Verfahren zur Herstellung von Salzkernen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Salzkernen für Druckgussverfahren, umfassend die Schritte: Bereitstellung einer Zusammensetzung enthaltend ein oder mehrere wasserlösliche Salze; Einfüllen der Zusammensetzung als Schüttgut in einen Extruder (2); Erhitzen der Zusammensetzung bis mindestens zum Erreichen eines halbfesten Zustands und Förderung der Zusammensetzung bis zu einer Sammelkammer (6) im Extruder (2); und Formen des Salzkerns unter Spritzgussbedingungen durch Herauspressen der Zusammensetzung aus der Sammelkammer (6) durch eine Auslassdüse (8) in eine Form (9, 10).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Salzkernen für Druckgussverfahren.

[0002] Bei dem Druckgussverfahren wird eine Schmelze des zu formenden Materials, beispielsweise Aluminium, mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in eine Giessform gespritzt. Für die Herstellung von Gussteilen mit komplexerer Form (beispielsweise hohlen Strukturen und/oder nicht entformbaren Hinterschnitten) ist es erforderlich, in der Form so genannte verlorene Kerne bereitzustellen. Es handelt sich hierbei um Formteile, die während des Giessvorgangs in der Form an der entsprechenden Stelle positioniert sind und nach dem Giessvorgang rückstandsfrei vom/aus dem Gussteil entfernt werden. Diese Kerne sind nur für den Einmalgebrauch vorgesehen und gehen danach "verloren."

[0003] In letzter Zeit wurden zunehmend Salzkerne für diese Aufgabe herangezogen. Es handelt sich hierbei um Gemische verschiedener Salze wie Natriumcarbonat (Na₂CO₃) und Natriumchlorid (NaCl), wie sie aus dem Stand der Technik (z.B. EP-2 277 644 A1; Yaokawa et al., Journal of Japan Foundry Engineering Society, vol. 78 (10), 2006, 516-522; DE-100 4 785 T1) bekannt sind. Salzkerne halten den harschen Druckgussbedingungen stand und können - im Gegensatz zu beispielsweise Sandkernen - nach beendetem Druckgussvorgang leicht durch Behandlung mit beispielsweise heissem Wasser aufgelöst und entfernt werden.

[0004] Derartige Salzkerne werden hergestellt, indem die entsprechenden Salzkomponenten gemischt (im Fall mehrerer Komponenten) und geschmolzen werden. Das Schmelzen wird in der Regel in einem offenen Tiegel in einem Schmelzofen durchgeführt. Anschliessend wird die Schmelze, gegebenenfalls vermischt mit Bindemitteln und weiteren Additiven, in eine entsprechende Form einer Druckgussmaschine eingebracht, wo die Schmelze unter Druck erstarrt und als fertiges Formteil entnommen werden kann. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 100 84 785 beschrieben.

[0005] Dieses Herstellverfahren weist einige Nachteile auf. Die Herstellung der Schmelze in einem offenen Tiegel ist aus Sicht der Temperaturbilanz nicht optimal. Einerseits kann in einem offenen Tiegel kein gewünschter Temperaturgradient gefahren werden. Andererseits kommt es zu nicht unerheblichen Energieverlusten im offenen System. Während des Umfüllens der Schmelze aus dem Tiegel in die Form haftet ein Teil der Schmelze an den Schöpf- und Dosierwerkzeugen, und auch während des Formvorgangs kommt es zu Materialverlusten.

[0006] Es besteht daher Bedarf für ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Salzkernen.

[0007] Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Salzkernen für Druckgussverfahren, umfassend die Schritte

a) Bereitstellung einer Zusammensetzung enthaltend ein oder mehrere wasserlösliche Salze;

b) Einfüllen der Zusammensetzung als Schüttgut in einen Extruder;

c) Erhitzen der Zusammensetzung bis mindestens zum Erreichen eines halbfesten Zustands und Förderung der Zusammensetzung bis zu einer Sammelkammer im Extruder;

d) Formen des Salzkerns (insbesondere unter Spritzgussbedingungen) durch Herauspressen der Zusammensetzung aus der Sammelkammer durch eine Auslassdüse in eine Form.

[0008] Es wurde erfindungsgemäss gefunden, dass Salzkerne vorteilhaft über das so genannte Thixomolding-Verfahren hergestellt werden können.

[0009] Das Thixomolding-Verfahren wird vor allem zur Herstellung von Bauteilen aus Magnesiumlegierungen verwendet. Hierbei wird ein Granulat der Magnesiumlegierung über eine Dosiervorrichtung in einen Schneckenextruder eingeführt. Im Extruder wird das Granulat mit Hilfe von am Extruderzylinder angeordneten Heizvorrichtungen wie Heizbändern erhitzt und in einen halbfesten Zustand überführt. Anschliessend wird es in dem Extruder unter ständiger Scherung in einen Sammelraum gefördert, von wo aus es im Spritzgussverfahren in einen Formhohlraum gepresst wird.

[0010] Das Thixomolding-Verfahren ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Es ist beispielsweise in der US-5,040,589 beschrieben. Der Inhalt dieses Dokuments wird hierin bezüglich des Thixomolding-Verfahrens durch Bezugnahme eingeschlossen.

[0011] Gemäss der vorliegenden Erfindung wird unter einem Schüttgut eine feste, schütt- und rieselfähige Form einer Zusammensetzung verstanden, beispielsweise ein Granulat oder ein Pulver.

[0012] Gemäss der vorliegenden Erfindung wird unter einem halbfesten Zustand der Zustand verstanden, welcher bei einer Übergangstemperatur zwischen festem und flüssigem Zustand des Materials (d.h. zwischen Liquiduspunkt und Soliduspunkt) erreicht wird. Im teilflüssigen Zustand weist das Material eine Mikrostruktur auf, bei welcher feinverteilte, kristalline Bereiche in Schmelzbereichen eingebettet vorliegen. Im teilflüssigen Zustand verringert sich die Viskosität des Materials; idealerweise bildet sich ein thixotroper Zustand aus. Das im teilflüssigen Zustand befindliche Material lässt sich mit geringem Druck sehr präzise in Formen pressen.

[0013] Erfindungsgemäss können die Salzkerne mit gängigen Thixomolding-Maschinen hergestellt werden, wie sie beispielsweise von der Firma Japan Steel Works vertrieben werden. Beispielhaft seien die Maschinen mit der Typenbezeichnung JLM75 JLM150 JLM220 JLM450 JLM650 JLM850 JLM1600 genannt.

[0014] Eine erfindungsgemäss verwendbare Thixomolding-Maschine ist in Fig. 1 gezeigt. Die Zusammensetzung zur Herstellung des Salzkerns wird in eine Dosiervorrichtung 1 (beispielsweise einen trichterartigen Behälter mit verschliessbarer unterer Auslassöffnung) als Schüttgut eingefüllt und anschliessend über eine Fördereinheit 1a in einen Schneckenextruder 2 eingebracht. Der Extruder 2 umfasst einen Zylinder 3 und eine im Zylinder angeordnete Förderschnecke 4. An der Zylinderaussenseite befinden sich ein oder mehrere Heizvorrichtungen, hier Heizbänder, 5 zum Erhitzen der Zusammensetzung während ihrer Verweilzeit im Extruder. Es wäre aber auch alternativ möglich, den Zylinder 3 von innen zu beheizen.

[0015] Die Zusammensetzung wird auf eine Übergangstemperatur zwischen ihre Solidustemperatur und ihrer Liquidustemperatur erhitzt und geht in den vorstehend beschriebenen halbfesten Zustand über. In diesem Zustand kann die Zusammensetzung mit Hilfe der Schnecke 4 durch den Extruder in eine Sammelkammer 6 gefördert werden, welche sich an dem Ende des Extruders befindet, das mit der Spritzgussform verbunden ist. Während der Förderung übt die Schnecke 4 eine ständige Scherwirkung auf die Zusammensetzung aus. Die Sammelkammer 6 ist extruderseitig durch eine Rückstromsperre 7, beispielsweise ein Ventil, abgeschlossen. Das Ende der Sammelkammer 7 ist über eine Düse 8 mit dem Innenraum 10 einer zweiteiligen Form 9 verbunden.

[0016] Am formabgewandten Ende des Extruders 2 befindet sich eine Spritzgussvorrichtung 11, welche einen Druckakkumulator 12 und einen Hydraulikzylinder 13 umfasst. Der Hydraulikzylinder 13 kann bedarfsweise durch einen Elektroantrieb ergänzt werden. Der Hydraulikzylinder 13 ist mit der Förderschnecke 4 verbunden und kann bei Auslösen eines Schusses die Förderschnecke 4 innerhalb des Zylinders 3 sehr schnell nach vorne in Richtung Sammelkammer 6 bewegen. Dadurch wird das in der Sammelkammer 6 befindliche halbfeste Material durch die Düse 8 in den Innenraum 10 der Form 9 gepresst, wo es dann zum Salzkern der gewünschten Form erstarrt. Durch Öffnen der Form 9 durch Auseinanderbewegen der beiden Teile der Form 9 kann der Salzkern 9 entnommen und eingesetzt werden.

[0017] Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Bauteile ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Weitere Einzelheiten des Thixomolding-Verfahrens sind beispielsweise der US-5,040,589 entnehmbar, auf deren entsprechenden Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

[0018] Es hat sich erfindungsgemäss gezeigt, dass gängige Zusammensetzungen zur Herstellung von Salzkernen sich in den für das Thixomolding-Verfahren relevanten Spezifikationen analog zu Magnesiumlegierungen verhalten und daher über das Thixomolding-Verfahren hergestellt werden.

[0019] Erfindungsgemäss kann die Zusammensetzung zur Herstellung der Salzkerne insbesondere anorganische Salze wie Fluoride, Chloride, Sulfate, Nitrate oder Carbonate von Metallen, insbesondere von Alkali- oder Erdalkalimetallen wie Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium enthalten. Wesentlich ist, dass die Zusammensetzung die für Salzkerne erforderlichen Eigenschaften wie hohe Wasserlöslichkeit, hohe Festigkeit des hergestellten Kerns, chemische Inertheit unter Druckgussbedingungen, geringe Erstarrungswärme, geringe Volumenänderung beim Schmelzen und Erstarren sowie geringe oder idealerweise fehlende Toxizität aufweist.

[0020] Erfindungsgemäss bevorzugt sind Mischungen aus Natriumcarbonat (Na₂CO₃) und Natriumchlorid (NaCl), wie sie aus dem Stand der Technik (z.B. EP-2 277 644 A1; Yaokawa et al., Journal of Japan Foundry Engineering Society, vol. 78 (10), 2006, 516-522) bekannt sind. Erfindungsgemäss bevorzugt enthält die Zusammensetzung 30 bis 80% Nacl und 20 bis 70% Na₂C0₃, bevorzugter 30 bis 70% NaCl und 30 bis 70% Na₂CO₃ und insbesondere bevorzugt 30 bis 60% NaCl und 40 bis 70% Na₂C0₃. Beispielhaft sei eine Mischung aus 50% Nacl und 50% Na₂C0₃ genannt.

[0021] Die erfindungsgemäss einsetzbare Zusammensetzung weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt zwischen 550°C bis 1000°C auf.

[0022] Die Zusammensetzung zur Herstellung des Salzkerns wird durch Vermischen der verschiedenen Komponenten zu einem homogenen Schüttgut erhalten. Dies kann mit herkömmlichen Mischern erfolgen, welche vorteilhaft bereits in die Dosiervorrichtung der Thixomolding-Maschine integriert sein können. Auf Wunsch können der einen oder den mehreren Salzkomponenten Zusatzstoffe hinzugefügt werden, beispielsweise feine wärmebeständige und chemisch inerte harte Partikel wie Pulver, Fasern oder Whisker aus Si, Al₂0₃ oder SiC, Gleit- und Trennmittel wie Talkum sowie gegebenenfalls Bindemittel.

[0023] Das so hergestellte Schüttgut wird in die Dosiervorrichtung einer Thixomolding-Maschine gefüllt und in den Extruder dieser Maschine dosiert. Dies stellt einen grossen Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens gegenüber der konventionellen Herstellung von Salzkernen dar. Beim erfindungsgemässen Verfahren ist ein Tausch der verwendeten Zusammensetzung auf einfache Weise durch Ersetzen oder Modifizieren des Schüttgutes möglich. Beim konventionellen Verfahren muss hingegen erst ausserhalb der eigentlichen Formvorrichtung auf einleitend beschriebene Weise eine Schmelze der Salzmischung in einem offenen Tiegel hergestellt werden, was einen deutlich höheren Aufwand darstellt.

[0024] Zudem entfällt beim erfindungsgemässen Verfahren ein verlustbehaftetes Umfüllen der Schmelze aus dem Tiegel in die eigentliche Formvorrichtung. Bei der konventionellen Herstellung von Salzkernen müssen hierbei Schöpf- und Dosierwerkzeuge verwendet werden, an deren Oberflächen Teile der Schmelze haften und verloren gehen. Beim erfindungsgemässen Verfahren erfolgt das Aufschmelzen der Zusammensetzung innerhalb des Extruders, nach der Dosierung. Ein Umfüllen beziehungsweise Dosieren der Schmelze selbst ist nicht mehr erforderlich.

[0025] Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch hinsichtlich der Energiebilanz gegenüber dem konventionellen Verfahren zur Herstellung von Salzkernen vorteilhaft, da das Erhitzen sowie die Förderung der Schmelze in einer einzigen geschlossenen Apparatur vonstatten geht. Energieverluste sind somit minimiert. Zudem kann die Temperatureinstellung im Extruder des erfindungsgemässen Verfahrens weitaus exakter durchgeführt werden als im offenen Schmelztiegel des konventionellen Herstellungsverfahrens. Insbesondere vorteilhaft ist die Möglichkeit eines graduellen Erhitzens des Materials, während dieses durch den Extruder gefördert wird. Man kann durch die Anordnung verschiedener Heizelements innerhalb und/oder ausserhalb des Extrusionszylinders Zonen unterschiedlicher Temperatur schaffen, welche das Material während seiner Förderung durch den Extruder nacheinander durchläuft. Dies ermöglicht ein sehr exaktes, zumindest teilweises Aufschmelzen des Materials.

[0026] Innerhalb des Extruders erfolgt auf die vorstehend beschriebene Art ein Erhitzen der Zusammensetzung auf Temperaturen von 550 bis 900°C, vorzugsweise 650 bis 750 °C und besonders bevorzugt 710 bis 750°C, wobei die einzustellende Temperatur selbstverständlich abhängig von der Art der eingesetzten Zusammensetzung ist. Wesentlich ist, dass die Zusammensetzung zumindest auf die vorstehend beschriebene Übergangstemperatur zwischen Liquidus- und Solidustemperatur der Zusammensetzung erhitzt wird und somit einen halbfesten Zustand einnimmt. Für manche Zusammensetzungen ist es jedoch wünschenswert, sie vollständig zu schmelzen, um eine gute Verarbeitbarkeit zu Salzkernen zu gewährleisten.

[0027] Die Liquidus- und Solidustemperatur einer Substanz lässt sich experimentell oder rechnerisch bestimmen, wie es beispielsweise in der EP-2 277 644 A1, Abschnitt [0019] beschrieben ist. Auf den entsprechenden Inhalt der EP-2 277 644 A1 wird hier Bezug genommen. Für viele Zusammensetzungen sind die Liquidus- und Solidustemperaturen bekannt.

[0028] Die so erhaltene mindestens halbfeste Salzmischung wird im Extruder mit Hilfe einer Förderschnecke in eine Sammelkammer am formseitigen Ende des Extruders befördert. Hierbei wirkt eine ständige Scherung auf die Zusammensetzung ein. Durch das dadurch hervorgerufene ständige Kneten der Zusammensetzung wird eine besonders homogene Mischung erzeugt. Insbesondere erhält man hierbei ein eutektisches Gemisch. Da eutektische Gemische bekanntlich eine niedrigere Schmelztemperatur als andere Mischungen oder Einzelkomponenten aufweisen, ist für das Erhitzen der Zusammensetzung eine geringere Energie erforderlich. Dadurch gestaltet sich die Energiebilanz des erfindungsgemässen Verfahrens zusätzlich vorteilhaft. Zudem erfolgt im Extruder eine effiziente Entgasung und Trocknung (Austreiben von Kristallwasser) des Materials, was die möglichen Gaseinschlüsse im fertigen Salzkern verringert.

[0029] Von der Sammelkammer des Extruders wird das Material im Spritzgussverfahren in die Form gepresst, wie vorstehend beschrieben. Das Spritzgussverfahren ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Grundsätzlich hängt die dabei anzulegende Sprengkraft/Sprengfläche von der Grösse des herzustellenden Salzkerns ab, wie dem Fachmann bekannt ist.

[0030] Im Vergleich zum konventionellen Salzkern-Herstellungsverfahren ist beim erfindungsgemässen Verfahren weniger Kreislaufmaterial vorhanden, d.h. es fällt weniger Materialausschuss an. Zudem wird beim erfindungsgemässen Verfahren eine gleichmässigere Formfüllung und eine zentrale Druckbeaufschlagung des Salzkerns zum Anschnitt hin erhalten, da in der Mitte (und nicht aussen) angegossen wird.

[0031] Die erfindungsgemäss hergestellten Salzkerne eignen sich hervorragend für Druckgussanwendungen. Beim Druckguss wird eine Schmelze aus beispielsweise Aluminium-, Magnesium- oder Zinklegierungen in eine Giesskammer einer Druckgussmaschine gefüllt und von dort mit einem Kolben unter hohem Druck (etwa 150 bis 1200 bar) in den Innenraum einer Druckgussform gepresst. Die Druckgussform ist zwei oder dreiteilig und umfasst eine feste und eine bewegliche Formhälfte (und gegebenenfalls eine mittlere Platte). Die beiden Formhälften definieren zusammen einen Innenraum mit der Form des herzustellenden Gussteils. Druckgussmaschinen sind dem Fachmann bekannt und müssen hier nicht näher erläutert werden. Erfindungsgemäss beispielhaft können die Druckgussmaschinen der CARAT-Serie der Anmelderin verwendet werden.

[0032] In den Innenraum der Druckgussform werden die erfindungsgemäss hergestellten Salzkerne vor dem Druckgussvorgang positioniert, um ansonsten nicht realisierbare Hohlräume, Hinterschneidungen oder Freiformflächen entformbar zu machen.

[0033] Nach beendetem Druckgussvorgang kann der Salzkern auf einfache Weise vom Gussteil entfernt werden, indem das Gussteil in ein Lösebad aus beispielsweise sauren Medien und/oder heissem Wasser getaucht wird. In diesen Medien löst sich der Salzkern vollständig auf. Der Auflösevorgang kann auch durch Besprühen des Gussteils mit heissem Wasser oder Wasserdampf durchgeführt oder ergänzt werden. Bei der Verwendung eines salzsäurehaltigen Mediums ist wird der Auflösevorgang durch das Entstehen von Kohlensäure unterstützt. Bei Salzkernen, welche Natriumcarbonat enthalten, ist darauf zu achten, dass ein wässriges Lösebad während des Auflösens des Salzkerns alkalisch wird, was für manche Gussteile Korrosionsprobleme hervorrufen kann. In diesem Fall sollte dem Lösebad zur Einstellung des pH-Wertes auf einen Neutralwert (pH 7) etwas Salzsäure zugesetzt werden.

[0034] Die erfindungsgemäss hergestellten Salzkerne können auch in Plastik-Spritzgussverfahren oder in Kollikengussverfahren eingesetzt werden. Diese Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.

[0035] Die vorliegende Erfindung stellt insgesamt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Salzkernen zur Verfügung, welches zahlreiche, vorstehend geschilderte Vorteile gegenüber der konventionellen Herstellung von Salzkernen aufweist.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Salzkernen für Druckgussverfahren, umfassend die Schritte

a) Bereitstellung einer Zusammensetzung enthaltend ein oder mehrere wasserlösliche Salze;

b) Einfüllen der Zusammensetzung als Schüttgut in einen Extruder (2);

c) Erhitzen der Zusammensetzung bis mindestens zum Erreichen eines halbfesten Zustands und Förderung der Zusammensetzung bis zu einer Sammelkammer (6) im Extruder (2);

d) Formen des Salzkerns durch Herauspressen der Zusammensetzung aus der Sammelkammer (6) durch eine Auslassdüse (8) in eine Form (9, 10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung während der Förderung durch den Extruder verschiedene Temperaturzonen durchläuft, welche durch unterschiedliche Heizelemente innerhalb oder ausserhalb des Extruders geschaffen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung im Extruder auf eine Temperatur im Bereich von 550 bis 900°C, vorzugsweise 650 bis 750 °C und besonders bevorzugt 710 bis 750°C erhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Herauspressen der Zusammensetzung aus der Sammelkammer (6) durch eine Spritzgussvorrichtung (11) erfolgt, welche einen Druckakkumulator (12) und einen Hydraulikzylinder (13) umfasst, wobei der Hydraulikzylinder (13), welcher gegebenenfalls durch einen Elektroantrieb ergänzt ist, mit der Förderschnecke (4) verbunden ist und diese innerhalb des Zylinders (3) nach vorne in Richtung Sammelkammer (6) bewegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens ein anorganisches Salz aus der Gruppe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluoriden, Chloriden, Sulfaten, Nitraten oder Carbonaten von Metallen, insbesondere von Alkali- oder Erdalkalimetallen wie Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Strontium oder Barium umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung 30 bis 80% NaCl und 20 bis 70% Na₂C0₃, bevorzugter 30 bis 70% NaCl und 30 bis 70% Na₂CO₃ und insbesondere bevorzugt 30 bis 60% NaCl und 40 bis 70% Na₂C0₃ umfasst.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung Zusatzstoffe enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus feinen wärmebeständigen und chemisch inerten harten Partikeln wie Pulver, Fasern oder Whisker aus Si, Al₂0₃ oder SiC, Gleit- und Trennmitteln wie Talkum und Bindemitteln.

8. Salzkern für Druckgussverfahren, hergestellt mit einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Verwendung einer Spritzgussvorrichtung (11) zur Herstellung von Salzkernen für Druckgussverfahren.

Zeichnung