FORMSTOFF, FORMTEIL UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON FORMTEILEN FÜR EINE GIESSFORM

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Formstoff für die Herstellung von Formteilen für Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung aus einem derartigen Formgrundstoff erzeugte Formteile. Schließlich stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich aus erfindungsgemäßen Formstoffen Formteile herstellen lassen.

[0002] Als Grundstoff von Formstoffen, aus denen Formteile, wie Gießkerne, für Gießformen hergestellt werden, wird üblicherweise Quarzsand verwendet. Dieser Sand wird im Vorfeld in einen Mischer gegeben und darin mit einem Binder vermischt. Der durch diese Mischung erhaltene Formstoff wird dann in den die Form des zu erzeugenden Formteils bestimmenden Hohlraum eines Formwerkzeugs eingeschossen. Anschließend erfolgt die Verfestigung des Formteils in dem Formwerkzeug. Wird ein organischer, beispielsweise kunstharzbasierter Binder eingesetzt, wird dazu eine chemische Reaktion in dem in das Formwerkzeug eingeschossenen Formstoff hervorgerufen. Wird dagegen ein anorganischer, beispielsweise wasserglasbasierter Binder verwendet, so wird im Regelfall dem im Formwerkzeug enthaltenen Formstoff Wärme zugeführt, um durch Verdampfung des im Formstoff enthaltenen Wassers die Verfestigung des zu erzeugenden Formteils herbeizuführen. Es ist jedoch auch möglich, den Wasserglas enthaltenden Formstoff durch eine Begasung mit CO₂-Gas chemisch zu härten.

[0003] Die Verwendung von Quarzsand als Grundstoff für die Herstellung von Gießformteilen hat sich insbesondere im Bereich des Vergießens von Leichtmetallwerkstoffen in mehrfacher Hinsicht bewährt. So lässt sich derartiger Quarzsand kostengünstig beschaffen und zeichnet sich durch eine einfache Verarbeitbarkeit und eine gute Qualität bei der Abbildung der Formelemente des jeweils zu erzeugenden Gießformteils aus.

[0004] Bei Verwendung eines Formstoffs mit Quarzsand als Grundstoff, der einen auf Wasserglas basierenden Binder enthält, steht diesen Vorteilen allerdings der Nachteil gegenüber, dass an den von den Formteilen abgebildeten Gussteiloberflächen Sandanhaftungen verbleiben. Diese Anhaftungen können nur entfernt werden, indem die Gussteile in einem separaten Bearbeitungsprozess beispielsweise mit einem Strahlgut gestrahlt oder mit Druckwasser gereinigt werden.

[0005] Der Bearbeitungsaufwand und damit einhergehend die Kosten der Herstellung von Gussteilen steigt durch die Notwendigkeit der Nachbearbeitung an. Dabei ist der mit der Nachbearbeitung verbundene Aufwand insbesondere dann hoch, wenn die Formteile als Gießkerne eingesetzt werden, die Innenräume des Güssteils abbilden.

[0006] Es ist versucht worden, den mit der Reinigung von Gussteilen verbundenen Aufwand durch den Einsatz von Formstoffen zu vermindern, deren Formgrundstoff hohe Anteile von synthetischem Mullit enthalten. Formstoffe dieser Art besitzen die Eigenschaft, im Zuge der Erstarrung im Gussteil selbsttätig zu zerfallen, so dass sie nach abgeschlossener Gussteilerstarrung einfach entfernt werden können. Allerdings führen die dazu erforderlichen Mengen an Mullit zu hohen Kosten des Formgrundstoffs. JP-A-06 063683 offenbart die Verwendung von Chromitsend, also einen quartzfreien Sand, als Basis form stoFP für Formteile von Gieβformen.

[0007] Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, einen Formstoff zu nennen, der die kostengünstige Herstellung von Gießformteilen, insbesondere Gießkernen, ermöglicht. Darüber hinaus sollten kostengünstig herstellbare Formteile und ein Verfahren angegeben werden, das es ermöglicht, derartige Formteile zu erzeugen.

[0008] In Bezug auf den Formstoff für Formteile von Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein solcher Formstoff aus einem auf Basis von Olivin-Sand erzeugten Formgrundstoff und einem mit dem Formgrundstoff vermischten, auf Basis von Wasserglas erzeugten anorganischen Binder hergestellt ist.

[0009] Olivin-Sand ist ein weitverbreitetes Mineral das in großen Mengen kostengünstig erhältlich ist.

[0010] Überraschend hat es sich gezeigt, dass Formstoffe, die erfindungsgemäß auf Grundlage eines ganz oder zumindest zum weitaus überwiegenden Teil aus quarzfreien Olivin Sanden bestehenden Basisstoffes hergestellt werden, sich vom fertigen Gussteil auch dann einwandfrei ablösen, wenn sie mit einem Wasserglasbinder gebunden sind. Dabei sind die am Gussteil verbleibenden Sandhaftungen auf ein Minimum reduziert. Auf diese Weise kann auch bei Verwendung von Formteilen, die aus erfindungsgemäßen, einen Wasserglasbinder enthaltenden Formstoffen hergestellt sind, garantiert werden, dass sandanhaftungsfreie Gussteile erhalten werden.

[0011] Der erfindungsgemäße, auf Grundlage von quarzfreiem Olivin Sand, erzeugte Formstoff schafft die Vorraussetzung für eine kostengünstige Herstellung von Gussteilen. So ist bei Verwendung erfindungsgemäßer Formstoffe der Aufwand für die Sandentfernung gegenüber demjenigen Aufwand verringert, der bei der Reinigung von Gussteilen anfällt, die unter Verwendung von aus herkömmlichen, quarzhaltigen Formstoffen erzeugten Formteilen gegossen worden sind.

[0012] Grundsätzlich kann der erfindungsgemäß verwendete Formgrundstoff vollständig aus quarzfreiem Olivin Sand bestehen. Um jedoch neben der Anhaftungsfreiheit auch eine besonders einfache Entfernung der Formteile vom fertig erstarrten Gussteil zu gewährleisten, ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung möglich, dem Formgrundstoff einen Anteil an synthetischem Mullit zuzugeben. Dieser mit dem Hauptbestandteil quarzfreier Olivin-Sand vermischte Mullitanteil unterstützt den selbsttätigen, im Zuge der Erstarrung des Gießbauteils einsetzenden Zerfall der auf Basis des erfindungsgemäßen Formgrundstoffs erzeugten Formteile. Dies erweist sich als besonders günstig, wenn es sich bei den Formteilen um Gießkerne handelt, die im fertigen Gusstück Hohlräume abbilden.

[0013] Die durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Formstoffen erreichten positiven Wirkungen stellen sich bei allen gängigen Wassergläsern ein. Dies gilt insbesondere für solche Wassergläser, die ein Modul von 3,3 - 2 aufweisen.

[0014] Eine die Anforderungen der Praxis besonders gut erfüllende Formstoffzusammensetzung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass sie jeweils 1,5 - 3,0 Gew.-% Wasserglas enthält.

[0015] Zur Verbesserung der Sandlebenszeit kann der erfindungsgemäße Formstoff 0,3 - 0,5 Gew.-% Natronlauge enthalten.

[0016] In Bezug auf das Formteil wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Formteil für Gießformen, bei dem es sich insbesondere um einen Gießkern handelt, aus einem erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt ist.

[0017] Grundsätzlich stellen sich die durch Verwendung eines auf der Mischung von quarzfreien Sanden und einem anorganischen Wasserglasbinder basierenden Formstoffsystem beim Abguss von Leichtmetallschmelzen erreichten vorteilhaften Effekte unabhängig davon ein, nach welchem Verfahren die jeweiligen Formteile, insbesondere Gießkerne, hergestellt worden sind.

[0018] Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich das so genannte "Anorganische Warmbox Verfahren" für diesen Zweck besonders eignet. Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe in Bezug auf das Verfahren zum Herstellen eines Formteils für Gießformen, insbesondere zur Herstellung von Gießkernen, dementsprechend dadurch gelöst, dass folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden:

• Herstellen eines erfindungsgemäßen Formstoffs,
• Einfüllen des Formstoffs in einen das Formteil abbildenden Hohlraum eines temperierten Formkasten,
• Verfestigen des Formstoffs in zwei Phasen,
• wobei in der ersten Verfestigungsphase der Formstoff in dem temperierten Formkasten gehalten wird, bis eine abriebfeste Randschale des Formteils entstanden ist, und
• wobei das Formteil anschließend aus dem Formkasten entnommen und unter Einwirkung einer Mikrowellenheizung fertig ausgehärtet wird.

[0019] Mit dieser Vorgehensweise lassen sich aus Formstoffen, die durch Mischen von erfindungsgemäß quarzfreien Sanden, insbesondere Olivinsand-Grundstoffen, mit einem anorganischen Binder hergestellt sind, zuverlässig Formteile fertigen, die nicht nur eine besonders hohe Festigkeit und Abbildungstreue besitzen, sondern darüber hinaus die Eigenschaft haben, bei der Herstellung der Gussteile anhaftungsfrei zu zerfallen. Zerfallsfördernde Zusätze im Bindersystem sind nicht mehr erforderlich. Daher werden bei der Anwendung der Erfindung Belastungen der Umwelt und Gefährdungen der Bedienpersonen durch entweichende Gase vermieden, deren Entstehung und ungewollte Verbreitung bei konventioneller Fertigungsweise nur mit großem technischen Aufwand minimiert werden können.

[0020] Die Ausbildung der festen, den Weitertransport in den Mikrowellenofen ermöglichenden Außenschale kann dadurch unterstützt werden, dass der Formstoff während der ersten Phase der Verfestigung unter Unterdruck gehalten wird. In dieser ersten Phase der Verfestigung härtet der Formstoff soweit aus, dass in seinem an die Formwandungen angrenzenden Randbereich eine feste Schicht entsteht, die eine ausreichende Formstabilität des Formstoffs beim nächsten Fertigungsschritt gewährleistet.

[0021] Abhängig von der Komplexität der Formgebung des jeweils herzustellenden Formteils sollte die Temperatur des Formkastens in der ersten Phase der Verfestigung 150 °C bis 200 °C betragen. Bei Einhaltung dieses Temperaturbereichs während der Bildung des festen Randbereichs der Formteile lassen sich auch solche Gießkerne sicher herstellen, die stark variierende Durchmesserverläufe oder stark ungleichförmige Massenverteilungen aufweisen.

[0022] Es hat sich gezeigt, dass sich bei geeigneter Temperaturwahl eine für die Weiterverarbeitung ausreichend beständige Außenschale des Formteils schon dann einstellt, wenn die erste Phase der Verfestigung 10 s bis 50 s dauert.

[0023] Die vollständige Aushärtung des Formteils stellt sich anschließend sicher ein, wenn die Einwirkzeit der Mikrowellenheizung in der zweiten Phase der Verfestigung 2 - 5 Minuten beträgt. Innerhalb dieser Zeitspanne kann die jeweilige Einwirkdauer unter Berücksichtigung der Komplexität der Formgebung so eingestellt werden, dass am Ende der Mikrowellenbehandlung eine für den Abgussprozess ausreichende Endfestigkeit und Trockenheit des Formteils gewährleistet ist.

[0024] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0025] Zur Herstellung eines für den Guss eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgusslegierung bestimmten Gießkerns ist zunächst ein Formgrundstoff erzeugt worden, der vollständig aus Olivin-Sanden bestand.

[0026] Aus diesem Formgrundstoff ist anschließend ein Formstoff erzeugt worden, indem der Formgrundstoff mit einem Wasserglasbinder vermengt worden ist. Zusätzlich ist dem Formgrundstoff ein Anteil Natronlauge zur Verbesserung seiner Haltbarkeit zugegeben worden. Der so zusammengestellte Formgrundstoff enthielt 2,5 Gew.-% Wasserglasbinder, 0,3 Gew.-% Natronlauge und als Rest Formgrundstoff mit der voranstehend erläuterten Zusammensetzung.

[0027] Dieser Formstoff ist in den den fertigen Gießkern abbildenden Hohlraum eines vorgewärmten Formkastens gegeben worden. Aufgrund der ausgezeichneten Fließfähigkeit des Formstoffs sind dabei auch schwierig geformte, kleinteilige Formelemente des Hohlraums sicher gefüllt worden. Diese sichere Formfüllung ist zudem dadurch unterstützt worden, dass der Formkasten schon während des Füllvorgangs mit Unterdruck beaufschlagt wurde. Der Unterdruck betrug 0,3 bar.

[0028] Die Temperatur des Formkastens betrug beim Einfüllen des Formstoffs 180 °C. Bei dieser Temperatur ist der Formstoff nach Beendigung des Füllvorgangs in dem Formkasten für 30 Sekunden bei nach wie vor wirksamer Unterdruckbeaufschlagung gehalten worden. In dieser Zeit bildete sich im Bereich der an die Innenwandungen des Formkastens angrenzenden Bereiche des Formstoffs eine feste Außenschale. Auf diese Weise war am Ende der im Formkasten absolvierten ersten Phase der Verfestigung ein Formteil vorhanden, dessen Festigkeit ausreichte, um es sicher in einen Mikrowellenofen transportieren zu können.

[0029] In dem Mikrowellenofen ist das Formteil für 3 Minuten durch Mikrowellen beheizt worden, bis es eine für den Gießeinsatz ausreichende Endfestigkeit erreicht hat.

[0030] Der derart erzeugte Gießkern ist dann in eine Gießform gesetzt worden, in der anschließend die aus der Aluminiumgusslegierung erzeugte Schmelze zu dem herzustellenden Zylinderkopf vergossen worden ist. Im Zuge der Erstarrung ist der Gießkern aufgrund des Temperatureinflusses der Gießwärme und seiner infolge der Erstarrung des Gussstücks eintretenden mechanischen Belastung selbsttätig in viele kleine Bruchstücke zerfallen, die nach der vollständigen Erstarrung des Gussstücks leicht entfernt werden konnten.

[0031] Nach dem Entfernen der Bruchstücke des Gießkerns zeigte sich, dass an den Wänden des Gussstücks, die in unmittelbaren Kontakt mit dem Gießkern gekommen waren, kein Sand mehr anhaftet. Eine nachträgliche Säuberung der durch den Gießkern abgebildeten Kanäle und Hohlräume des Zylinderkopfes war nicht mehr erforderlich.

Ansprüche

1. Formstoff für Formteile von Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen, hergestellt aus einem auf Basis von quarzfreiem Sand erzeugten Formgrundstoff und einem mit dem Formgrundstoff vermischten, auf Basis von Wasserglas erzeugten anorganischen Binder, dadurch gekennzeichnet, dass der quarzfreie Sand Olivin ist.

2. Formstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgrundstoff einen Anteil an synthetischem Mullit enthält.

3. Formstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserglas ein Modul von 3,3 - 2 aufweist.

4. Formstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 1,5 - 3,0 Gew.-% Wasserglas enthält.

5. Formstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,3 - 0,5 Gew.-% Natronlauge enthält.

6. Formteil für Gießformen, insbesondere Gießkerne, hergestellt aus einem gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zusammengesetzten Formstoff.

7. Verfahren zum Herstellen eines Formteils für Gießformen, insbesondere zur Herstellung von Gießkernen, umfassend folgende Arbeitsschritte:

- Herstellen eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 beschaffenen Formstoffs,

- Einfüllen des Formstoffs in einen das Formteil abbildenden Hohlraum eines temperierten Formkastens,

- Verfestigen des Formstoffs in zwei Phasen,

- wobei in der ersten Verfestigungsphase der Formstoff in dem temperierten Formkasten gehalten wird, bis eine abriebfeste Randschale des Formteils entstanden ist, und

- wobei das Formteil anschließend aus dem Formkasten entnommen und unter Einwirkung einer Mikrowellenheizung fertig ausgehärtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff während der ersten Phase der Verfestigung unter Unterdruck gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Formkastens in der ersten Phase der Verfestigung 150 - 200 °C beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase der Verfestigung 10 - 50 Sekunden dauert.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkungszeit der Mikrowellenheizung in der zweiten Phase der Verfestigung 2 - 5 Minuten beträgt.

Claims

1. A moulding material for mould parts of casting moulds for the casting of metal melts, in particular light metal melts, such as aluminium casting melts, manufactured out of a basic mould material produced on the basis of quartz-free sand, and an inorganic binder, produced on the basis of waterglass, mixed with the basic mould material, characterised in that the quartz-free sand is olivine.

2. The mould material according to Claim 1, characterised in that the basic mould material contains a proportion of synthetic mullite.

3. The mould material according to one of the previous claims, characterised in that the waterglass has a modulus of 3.3 - 2.

4. The mould material according to one of the previous claims, characterised in that it contains 1.5 -3.0 % by weight of waterglass.

5. The mould material according to one of the previous claims, characterised in that it contains 0.3 - 0.5 % by weight of caustic soda.

6. A mould part for casting moulds, in particular casting cores, manufactured from a mould material with a composition in accordance with one of the previous claims.

7. A method for the manufacture of a mould part for casting moulds, in particular for the manufacture of casting cores, including the following work steps:

- manufacture of a moulding material made in accordance with one of the Claims 1 to 6

- filling of the mould material into a hollow space forming the mould part of a core box at the correct temperature,

- solidification of the mould material in two phases,

- where in the first phase of solidification the mould material is held in the mould box at the correct temperature until an abrasion-resistant edge shell has formed on the mould part, and

- where the mould part is then taken out of the mould box and is hardened off completely under the action of microwave heating.

8. The method according to Claim 7, characterised in that the mould material during the first phase of solidification is held at a pressure below atmospheric pressure.

9. The method according to one of the Claims 7 or 8, characterised in that the temperature of the mould box in the first phase of solidification is 150 - 200 °C.

10. The method according to one of the Claims 7 to 9, characterised in that the first phase of solidification lasts for 10 - 50 seconds.

11. The method according to one of the Claims 7 to 10, characterised in that the action time for the microwave heating in the second phase of solidification is 2 - 5 minutes.

Revendications

1. Matière de moulage pour pièces de moulage de moules de coulage pour le coulage de masse fondue de métal, en particulier, de masse fondue de métaux légers, comme de la masse fondue d'aluminium, constituée d'un composant de base de moulage élaboré à partir de sable sans quartz et un liant inorganique élaboré à partir de silicate soluble et mélangé avec le composant de base de moulage, caractérisée en ce que le sable sans quartz est olivine.

2. Matière de moulage, conformément à la revendication 1, caractérisée en ce que le composant de base de moulage contient une partie de mullite synthétique.

3. Matière de moulage, conformément à l'une quelconque des revendications antérieures, caractérisée en ce que le silicate soluble offre un module de 3,3 - 2.

4. Matière de moulage, conformément à l'une quelconque des revendications antérieures, caractérisée en ce qu'elle contient entre 1,5 et 3,0 de poids en % de silicate soluble.

5. Matière de moulage, conformément à l'une quelconque des revendications antérieures, caractérisée en ce qu'elle contient entre 0,3 et 0,5 du poids en % d'hydroxyde sodique liquide.

6. Pièce de moulage pour des moules de coulage, en particulier pour des noyaux de coulage, constituée d'une matière de moulage composée, conformément à l'une quelconque des revendications antérieures.

7. Procédé pour l'élaboration d'une pièce de moulage pour des moules de coulage, en particulier, pour l'élaboration de noyaux de coulage, en incluant les phases de travail suivantes :

- Elaboration d'une matière de moulage fournie, conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 6,

- Conditionnement de la matière de moulage dans une cavité représentée par la pièce de moulage d'une boîte de moulage trempée,

- Solidification de la matière de moulage en deux phases,

- Comme conséquence de celle-ci, lors de la première phase de solidification, la matière de moulage sera maintenue dans la boîte de moulage trempée, jusqu'à la création d'une couche de bord de la pièce de moulage résistante à l'usure; et

- Une fois ceci réalisé, par la suite, la pièce de moulage sera extraite de la boîte de moulage et celle-ci terminera son durcissement sous l'effet d'une radiation de micro-ondes.

8. Procédé, conformément à la revendication 7, caractérisé en ce que la matière de moulage, pendant la première phase de la solidification, est maintenue sous pression.

9. Procédé, conformément à l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la température de la boîte de moulage, dans la première phase de la solidification, est de 150 - 200° C.

10. Procédé, conformément à l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la première phase de solidification a une durée de 10 à 50 secondes.

11. Procédé, conformément à l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la période l'action de la radiation de micro-ondes, dans la deuxième phase de solidification, a une durée de 2 à 5 minutes.