[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils nach dem Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
[0002] Die übliche Verfahrenstechnik zur Herstellung eines Gussteils, insbesondere eines
Aluminiumgussteils besteht darin, einen Kern herzustellen, den Kern oder mehrere Kerne
zu einem Kernpaket zusammenzusetzen und das Kernpaket mit flüssigem Gießmetall zu
befüllen. Nach dem Gießen wird das gegossene Gussteil zusammen mit dem Kernpaket bei
einem Kühlumlaufprozess von ca. 8 Stunden auf eine Temperatur unter 50°C an Luft abgekühlt.
Nach dem das Gussteil mit dem Kernpaket abgekühlt ist und das Gussteil die entsprechende
Festigkeit aufweist, wird der Kern mechanisch beispielsweise durch Vibration entfernt.
Anschließend wird das Gussteil von Angüssen und Graten befreit und das so geputzte
Gussteil einer Wärmebehandlung unterzogen.
[0003] Dieses herkömmliche Verfahren weist mehrere Nachteile auf. Zum Einen weist ein Kernsand,
der zu einem Kernpaket zusammengepresst wird, ein organisches Bindemittel auf. Dieses
organische Bindemittel verbrennt beziehungsweise vergast während des Eingießens des
Gießmetalls in das Kernpaket. Hieraus resultieren zum Einen umwelttechnische Probleme,
zum Anderen bereitet das Ausgasen von Bindemittelrückständen auch gießtechnische Probleme.
Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass der Kernsand nach dem Gießen
nicht mit Wasser in Verbindung kommen darf, da es sonst verkleben würde. Dies wiederum
fordert einen langen energieintensiven Abkühlprozess und für das anschließende Wärmebehandeln
einen weiteren, ebenfalls energieintensiven Aufheizprozess.
[0004] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils
bereit zu stellen, das einen verringerten Energiebedarf hat.
[0005] Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
[0006] Das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 beruht auf einem herkömmlichen
Verfahren zum Gießen von Bauteilen insbesondere Leichtmetallbauteilen. Hierbei ist
eine Gießform mit einem Kernpaket ausgestattet. Ein Kernpaket besteht aus einem oder
mehreren Einzelkernen, die entsprechend der Geometrie des Gussteils zusammengesetzt
sind und die gegebenenfalls in einer metallischen Kokille integriert sind. Das Kernpaket,
das gegebenenfalls in eine Kokille integriert ist, wird als Gießform bezeichnet. Die
Gießform kann ebenfalls weitere Bestandteile wie Speiser enthalten und sie umschließt
einen Formhohlraum eines zu gießenden Gussteils.
[0007] Die Gießform wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgegossen und das Gussteil
wird entformt, wobei der Kernsand des Kernpaketes wieder einem Kernschießprozess zugeführt
wird, also recycelt wird.
[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Kernpaket durch
einen anorganischen Binder beziehungsweise einem im Wesentlichen anorganischen Bindemittel
gebunden wird. Zu dem wird das Gussteil mit dem Kernpaket unmittelbar nach dem Gießen
in einem Abkühlmedium, bevorzugt in Wasser abgeschreckt. Während des Abschreckens
wird das Kernpaket aufgelöst, so dass es zu Kernsand zerfällt und es wird aus dem
Gussteil herausgelöst. Das Gussteil wird nach dem Abschrecken in einen Wärmebehandlungsofen
geführt, wobei die Ofenwärme des Wärmebehandlungsofens zum Trocknen des mit Wasser
versetzten Kernsandes verwendet wird.
[0009] Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Herauslösen des Kernpaketes
aus dem Gussteil ein langwieriger Abkühlungsprozess, der in der Regel mehr als 8 Stunden
dauert eingespart werden. Zudem kann auf einen weiteren, energieintensiven Lösungsglühprozess
verzichtet werden. Nach dem Abschrecken im Abkühlmedium und dem Herauslösen des Kernpaketes
kann das Gussteil direkt in eine Auslagerungswärmebehandlung übergeführt werden. Gleichzeitig
kann die Abwärme des Wärmebehandlungsofens zum Trockenen des Kernsandes verwendet
werden. Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße Verfahren somit
deutlich weniger und deutlich kürzere Temperaturbehandlungen auf. Gegenüber der herkömmlichen
Verfahren kann somit erheblich Energie eingespart werden kann.
[0010] In einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird der Kernsand nach dem Trocknen in
einem isolierten Behälter zwischengelagert, in dem er die Temperatur, die er nach
dem Trocknen aufweist, im Wesentlichen behält. Der so warmgehaltene Kernsand kann
somit direkt einen Kernschießprozess wieder zugeführt werden, ohne dass eine zusätzliche
Aufheizung von Nöten ist. Auch diese Ausgestaltungsform trägt zur Energieeinsparung
bei.
[0011] Zum Vorkühlen des Gussteils vor dem Abschrecken kann das Gussteil in einer Ausgestaltungsform
der Erfindung in eine Überdruckkammer gebracht werden und dort vorgekühlt werden.
Dort können auch schon Teile des Kernsandes entfernt werden.
[0012] In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltungsform der Erfindung wird das Gussteil
in einer Tauchwanne gegeben und mit dieser im Abschreckbecken abgeschreckt. Die Tauchwanne
ist für den sicheren Transport des Gussstückes mit dem Kernpaket, geeignet gleichzeitig
kann auf einem Boden der Tauchwanne der Kernsand des herausgelösten Kernpaketes zumindest
teilweise gesammelt werden.
[0013] Der herausgelöste Kernsand des Kernpaketes kann sowohl im Abschreckbecken oder auch
in der Tauchwanne abgeschieden werden und durch spezielle Vorrichtungen dem Wärmebehandlungsofen
zugeführt werden. Das Gussteil wird bevorzugt ohne Anwendung einen vorgeschalteten
Lösungsglühprozesses nach dem Abschrecken in einem Wärmebehandlungsofen bei einer
Temperatur zwischen 180°C und 220°C ausgelagert. Die hierbei entstandene Abwärme wird
dazu genutzt, den Kernsand bei einer Temperatur zwischen 90°C und 150°C aufzuheizen
und zu trocknen.
[0014] Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden in folgenden Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigen:
[0015]
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung des Gießprozesses mit dem Recycling des Kernsandes,
- Fig. 2
- eine Tauchwanne mit einem Gussstück und
- Fig. 3
- eine Wärmebehandlungskurve eines Gussteils entspre- chend dem Stand der Technik und
entsprechend der Erfindung.
[0016] In Figur 1 ist ein Gießverfahren nach der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
Hierbei wird aus einem Gießgefäß 8 Gießmetall 9 in eine Gießform 4, die ein Kernpaket
6 umfasst, ausgegossen. Nach dem Gießen wird zumindest das Kernpaket 6 zusammen mit
dem ausgegossenen Gussteil 2 in eine Tauchwanne 20 gegeben, und zu einem Abschreckbecken
22 befördert. Das Kernpaket 6 mit dem Gussstück 2 ist in der Tauchwanne 20 auf einem
Gitter 26 gelagert, so das es nicht mit einem Boden der Tauchwanne 20 in Berührung
kommt. Die Tauchwanne 20 mit dem Kernpaket 6 und dem Gussteil 2 wird in ein Abschreckbecken
22 eingetaucht, wobei das Kernpaket 6 innerhalb von wenigen Sekunden sich auflöst
und zu Kernsand 10 zerfällt. Das Gussteil 2 wird dabei innerhalb von kurzer Zeit auf
Temperaturen unter 100°C abgekühlt. Das Gussteil 2 mit der Tauchwanne 20 wird aus
dem Abschreckbecken hervorgeholt, wobei ein Abschreckmedium abfließt.
[0017] Das Abschreckmedium besteht in der Regel aus Wasser das gegebenenfalls Additive enthält.
Öl als Abschreckmedium ist ebenfalls zweckmäßig.
[0018] Das Gussstück wird nun bevorzugt mit einer Temperatur unter 100°C in einen Wärmebehandlungsofen,
in diesem Beispiel in einen Auslagerungsofen 16 gegeben. Der beim Abschrecken herausgelöste
Kernsand 10 befindet sich entweder ins Tauchbecken 22 und wird dort in einer Abscheidevorrichtung
30 vom Abschreckwasser 14 getrennt und über ein Beförderungssystem 32 zum Auslagerungsofen
16 transportiert. Gleichzeitig kann es zweckmäßig sein, dass der herausgelöste Kernsand
10 ganz oder teilweise in der Abschreckwanne 20 gesammelt wird, im Wesentlichen zusammen
mit der Abschreckwanne 20 und dem Gussteil 2 in den Auslagerungsofen 16 geführt wird
und dort durch eine Öffnung der Abschreckwanne 20 entleert wird.
[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Art ausgestaltet sein, dass beide Sandabscheidungsverfahren
gleichzeitig oder getrennt angewendet werden. In Figur 1 ist in der Zeichnung des
Auslagerungsofen 16 angedeutet, dass in diesem Fall beide Verfahren, nämlich das Abscheiden
des Sandes im Abschreckbecken 22 durch die Abscheidevorrichtung 30 und durch das Abscheiden
des Kernsandes 10 in der Abschreckwanne 20 vorgesehen ist.
[0020] Der Auslagerungsofen 16 nach der Figur 1 weist somit Zonen mit zwei Temperaturen
T1 und T2 auf. Die Temperatur T1 beträgt der entsprechenden Auslagerungstemperatur
etwa 220°C. Der Auslagerungsofen 16 ist in dieser Form so ausgestaltet, dass in einer
zweiten Kammer die Temperatur T2 herrscht, in dieser Kammer ist die Trocknung des
Kernsandes 10 vorgesehen. Die Trocknungstemperatur des Kernsandes beträgt etwa 110°C.
[0021] Die Trocknung des Kernsandes 10 kann auch in einer separaten Anlage erfolgen, wobei
die Abwärme des Auslagerungsofens 16 anderweitig, beispielsweise durch Rohrleitungen
zugeführt wird.
[0022] Der Kernsand 10 wird vom Auslagerungsofen 16 wieder über ein Transportsystem 34 zu
einem beheizten und isolierten Kernsandbehälter 18 geführt. Die Beheizung des Kernsandbehälters
18 ist dann notwendig, wenn der Kernsand für längere Zeit in diesem Behälter 18 gelagert
werden muss. Bei kurzem Aufenthalt des Kernsandes 10 im Kernsandbehälter 18 kann gegebenenfalls
auf einer Beheizung verzichtet werden.
[0023] Die Beheizung des Kernsandbehälters 18 kann ebenfalls über die Abwärme des Auslagerungsofens
erfolgen.
[0024] Der heiße Kernsand 10 wird nun von einem Kernsandbehälter 18 zu einem Kernschießprozess
12 übergeführt. Hierbei kann bei Bedarf eine Sandtrennung in unterschiedlichen Sandqualitäten
erfolgen. Während des Kernschießprozesses 12 wird unter Verwendung üblicherweise Kernschießanlagen
ein Kern beziehungsweise ein Kernpaket 6 für den nächsten Gießprozess hergestellt.
Das Kernpaket 6 wird gegebenenfalls in einem Kernlager 35, hier wiederum gegebenenfalls
unter geeigneten klimatischen Bedingungen, zwischengelagert, bevor es wieder dem Gießprozess
zugeführt wird.
[0025] Zur Ausführung des beschriebenen erfindungsgemäßen Gießverfahrens ist es erfindungswesentlich,
dass der Kernsand mit einem organischen Bindemittel versetzt ist. Dafür sind alle
anorganische Bindemittel, insbesondere Schichtmineralien, geeignet die in der Lage
sind Kristallwasser, insbesondere in Form von OH-Gruppen in deren Zwischenschichten
zu binden beziehungsweise wieder abzugeben.
[0026] Bei der Herstellung des Kernes wird das Kristallwasser aus dem Bindemittel herausgetreten,
weshalb es auch notwendig ist, den Kernsand mit dem Bindemittel zu trocknen und zu
beheizen. Ein vorteilhaftes Bindemittel besteht auf der Basis von Magnesiumsulfat.
Das Bindemittel umschließt dann jedes einzelne Sandkorn des Kernsandes 10 und stellt
beim Kernschießen eine feste Verbindung zwischen den einzelnen Sandkörnern dar.
[0027] Ein so erzeugter Kern ist ausreichend stabil, um daraus Kernpakete herzustellen und
Gussteile abzugießen. Sobald der Kern mit dem Bindemittel jedoch in Verbindung mit
Wasser kommt, nimmt das Bindemittel, in diesem Fall Magnesiumsulfat, das Wasser auf,
lagert es zwischen seinen Schichten ein, was zur plötzlichen Auflösung der Bindung
zwischen den einzelnen Sandkörnern führt. Mit der Auflösung der Verbindung zwischen
den Sandkörner zerfällt auch der Kern sehr schnell. Grundsätzlich sind zur Verwendung
als Bindemittel alle Mineralien geeignet, die in der beschriebenen Weise Wasser oder
OH-Gruppen aufnehmen können und diese wieder abgeben können, insbesondere sind als
Bindemittel in dieser Form Schichtmineralien geeignet die diese Eigenschaften aufweisen.
[0028] In Figur 2 ist eine typische Tauchwanne 20 dargestellt, die zum Abschrecken eines
Gussteils 2 geeignet ist. In dieser Form ist das Gussteil 2 auf einem Gitter 26 in
der Tauchwanne 20 gelagert. Das Gussteil 2 ist durch das Gitter 26 vom Wannenboden
38 getrennt. Beim Eintauchen der Tauchwanne 20 in das Abschreckbecken 22 strömt das
Wasser 14 über den Rand 40 der Tauchwanne 20, und wird in Kanal 42 am oberen Rand
der Wanne 20 zwischengelagert, bevor es auf dem Boden 38 der Wanne 20 strömt.
[0029] Gleichzeitig kann das Abschreckmedium, in diesem Fall das Wasser 14 an einen oberen
Teil des Gussstücks 2 gelangen, dieser bereits abkühlen, während weiteres Wasser 14
erst verzögert von unten an das Gussstück gelangt. Somit können verschiedene, genau
festgelegte Teilbereiche des Gussteils 2 verzögert von anderen Gussteilen abschreckt
werden.
[0030] Sobald das Gussteil 2, dass vor dem Abschrecken noch mit dem Kernpaket 6 umgeben
ist, mit dem Wasser 14 in Berührung kommt, zerfällt das Kernpaket 6 in der beschriebenen
Weise zu dem Kernsand 10, der sich auf dem Boden 38 der Wanne 20 absetzt. Es können
dabei Mittel vorgesehen sein, die in der Figur 2 nicht dargestellt sind, durch die
der am Boden 38 gesammelte Kernsand 10 abgelassen werden kann. Derartige Mittel können
beispielsweise in Form einer Schiebetür ausgestaltet sein, durch die der Kernsand
10 im Auslagerungsofen 16 in der, in Figur 1 skizzierten Weise abgelassen werden.
[0031] In Figur 3 ist ein typischer Temperaturverlauf des Gussteils 2 angegeben, der im
Verhältnis zum Stand der Technik veranschaulicht ist. Die Figur 3 umfasst ein Koordinatensystem
bei dem auf der X-Achse die Zeit aufgetragen ist und auf der Y-Achse die Temperatur
aufgetragen ist. Im oberen Teil der X-Achse ist ein typischer Temperaturverlauf eines
Gussteils nach dem Stand der Technik dargestellt. Es handelt sich bei beiden Temperaturverläufen
um rein schematische Darstellungen. Die Abbildungen sowohl auf der Zeit als auch auf
der Temperaturachse sind nicht maßstabgetreu wiedergeben.
[0032] In der oberen Kurve nach dem Stand der Technik wird ein Gussteil bei etwa 690-740
°C abgegossen und anschließend in einer längeren Periode, die in der Größenordnung
von etwa 8 Stunden liegt auf eine Temperatur unter 50°C abgekühlt. Nach dem Abkühlen
auf diese Temperatur bevorzugt unter 50°C wird das Gussteil vom Kern entformt und
geputzt, das heißt von Angussteilen und Graten befreit. Es folgt anschließend eine
weitere Wärmebehandlung, das sogenannte Lösungsglühen, wobei es notwendig ist, dass
Gussteil auf eine Temperatur von etwa 530°C zu erwärmen. Bei diesem üblichen Lösungsglühen
wird wiederum das Gussteil mehrere Stunden gehalten, bevor es wieder auf annähernder
Raumtemperatur abgekühlt (abgeschreckt) wird und anschließend einen mehrstündigen
Auslagerungsprozess bei etwa 180-220°C zugeführt wird. Auch der Auslagerungsprozess
dauert mehrere Stunden. Es ist nach Figur 3 ersichtlich, dass die Temperaturbehandlung
nach dem Stand der Technik langwierig und energieintensiv ist, da das Gussteil von
der Gießtemperatur langsam abgekühlt werden muss und anschließend wieder auf annährend
Gusstemperatur erhitzt wird.
[0033] Im Unteren Bereich der Figur 3 ist eine Temperaturbehandlung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren dargestellt. Das Gussteil 2 weist auch in diesem Fall einer Gießtemperatur
von etwa 690-740°C auf. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Gussteil 2 nach
dem Gießen zusammen mit dem Kernpaket in Wasser abgeschreckt. Somit entfällt eine
langwierige energieintensive Abkühlphase, das Abkühlen beziehungsweise das Abschrecken
dauert nur wenige Sekunden. Wenn das Gussteil 2 aus dem Abschreckbecken 22 entnommen
wird, weist es üblicherweise eine Temperatur von < 100°C auf. Das Abschrecken aus
der Gießtemperatur heraus ersetzt in der Regel den Lösungsglühprozess, denn dieses
Abschrecken hat die selbe Auswirkung auf die kristallografischen Eigenschaften des
Gussteils 2 wie ein Abschrecken, das üblicherweise aus dem Lösungsglühprozess erfolgt.
Das Gussteil 2, das nach dem Abschrecken etwa noch 100°C aufweist, kann wiederum gleich,
beziehungsweise zeitnah auf einer Temperatur von 220°C erhitzt werden, was üblicherweise
im Auslagerungsofen 16 geschieht.
[0034] In der Summe wird durch das beschriebene Verfahren zum Einen ein langwieriges, kostenintensives,
kontrolliertes Abkühlungsverfahren des Gussteils überflüssig gemacht, zum Anderen
kann durch das beschriebene Verfahren in der Regel auf einen weiteren Kostenintensiven
Temperaturbehandlungsschritt bei etwa 530°C verzichtet werden. Zusätzlich kann das
Wärmebehandlungsverfahren des Gussteiles 2 durch das vorgeschlagene Verfahren deutlich
abgekürzt werden.
[0035] Es kann gegebenenfalls dennoch eine Lösungsglühung oder eine anderweitige Temperaturbehandlung
des Gussteils 2 notwendig oder zweckmäßig sein. Trotzdem ist der durch das erfindungsgemäße
Verfahren eingesparte Energiebedarf erheblich.
[0036] Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass das verwendete
anorganische Bindemittel, das die einzelnen Körner des Kernsandes 10 umschließt, wiederverwendet
werden kann. Zum Einen muss hierbei der Kernsand 10 nicht nach jedem Gießdurchgang
neu mit Bindemittel versehen werden. Dies spart Kosten an Bindemittel. Zum Anderen
weist das anorganische Bindemittel den Vorteil auf, dass es beim Gießen beziehungsweise
beim Recyceln des Kernsandes 10 nicht ausgebrannt wird. Dies hat umwelttechnische
Vorteile, da keine aufwendigen Anlagen zur Entgiftung der Ausgasungen bereit gestellt
werden müssen.
[0037] Andererseits bietet die Verwendung dieses anorganischen Bindemittels einen weiteren
Vorteil, der darin besteht, dass die Kerngeometrie für die Konstrukteure des Gussteils
2 deutlich einfacher gestaltet werden kann. Es kann beispielsweise auf oftmals vorgesehene
Gasauslasskanäle verzichtet werden. Diese Gasauslasskanäle, die im Stand der Technik
häufig verwendet werden müssen, gewährleisten einen ungehinderten Austritt des verbrannten
Bindemittels aus dem Gussteil. Bei einem Bauteil, beispielsweise einen Zylinderkopf
äußern sich diese Gasauslasskanäle in Form von Bohrungen, die im fertigen Bauteil
aufwendig durch eine Kapsel verschlossen werden müssen.
[0038] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für Leichtmetallgussteile,
insbesondere für Aluminiumgussteile. Als besonders geeignete Bauteile seien hierbei
insbesondere der Zylinderkopf oder das Zylinderkurbelgehäuse genannt. Grundsätzlich
lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch auf andere Sandgussverfahren
ausdehnen. Es ist beispielsweise zweckmäßig, dass erfindungsgemäße Verfahren auf Grauguss
oder Stallguss anzuwenden.
1. Verfahren zur Herstellung eines Gussteils (2),
wobei eine Gießform (4) mit einem Kernpaket (6) ausgestattet ist, die Gießform (4)
ausgegossen wird, das Gussteil (2) entformt wird und Kernsand (10)des Kernpaketes
(16) einem Kernschießprozess (12) wieder zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Kernsand (16) durch ein anorganisches Bindemittel zum Kernpaket (6) gebunden
wird,
- das Gussteil mit dem Kernpaket (6) nach dem Gießen in einem Abschreckmedium abgeschreckt
wird,
- während des Abschreckens das Kernpaket (6) aus dem Gussteil (2) herausgelöst wird,
- das Gussteil vom Abschrecken in einen Wärmebehandlungsofen (16) geführt wird und
- die Ofenwärme des Wärmebehandlungsofens (16) zum Trocknen des Kernsandes (10) verwendet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kernsand (10) nach dem Trocknen in einem beheizten oder isolierten Behälter (18))
zwischengelagert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil (2) vor dem Abschrecken in eine Überdruckkammer gebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gusssteil (2) in einer Tauchwanne (20) gelagert in einem Abschreckbecken (22)
abgeschreckt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kernsand (10) im Abschreckbecken (22) oder in der Tauchwanne (20) abgeschieden
wird und dem Wärmebehandlungsofen (16) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil (2) im Wärmebehandlungsofen (16) bei einer Temperatur zwischen 180°
C und 220° C ausgelagert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kernsand (10) im Wärmebehandlungsofen (16) auf eine Temperatur zwischen 90° C
und 150° C aufgeheizt und getrocknet wird.