Verfahren zur Herstellung von Salzkernen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern über ein Warmkammer-Druckgussverfahren hergestellt wird, einen entsprechend hergestellten Salzkern sowie die Verwendung eines derartigen Salzkerns in einem Giessverfahren wie einem Druckgussverfahren.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Salzkernen, welches insbesondere in Druckgussverfahren eingesetzt werden können.

[0002] Mit Hilfe des Druckgussverfahrens werden heutzutage sehr viele Bauteile grosstechnisch hergestellt. Eine Druckgussmaschine umfasst eine Giessform, welche zumindest aus zwei Formhälften (einer festen und einer beweglichen Formhälfte) besteht, die zusammen einen dem herzustellenden Bauteil entsprechenden Hohlraum (auch als Kavität oder Formkontur bezeichnet) bilden. In diesen Hohlraum wird eine Schmelze des zu formenden Materials, beispielsweise Aluminium, mit Hilfe eines Giesskolbens unter hoher Geschwindigkeit und hohem Druck gepresst. Nach Erstarren der Metallschmelze im Hohlraum wird die Form durch Bewegung der beweglichen Formhälfte geöffnet und das fertige gegossene Bauteil mit Hilfe von Auswerfern ausgeworfen.

[0003] Man unterscheidet zwischen einer Kaltkammer- und einer Warmkammer-Druckgussmaschine. Bei einer Warmkammer-Druckgussmaschine wird der Giessbehälter in einem Tiegel mit geschmolzenem Metall gehalten. Ein Giesskolben bewegt sich in den Giessbehälter hinein und presst die Metallschmelze durch eine ebenfalls zumindest teilweise in dem Tiegel angeordneten Giessbehälter in die Giessform. Giessbehälter und Giesskolben sind bei diesem Verfahren dauerhaft der Metallschmelze ausgesetzt. Das Giessaggregat einer Warmkammer-Druckgussmaschine ist grundsätzlich anders konstruiert als das einer Kaltkammer-Druckgussmaschine. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Warmkammer-Druckgussmaschine und wird nachstehend näher erläutert.

[0004] Bei einer Kaltkammer-Druckgussmaschine wird das Metall in einer separaten Vorrichtung geschmolzen beziehungsweise in geschmolzenem Zustand warm gehalten. Die zur Herstellung des gewünschten Bauteils erforderliche Menge an Metallschmelze wird über eine Einfüllöffnung in eine kalte Giesskammer eingefüllt und mit Hilfe eines in der Giesskammer beweglich angeordneten Giesskolbens in die Giessform gepresst.

[0005] Kaltkammer- und Warmkammer-Druckgussmaschinen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.

[0006] 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".

[0007] 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.

[0008] 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 Dauerform gebracht und drucklos zu einem Salzkern geformt, oder alternativ in einer entsprechenden Form unter Druck zu einem Salzkern geformt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 100 84 785 T1 beschrieben.

[0009] In der EP-0 613 742 A1 und der US-2009/0205801 A1 sind Verfahren zur Herstellung von Salzkernen beschrieben, bei denen in einem Tiegel eine Salzschmelze hergestellt und anschliessend in halbfester Form in eine Giesskammer einer Kaltkammer-Druckgussmaschine eingeführt wird. In der Kaltkammer-Druckgussmaschine wird aus der Salzschmelze der gewünschte Salzkern hergestellt.

[0010] Bei der Herstellung von Salzkernen in einer Kaltkammer-Druckgussmaschine kommt es unter anderem zu einer unerwünschten Anhaftung der eingesetzten Salzschmelze an den Dosiereinrichtungskomponenten, zum Beispiel dem Schöpflöffel oder der Giessrinne.

[0011] Es besteht daher Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung von Salzkernen, bei welchem diese Nebeneffekte nicht auftreten.

[0012] Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern über ein Warmkammer-Druckgussverfahren hergestellt wird.

[0013] Es hat sich erfindungsgemäss gezeigt, dass Salzkerne mit einer Warmkammer-Druckgussmaschine hergestellt werden können, ohne dass die hierbei erforderlichen Bedingungen (insbesondere die hohe Temperatur zum Schmelzen der Salzmischung und die im System vorhandene Salzmischung) zu einer Beschädigung der Materialien der Warmkammer-Druckgussmaschine führen. Beim erfindungsgemässen Warmkammer-Druckgussverfahren befindet sich der Giessbehälter in der Salzschmelze. Die mit der Salzschmelze in Berührung kommenden Teile der Vorrichtung befinden sich auf dem Temperaturniveau der Salzschmelze. Es kommt somit nicht zu einer Erstarrung der Salzschmelze an Vorrichtungsteilen.

[0014] Aus verfahrenstechnischen Gründen verbleibt im Kaltkammer-Druckgussverfahren der gegossene Salzkern für eine längere Zeit in der Form, nämlich bis der sogenannte Giessrest im Angusskanal zwischen Giesskammer und Giessform erstarrt ist. Der Giessrest bildet sich aus einem Überschuss an Schmelze, welcher vom Volumen der Formkavität nicht mehr aufgenommen werden kann und im Angusskanal ausserhalb der Form verbleibt. Während der Erstarrung des Salzkerns innerhalb der Form kann der Giesskolben Druck auf das Gussteil speisen. Sobald der Giessrest im Angusskanal erstarrt ist, wird der Nachdruck des Giesskolbens wirkungslos. Erst dann kann der Salzkern der Form entnommen werden. Da der Giessrest ein kleineres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweist als der Salzkern, erstarrt der Giessrest langsamer als der Salzkern.

[0015] Als Folge findet ein Grossteil der Schwindung des Salzkerns in der Form selbst statt. Unter Schwindung versteht man die Schrumpfung beziehungsweise Volumenverringerung eines Werkstoffes, welche bei Abkühlung vom flüssigen Zustand ab Erstarrungsbeginn bis auf Raumtemperatur auftritt. In der Form ist die Erstarrung und die Schwindung behindert.

[0016] Bei der Herstellung eines Salzkerns mit Hilfe eines Warmkammer-Druckgussverfahrens kann der Salzkern der Form deutlich schneller entnommen werden als bei einer Herstellung über das Kaltkammer-Druckgussverfahren. Der Salzkern kann somit ausserhalb der Form frei schwinden. Dies wird mit Hilfe der nicht einschränkenden Fig. 1 erläutert.

[0017] Es zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer Warmkammer-Druckgussmaschine zur erfindungsgemässen Herstellung eines Salzkerns.

[0018] In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäss verwendbare Warmkammer-Druckgussmaschine gezeigt. Die feste Formhälfte 1b und die bewegliche Formhälfte 1a bilden zusammen die Formkavität 1c, d.h. den Hohlraum zur Herstellung des Salzkerns. Die Formhälften 1a, 1b sind auf Aufspannplatten 2a, 2b angeordnet, von denen eine Aufspannplatte 2b fest und die andere Aufspannplatte 2a beweglich ist. Durch Fortbewegung der beweglichen Aufspannplatte 2a von der festen Aufspannplatte 2b kann die bewegliche Formhälfte 1b bewegt und die Form geöffnet werden.

[0019] In einem Tiegel 3 befindet sich eine Schmelze aus nachstehend näher erläuterten Salzen, welche zur Herstellung des Salzkerns verwendet wird. Die Schmelze kann durch eine Füllbohrung 4 in die Giesskammer 5 eintreten, wenn der Giesskolben 7 hinter die Füllbohrung 4 zurückgefahren und die Füllbohrung 4 offen ist.

[0020] Der Giesskolben 7 wird während des Druckgussvorgangs mit einer herkömmlichen (vorzugsweise hydraulischen) Antriebseinheit aus Antriebszylinder 9 und Giesskolbenstange 8 mit Druck beaufschlagt und nach unten in den Giessbehälter 6 bewegt. Die im Giessbehälter 6 befindliche Salzschmelze wird durch das Mundstück 10 in die Form 1c gepresst.

[0021] Wie vorstehend ausgeführt zeichnet sich die Warmkammer-Druckgussmaschine dadurch aus, dass sich der Giessbehälter 6 im Tiegel 3 befindet. Giesskolben 5 und Giessbehälter 6 befinden sich ständig auf dem Temperaturniveau der Schmelze.

[0022] Zudem ist das Mundstück 10 beheizt, um ein Erstarren der Schmelze in diesem Abschnitt zu verhindern. Das Mundstück 10 ist nicht horizontal angeordnet, sondern vom Formausgang abwärts geneigt. Auf diese Weise fliesst überschüssige Schmelze, die während des Druckgussvorgangs von der Formkavität 1c nicht aufgenommen werden kann und im Mundstück 10 verbleibt, nach Wegnahme des Drucks zurück in den Giessbehälter 6. Beim Warmkammer-Druckgussverfahren entsteht somit kein Giessrest, dessen Erstarrung vor der Öffnung der Form abgewartet werden muss. Der hergestellte Salzkern kann beim Warmkammer-Druckgussverfahren erheblich schneller aus der Form entnommen werden als beim Kaltkammer-Druckgussverfahren.

[0023] Es hat sich gezeigt, dass über das Warmkammer-Druckgussverfahren hergestellte Salzkerne sehr gute Materialeigenschaften zeigen. Ohne auf eine Theorie festgelegt sein zu wollen, wird vermutet, dass dies mit der schnelleren Entnahme der Salzkerne aus der Form zusammenhängt, wie vorstehend diskutiert.

[0024] 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.

[0025] 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 Gew.-% % NaCl und 20 bis 70 Gew.-% % Na₂CO₃, bevorzugter 30 bis 70 Gew.-% % NaCl und 30 bis 70 Gew.-% % Na₂CO₃ und insbesondere bevorzugt 30 bis 60 Gew.-% % NaCl und 40 bis 70 Gew.-% % Na₂CO₃. Beispielhaft sei eine Mischung aus 50 Gew.-% % NaCl und 50 Gew.-% % Na₂CO₃ genannt.

[0026] Die erfindungsgemäss einsetzbare Zusammensetzung weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt zwischen 550°C bis 1000°C auf.

[0027] Im erfindungsgemässen Verfahren wird aus den entsprechenden Salzkomponenten eine Schmelze hergestellt, indem die Salze miteinander vermischt und anschliessend über den Schmelzpunkt der Mischung erhitzt werden. Die Herstellung der Schmelze kann in einem separaten Tiegel in einem Ofen erfolgen, wobei die hergestellte Schmelze anschliessend in den Tiegel der Warmkammer-Druckgussmaschine umgefüllt wird. Erfindungsgemäss bevorzugt wird die Schmelze jedoch im Tiegel der Warmkammer-Druckgussmaschine erzeugt. Warmkammer-Druckgussmaschinen umfassen typischerweise einen Ofen zur Beheizung des Tiegels.

[0028] Die Schmelze wird im Tiegel der Warmkammer-Druckgussmaschine im geschmolzenen Zustand gehalten, d.h. oberhalb der Liquidustemperatur. Erfindungsgemäss bevorzugt kann die Temperatur der Schmelze so eingestellt werden, dass sie zumindest während des Giessprozesses der Liquidustemperatur der verwendeten Zusammensetzung entspricht. Die Liquidustemperatur ist die Temperatur, an welcher der Phasenübergang der Zusammensetzung von flüssig zu fest einsetzt. Bei der Liquidustemperatur koexistieren die feste und flüssige Phase der Zusammensetzung. Die Viskosität der Zusammensetzung steigt an, und die Zusammensetzung kann vorteilhaft unter Druckgussbedingungen zu einem Salzkern geformt werden, ohne dass es zu einem übermässigen Austritt der Schmelze aus der Druckgussform kommt. Die Einstellung der Temperatur der Schmelze kann durch übliche Temperiermassnahmen (z.B. Einstellung der Temperatur im Tiegel der Warmkammer-Druckgussmaschine, oder Abkühlung mit einer Belüftungssanlage) erreicht werden.

[0029] Die Salzschmelze wird durch eine gesteuerte Bewegung des Giesskolbens in die Giesskammer dosiert, indem wie vorstehend ausgeführt der Giesskolben für einen definierten Zeitraum hinter die Füllbohrung zurückgefahren wird und diese freigibt. Nach erfolgter Zudosierung der Schmelze in die Giesskammer wird der sogenannte Schuss ausgelöst, d.h. der Giesskolben wird mit hoher Geschwindigkeit nach unten bewegt und presst die in der Giesskammer befindliche Schmelze durch den Giessbehälter und das Mundstück in die Formkavität.

[0030] Das Warmkammer-Druckgussverfahren sowie die Steuerung der Dosierung und des Giessprozesses sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und müssen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Der erfindungsgemässe Salzkern wird unter Verwendung einer herkömmlichen Warmkammer-Druckgussmaschine und eines herkömmlichen Warmkammer-Druckgussverfahrens hergestellt. Es können grundsätzlich die gleichen Bedingungen herangezogen werden, wie sie im Stand der Technik für die Herstellung von Salzkernen über ein Kaltkammer-Druckgussverfahren beschrieben worden sind. Es wird diesbezüglich beispielsweise auf die EP-0 613 742 A1 verwiesen, auf deren entsprechenden Inhalt ausdrücklich Bezug genommen wird.

[0031] Es wird erfindungsgemäss eine Druckgussform verwendet, deren Formkavität die gewünschte Form des herzustellenden Salzkerns aufweist. Gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Form Einheiten zur Temperierung der Formkavität auf. Es kann sich hierbei um in den Formhälften bereitgestellte Kanäle zur Zirkulation eines Temperierfluids wie beispielsweise heisses Öl oder Wasserdampf handeln. Eine entsprechende Form ist aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird auf die EP-0 613 742 A1 verwiesen, auf deren entsprechenden Inhalt ausdrücklich Bezug genommen wird. Mit Hilfe einer Temperierung der Formhälften kann der Erstarrungsvorgang der Schmelze in der Formkavität gesteuert werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der gegossene Salzkern so schnell wie möglich aus der Form entnommen, damit die bei Abkühlung des Salzkerns einsetzende Schwindung ausserhalb der Form unbeeinträchtigt ablaufen kann. Eine schnelle Entnahme des Formstücks und eine damit verbundene raschere Beendigung des Giessvorgangs wohnen dem Warmkammer-Druckgussverfahren wie vorstehend beschrieben inhärent inne, da nicht auf die länger dauernde Erstarrung eines Giessrest gewartet werden muss. Es ist jedoch erfindungsgemäss bevorzugt, dass der Salzkern unmittelbar nach Erreichen einer zur Entnahme ausreichenden Festigkeit der Form entnommen wird. Der genaue Entnahmezeitpunkt ist von der verwendeten Salzmischung abhängig und kann vom Fachmann durch Routinemassnahmen problemlos bestimmt werden.

[0032] Die erfindungsgemäss hergestellten Salzkerne weisen sehr gute Materialeigenschaften auf. Insbesondere weisen die erfindungsgemäss hergestellten Salzkerne eine sehr hohe Festigkeit und Belastbarkeit auf, da sie eine geringe Anzahl an Fehlbildungen (Lunker, Risse) aufweisen.

[0033] 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 und Druckgussverfahren sind dem Fachmann bekannt und müssen hier nicht näher erläutert werden. Erfindungsgemäss beispielhaft können die Druckgussmaschinen der CARAT-Serie der Anmelderin verwendet werden.

[0034] 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.

[0035] 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.

[0036] Die erfindungsgemäss hergestellten Salzkerne können auch in Plastik-Spritzgussverfahren oder in Kokillengussverfahren eingesetzt werden. Diese Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern über ein Warmkammer-Druckgussverfahren hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern aus einer Zusammensetzung hergestellt wird, welche 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 enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zusammensetzung um eine Mischung aus Natriumcarbonat (Na₂CO₃) und Natriumchlorid (NaCl) handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zusammensetzung um eine Mischung aus 30 bis 80 Gew.-% NaCl und 20 bis 70 Gew.-% Na₂CO₃, bevorzugter 30 bis 70 Gew.-% NaCl und 30 bis 70 Gew.-% Na₂CO₃ und insbesondere bevorzugt 30 bis 60 Gew.-% NaCl und 40 bis 70 Gew.-% Na₂CO₃ handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zusammensetzung um eine Mischung aus 50 Gew.-% NaCl und 50 Gew.-% Na₂CO₃ handelt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Zusammensetzung während des Giessprozesses ihrer Liquidustemperatur entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern unmittelbar nach Erreichen einer zur Entnahme ausreichenden Festigkeit der Form entnommen wird.

8. Salzkern, hergestellt nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Verwendung einer Warmkammer-Druckgussmaschine zur Herstellung eines Salzkerns gemäss Anspruch 8.

10. Verwendung eines Salzkerns gemäss Anspruch 9 in einem Giessverfahren zur Erzeugung von Formkörpern mit komplexer Form, beispielsweise hohlen Strukturen und/oder nicht entformbaren Hinterschnitten.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Giessverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Druckgussverfahren, Plastik-Spritzgussverfahren und Kokillengussverfahren.

Zeichnung