VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON GUSSSTÜCKEN, FORMSAND UND SEINE VERWENDUNG FÜR DIE DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gussstücken aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, wie Aluminiumschmelze.

[0002] Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Formstoff und seine Verwendung für die Herstellung von Gießformteilen, die für das Abgießen von Metallschmelze, insbesondere von Leichtmetallschmelze, wie Aluminiumschmelze, eingesetzt werden- Bei derartigen Gießformteilen kann es sich beispielsweise um Gießkerne handeln, durch welche Hohlräume im Innern des zu erzeugenden Gussteils ausgebildet werden. Ebenso kann es sich bei erfindungsgemäßen Gießformteilen um Bauelemente handeln, aus denen eine mehrteilige Gießform zusammengesetzt wird, durch die die Außenform des zu erzeugenden Gussteils bestimmt wird.

[0003] Bei der gießtechnischen Herstellung von Bauteilen aus Metall werden Gießformteile benötigt, durch die einerseits die innere und andererseits die äußere Form des zu gießenden Werkstücks bestimmt wird. Bei derartigen Gießformteilen kann es sich dementsprechend um Gießkerne, durch welche Hohlräume im Innern des zu erzeugenden Gussteils ausgebildet werden, oder um Gießformelemente handeln, aus denen eine mehrteilige Gießform zusammengesetzt wird, welche die Außenform des zu erzeugenden Gussteils bestimmt.

[0004] Zur Herstellung von Gießformteilen werden in der Regel Formstoffsysteme eingesetzt, die aus einem Formgrundstoff und einem Bindemittel zusammengesetzt sind. Diese beiden Komponenten werden miteinander vermischt, geformt und in einem geeigneten Aushärteprozess zu einem kompakten Körper verarbeitet. Als Formgrundstoff kommt dabei üblicherweise Quarzsand zum Einsatz, der in der überwiegenden Zahl der Anwendungen mit einem organischen Bindemittel gebunden wird.

[0005] 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.

[0006] Als umweltverträglichere Alternative zu organischen Bindern ist die verwendung von Bindern auf Wasserglasbasis vorgeschlagen worden. Dieser Wasserglasbinder wird mit dem Formsand vermischt. Das erhaltene Gemisch wird dann in den Formkasten einer Formmaschine geschossen, in dem ein die Form des herzustellenden Formteils abbildender Hohlraum ausgebildet ist. Anschließend wird dem in die Form gegebenen Gemisch durch Wärmezufuhr Wasser entzogen. Die Wärmezufuhr kann dabei über eine entsprechende Beheizung des Formkastens oder durch eine direkt auf das Gemisch wirkende Mikrowellenheizung erfolgen (WO-A-86/00033, EP 0 917 499 B1, DE 196 32 293 A1).

[0007] Um ein optimales Arbeitsergebnis beim Abgießen der Metallschmelze zu gewährleisten, muss der zur Herstellung der Gießformteile eingesetzte Formstoff eine hohe Festigkeit und Maßtreue besitzen, die auch bei während des Baus der Gießform und dem Abgießen der Schmelze auftretenden Belastungen erhalten bleibt. Darüber hinaus soll sich der Formstoff nach dem Abgießen auf einfache Weise entfernen lassen. Letzteres erweist sich insbesondere dann als besonders wichtig, wenn Gießkerne eingesetzt werden, die in dem Gussteil komplex geformte Innenräume ausbilden.

[0008] Schließlich sollen die Formstoffe nach Gebrauch so regenerierbar sein, dass beim Formgrundstoff eine möglichst hohe Quote der Wiederverwendung erreicht wird. Dies lässt sich in an sich bekannter Weise durch Verwendung von anorganischen Bindern erreichen, die während der Herstellung der Formteile geringe Emissionen freisetzen und nach Beendigung des Gießvorgangs durch Einwirken von ausreichend hohen Temperaturen annähernd rückstandslos verbrannt werden können.

[0009] Aus der DE 44 46 352 A ist eine Gießkernzusammensetzung mit.im Wesentlichen aus Mullit bestehenden feuerfesten Körnern, die eine im Wesentlichen sphärische Gestalt besitzen und einem Bindemittel zum Binden der feuerfesten Körner bekannt. Als Bindemittel kommt bei der bekannten Gießkernzusammensetzung ein organisches Bindemittel, insbesondere ein wärmehartbares Harz, wie Phenolharz, zum Einsatz.

[0010] Aus der JP 54 004817 A ist ein selbsthärtender Formsand, bestehend aus Quarzsand und, als Binder, Wasserglas bekannt. Um eine Reaktion des Siliciumoxids des Quarzsands mit dem Natriumoxid des wasserglases zu Glas zu verhindern, enthält der bekannte Formsand weiterhin Schamotteteilchen, insbesondere Mullit-Schamotteteilchen.

[0011] Weiterhin ist aus der JP 07 164102 A eine Gießform, insbesondere ein Gießkern, bekannt, der aus einem Formgrundstoff und einem wärmehärtbaren Harz hergestellt wird. Bei der bekannten Gießform werden zwischen den Sand- und Harzbinderkomponenten bestehende Freiräume anschließend unter Druck mit einem Füllmaterial gefüllt. Das Füllmaterial kann insbesondere aus einem feuerfesten Material und einem anorganischen flüssigen Material aus Wasserglas bestehen. Auf diese Weise soll die Temperatur- und Druckbeständigkeit der bekannten Gießform gegenüber der Metallschmelze erhöht werden.

[0012] Schließlich ist aus der JP 55 084251 A ein Gießverfahren bekannt, bei dem ein Gießformteil unter Verwendung eines organischen Binders hergestellt wird. Dabei werden die Teile der Gießform, die Bereiche des Gussstücks großer Dicke abbilden, durch einen Formstoff aus einem Formsand und einem wasserglasbinder ersetzt. Auf diese weise sollen Hochtemperaturrisse aufgrund unterschiedlicher Abkühlraten in dem Gussstück vermieden werden.

[0013] In der praktischen Anwendung zeigt sich, dass die bekannten Formstoffsysteme unabhängig davon, ob organische oder anorganische Binder enthalten, unter üblichen Bedingungen die für ein optimales Arbeitsergebnis erforderlichen Eigenschaften besitzen-Doch besonders bei dünnwandigen Formteilen, wie sie beispielsweise für das Gießen von Motorblöcken oder Zylinderköpfen als Formkerne für ölkanäle eingesetzt werden, kann es in Folge unvermeidbarer Wärmeausdehnung dazu kommen, dass die Anforderungen an die Maßhaltigkeit des Gussteils nicht mehr erfüllt werden.

[0014] Ein weiteres Problem beim Abgießen von komplex geformten Gussstücken unter Verwendung von konventionell hergestellten Gießformteilen besteht darin, dass sich der Sand nach der Abkühlung nur schwer aus dem Gussteil entfernen lässt. Üblicherweise wird das Gussteil dazu geschüttelt oder Schlägen ausgesetzt, die einen Zerfall der im Innern des Gussteils befindlichen Gießkerne und der Außen an dem Gussteil haftenden Formteile bewirken und das Herausrieseln der erhaltenen Formstoffpartikel fördern sollen. Diese mechanischen Verfahren zum Entfernen der Formteile bringen jedoch die Gefahr einer Beschädigung des Gussteils mit sich. So kann es insbesondere bei filigran geformten oder dünnwandigen Bauteilen zu Rissbildungen kommen.

[0015] Es ist daher vorgeschlagen worden, anstelle mechanisch auf das Gussteil einwirkender Maßnahmen das Gussstück so stark zu erhitzen, dass der Binder verbrennt bis allein der Formgrundstoff zurückbleibt und als rieselfähiges Material leicht aus und von dem Gussteil entfernt werden kann. Der dazu erforderliche apparative Aufwand ist erheblich. Darüber hinaus sind die für das Verbrennen des Binders erforderlichen Temperaturen so hoch, dass mit der Erwärmung unvermeidbar auch eine Änderung der Eigenschaften des metallischen Gussstücks verursacht wird.

[0016] Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich qualitativ hochwertige, komplex geformte Gussstücke herstellen lassen und bei dem nach Beendigung des Gießvorgangs die Gießformteile auf einfache Weise und gefahrlos aus bzw. von dem Gussstück entfernt werden können. Darüber hinaus sollte ein Formstoff zur Verfügung gestellt werden, mit welchem sich Formteile herstellen lassen, die zur Erzeugung qualitativ hochwertiger, komplex geformter Gussstücke geeignet sind und sich nach Beendigung des Gießvorgangs auf einfache Weise und gefahrlos aus bzw. von dem Gussstück entfernen lassen.

[0017] Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

[0018] In Bezug auf die vorrichtung wird die voranstehend genannte Aufgabe durch einen Formstoff gemäß Patentanspruch 6 gelöst.

[0019] Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich durch die Wahl eines geeigneten Formstoffs Gießformteile erzeugen lassen, die in optimaler Weise die für die einfache, sichere und umweltfreundliche Herstellung von hochwertigen, maßhaltigen Gussteilen erforderlichen Eigenschaften miteinander verbinden.

[0020] Erfindungsgemäßer Formstoff verbindet in optimaler Weise die Eigenschaften, welche Voraussetzung für die Herstellung eines qualitativ hochwertigen Gussteils bei gleichzeitig einfacher Herstellweise sind. Zu diesem Zweck enthält der erfindungsgemäße Formstoff einen in körniger oder vergleichbar partikelartiger Form vorliegenden und als solcher rieselfähigen Grundstoff, der bei seiner während des Abgusses unvermeidbar eintretenden Erwärmung eine gegenüber konventionell verwendetem Quarzsand deutlich geringe Wärmeausdehnung zeigt. Der Formgrundstoff gewährleistet so auch bei geringer Materialstärke eine hohe Maßhaltigkeit bei der Herstellung komplex geformter Gussstücke.

[0021] Der im ungebundenen Zustand rieselfähige Grundstoff ist mit einem Binder vermischt, der ein von dem Grundstoff unterschiedliches Ausdehungsverhalten bei Erwärmung besitzt. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Formgrundstoff und Bindemittel kommt es nach dem wärmeeintrag aus der Gießhitze zur Ablösung des Binders von den Körnern des Formgrundstoffs. Im Ergebnis sprengt daher der Binder dann, wenn er sich stärker ausdehnt als der Grundstoff, das Formteil so auf, dass es seine feste Form verliert und leicht aus bzw. von dem Gussteil entfernt werden kann. Umgekehrt kann das Ausdehnungsverhalten des Formgrundstoffes so beschaffen sein, dass durch eine mit der Erwärmung einhergehende volumenänderung die Bindung zu dem Binder gebrochen und der Grundstoff wieder rieselfähig wird. Wesentlich ist, dass es einhergehend mit der Erwärmung zum Aufbrechen des Kern- bzw. Formbauteils kommt, so dass dieses nach der Abkühlung des Gussteils in leicht entfernbare, lose Einzelteile zerfallen ist.

[0022] Indem das thermische Ausdehnungsverhalten des erfindungsgemäßen Formstoffs in erfindungsgemäßer Weise auf das thermische Ausdehnungsverhalten der zu vergießenden Metallschmelze abgestimmt ist und indem gleichzeitig dieser Formstoff auf Basis eines rieselfähigen Grundstoffs hergestellt ist, wird erreicht, dass nach dem Abkühlen des Gussteils das von dem Gussteil jeweils zumindest teilweise umfasste bzw. an das Gussteil angrenzende Formteil aufgrund der im Zuge des Abkühlens auftretenden Kräfte in lose Einzelstücke zerbrochen ist, die leicht entfernt werden können. Der Bruch der Gießformteile wird dabei durch die in Folge der unterschiedlichen Ausdehnung von Gießmetall und Formmaterial auftretenden Kräfte bewirkt.

[0023] Besonders günstig wirkt sich die Erfindung beim Gießen von Bauteilen aus Aluminiumschmelzen aus. Aluminium weist einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass die im Zuge des Abgießens und Erstarrens der Schmelze auf die mit dem abgegossenen Teil in Berührung stehenden Formteile so hohe Kräfte ausgeübt werden, dass das betreffende Formteil sicher in kleinere Teile zerbricht. Als besonders günstig erweist sich dies, wenn es sich bei dem Formteil um eine Kernform handelt.

[0024] Eine weitere für die Erfindung günstige Eigenschaft des erfindungsgemäß beschaffenen und verwendeten Formstoffs besteht darin, dass Binder und Formgrundstoff so aufeinander abgestimmt sind, dass bei den aus dem Formstoff erzeugten Formgussteilen die Partikel des Grundstoffs thermisch stabil und nicht elastisch von dem Binder gebunden sind. Das aus einem derart beschaffenen Formgrundstoff erzeugte Formgussteil verhält sich über das gesamte beim Abgießen der Schmelze durchlaufene Temperaturintervall spröde, wodurch das gemäß der Erfindung erwünschte Zerbrechen der Formteile gefördert wird.

[0025] Das Bindemittel der Formteile ist bevorzugt so gewählt, dass es sich durch die Einwirkung von Wärme nicht zersetzt. Auf diese Weise wird vermieden, dass im Kern volumina freigegeben werden, die zu einer gemäß, der Erfindung unerwünschten Nachgiebigkeit des betreffenden Formteils führen könnten.

[0026] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Partikel des Formgrundstoffs eine im Wesentlichen runde, kugelige Form aufweisen. Die Kugelform des Formgrundstoffes und das damit verbundene Vorherrschen von Punktkontakten zwischen den Formgrundstoffpartikeln fördert den selbsttätigen Zerfall der Formteile in Folge der beim Abgießen und Erstarren der Schmelze auftretenden mechanischen Kräfte. Ein Formgrundstoff der diese Anforderung besonders gut erfüllt, ist synthetisch erzeugter Mullit. Dementsprechend sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Formgrundstoff mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 70 % des Quarzsandes subsituierende Aluminiumoxid-Sand (Mullit) aufweist. Mullit weist eine runde Kornform und eine mit Quarzsand vergleichbare Dichte auf. Daher sind die daraus hergestellten Formstoffe wesentlich einfacher zu verarbeiten als beispielsweise bekannte ZrO₂-Sande. Neben den Vorteilen in Bezug auf den erfindungsgemäß angestrebten mechanisch ausgelösten Zerfall der Formteile führt die runde Kugelform der Mullitpartikel in der Praxis zu einer vereinfachten Verarbeitbarkeit der aus solchen Formgrundstoffen erzeugten Formstoffe und damit einhergehend zu einem verminderten verschleiß der für die Herstellung der Formteile verwendeten werkzeuge und Maschinen. Darüber besitzt ein Formstoff mit hohen Gehalten an Mullit auf Grund seiner geringen Wärmeausdehnung auch bei geringer Materialstärke eine hohe Maßhaltigkeit bei der Herstellung komplex geformter Gussstücke.

[0027] Überraschend hat sich gezeigt, dass der Zerfall der aus erfindungsgemäß zusammengesetztem Formstoff hergestellten Formteilen soweit zeitverzögert gegenüber dem Abgießen der Metallschmelze selbsttätig eintritt, dass er keinen negativen Einfluss mehr auf die Qualität des zu diesem Zeitpunkt schon ausreichend erstarrten Gussteils hat.

[0028] Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften ist erfindungsgemäß zusammengesetzter Formstoff besonders zur Herstellung von Gießkernen geeignet. Diese können nach dem Gießen ohne die Gefahr einer Beschädigung des fertigen Gussstücks entfernt werden.

[0029] Wärmetechnisch wirkt ein aus einem Mullit-Quarzsandgemisch zusammengesetzter Formgrundstoff und ein daraus erzeugter Formstoff eher isolierend. Daher können diese Stoffe gezielt für solche gießtechnische Anwendungen genutzt werden, in denen es zwar zu einer über die für Quarzsande kritische Temperatur von 573 °C hinausgehenden Erwärmung kommt, bei denen die Wärmeleitfähigkeit der aus den betreffenden Stoffen erzeugten Formteile jedoch eine untergeordnete Rolle spielt bzw. die Wärmeleitung bewusst eingeschränkt werden soll.

[0030] Praktische Versuche haben ergeben, dass durch das Zumischen einer ausreichenden Menge von Mullit-Sand zu einem Quarzsand die Probleme der spontanen Geometrieveränderungen abgefangen werden können, die bei alleiniger Verwendung von Quarzsand als Formgrundstoff für die Herstellung von schlanken, filigranen Gussteilen auftreten. Wesentlich ist dabei, dass der Anteil des Al₂SiO₅-Sands jeweils ausreichend hoch ist, um die bei Quarzsand andernfalls mit der Erwärmung über die kritische Temperatur einhergehende Längenänderung des Quarzes ausgleichen zu können.

[0031] Bei erfindungsgemäß beschaffenem Formstoff sind Binder und Grundstoff darüber hinaus bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass ein aus dem Formstoff erzeugtes Gießformteil eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Diese Eigenschaft bewirkt, dass nach dem Abgießen der Metallschmelze der Temperaturunterschied zwischen Gussmaterial und dem Formteil groß bleibt, so dass die Gefahr einer vorzeitigen thermisch bzw. chemisch ausgelösten Zersetzung des Formteils auf ein Minimum reduziert ist.

[0032] Zusätzlich lässt sich der Zerfall der Gießkerne dadurch unterstützen, dass die Bestandteile des Formstoffs so aufeinander abgestimmt werden, das sich Formgrundstoff und Binder bei Erwärmung unterschiedlich ausdehnen mit der Folge, dass die Bindungen zwischen ihnen bei einer mit dem Abgießen der Schmelze einhergehenden Erwärmung aufbrechen.

[0033] Besonders praxisgerecht lässt sich die Erfindung dadurch verwirklichen, dass ein Formstoff verarbeitet wird, der aus einer Mischung eines in körniger oder vergleichbar partikelartiger Form vorliegenden und als solcher rieselfähigen Grundstoffs und einem anorganischen Binder, gebildet ist.

[0034] Der Vorteil der Verwendung von anorganischen Bindern besteht in ihrer besseren Umweltverträglichkeit und dem Umstand, dass sich die mit derartigen Bindern hergestellten Formteile problemlos in den Kreislauf des Formstoffs zurückführen lassen. Als besonders geeignet haben sich in diesem Zusammenhang Formstoffe erwiesen, die aus einem auf Wasserglas basierenden Binder und einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Formgrundstoff gemischt sind. Wesentlich ist dabei jedoch, dass das Ausdehnungsverhalten der miteinander vermischten Komponenten in ausreichender weise voneinander unterscheidet.

[0035] Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn sich Formgrundstoff und Bindemittel unterschiedlich ausdehnen. In diesem Fall kommt es nach dem wärmeeintrag aus der Gießhitze zur Ablösung des Binders von den Körnern des Formgrundstoffs. So sprengt der Binder, wenn er sich stärker ausdehnt als der Grundstoff, das Formteil so auf, dass es seine feste Form verliert und in Bruchstücke zerfällt. Diese können ohne die Gefahr mechanischer Beschädigung leicht aus bzw. von dem Gussteil abgeschüttelt werden. Wesentlich dafür, dass es bei dieser Variante zum erfindungsgemäß angestrebten selbsttätigen Zerfall des Formteils kommt, ist folglich die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Formgrundstoff und Bindemittel in der Art, dass unter Einwirkung der Gietihitze das Bindemittel in Folge der zwischen Formgrundstoff und Binder entstehenden thermischen Spannungen von den Formgrundstoffteilchen abplatzt oder in sich bricht. Durch dieses nach dem Aushärten des Formteils spröde Bruchverhalten des Bindemittels wird die Bindung zwischen den einzelnen Partikeln des Formgrundstoffs äufgebrochen und das Formteil zerfällt. Das verbleibende lose Gemisch aus Formgrundstoff- und Bindemittelbruchstücken ist rieselfähig und kann einfach aus bzw. von dem Gussstück entfernt werden.

[0036] Das jeweilige Gießformteil wird auch beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch hergestellt, dass eine erfindungsgemäß zusammengesetzte Formstoffmischung in bekannter Weise in den Kernkasten einer Kernformmaschine eingeschossen wird. Anschließend wird der Formstoff beispielsweise gemäß dem in der DE 196 32 293 Al beschriebenen Verfahren gehärtet, indem an die Hohlform des auf eine Temperatur von 100 °C bis 160 °C erwärmten Kernkastens ein Unterdruck angesetzt und der Kernformling über eine Zeit von 20 bis 30 Sekunden von dem Kernkasten erwärmt wird.

[0037] Während dieser Zeit wird das Gießformteil so fest, dass es aus dem Kernkasten entnommen werden und in eine außerhalb des Kernformkastens angeordnete Heizeinrichtung, beispielsweise einen Mikrowellenofen, gesetzt werden kann. In dieser Heizeinrichtung wird es bei ausreichender Wärmeleistung soweit erwärmt, dass ihm eine für die vollständige Aushärtung ausreichende Menge an Wasser entzogen wird.

[0038] Alternativ oder ergänzend zu einer außerhalb des Kernformkastens angeordneten Mikrowellenheizung kann der Wasserentzug auch durch eine ausreichende Beheizung des Kernkastens selbst oder durch eine Heißluftbegasung erfolgen. Diese Maßnahmen können jeweils mit einer außerhalb des Kernkastens erfolgenden Beheizung kombiniert werden. Ebenso ist es möglich, den wasserentzung durch eine direkt auf den noch im Kernkasten befindlichen Kernformling einwirkende Mikrowellenbeheizung zu bewirken.

[0039] Wird für die Aushärtung eine Beheizung des Formteils außerhalb des Kernkastens vorgenommen, so kann das jeweilige Formteil zur Steigerung der Kernoberflächenfestigkeit mit Binderflüssigkeit besprüht werden. Die so behandelten Formteile weisen eine erhöhte Stabilität bei ebenso erhöhter Abriebfestigkeit auf, so dass sie problemlos gelagert werden können und höchsten Anforderungen an ihre Maßhaltigkeit gerecht werden. Dies erweist sich insbesondere dann als günstig im Hinblick auf eine optimierte Qualität des zu erzeugenden Gussstücks, wenn ein Wasserglasbinder eingesetzt wird.

[0040] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Nockenwellenkerns einer Gießform für das Gießen eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgusslegierung näher erläutert.

[0041] In die Unterseite des Nockenwellenkerns sind in Längsrichtung beabstandet zueinander zwei Ausnehmungen eingeformt, durch welche jeweils die Form der zur Lagerung der Nockenwelle vorgesehenen Lagerböcke des herzustellenden Zylinderkopfes bestimmt ist. In die Ausnehmungen reicht jeweils ein Ast eines sich mit seinem Hauptabschnitt parallel und in einem Abstand zum Nockenwellenkern erstreckenden Ölkanalkerns. Die Länge der Äste ist dabei um ein Vielfaches größer als ihr Durchmesser. Ebenso ist die Länge des Hauptabschnitts des ölkanalkerns um ein vielfaches größer als sein Durchmesser.

[0042] Der Ölkanalkern ist in an sich bekannter Weise in einer konventionellen Formschießmaschine aus einem erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt worden, der durch Mischung eines aus Mullit-Sand und Quarzsand bestehenden Formgrundstoffs mit einem Wasserglaabinder erzeugt worden ist. Aufgrund des Anteils an Mullit-Sand ist gewährleistet, dass der Olkanalkern auch bei seiner im Zuge des Abgießens des herzustellenden Zylinderkopfes auf bis über 573 °C ansteigenden Erwärmung sich gleichmäßig und infolgedessen eindeutig vorausbestimmbar ausdehnt.

[0043] Brüche im Bereich der Äste Dehnungen des Hauptabschnitts im Bereich zwischen den Ästen sowie Krümmungen im Bereich der freien Enden des Hauptabschnitts, wie sie bei in konventioneller Weise basierend auf reinen Quarzsand enthaltenden Formgrundstoffen hergestellten ölkanalkernen festgestellt werden, werden auf diese weise sicher vermieden. Durch Verwendung eines in erfindungsgemäßer weise zusammengesetzten Formstoffs lassen sich somit Zylinderköpfe und vergleichbare Gussstücke, die dünne, sich über große Länge erstreckende Kanäle aufweisen, mit hoher Präzision in großen Stückzahlen im Leichmetallguss zuverlässig herstellen.

[0044] Während des Abgusses der Metallschmelze, bei der es sich bevorzugt um eine Aluminiumschmelze oder eine andere Leichtmetallschmelze handelt, und der Zeit, in der das Metall des Gusssstücks noch fließfähig ist, verformen sich die Gießkerne aufgrund der in erfindungsgemäßer weise aufeinander abgestimmten Eigenarten von Formgrundstoff und Binder nur unwesentlich. Die geringe Wärmeausdehnung des Formgrunastoffs unterstützt so das prozesssichere Erreichen der Maßanforderungen des Gussstücks.

[0045] Nach einer Erstarrungs- und Abkühlzeit, in der das Gussstück eine für die Weiterverarbeitung ausreichende Festigkeit erreicht, werden die Bruchstücke, in die der jeweilige Gießkern in Folge der Einwirkung der Gießhitze und auf Grund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens des Formgrundstoffs und des Binders selbsttätig zerfällt, aus dem Gussstück entleert und aufbereitet. Im Zuge des Erstarrungsvorgangs und in der Abkühlphase nach vollständiger Erstarrung des Metalls wird durch die verglichen mit den Gießkernen erheblich höhere Festkörperkontraktion des Gussmetalls der jeweilige Gießkern hohen mechanischen Spannungen unterworfen. Diese führen aufgrund der spröden, unelastischen Beschaffenheit der Gießkerne dazu, dass die Gießkerne zu knollenartigen Bruchstücken zerspringen. Deren Volumen und Festigkeit ist so gering, dass die Gussteile alleine durch Einbringen von Schwingungsenergie entsandet werden können, da sämtlicher Kernaltsand losgelöst vom Gussteil vorliegt. Durch Presslufthämmer ausgeübte Hammerschläge, wie sie beim Stand der Technik noch erforderlich sind, werden für die Entsandung nicht benötigt.

[0046] Die Aufbereitung der Gießkernbruchstücke kann ein schonendes Brechen zu körnigen Partikeln umfassen. Dann können die erhaltenen körnigen Partikel einer Metallabscheidung und einer Entstaubung unterzogen werden, um den für ihre Wiederverwendung notwendigen Zustand herzustellen. Anschließend werden die zu körnigem Material recycleten Gießformteile wieder als Grundstoff für erfindungsgemäß zusammengesetzten Formstoff verwendet.

[0047] Werden in erfindungsgemäßer Weise Formstoffe verwendet, die aus mit Wasserglasbinder vermischtem Formgrundstoff, wie synthetischem Mullit, bestehen, so treten bei der Herstellung der Gießformteile keine nennenswerten Emissionen auf. Dadurch können bei konventioneller vorgehensweise in Folge von Gasbildung immer wieder auftretende Gussfehler, umfangreiche Vorkehrungen für das Absaugen von Gasen und aufwendige Werkzeugreinigungen vermieden werden. Belastungen der Umwelt und des Bedienpersonals sind so auf ein Minimum reduziert.

[0048] Wird Mullit oder ein vergleichbar inerter Feuerfestwerkstoff als Grundstoff des erfindungsgemäßen Formstoffsystems verwendet, so besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung in der chemischen Beständigkeit des Formgrundstoffs gegenüber Binder und Schmelze. Diese Eigenschaft stellt sicher, dass bei erfindungsgemäßer vorgehensweise ein Gussstück erhalten wird, dessen Oberfläche nach dem Entleeren der Bruchstücke der Formkerne und Formteile ohne zusätzliche Reinigungsmaßnahmen völlig frei von Restsandanhaftungen ist.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Gussstücken aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, umfassend folgende Schritte:

- Herstellen eines Gießformteils aus einem Formstoff, der aus einem gegenüber der Metallschmelze inerten, rieselfähigen, einen Anteil von mehr als 50 % an synthetischem Mullit und einen aus Quarzsand bestehenden Restanteil aufweisenden Formgrundstoff, der aus Partikeln besteht, deren Form im Wesentlichen kugelförmig ist und einem anorganischen Binder gemischt ist, wobei das Wärmeausdehnungsverhalten von Formgrundstoff und Binder derart aufeinander abgestimmt sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschmelze über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des aus dem Formstoff hergestellten Gießformteils liegt,

- Zusammenstellen einer Gießform unter verwendung des Gießformteils.,

- Abgießen der Metallschmelze in die Gießform zu einem Gussstück,

- Abkühlen des Gussstücks über eine Erstarrungs- und Abkühlzeit, in der das Gießformteil selbsttätig zu Bruchstücken zerfällt,

- Entfernen der Bruchstücke des Gießformteils von oder aus dem Gussstück,

- Aufbereiten der Bruchstücke des Formstoffs zu rieselfähigem Formgrundstoff.

2. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Gießformteils das Einschießen des Formstoffs in eine in einem Kernkasten ausgebildete Hohlform, das Vorhärten des in den Kernkasten eingeschossenen Formstoffs zu dem Gießformteil durch Wärmezufuhr und das Aushärten des Gießformteils in einer außerhalb des Kernkastens angeordneten Heizeinrichtung umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung eine Mikrowellenheizung umfasst.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießformteil vor dem Aushärten mit Binder besprüht wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbereiten der Bruchstücke des Formstoffs ein Brechen der Bruchstücke, eine Metallabscheidung, eine Kornvereinzelung und/oder eine Entstaubung umfasst.

6. Formstoff für die Herstellung von Gießformteilen für das Abgießen von Metallschmelze, insbesondere von Leichtmetallschmelze, bestehend aus einem Gemisch aus einem gegenüber der Metallschmelze inerten, rieselfähigen, einen Anteil von mehr als 50 % an synthetischem Mullit und einen aus Quarzsand bestehenden Restanteil aufweisenden Formgrundstoff, der aus Partikeln besteht, deren Form im Wesentlichen kugelförmig ist und einem mit dem Formgrundstoff vermischten, anorganischen Binder, wobei das Wärmeausdehnungsverhalten von Formgrundstoff und Binder derart aufeinander abgestimmt sind, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metallschmelze jeweils über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines aus dem Formstoff hergestellten Gießformteils liegt.

7. Formstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Binder bei Erwärmung anders ausdehnt als der Formgrundstoff.

8. Formstoff nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder unter Einwirkung der Gießhitze stabil ist.

9. Formstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ein Wasserglaabindemittel ist.

10. Formstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgrundstoff vollständig aus Mullit besteht.

11. Formstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze eine Aluminiumschmelze ist.

12. Formstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass seine wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des zu vergießenden Metalls.

13. Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12 ausgebildeten Formgrundstoffs zur Durchführung des gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildeten verfahrens.

14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Formstoff hergestellte Gießformteil ein Gießkern ist.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Gießformteils um ein Vielfaches größer ist als sein Durchmesser.

Claims

1. A method for producing cast parts from a metal melt, particularly a light metal melt, including the following steps:

- production of a casting mould element from a moulding material, which is made from a base moulding material that is inert with respect to the metal melt, pourable, and includes a content of more than 50% synthetic mullite and a remainder content of silica sand, and that consists of essentially spherical particles and is mixed with an inorganic binding agent, wherein the thermal expansion behaviours of the base moulding material and the binding agent are adjusted with respect to one another such that the coefficient of thermal expansion of the metal melt is greater than the coefficient of thermal expansion of the casting mould element made from the moulding material,

- constituting a casting mould using the casting mould element,

- pouring off the metal melt into the casting mould to form a cast part,

- cooling the cast part for a solidification and cooling period, during which the casting mould element crumbles to fragments without further intervention,

- removing the fragments of the casting mould element from the surface or the interior of the cast part,

- processing the fragments of the moulding material to produce a pourable base moulding material.

2. The method as cited in one of the preceding claims,
characterised in that
the production of the casting mould element includes injecting the moulding material into a hollow shape formed in a core box, prehardening the moulding material that has been injected into the core box to form the casting mould element by the application of heat, and hardening the casting mould element in a heating installation arranged outside of the core box.

3. The method as cited in claim 2,
characterised in that
the heating installation includes a microwave heating device.

4. The method as cited in either of claims 2 or 3,
characterised in that
the binding agent is drizzled onto the casting mould element before the hardening step.

5. The method as cited in any of the preceding claims,
characterised in that
the processing of the fragments of the moulding material includes the steps of breaking up the fragments, segregating the metal, sorting the grains and/or dedusting.

6. A moulding material for producing casting mould elements for pouring off of metal melt, particularly light metal melt, made from a mixture of a base moulding material that is inert with respect to the metal melt, pourable, and includes a content of more than 50% synthetic mullite and a remainder content of silica sand, and that consists of essentially spherical particles, and an inorganic binding agent mixed with the base moulding material, wherein the thermal expansion behaviours of the base moulding material and the binding agent are adjusted with respect to one another such that the coefficient of thermal expansion of the metal melt is greater than the respective coefficient of thermal expansion of each casting mould element that is made from the moulding material.

7. The moulding material as cited in claim 6,
characterised in that
the binding agent expands differently than the base moulding material upon heating.

8. The moulding material as cited in either of claims 6 or 7,
characterised in that
the binding agent is stable under the effects of the casting heat.

9. The moulding material as cited in any of claims 6 to 8,
characterised in that
the binding agent is a water glass binding agent.

10. The moulding material as cited in any of claims 6 to 9,
characterised in that
the base moulding material is made entirely from mullite.

11. The moulding material as cited in any of claims 7 to 10,
characterised in that
the metal melt is an aluminium melt.

12. The moulding material as cited in any of claims 7 to 11,
characterised in that
its thermal conductivity is lower than that of the metal to be cast.

13. A use of a base moulding material produced as cited in any of claims 6 to 12 in order to carry out the method constituted by any of claims 1 to 5.

14. The use as cited in claim 13,
characterised in that
the casting mould element products from the moulding material is a foundry core.

15. The use as cited in claim 14,
characterised in that
the length of the casting mould element is a larger than its diameter by a multiple thereof.

Revendications

1. Procédé de fabrication de pièces coulées à partir d'une masse de métal en fusion, en particulier d'une masse de métal léger en fusion, comprenant les étapes suivantes :

- fabrication d'une partie de moule de coulage à partir d'un matériau de moule qui est obtenu par mélange d'un matériau de base de moule inerte par rapport à la masse de métal en fusion, coulable, présentant une fraction de plus de 50 % de mullite synthétique et une fraction restante constituée de sable de quartz, qui est constitué de particules dont la forme est pour l'essentiel sphérique, et d'un agglomérant inorganique, les tenues à la dilatation thermique du matériau de base de moule et de l'agglomérant étant adaptées l'une à l'autre de telle sorte que le coefficient de dilatation thermique de la masse de métal en fusion soit supérieur au coefficient de dilatation thermique de la partie de moule de coulage fabriquée à partir du matériau de moule ;

- assemblage d'un moule de coulage en employant la partie de moule de coulage ;

- coulage de la masse de métal en fusion dans le moule de coulage pour en faire une pièce coulée ;

- refroidissement de la pièce coulée pendant une période de solidification et de refroidissement pendant laquelle la partie de moule de coulage se désagrège spontanément en morceaux ;

- enlèvement des morceaux de la partie de moule de coulage de ou hors de la pièce coulée ;

- préparation des morceaux du matériau de moule pour en faire un matériau de base de moule coulable.

2. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la préparation de la partie de moule de coulage comprend l'insertion du matériau de moule dans une forme creuse configurée dans une boîte à noyau, le prédurcissement du matériau de moule inséré dans la boîte à noyau pour en faire la partie de moule de coulage par apport de chaleur et le durcissement par vieillissement de la partie de moule de coulage dans une installation de chauffage agencée à l'extérieur de la boîte à noyau.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'installation de chauffage comprend un dispositif de chauffage à micro-ondes.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la partie de moule de coulage est aspergée d'agglomérant avant le durcissement par vieillissement.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la préparation des morceaux du matériau de moule comprend le concassage des morceaux, une précipitation du métal, une séparation des grains et/ou un dépoussiérage.

6. Matériau de moule pour la fabrication de parties de moule de coulage pour le coulage d'une masse de métal en fusion, en particulier d'une masse de métal léger en fusion, constitué d'un mélange d'un matériau de base de moule inerte par rapport à la masse de métal en fusion, coulable, présentant une fraction de plus de 50 % de mullite synthétique et une fraction restante constituée de sable de quartz, qui est constitué de particules dont la forme est pour l'essentiel sphérique, et d'un agglomérant inorganique, mélangé avec le matériau de base de moule, les tenues à la dilatation thermique du matériau de base de moule et de l'agglomérant étant adaptées l'une à l'autre de telle sorte que le coefficient de dilatation thermique de la masse de métal en fusion soit chaque fois supérieur au coefficient de dilatation thermique d'une partie de moule de coulage fabriquée à partir du matériau de moule.

7. Matériau de moule selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'agglomérant se dilate au chauffage autrement que le matériau de base de moule.

8. Matériau de moule selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'agglomérant est stable sous l'action de la chaleur de coulée.

9. Matériau de moule selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'agglomérant est un agent agglomérant silicaté.

10. Matériau de moule selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le matériau de base de moule est entièrement constitué de mullite.

11. Matériau de moule selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la masse de métal en fusion est une masse d'aluminium en fusion.

12. Matériau de moule selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que sa conductibilité thermique est plus faible que celle du métal à couler.

13. Mise en oeuvre du matériau de base de moule conçu selon l'une quelconque des revendications 6 à 12 pour réaliser le procédé conçu selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.

14. Mise en oeuvre selon la revendication 13, caractérisée en ce que la partie de moule de coulage fabriquée à partir du matériau de moule est un noyau de coulée.

15. Mise en oeuvre selon la revendication 14, caractérisée en ce que la longueur de la partie du moule de coulage est plus grande d'un multiple que son diamètre.