[0001] Die Erfindung betrifft Kerne auf der Basis von Salz, Verfahren zur Herstellung von
Kernen auf der Basis von Salz, sowie die Verwendung solcher Kerne als Hohlraumplatzhalter
für Urformverfahren, die sich durch Lösungsmittel vollständig und problemlos ohne
Verbleib fester Rückstände aus den Werkstücken entfernen lassen.
[0002] An Kerne, die beim Urformen von Werkstücken aus Metall, Kunststoffen und faserverstärkten
Kunststoffen eingesetzt werden, um die in den Werkstücken vorgesehenen Hohlräume beim
Füllen der Formen freizuhalten, werden hohe Anforderungen 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 Bauteilqualität,
noch die Umwelt belasten und keine gesundheitlichen Gefährdungen verursachen.
[0003] 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 in einem geeigneten Lösungsmittel vollständig auflösen
und sich ohne Verbleib fester Rückstände aus den Hohlräumen der Werkstücke leicht
entfernen lassen. Rückstände von Kernen, die nicht lösbare Komponenten wie beispielsweise
Quarzsand enthalten, 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.
Kerne auf der Basis von Salz, die sowohl den extremen thermischen, als auch den mechanischen
Beanspruchungen, die beim Füllen der Form auftreten, standhalten, Kerne die einerseits
eine hohe Festigkeit aufweisen und sich andererseits nach dem Formgebungsprozess leicht
aus dem Bauteil herauslösen lassen, sowie eine möglichst gute, glatte Oberflächenbeschaffenheit
im Werkstück hinterlassen, können mittlerweile mit Hilfe des so genannten Trockenpressverfahrens,
mit oder ohne anschließenden Sinter- oder Rekristallisationsprozess, hergestellt werden.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Kerne auf der Basis von Salz mit geringer
Porosität, guter Oberflächengüte und möglichst hoher Festigkeit herzustellen, die
sich nach dem Urformprozess der Werkstücke leicht und vollständig aus den Werkstücken
entfernen lassen.
[0005] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Kerne in einem möglichst
einfachen und kostengünstigen Formgebungsverfahren, vorzugsweise durch das so genannte
Trockenpressverfahren, herzustellen.
[0006] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Trockenpressverfahren
zu verbessern und Kerne bereitzustellen, die in ihrer Festigkeit deutlich verbessert
sind und sich dennoch nach dem Formgebungsverfahren leicht aus dem Bauteil herauslösen
lassen, sowie eine gute, glatte Oberflächenbeschaffenheit im Werkstück hinterlassen.
[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch beschriebene Ausführungsform
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0008] Erfindungsgemäß sind die Salzkerne in einem Lösungsmittel löslich und insbesondere
wasserlöslich.
[0009] Die erfindungsgemäßen Kerne umfassen einen Kernwerkstoff vorzugsweise kristalline
Salzpartikel, Binder sowie ggf. Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel,
Härter und Katalysatoren.
[0010] Die erfindungsgemäßen Salzkerne werden mittels eines uniaxialen Trockenpressverfahrens
hergestellt. Besonders bevorzugt wird dem Trockenpressverfahren ein Masseaufbereitungsschritt
vorgelagert, bei dem Salze fein aufgemahlen und anschließend granuliert werden. Dies
dient dazu, eine gleichmäßige Kornform zu erzielen wodurch Festigkeit und Oberflächengüte
des Presslings verbessert werden können. Das Mahlen kann nass (Nassmahlung) oder trocken
(Trockenmahlung) durchgeführt werden.
[0011] Das Nassmahlen kann mit gängigen Mahlverfahren, besonders bevorzugt durch Rührwerkskugelmühlen
erfolgen. Die resultierende Korngröße vor dem Sprühgranulieren liegt im Bereich von
1 µm bis 1000 µm. Der Prozessschritt des Sprühgranulierens wird bei Temperaturen bis
800°C, bevorzugt bis 500°C durchgeführt.
[0012] Vorzugsweise wird für die hier beschriebenen Salzkerne kristallines Salz als Ausgangsstoff
verwendet. Nach dem Aufbereitungsprozess kann der Kernwerkstoff eine unimodale, aber
auch bi- oder multimodale Korngrößenverteilung aufweisen. Eine bi- oder multimodale
Korngrößenverteilung kann vorteilhaft in Hinblick auf eine besonders dichte Packung
der Kristalle sein. Die in den erfindungsgemäßen Salzkernen vorhandene Porosität kann
somit variiert werden. Die erfindungsgemäßen Salzkerne weisen eine Restporosität von
weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Salzkerns
auf.
[0013] Wesentliche Auswahlkriterien für die zu verwendenden Salze sind deren Giftigkeit
und Löslichkeit.
[0014] Als Kernwerkstoffe für die erfindungsgemäßen Kerne eignen sich die Salze der Alkali-
und Erdalkalielemente wie insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Magnesiumchlorid,
die Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente wie insbesondere Kaliumsulfat,
Magnesiumsulfat, sowie Ammoniumsalze wie insbesondere Ammoniumsulfat. Die wasserlöslichen
Vertreter dieser Kernwerkstoffe sind bevorzugt. Diese Stoffe können einzeln oder auch
als Mischung eingesetzt werden, soweit sie nicht miteinander reagieren und so die
gewünschten Eigenschaften negativ beeinflussen, denn der Kernwerkstoff soll bei der
Kernherstellung keine Stoffumwandlung erfahren, die seine rückstandsfreie Entfernung
negativ beeinflusst.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Korngröße des aufbereiteten
Kernwerkstoffs im Bereich von 1 µm bis 2000 µm. Besonders bevorzugte Korngrößenbereiche
liegen zwischen 1 µm bis 150 µm, zwischen 200 µm bis 1300 µm und/oder zwischen 1310
µm bis 2000 µm, wobei die ersten beiden Fraktionen als eher feinkörniges Granulat
und die letzte Fraktion als eher grobkörniges Granulat in multimodal zusammengesetzten
Mischungen Verwendung finden. Die Korngrößenverteilung wird über Siebanalysen gemäß
DIN 66 165 (Stand: Ausgabe 4.1987 / 26.10.2015), bzw. nach dem Verfahren der dynamische
Bildanalyse, vorzugsweise mittels Camsizer P4, durchgeführt.
[0016] Die erfindungsgemäßen Kerne bestehen aus einem oder mehreren Salzen, denen wahlweise
ein spezielles Bindersystem, sowie Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel
und Katalysatoren beigemischt werden.
[0017] Diese Kerne sind vorzugsweise für Werkstücke vorgesehen, die im Druckguss von Metallen,
Spritzguss von Kunststoffen, oder der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen
hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Kerne sind aus Stoffen zusammengesetzt,
die sich mit Wasser, als aus Gründen des Umweltschutzes bevorzugtes Lösungsmittel,
rückstandsfrei aus den Hohlräumen der Werkstücke entfernen lassen. Die erfindungsgemäßen
Kerne haben den Vorteil, dass sie aus Stoffen (= Kernwerkstoffen) zusammengesetzt
sind, die bei sachgerechter Handhabung keinerlei gasabspaltende Reaktionen zeigen,
welche die Umwelt belasten, weder bei ihrer Herstellung, noch beim Urformprozess.
Dadurch, dass bei ihrem Einsatz in Gießprozessen auch keine Crackingprodukte eines
organischen Binders entstehen, wird die Qualität der Gussteile verbessert, indem Gießfehler
wie Lunker, Gasporen o. ä. durch entstehende Kerngase vermieden werden können. Bei
der Entfernung der Kerne 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.
[0018] Alle Zusammensetzungen der Kernwerkstoffe lassen sich in herkömmlichen mechanischen
oder hydraulischen Pressen durch Verdichten verarbeiten. Die Komplexität der Geometrie
der Kerne bestimmt die Fertigungsparameter sowie die Gestaltung und konstruktive Auslegung
des Werkzeugs zur Herstellung der Kerne und der Presse.
[0019] Durch das erfindungsgemäße Feinmahlen (nass oder trocken) und die nachfolgende Granulation,
beispielsweise Sprühgranulation oder Aufbauagglomeration, kann eine spezielle Korngrößenverteilung
hergestellt werden, welche beim eingesetzten Trockenpressverfahren die größtmögliche
Packungsdichte im verdichteten Salzkern ergibt und so die Festigkeit und Oberflächengüte
der Kerne maßgeblich erhöht.
1. Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst:
Feinmahlen einer Kernwerkstoffmischung;
Granulation der Kernwerkstoffmischung;
Formen und Verdichten der Kernwerkstoffmischung mittels Trockenpressverfahren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff als Ausgangsmaterial in geeigneten Mühlen auf Korngrößen von 1
µm bis 1000 µm gemahlen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemahlene Material durch Sprühgranulation bei Temperaturen bis 800°C und besonders
bevorzugt bis 500°C, getrocknet wird und dadurch zu Granulaten mit den in Anspruch
11 bis 13 angegebenen Korngrößen agglomeriert.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemahlene Material durch Aufbaugranulation zu Granulaten mit den in Anspruch
11 bis 13 angegebenen Korngrößen agglomeriert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Mahlen und die Granulation eine bi- oder multimodaler Korngrößenverteilung
der Kernwerkstoffmischung erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne nach der Formgebung wärmebehandelt werden.
7. Kern auf der Basis von Salz, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche.
8. Kern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne aus einem oder mehreren Salzen bestehen.
9. Kern nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Binder / Bindemittel, Additive, Füllstoffe, Benetzungsmittel und/oder Katalysatoren
dem Kernwerkstoff zugesetzt werden, wobei sämtliche eingesetzten Hilfsstoffe wasserlöslich
sind.
10. Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Salze (Kernwerkstoff) Chloride der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere
Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, Sulfate und Nitrate der
Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat,
Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder Mischungen dieser Salze eingesetzt
werden.
11. Kern nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Salz Natriumchlorid ist.
12. Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Korngrößen des eingesetzten Salzes im Bereich von 1 µm bis 2000 µm liegen.
13. Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Salz in bi- oder multimodaler Korngrößenverteilung vorliegt.
14. Kern nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aufbereitete Salz in einer Korngrößenverteilung von 1 µm bis 150 µm, zwischen
200 µm bis 1300 µm und/oder zwischen 1310 µm bis 2000 µm vorliegt.
15. Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Kern eine Porosität von <5% aufweisen.
16. Kern nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Kern eine Biegefestigkeit > 16,5 MPa aufweisen.