer produced by means of anodization, chromating or phosphating can be applied to the surface of aluminum or an aluminum alloy carrying the coating. The casting mold according to the invention is explained in more detail below by way of example and with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1a: eine Giessform einer Druckgussvorrichtung;1a: a casting mold of a die casting device;
Fig. 1 b: einen Ausschnitt des Formhohlraumes gemäss Fig. 1a;1b: a section of the mold cavity according to FIG. 1a;
Fig. 2: eine graphische Darstellung des Wärmeflusses aus der Metallschmelze in die Giessform für verschiedene Giessformen.2: a graphical representation of the heat flow from the molten metal into the casting mold for various casting molds.
Fig. 1a zeigt die schematische Darstellung der Giessform 1 einer Druckgussvorrichtung. Die Giessform 1 enthält eine fixierte erste Formhälfte 12 mit einem auf einer Formplatte 8 angebrachten ersten Formeinsatz 2a und einer beweglichen zweiten Formhälfte 9 mit einem zweiten Formeinsatz 2b. Die zweite, bewegliche Formhälfte 9 mit dem zweiten For- meinsatz 2b passt im geschlossenen Zustand unter Ausbildung eines Formhohlraumes 10 auf die erste Formhälfte 12.
Die Giessform 1 enthält ferner eine Giesskammer 4 mit einem in dieser geführten Kolben 6. Die Giesskammer 4 enthält Zufuhröffnungen 7a, 7b, durch welche die Metallschmelze in die Giesskammer 4 geführt wird. Die Giesskammer 4 steht über den Angiesskanal 3 mit dem Formhohlraum 10 in Verbindung. Die Giesskammer 4 ist gegenüber dem Angiesska- nal 3 mittels eines Ventils 5 verschliessbar. Das Ventil 5 ist über eine Hydraulikeinrichtung 11 mit Kolbenstange steuerbar. Der Formhohlraum 10 verfügt ferner über einen oder mehrere Entlüftungskanäle (nicht gezeigt). Der oder die Entlüftungskanäle können überdies mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes bzw. Vakuums mit entsprechenden Vakuumabsperrventilen ausgerüstet sein (nicht gezeigt). Dies erlaubt die Evakuation des Formhohlraumes 10 vor dem Einspritzen der Metallschmelze.Fig. 1a shows the schematic representation of the mold 1 of a die casting device. The casting mold 1 contains a fixed first mold half 12 with a first mold insert 2a attached to a mold plate 8 and a movable second mold half 9 with a second mold insert 2b. The second, movable mold half 9 with the second mold insert 2b fits in the closed state to form a mold cavity 10 on the first mold half 12. The casting mold 1 also contains a casting chamber 4 with a piston 6 guided therein. The casting chamber 4 contains feed openings 7a, 7b through which the molten metal is fed into the casting chamber 4. The casting chamber 4 is connected to the mold cavity 10 via the sprue channel 3. The casting chamber 4 can be closed with respect to the pouring channel 3 by means of a valve 5. The valve 5 can be controlled via a hydraulic device 11 with a piston rod. The mold cavity 10 also has one or more vent channels (not shown). The ventilation channel or channels can also be equipped with a device for generating a vacuum or vacuum with corresponding vacuum shut-off valves (not shown). This allows the mold cavity 10 to be evacuated before the molten metal is injected.
Der in Fig. 1b gezeigte schematische, kreisförmige Ausschnitt Q des Formhohlraumes 10 ist in Fig. 1a gestrichelt angedeutet. Der Formhohlraum 10 wird durch den ersten Formeinsatz 2a und den zweiten Formeinsatz 2b ausgebildet. Die beiden Formeinsätze 2a,2b enthalten jeweils einen Grundkörper 21, 22 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welcher an der zum Fohrmhohlraum 10 zugewandten Oberfläche eine dauerhaft fixierte Beschichtung 20 aus einem Aerogel, vorzugsweise einem Kieselsäure-Aerogel, einer Dik- ke von 10 - 100 μm aufweist. In modifizierter Ausführung vorliegenden Erfindungsbeispiels können auch der Angiesskanal 3 und/oder die Giesskammer 4 eine genannte Beschichtung aus einem Aerogel der genannten Dicke enthalten. Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines modellierten Wärmeflusses aus einer Aluminiumschmelze mit einer Temperatur von 660°C in eine Giessform. Y steht für den Wärmefluss [W/m2] und X für die Zeit [s] in Sekunden. Gegossen wird eine Gussplatte aus Aluminium einer Dicke von 5 mm.The schematic, circular section Q of the mold cavity 10 shown in FIG. 1b is indicated by dashed lines in FIG. 1a. The mold cavity 10 is formed by the first mold insert 2a and the second mold insert 2b. The two mold inserts 2a, 2b each contain a base body 21, 22 made of aluminum or an aluminum alloy, which has a permanently fixed coating 20 made of an airgel, preferably a silica airgel, with a thickness of 10-100 on the surface facing the foam cavity 10 μm. In a modified version of the present invention example, the sprue 3 and / or the pouring chamber 4 can also contain a coating of an airgel of the specified thickness. 2 shows the course over time of a modeled heat flow from an aluminum melt at a temperature of 660 ° C. into a casting mold. Y stands for the heat flow [W / m 2 ] and X for the time [s] in seconds. A cast plate made of aluminum with a thickness of 5 mm is cast.
Die Kurve A repräsentiert den modellierten Verlauf des Wärmeflusses in eine Giessform aus Aluminium, welche auf eine Ausgangstemperatur von 20°C vorgewärmt wurde. Die Kurve B zeigt den modellierten Wärmefluss durch eine Giessform aus Stahl, welche auf eine Ausgangstemperatur von 200°C vorgeheizt wurde. Die Kurve C zeigt den modellierten Verlauf des Wärmeflusses in eine Giessform aus Aluminium, welche auf eine Ausgangstemperatur von 20°C vorgewärmt wurde, wobei die Giessform zum Formhohlraum hin eine Beschichtung aus einem Kieselsäure-Aerogel mit einer Wärmeleitfähigkeit von k=0,02 W/mK und einer Dicke von 10 μm enthält. Die Kurve D zeigt den modellierten Verlauf des Wärmeflusses in eine Giessform aus Aluminium, welche auf eine Ausgangstemperatur von 20°C vorgewärmt wurde, wobei die Giessform zum Formhohlraum hin eine Beschichtung
aus einem Kohlenstoff-Aerogel mit einer Wärmeleitfähigkeit von k=0,02 W/mK und einer Dicke von 100 μm enthält.Curve A represents the modeled course of the heat flow into a casting mold made of aluminum, which was preheated to an initial temperature of 20 ° C. Curve B shows the modeled heat flow through a steel mold, which was preheated to an initial temperature of 200 ° C. Curve C shows the modeled course of the heat flow into a casting mold made of aluminum, which was preheated to an initial temperature of 20 ° C., the casting mold facing the mold cavity a coating of a silica airgel with a thermal conductivity of k = 0.02 W / mK and a thickness of 10 microns contains. Curve D shows the modeled course of the heat flow into a casting mold made of aluminum, which has been preheated to an initial temperature of 20 ° C., the casting mold coating the mold cavity contains a carbon airgel with a thermal conductivity of k = 0.02 W / mK and a thickness of 100 μm.
Der Verlauf der einzelnen Kurven A-D zeigt, wie durch die Aerogel-Beschichtung der Giessform der maximale Wärmefluss durch die Giessform zu Beginn des Giessprozesses sowohl gegenüber der reinen Aluminium- als auch gegenüber der reinen Stahlgiessform markant reduziert wird. Dies bedeutet, dass sich die mit einem Aerogel beschichtete Giessform auf wesentlich tiefere Maximal-Temperaturen erwärmt und die Metallschmelze weniger schnell abkühlt. Bei der Kurve C nimmt der Wärmefluss im Vergleich zu Kurve A und B im Zeitverlauf jedoch weniger schnell ab und liegt nach einer bestimmten Zeit sogar über dem Wärmefluss der Kurven A und B. Es findet also eine Verteilung des Wärmeflusses mit flachem Verlauf über die Zeit statt. Der Wärmefluss in der Giessform mit einer dik- keren 100 μm Aerogel-Schicht (Kurve D) bleibt im Vergleich zu den anderen drei Kurven A, B und C über den gesamten Zeitraum hinweg vergleichsweise tief.The course of the individual curves A-D shows how the airgel coating of the casting mold significantly reduces the maximum heat flow through the casting mold at the beginning of the casting process compared to both the pure aluminum and the pure steel casting mold. This means that the mold coated with an airgel heats up to much lower maximum temperatures and the metal melt cools down less quickly. In the case of curve C, however, the heat flow decreases less quickly over time compared to curves A and B and, after a certain time, is even above the heat flow of curves A and B. A distribution of the heat flow with a flat course takes place over time , The heat flow in the casting mold with a thicker 100 μm airgel layer (curve D) remains comparatively low compared to the other three curves A, B and C over the entire period.
Die nachfolgende Tabelle 1 enthält Werte für die Erstarrungszeiten in Sekunden und die maximal erreichten Giessformtemperaturen beim Giessen einer Aluminiumplatte einer Dik- ke von 2 mm resp. 5 mm bei Verwendung einer auf 200°C vorgeheizten Stahlgiessform, einer auf 20°C vorgewärmten Aluminiumgiessform, einer auf 20°C vorgewärmten Alumini- umgiessform mit einer 10 μm dicken Aerogel-Beschichtung und einer auf 20°C vorgewärmten Aluminiumgiessform mit einer 100 μm dicken Aerogel-Beschichtung. Beide Aero- gel-Beschichtungen weisen eine Wärmeleitfähikgeit von k=0,02 W/mK auf.The following Table 1 contains values for the solidification times in seconds and the maximum mold temperatures reached when casting an aluminum plate with a thickness of 2 mm or. 5 mm when using a steel mold preheated to 200 ° C, an aluminum mold preheated to 20 ° C, an aluminum mold preheated to 20 ° C with a 10 μm thick airgel coating and an aluminum mold preheated to 20 ° C with a 100 μm thick airgel coating. Both Aerogel coatings have a thermal conductivity of k = 0.02 W / mK.
Aus den Tabellenwerten geht hervor, dass durch Verwendung einer Aerogel-Beschichtung die Giessform durch kontrollierte Wärmeabfuhr kleineren thermischen Belastungen ausgesetzt ist, dafür jedoch die Erstarrungszeiten und somit die Zykluszeiten zunehmen.The table values show that by using an airgel coating, the mold is exposed to smaller thermal loads through controlled heat dissipation, but the solidification times and therefore the cycle times increase.
Fig. 2 und Tabelle 1 zeigen ferner, dass durch Variation in der Aerogel-Schichtdicke einer- seits die maximale thermische Belastung des Giessformkörpers und andererseits der zeitliche Verlauf des Wärmeflusses aus der Metallschmelze in die Giessform gezielt und kontrolliert gesteuert werden kann. Bei der Wahl der Schichtdicke des Aerogels, d.h. bei der Festlegung eines besimmten Wärmeflussverlaufs, muss deshalb einerseits die thermische Belastbarkeit der Giessformmaterialien, die Wirtschaftlichkeit bezüglich längeren Zyklus- Zeiten, sowie die Formgeometrie bezüglich der Füllzeiten und der Beibehaltung der Fliessfähigkeit der Schmelze während der Formfüllung berücksichtigt werden.
2 and Table 1 further show that by varying the airgel layer thickness on the one hand the maximum thermal load on the casting mold body and on the other hand the time course of the heat flow from the molten metal into the casting mold can be controlled in a targeted and controlled manner. When choosing the layer thickness of the airgel, i.e. when determining a specific heat flow curve, the thermal load capacity of the casting mold materials, the economy with regard to longer cycle times, the geometry of the filling times and the maintenance of the flowability of the melt during mold filling must be taken into account become.
Tabelle 1
Table 1