WO2010007180A2 - Kerne auf der basis von salz und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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WO2010007180A2
WO2010007180A2 PCT/EP2009/059317 EP2009059317W WO2010007180A2 WO 2010007180 A2 WO2010007180 A2 WO 2010007180A2 EP 2009059317 W EP2009059317 W EP 2009059317W WO 2010007180 A2 WO2010007180 A2 WO 2010007180A2
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soluble
soluble salt
salt cores
core
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Dirk Thiemann
Gudrun Schiller
Dieter Käfer
Peter Stingl
Harald Hudler
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Ceramtec Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/105—Salt cores

Definitions

  • the invention relates to cores and a method for producing cores from salt by core shooting for use as a cavity placeholder in the production of metallic castings, preferably via the die casting technology, which dissolve completely without leaving solid residues in a solvent and therefore completely and easily from the Have workpieces removed.
  • Nuclei which are used in the casting of metal workpieces in the molds to keep the cavities provided in the workpieces when filling the molds with the melt, are subject to significantly higher requirements than, for example, sand casting or low-pressure chill casting.
  • the cores must be easy to produce, dimensionally stable and contour-accurate, and the materials used for their production and the solvent dissolving them should not affect the casting quality, the environment or cause any health hazards.
  • the surface of the cores must be particularly smooth and contour-accurate and the cores must dissolve completely in a suitable solvent and can be easily removed without leaving solid residue from the cavities of the workpieces .
  • Residues of cores containing non-dissolvable components such as quartz sand can cause damage to surfaces to be refined or cause the failure of an aggregate, for example, when core residues lead to blockage of an injector in the common rail system of a diesel engine.
  • Object of the present invention is to produce cores of salt, which have the necessary strength during die casting of the workpieces and can be easily and completely removed from the workpieces.
  • salt cores according to the so-called core shooting method, also called shot salt cores, which withstand the extreme stresses which occur, for example, in die-cast aluminum. That is, the cores must on the one hand have a high strength and on the other hand can easily be dissolved out of the casting after casting.
  • sand cores can be prepared with water glass as a binder, which have a maximum strength of 500 N / cm 2 . Significantly higher values are achieved in the cores according to the invention, and yet the cores can be easily removed after casting without residue.
  • the cores according to the invention consist of a salt, the binder and optionally fillers, additives and catalysts can be mixed. These cores are intended for workpieces cast using nonferrous metals, such as aluminum, brass or copper, by the die casting process.
  • the cores according to the invention are composed of substances which dissolve completely in water as a preferred solvent for reasons of environmental protection and can thus be removed without residue from the cavities of the workpieces.
  • the cores according to the invention have the advantage that they are composed of substances which, when handled properly, do not show any gas-releasing reactions which pollute the environment, neither during their preparation nor during the casting process.
  • the quality of the castings is improved by avoiding casting defects such as blowholes, gas pores or the like due to the formation of corrosive gases.
  • the substances can be recovered by suitable processes from the liquid phase, for example the salt by spray drying or evaporation.
  • All compositions of the core materials according to the invention can be processed in conventional core shooters by core shooting as a shaping process.
  • the complexity of the geometry of the cores determines the core shooting parameters as well as the design and design of the tool for making the cores and shooting head of the core shooter.
  • the core shooting allows the production of geometrically very complicated cores built with great contour accuracy on the surface and homogeneous structure with uniform density and strength.
  • Suitable materials for the cores according to the invention are the water-soluble salts of alkali and alkaline earth elements such as sodium chloride, potassium chloride and magnesium chloride, the water-soluble sulfates and nitrates of alkali and alkaline earth elements such as potassium sulfate in particular, magnesium sulfate, and water-soluble ammonium salts such as ammonium sulfate.
  • alkali and alkaline earth elements such as sodium chloride, potassium chloride and magnesium chloride
  • the water-soluble sulfates and nitrates of alkali and alkaline earth elements such as potassium sulfate in particular, magnesium sulfate
  • water-soluble ammonium salts such as ammonium sulfate.
  • all easily soluble salts are suitable whose decomposition or melting point is above the temperature of the liquid molten metal.
  • the core materials can be easily and simply divided into the desired grain sizes or grain classes.
  • the chosen particle size distribution influences in particular the surface properties of the cores. The smaller the grain size, the smoother the surface.
  • the highest possible degree of filling is sought, which can be achieved by mixing different salts and optionally the additional substances with different distribution curves, for example by a bi- or trimodal grain distribution of the mixture.
  • grain sizes in the range of 0.01 mm to 2 mm are selected, depending on the material, desired surface quality and contour accuracy of the workpiece to be cast.
  • Water-soluble fillers may optionally replace part of the salt, up to 30% by volume, so as not to adversely affect the density and strength.
  • the grain size of the filler is suitably adjusted to the grain size or the particle size distribution of the salt.
  • a suitable binder or a suitable binder system is added to the salt before the core shooting.
  • All binders are possible which, after the curing process, are completely water-soluble, which well wet the salt and optionally the fillers, the mixture of these substances being malleable into cores by means of core shooting.
  • Silicate binders are generally suitable if they are water-soluble. It is also possible to use the water-soluble alkali metal and ammonium phosphates or binders of monoaluminum phosphate. Binders of soluble water glass are preferred.
  • the amount added depends on the water glass module, 1 to 5, and is dependent on Wetting behavior, between 0.5 wt .-% and 15 wt .-%, preferably 5 wt .-% to 8 wt .-%.
  • Wetting behavior between 0.5 wt .-% and 15 wt .-%, preferably 5 wt .-% to 8 wt .-%.
  • the properties of a mixture of salt, optionally filler and binder or binder system can be influenced by the targeted addition of additives. It is also a prerequisite here that these additives or the reaction products of these additives are completely removable from the cavity of a workpiece completely and without residue by dissolution in water, and that during casting no gasses adversely affecting the casting process are released, which can lead to casting defects.
  • these additives may include: wetting agents, additives which influence the consistency of the mixture, lubricants, deagglomeration additives, gelling agents, additives which alter the thermophysical properties of the core, for example the thermal conductivity, additives which prevent the metal from sticking to the cores Additives, which lead to a better homogenization and miscibility, additives, which increase the storability, additives, which prevent a premature hardening, additives, which prevent a smoke and condensate formation during the casting as well as additives, which lead to the acceleration of the hardening. These additives are known to those skilled in the art of making conventional cores. Their added quantity depends on the type and composition of the core material.
  • the gas influencing the core material preferably CO2 or air, in particular for hardening and drying of the cores, can be blown into the still closed form after firing.
  • the pressure may be lower than when shooting the cores and be up to about 5 bar.
  • a thermal aftertreatment of the cores at temperatures up to 500 ° C. is also possible.
  • a thermal treatment takes place already during shaping in the mold by heating it to a temperature matched to the core material.
  • the core material is composed of the salt and the binder and the additives such as fillers, additives and catalysts, if necessary, wherein the fillers and binders are inorganic. All substances can be homogeneously mixed with known mixing units. The amount of binder and additive additives to be added depends on the purpose of the cores and determines the surface quality as well as the density and strength of the cores.
  • the processing of the core materials is carried out separately from the core shooting process, where appropriate, suitable protective measures to prevent agglomeration and premature curing must be provided.
  • suitable protective measures to prevent agglomeration and premature curing must be provided.
  • treatment, transport and storage can also take place under protective gas.
  • Substances which alter the properties of the other materials of the core material are advantageously fed directly into the core shooter.
  • the mixing then takes place in the gas stream, which transports the other substances into the mold.
  • the core material is pressed between 1 bar and 10 bar, adjusted to the composition of the Core material or on the filling and flow of the mass injected into the mold.
  • the filling pressure is dependent on the particle size distribution or the grain size and grain shape. Fine-grained salts generally require higher shooting pressures.
  • composition and properties of a core have a significant impact on the quality of the die cast part. With reference to an embodiment, therefore, the most important properties are listed here.
  • the properties given refer to cores that are not coated with a size.
  • the core uses a core of NaCI with the following additional substances such as water glass binders and other additives such as release agents, setting retardants, wetting agents, etc.
  • the core was formed at a pressure of 6 bar on a core shooter. He was subjected to a thermal treatment of 1 min duration at 200 0 C for curing.
  • the present core is particularly suitable for use in die-cast aluminum. In aluminum die casting, liquid aluminum is pressed into the mold at a pressure of 10 MPa to 200 MPa. It flows into the mold at a speed of up to 120 m / sec. In order to withstand the forces occurring during casting, the core must be dimensionally stable. The mechanical properties of the material were determined on a sample measuring 180 mm in length, 22 mm in width and 22 mm in height. The flexural strength, measured according to VDG leaflet P73 (February 1996) is 1400 N / cm 2 .
  • the porosity also plays a decisive role.
  • the pore content is 30% in this embodiment.
  • salt cores based on sodium chloride have a density of 1.2 g / cm 3 to 1.8 g / cm 3 , determined by the buoyancy method. This corresponds to a porosity of 10% to 35%.
  • the flexural strength, measured according to VDG leaflet P73, is between 400 N / cm 2 and 1500 N / cm 2 .
  • the core After the die casting has cured, the core must be removed. It is important that the core completely and easily dissolves immediately and without solid residues.
  • the dissolution rate of the core material naturally depends on the core material and its pretreatment as well as the core size. For pure salt, it may differ from that for a composition with binder and fillers. Experiments with a die cast test part have shown that a core measuring 22 mm ⁇ 22 mm ⁇ 180 mm completely turns out with hot water within 1 minute to 2 minutes wash out the casting.
  • the present invention accordingly relates to:
  • the shaped cores have a density of 1.2 g / cm 3 to 1.8 g / cm 3 ;
  • water-soluble salts used are those whose decomposition or melting point is above the temperature of the liquid metal;
  • water-soluble salts used are chlorides of the alkali and alkaline earth elements, in particular sodium chloride, potassium chloride and / or magnesium chloride, water-soluble sulfates and nitrates of the alkali and alkaline earth elements, in particular potassium sulfate and / or magnesium sulfate, water-soluble ammonium salts, in particular ammonium sulfate or mixtures of these salts;
  • a portion of the core material contains a water-soluble filler, that the grain size of the filler is matched to the grain size of the core material and that the proportion of the filler in the core material up to 30
  • Vol .-% may be
  • binder water-soluble silicate compounds preferably water glasses, alkali phosphates, ammonium phosphates and / or monoaluminum phosphate or mixtures of these compounds are used;
  • binders between 0.5 wt .-%, and 15 wt .-% is;
  • binder is a water glass and the proportion of the binder, depending on the wetting behavior and water glass module between 0.5 wt .-% and 15 wt .-%;
  • water-soluble salt sodium chloride with a particle size between 0.01 mm and 2 mm and the binder is water glass;
  • binder water glass in a proportion of 0.5 wt .-% to 15 wt .-%, depending on the particle size distribution and matched to the water glass module, is included;
  • Wt .-% is and wherein the shaping in a core shooting machine with a shooting pressure of 6 bar at room temperature and is cured with hot air;
  • the density is 1.35 g / cm 3
  • the open porosity is 30%
  • the flexural strength is 1400 N / cm 2 ;
  • salt cores are heat treated after shaping at a temperature of 500 0 C.
  • the present invention therefore furthermore relates to:
  • Grain size distribution or the grain size and grain shape is formed to the salt core
  • salt cores are molded at pressures of 1 bar to 10 bar;
  • the components are mixed with particle sizes of different distribution curves, preferably by a bi- or trimodal grain distribution of the components in order to achieve a high degree of filling of the molds by the mixture (the core material);
  • water-soluble salts of the alkali and alkaline earth chlorides especially sodium chloride, potassium chloride and / or magnesium chloride, water-soluble sulfates and nitrates of alkali and alkaline earth elements, especially potassium sulfate and / or magnesium sulfate, and water-soluble ammonium salts, especially ammonium sulfate or mixtures of these salts which, if appropriate with the additional auxiliaries, are mixed homogeneously and shaped into a core;
  • the core materials are used with particle sizes in the range of 0.01 mm to 2 mm, depending on the material, the desired surface quality and contour accuracy of the metal to be cast workpiece;
  • the additional filler or additional fillers are added to the core material in a proportion of up to 30 vol .-% and the Grain size of the filler is matched to the grain size of the salt or salts;
  • binders are added with a proportion depending on the specific surface, the wetting behavior and the particle size distribution, and that these binders are preferably water-soluble silicate compounds, in particular water glasses, alkali phosphates, ammonium phosphates and monoaluminum phosphate;
  • nuclei are gassed after firing with gases tailored to the core material for hardening
  • cores are hardened after firing by a heat treatment adapted to the core material at temperatures up to 500 0 C.
  • the enumerated with o lists mean optional, preferably embodiments of the inventive method for producing water-soluble salt cores.

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Abstract

An Kerne, die beim Druckgießen von Werkstücken aus Metall in die Form eingesetzt werden, um die in den Werkstücken vorgesehenen Hohlräume beim Füllen der Formen mit der Schmelze freizuhalten, werden hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Formstabilität und Entfernbarkeit aus den Hohlräumen gestellt. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, dass der Kernwerkstoff in Wasser vollständig lösbar und mit Wasser rückstandsfrei aus den Werkstücken entfernbar ist und dass die Kerne aus Salzen in nicht flüssiger Form und den zusätzlichen Stoffen nach dem Kernschießverfahren mit Drücken, abgestimmt auf die Zusammensetzung des Kernwerkstoffs, mit den auf den jeweiligen Werkstoff, mit dem sie umschlossen werden, herstellbar sind.

Description

Kerne auf der Basis von Salz und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft Kerne sowie ein Verfahren zur Herstellung von Kernen aus Salz mittels Kernschießen zur Verwendung als Hohlraumplatzhalter bei der Herstellung von metallischen Gussteilen, vorzugsweise über die Druckgusstechnologie, die sich ohne Verbleib fester Rückstände in einem Lösungsmittel vollständig auflösen und sich deshalb vollständig und problemlos aus den Werkstücken entfernen lassen.
An Kerne, die beim Druckgießen von Werkstücken aus Metall in die Formen eingesetzt werden, um die in den Werkstücken vorgesehenen Hohlräume beim Füllen der Formen mit der Schmelze freizuhalten, werden deutlich höhere Anforderungen als beispielsweise beim Sandguss oder beim Niederdruck- Kokillenguss gestellt. Die Kerne müssen sich leicht herstellen lassen, formstabil und konturgenau sein und die für ihre Herstellung verwendeten Werkstoffe sowie die sie auflösenden Lösungsmittel sollen weder die Gussqualität, noch die Umwelt belasten und keine gesundheitlichen Gefährdungen verursachen.
Werden an die Oberfläche und die Konturgenauigkeit der Hohlräume der Werkstücke besondere Anforderungen gestellt, muss die Oberfläche der Kerne besonders glatt und konturgenau sein und die Kerne müssen sich völlig in einem geeigneten Lösungsmittel auflösen und sich ohne Verbleib fester Rückstände aus den Hohlräumen der Werkstücke leicht entfernen lassen. Rückstände von Kernen, die nicht lösbare Komponenten enthalten wie beispielsweise Quarzsand, können zu einem Schaden an zu veredelnden Oberflächen führen oder den Ausfall eines Aggregats bewirken, beispielsweise wenn Kernrückstände zur Verstopfung einer Einspritzdüse im Commonrailsystem eines Dieselaggregates führen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Kerne aus Salz herzustellen, welche beim Druckguss der Werkstücke die notwendige Festigkeit aufweisen und sich leicht und vollständig aus den Werkstücken entfernen lassen.
Bisher ist es nach dem Stand der Technik noch nicht gelungen, Salzkerne nach dem so genannten Kernschießverfahren, auch geschossene Salzkerne genannt, herzustellen, welchen den extremen Beanspruchungen, die beispielsweise beim Aluminium-Druckguss auftreten, standhalten. Das heißt, die Kerne müssen einerseits eine hohe Festigkeit aufweisen und sich andererseits nach dem Guss leicht aus dem Gussteil herauslösen lassen. Nach dem Stand der Technik lassen sich Sandkerne mit Wasserglas als Binder herstellen, die eine maximale Festigkeit von 500 N/cm2 aufweisen. Bei den erfindungsgemäßen Kernen werden deutlich höhere Werte erreicht und dennoch lassen sich die Kerne nach dem Guss leicht und rückstandsfrei entfernen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Kernen entsprechend dem ersten Anspruch sowie mit einem Verfahren zur Herstellung dieser Kerne nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Die erfindungsgemäßen Kerne bestehen aus einem Salz, dem Binder und wahlweise Füllstoffe, Additive und Katalysatoren beigemischt werden können. Diese Kerne sind für Werkstücke vorgesehen, die nach dem Druckgussverfahren aus Nichteisenmetallen gegossen werden, beispielsweise Aluminium, Messing oder Kupfer. Die erfindungsgemäßen Kerne sind aus Stoffen zusammengesetzt, die sich vollständig in Wasser als aus Gründen des Umweltschutzes bevorzugtes Lösungsmittel auflösen und sich so rückstandsfrei aus den Hohlräumen der Werkstücken entfernen lassen. Die erfindungsgemäßen Kerne haben den Vorteil, dass sie aus Stoffen zusammengesetzt sind, die bei sachgerechter Handhabung keinerlei gasabspaltende Reaktionen zeigen, welche die Umwelt belasten, weder bei ihrer Herstellung, noch beim Gießprozess. Dadurch, dass beim Gießen keine Gase entstehen, wird die Qualität der Gussteile verbessert, indem Gießfehler wie Lunker, Gasporen o. ä. durch entstehende Kerngase vermieden werden können. Bei ihrer Entfernung aus den Werkstücken entstehen keine Rückstände, die einer besonderen Entsorgung bedürfen. Je nach Zusammensetzung lassen sich die Stoffe durch geeignete Verfahren aus der flüssigen Phase zurückgewinnen, beispielsweise das Salz durch Sprühtrocknen oder Eindampfen.
Alle erfindungsgemäßen Zusammensetzungen der Kernwerkstoffe lassen sich in herkömmlichen Kernschießmaschinen durch Kernschießen als Formgebungsverfahren verarbeiten. Die Komplexität der Geometrie der Kerne bestimmt die Kernschießparameter sowie die Gestaltung und konstruktive Auslegung des Werkzeugs zur Herstellung der Kerne und des Schießkopfes der Kernschießmaschine. Gegenüber der Formgebung durch Pressen, bei der die Kernwerkstoffe in ein Formwerkzeug eingefüllt und dann unter Druck verdichtet werden, ermöglicht das Kernschießen die Herstellung geometrisch sehr kompliziert aufgebauter Kerne mit großer Konturgenauigkeit an der Oberfläche sowie homogenem Gefüge mit gleichmäßiger Dichte und Festigkeit.
Als Werkstoff für die erfindungsgemäßen Kerne eignen sich die wasserlöslichen Salze der Alkali- und Erdalkalielemente wie insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Magnesiumchlorid, die wasserlöslichen Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente wie insbesondere Kaliumsulfat, Magnesiumsulfat, sowie wasserlösliche Ammoniumsalze wie insbesondere Ammoniumsulfat. Diese Stoffe können einzeln oder auch als Mischung eingesetzt werden, so weit sie nicht miteinander reagieren und so die gewünschten Eigenschaften negativ beeinflussen, denn der Kernwerkstoff soll bei der Kernherstellung keine Stoffumwandlung - A -
erfahren, die seine Löslichkeit negativ beeinflusst. Generell sind alle leicht löslichen Salze geeignet, deren Zersetzungs- oder Schmelzpunkt oberhalb der Temperatur der flüssigen Metallschmelze liegt. Die Kernwerkstoffe lassen sich, vergleichbar mit Sand, leicht und einfach in die gewünschten Korngrößen beziehungsweise Kornklassen aufteilen. Durch die gewählte Korngrößenverteilung wird insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit der Kerne beeinflusst. Je geringer die Korngröße, desto glatter die Oberfläche. Generell wird ein möglichst hoher Füllungsgrad angestrebt, was durch Mischung verschiedener Salze und gegebenenfalls der zusätzlichen Stoffe mit unterschiedlichen Verteilungskurven erreicht werden kann, beispielsweise durch eine bi- oder trimodale Kornverteilung der Mischung.
Erfindungsgemäß werden Korngrößen im Bereich von 0,01 mm bis zu 2 mm gewählt, je nach Werkstoff, gewünschter Oberflächengüte und Konturgenauigkeit des zu gießenden Werkstücks.
Wasserlösliche Füllstoffe können gegebenenfalls einen Teil des Salzes so weit ersetzen, bis zu 30 Vol.-%, wie dadurch die Dichte und Festigkeit nicht negativ beeinflusst werden. Die Korngröße des Füllstoffs wird zweckmäßigerweise auf die Korngröße bzw. die Korngrößenverteilung des Salzes abgestimmt.
Um die erforderliche Stabilität der Kerne nach dem Kernschießen zu gewährleisten, wird vor dem Kernschießen dem Salz ein geeigneter Binder bzw. ein geeignetes Bindersystem zugegeben. Es sind alle Binder möglich, die nach dem Aushärtevorgang vollständig wasserlöslich sind, welche das Salz und gegebenenfalls die Füllstoffe gut benetzen, wobei die Mischung dieser Stoffe mittels Kernschießen zu Kernen formbar ist. Generell sind silikatische Binder geeignet, wenn sie wasserlöslich sind. Einsetzbar sind auch die wasserlöslichen Alkali- und Ammoniumphosphate oder Binder aus Monoaluminiumphosphat. Bevorzugt werden Binder aus löslichem Wasserglas. Die Zugabemenge ist abhängig vom Wasserglasmodul, 1 bis 5, und liegt, abhängig vom Benetzungsverhalten, zwischen 0,5 Gew.-% und 15 Gew.-% vorzugsweise 5 Gew.-% bis 8 Gew.-%. Um die für das Druckgussverfahren notwendigen Eigenschaften wie Festigkeit und Formstabilität zu erreichen, können auch spezielle Mischungen von Bindern eingesetzt werden.
Die Eigenschaften einer Mischung von Salz, gegebenenfalls Füllstoff und Binder bzw. Bindersystem kann durch die gezielte Zugabe von Additiven beeinflusst werden. Voraussetzung ist auch hier, dass diese Additive oder die Reaktionsprodukte dieser Additive durch Auflösung in Wasser vollständig und rückstandsfrei aus dem Hohlraum eines Werkstücks leicht entfernbar sind und dass beim Gießen keine den Gießvorgang negativ beeinträchtigenden Gase freigesetzt werden, welche zu Gießfehlern führen können. Je nach Zusammensetzung der Kernwerkstoffe können diese Additive sein: Benetzungsmittel, die Konsistenz der Mischung beeinflussende Zusätze, Gleitmittel, Deagglomehsierungszusätze, Gelierungsmittel, Zusätze, die die thermophysikalischen Eigenschaften des Kerns verändern, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, Zusätze, die ein Ankleben des Metalls an den Kernen verhindern, Zusätze, die zu einer besseren Homogenisierung und Mischbarkeit führen, Zusätze, die die Lagerfähigkeit erhöhen, Zusätze, die eine vorzeitige Aushärtung verhindern, Zusätze, die eine Qualm- und Kondensatbildung beim Gießen verhindern sowie Zusätze, die zur Beschleunigung der Aushärtung führen. Diese Additive sind dem Fachmann von der Herstellung herkömmlicher Kerne bekannt. Ihre Zugabemenge richtet sich nach der Art und Zusammensetzung des Kern Werkstoffs.
Damit die Kerne nach dem Kernschießen die erforderliche Festigkeit aufweisen, kann es, je nach Zusammensetzung des Kernwerkstoffs, erforderlich sein, darauf abgestimmte Katalysatoren einzusetzen, die die Aushärtung einleiten und beschleunigen. Bei gasförmigen Katalysatoren kann das den Kernwerkstoff beeinflussende Gas, vorzugsweise CO2 oder Luft, insbesondere zur Aushärtung und Trocknung der Kerne nach dem Schießen in die noch geschlossene Form eingeblasen werden. Der Druck kann geringer sein als beim Schießen der Kerne und etwa bis zu 5 bar betragen.
Möglich ist auch eine thermische Nachbehandlung der Kerne bei Temperaturen, bis zu 5000C. In der Regel erfolgt eine thermische Behandlung bereits während der Formgebung in der Form durch deren Beheizung auf eine auf den Kernwerkstoff abgestimmte Temperatur.
Der Kernwerkstoff wird aus dem Salz und dem Binder sowie den Zusatzstoffen wie Füllstoffe, Additive und Katalysatoren, sofern sie erforderlich sind, zusammengesetzt, wobei die Füllstoffe und Binder anorganisch sind. Alle Stoffe können mit bekannten Mischaggregaten homogen gemischt werden. Die Zugabemenge von Binder und Zusatzstoffen ist in Abhängigkeit des Verwendungszwecks der Kerne zu wählen und bestimmt die Oberflächengüte sowie die Dichte und Festigkeit der Kerne.
Die Aufbereitung der Kernwerkstoffe erfolgt getrennt vom Kernschießprozess, wobei gegebenenfalls geeignete Schutzmaßnahmen zur Verhinderung von Agglomeration und vorzeitiger Aushärtung vorgesehen werden müssen. Beispielsweise können, je nach Zusammensetzung des Kernwerkstoffs, Aufbereitung, Transport und Lagerung auch unter Schutzgas erfolgen.
Stoffe, die die Eigenschaften der anderen Stoffe des Kernwerkstoffs verändern, insbesondere die, die für die Aushärtung erforderlich sind, werden vorteilhaft direkt in die Kernschießmaschine eingegeben. Die Durchmischung erfolgt dann in dem Gasstrom, der die anderen Stoffe in die Form transportiert. Der Kernwerkstoff wird mit Drücken zwischen 1 bar und 10 bar, abgestimmt auf die Zusammensetzung des Kernwerkstoffs beziehungsweise auf das Füll- und Fließvermögen der Masse in die Form eingeblasen. Dabei ist der Fülldruck abhängig von der Korngrößenverteilung beziehungsweise der Korngröße und Kornform. Feinkörnige Salze erfordern im Allgemeinen höhere Schießdrücke.
Die Zusammensetzung und die Eigenschaften eines Kerns haben wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Druckgussteiles. An Hand eines Ausführungsbeispiels werden deshalb die wichtigsten Eigenschaften hier aufgeführt. Die angegebenen Eigenschaften beziehen sich auf Kerne, die nicht mit einer Schlichte überzogen sind.
Zum Einsatz kommt ein Kern aus NaCI mit folgenden zusätzlichen Stoffen wie Wasserglas-Binder und weiteren Zusätzen wie Trennmittel, Abbinderverzögerer, Benetzungsmittel u. a. Der Kern wurde mit einem Druck von 6 bar auf einer Kernschießmaschine geformt. Er wurde einer thermischen Behandlung von 1 min Dauer bei 200 0C zur Aushärtung unterzogen. Der vorliegende Kern ist besonders geeignet für den Einsatz im Aluminiumdruckguss. Beim Aluminiumdruckguss wird flüssiges Aluminium mit einem Druck von 10 MPa bis 200 MPa in die Form gepresst. Es strömt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 120 m/sec in die Form. Um den beim Gießen auftretenden Kräften widerstehen zu können, muss der Kern formstabil sein. An einer Probe mit den Abmessungen von 180 mm Länge, 22 mm Breite und 22 mm Höhe wurden die mechanischen Werkstoffeigenschaften bestimmt. Die Biegefestigkeit, gemessen nach VDG-Merkblatt P73 (Februar 1996) beträgt 1400 N/cm2.
Beim Einströmen des Metalls darf die Oberfläche des Kerns nicht ausgespült oder beschädigt werden. Aus diesem Grund muss der Kern eine entsprechende Oberflächenfestigkeit aufweisen. Auch die Porosität spielt eine entscheidende Rolle. Der Porenanteil beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 30 %. In der Regel haben Salzkerne auf der Basis von Natriumchlorid eine Dichte von 1 ,2 g/cm3 bis 1 ,8 g/cm3, bestimmt nach dem Auftriebsverfahren. Das entspricht einer Porosität von 10 % bis 35 %. Die Biegefestigkeit, gemessen nach VDG- Merkblatt P73, liegt zwischen 400 N/cm2 und1500 N/cm2.
Nachdem das Druckgussteil ausgehärtet ist, muss der Kern entfernt werden. Dabei ist es wichtig, dass sich der Kern sofort und ohne feste Rückstände komplett und leicht auflöst. Die Auflösegeschwindigkeit des Kernwerkstoffs ist naturgemäß von dem Kernwerkstoff und seiner Vorbehandlung sowie der Kerngröße abhängig. Bei reinem Salz kann sie von der bei einer Zusammensetzung mit Binder und Füllstoffen abweichen Versuche mit einem Druckguss-Versuchsteil haben gezeigt, dass sich ein Kern mit den Abmessungen 22 mm x 22mm x 180 mm innerhalb von 1 min bis 2 min mit heißem Wasser komplett aus dem Gussteil auswaschen lässt.
Die vorliegende Erfindung betrifft folglich:
> Wasserlösliche Salzkerne, die durch Verdichten einer Mischung aus wasserlöslichen Salzen, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls zusätzlichen Hilfsstoffen wie Füllstoffen, Additiven und Katalysatoren (= Kernwerkstoff) unter Druck herstellbar sind, wobei das Bindemittel und die gegebenenfalls zusätzlichen Hilfsstoffe anorganisch sind und die Salzkerne mittels Kernschießverfahren geformt werden;
• wobei die Formgebung bei Drücken von 1 bar bis 10 bar erfolgt;
• wobei die geformten Kerne eine Dichte von 1 ,2 g/cm3 bis 1 ,8 g/cm3 aufweisen;
• wobei sie eine Porosität von 10 % bis 40 % aufweisen; • wobei sie eine Biegefestigkeit zwischen 400 N/cm2 und 1500 N/cm2 liegt;
• wobei als wasserlösliche Salze solche eingesetzt werden, deren Zersetzungs- oder Schmelzpunkt oberhalb der Temperatur des flüssigen Metalls liegt;
• wobei als wasserlösliche Salze Chloride der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, wasserlösliche Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat, wasserlösliche Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder Mischungen dieser Salze eingesetzt werden;
• wobei die Korngrößen der Kernwerkstoffe im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm liegen.
• wobei ein Teil des Kernwerkstoffs einen wasserlöslichen Füllstoff enthält, dass die Korngröße des Füllstoffs auf die Korngröße des Kernwerkstoffs abgestimmt ist und dass der Anteil des Füllstoffs am Kernwerkstoff bis zu 30
Vol.-% betragen kann;
• wobei als Bindemittel wasserlösliche Silikatverbindungen, vorzugsweise Wassergläser, Alkaliphosphate, Ammoniumphosphate und / oder Monoaluminiumphosphat oder Mischungen dieser Verbindungen eingesetzt werden;
• wobei der Anteil an Bindemitteln zwischen 0,5 Gew.-%, und 15 Gew.-% liegt; • wobei das Bindemittel ein Wasserglas ist und der Anteil des Bindemittels in Abhängigkeit vom Benetzungsverhalten und Wasserglasmodul zwischen 0,5 Gew.-% und 15 Gew.-% liegt;
• wobei das wasserlösliche Salz Natriumchlorid mit einer Korngröße zwischen 0,01 mm und 2 mm und das Bindemittel Wasserglas ist;
• wobei das Bindemittel Wasserglas mit einem Anteil von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung und abgestimmt auf den Wasserglasmodul, enthalten ist;
• wobei das wasserlösliche Salz Natriumchlorid mit einem Korngrößenbereich von 0,04 mm bis 0,6 mm, das Bindemittel Wasserglas mit einem Anteil von 6
Gew.-% ist und wobei die Formgebung in einer Kernschießmaschine mit einem Schießdruck von 6 bar bei Raumtemperatur erfolgt und mit heißer Luft ausgehärtet wird;
• wobei die Dichte 1 ,35 g/cm3 beträgt, die offene Porosität 30 % beträgt und die Biegefestigkeit bei 1400 N/cm2 liegt;
• wobei die Salzkerne nach der Formgebung bei einer Temperatur von 500 0C wärmebehandelt werden.
Die mit • gekennzeichneten Aufzählungen bedeuten optionale, vorzugsweise Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen wasserlöslichen Salzkerne.
Die vorliegende Erfindung betrifft folglich weiterhin:
> Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Salzkernen aus einer Mischung aus wasserlöslichen Salzen, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls zusätzlichen Hilfsstoffen wie Füllstoffen, Additiven und Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, dass die in Wasser vollständig lösbare und mit Wasser rückstandsfrei aus den Werkstücken entfernbare Mischung in nicht flüssiger Form homogen gemischt und nach dem Kernschießverfahren, mit Drücken abgestimmt auf die Zusammensetzung des Kernwerkstoffs, die
Korngrößenverteilung beziehungsweise die Korngröße und Kornform, zum Salzkern geformt wird;
o wobei die Salzkerne bei Drücken von 1 bar bis 10 bar geformt werden;
o wobei die Bestandteile mit Korngrößen unterschiedlicher Verteilungskurven, vorzugsweise durch eine bi- oder trimodale Kornverteilung der Bestandteile vermischt werden, um einen hohen Füllungsgrad der Formen durch die Mischung (den Kernwerkstoff) zu erreichen;
o wobei als wasserlösliche Salze Chloride der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, wasserlösliche Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat, sowie wasserlösliche Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder Mischungen dieser Salze gewählt werden, die, gegebenenfalls mit den zusätzlichen Hilfsstoffen, homogen gemischt und zum Kern geformt werden;
o wobei die Kernwerkstoffe mit Korngrößen im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm verwendet werden, je nach Werkstoff, gewünschter Oberflächengüte und Konturgenauigkeit des aus Metall zu gießenden Werkstücks;
o wobei der zusätzliche Füllstoff oder die zusätzlichen Füllstoffe mit einem Anteil von bis zu 30 Vol.-% am Kernwerkstoff zugegeben werden und die Korngröße des Füllstoffs auf die Korngröße des oder der Salze abgestimmt wird;
o wobei ein oder mehrere Binder zugegeben werden mit einem Anteil in Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche, dem Benetzungsverhalten und der Korngrößenverteilung, und dass diese Binder vorzugsweise wasserlösliche Silikatverbindungen, insbesondere Wassergläser, Alkaliumphosphate, Ammoniumphosphate und Monoaluminiumphosphat sind;
o wobei als Binder ein Wasserglas zugegeben wird mit einem Anteil von 5% Gew.-% bis 20 Gew.-%;
o wobei auf den Kernwerkstoff abgestimmte wasserlösliche Additive zugegeben werden;
o wobei auf den Kernwerkstoff abgestimmte wasserlösliche Katalysatoren zugegeben werden;
o wobei die Kerne nach dem Schießen mit auf den Kernwerkstoff abgestimmten Gasen zur Aushärtung begast werden;
o wobei die Begasung mit heißer Luft erfolgt;
o wobei die Begasung mit CO2 erfolgt;
o wobei der Druck bei der Begasung bis zu 10 bar beträgt;
o wobei die Kerne nach dem Schießen durch eine auf den Kernwerkstoff abgestimmte Wärmebehandlung bei Temperaturen bis zu 500 0C gehärtet werden. Die mit o gekennzeichneten Aufzählungen bedeuten optionale, vorzugsweise Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung wasserlöslicher Salzkerne.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserlösliche Salzkerne, die durch Verdichten einer Mischung aus wasserlöslichen Salzen, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls zusätzlichen Hilfsstoffen wie Füllstoffen, Additiven und Katalysatoren (= Kernwerkstoff) unter Druck herstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel und die gegebenenfalls zusätzlichen Hilfsstoffe anorganisch sind und die Salzkerne mittels Kernschießverfahren geformt werden.
2. Wasserlösliche Salzkerne gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung bei Drücken von 1 bar bis 10 bar erfolgt.
3. Wasserlösliche Salzkerne gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geformten Kerne eine Dichte von 1 ,2 g/cm3 bis 1 ,8 g/cm3 aufweisen.
4. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Porosität von 10 % bis 40 % aufweisen.
5. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Biegefestigkeit zwischen 400 N/cm2 und 1500 N/cm2 liegt.
6. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als wasserlösliche Salze solche eingesetzt werden, deren Zersetzungs- oder Schmelzpunkt oberhalb der Temperatur des flüssigen Metalls liegt.
7. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass als wasserlösliche Salze Chloride der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, wasserlösliche Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat, wasserlösliche Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder Mischungen dieser Salze eingesetzt werden.
8. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößen der Kernwerkstoffe im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm liegen.
9. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Kernwerkstoffs einen wasserlöslichen Füllstoff enthält, dass die Korngröße des Füllstoffs auf die Korngröße des Kernwerkstoffs abgestimmt ist und dass der Anteil des Füllstoffs am Kernwerkstoff bis zu 30 Vol-% betragen kann.
10. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel wasserlösliche Silikatverbindungen, vorzugsweise Wassergläser, Alkaliphosphate, Ammoniumphosphate und / oder Monoaluminiumphosphat oder Mischungen dieser Verbindungen eingesetzt werden.
11. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Bindemitteln zwischen 0,5 Gew.-%, und 15 Gew.-% liegt.
12. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Wasserglas ist und der Anteil des Bindemittels in Abhängigkeit vom Benetzungsverhalten und Wasserglasmodul zwischen 0,5 Gew.-% und 15 Gew.-% liegt.
13. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Salz Natriumchlorid mit einer Korngröße zwischen 0,01 mm und 2 mm und das Bindemittel
Wasserglas ist.
14. Wasserlösliche Salzkerne gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel Wasserglas mit einem Anteil von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung und abgestimmt auf den Wasserglasmodul, enthalten ist.
15. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Salz Natriumchlorid mit einem Korngrößenbereich von 0,04 mm bis 0,6 mm, das Bindemittel Wasserglas mit einem Anteil von 6 Gew.-% ist und wobei die Formgebung in einer Kernschießmaschine mit einem Schießdruck von 6 bar bei
Raumtemperatur erfolgt und mit heißer Luft ausgehärtet wird.
16. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte 1 ,35 g/cm3 beträgt, die offene Porosität 30 % beträgt und die Biegefestigkeit bei 1400 N/cm2 liegt.
17. Wasserlösliche Salzkerne gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzkerne nach der Formgebung bei einer Temperatur von 500 0C wärmebehandelt werden.
18. Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Salzkernen aus einer Mischung aus wasserlöslichen Salzen, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls zusätzlichen Hilfsstoffen wie Füllstoffen, Additiven und Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, dass die in Wasser vollständig lösbare und mit Wasser rückstandsfrei aus den Werkstücken entfernbare Mischung in nicht flüssiger Form homogen gemischt und nach dem Kernschießverfahren, mit Drücken abgestimmt auf die Zusammensetzung des
Kernwerkstoffs, die Korngrößenverteilung beziehungsweise die Korngröße und Kornform, zum Salzkern geformt wird.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzkerne bei Drücken von 1 bar bis 10 bar geformt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile mit Korngrößen unterschiedlicher Verteilungskurven, vorzugsweise durch eine bi- oder trimodale Kornverteilung der Bestandteile vermischt werden, um einen hohen Füllungsgrad der Formen durch die Mischung (den Kernwerkstoff) zu erreichen.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als wasserlösliche Salze Chloride der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, wasserlösliche Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat, sowie wasserlösliche Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder
Mischungen dieser Salze gewählt werden, die, gegebenenfalls mit den zusätzlichen Hilfsstoffen, homogen gemischt und zum Kern geformt werden.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kernwerkstoffe mit Korngrößen im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm verwendet werden, je nach Werkstoff, gewünschter Oberflächengüte und Konturgenauigkeit des aus Metall zu gießenden Werkstücks.
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