DE10321106A1 - Molded material, molded part and method for the production of moldings for a casting mold - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Formstoff für die Herstellung von Formteilen für Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung aus einem derartigen Formgrundstoff erzeugte Formteile. Schließlich stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich aus erfindungsgemäßen Formstoffen Formteile herstellen lassen.The The invention relates to a molding material for the production of molded parts for casting molds for casting of molten metals, in particular light metal melts, such as cast aluminum melts. Furthermore relates to the invention produced from such a molding material Moldings. In the end the invention provides a method by which moldings of molded materials according to the invention let produce.
Als Grundstoff von Formstoffen, aus denen Formteile, wie Gießkerne, für Gießformen hergestellt werden, wird üblicherweise Quarzsand verwendet. Dieser Sand wird im Vorfeld in einen Mischer gegeben und darin mit einem Binder vermischt. Der durch diese Mischung erhaltene Formstoff wird dann in den die Form des zu erzeugenden Formteils bestimmenden Hohlraum eines Formwerkzeugs eingeschossen. Anschließend erfolgt die Verfestigung des Formteils in dem Formwerkzeug. Wird ein organischer, beispielsweise kunstharzbasierter Binder eingesetzt, wird dazu eine chemische Reaktion in dem in das Formwerkzeug eingeschossenen Formstoff hervorgerufen. Wird dagegen ein anorganischer, beispielsweise wasserglasbasierter Binder verwendet, so wird im Regelfall dem im Formwerkzeug enthaltenen Formstoff Wärme zugeführt, um durch Verdampfung des im Formstoff enthaltenen Wassers die Verfestigung des zu erzeugenden Formteils herbeizuführen. Es ist jedoch auch möglich, den Wasserglas enthaltenden Formstoff durch eine Begasung mit CO2-Gas chemisch zu härten.As a raw material of molded materials from which moldings, such as casting cores, are produced for casting molds, quartz sand is usually used. This sand is placed in advance in a mixer and mixed with a binder. The molding material obtained by this mixture is then injected into the mold cavity defining the shape of the molding to be produced. Subsequently, the solidification of the molding takes place in the mold. If an organic binder, for example synthetic resin-based binder, is used, a chemical reaction in the molding material injected into the molding tool is brought about. If, on the other hand, an inorganic, for example, water-glass-based binder is used, heat is usually added to the molding material contained in the mold in order to bring about the solidification of the molded part to be produced by evaporation of the water contained in the molding material. However, it is also possible to chemically harden the water glass-containing molding material by a gassing with CO 2 gas.
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.The Use of quartz sand as raw material for the production of molded parts Especially in the field of potting of light metal materials proven in several ways. So lets Get such quartz sand cost and draws itself by a simple processability and a good quality at the Illustration of the form elements of each mold part to be produced out.
Bei Verwendung eines Formstoffs mit Quarzsand als Grundstoff, der einen auf Wasserglas basierenden Binder enthält, steht diesen Vorteilen allerdings der Nachteil gegenüber, dass an den von den Formteilen abgebildeten Gussteiloberflächen Sandanhaftungen verbleiben. Diese Anhaftungen können nur entfernt werden, indem die Gussteile in einem separaten Bearbeitungsprozess beispielsweise mit einem Strahlgut gestrahlt oder mit Druckwasser gereinigt werden.at Using a molding material with quartz sand as a raw material, the one contains on water glass-based binder, has these advantages but the disadvantage compared to that on the casting surfaces depicted by the moldings Sandanhaftungen remain. These attachments can Only be removed by placing the castings in a separate machining process For example, blasted with a blasting material or with pressurized water getting cleaned.
Der Bearbeitungsaufwand und damit einhergehend die Kosten der Herstellung von Gussteilen steigt durch die Notwendigkeit der Nachbearbeitung an. Dabei ist der mit der Nachbearbeitung verbundene Aufwand insbesondere dann hoch, wenn die Formteile als Gießkerne eingesetzt werden, die Innenräume des Gussteils abbilden.Of the Processing costs and the associated costs of production of castings increases due to the need for reworking. In this case, the effort associated with the post-processing is particular then high, when the moldings are used as casting cores, the inside rooms of the casting.
Es ist versucht worden, den mit der Reinigung von Gussteilen verbundenen Aufwand durch den Einsatz von Formstoffen zu vermindern, deren Formgrundstoff hohe Anteile von synthetischem Mullit enthalten. Formstoffe dieser Art besitzen die Eigenschaft, im Zuge der Erstarrung im Gussteil selbsttätig zu zerfallen, so dass sie nach abgeschlossener Gussteilerstarrung einfach entfernt werden können. Allerdings führen die dazu erforderlichen Mengen an Mullit zu hohen Kosten des Formgrundstoffs.It has been tried, the one associated with the cleaning of castings To reduce effort through the use of molding materials, their molding material high levels of synthetic mullite included. Moldings of this Art own the property, in the course of solidification in the casting automatic to disintegrate, leaving them after completion of casting solidification can be easily removed. Indeed to lead the required amounts of mullite at a high cost of the molding material.
Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, einen Formstoff zu nennen, der die kostengünstige Herstellung von Gießformteilen, insbesondere Gießkernen, ermöglicht. Darüber hinaus sollten kostengünstig herstellbare Formteile und ein Verfahren angegeben werden, das es ermöglicht, derartige Formteile zu erzeugen.The The object of the invention was therefore to call a molding material, the cost-effective Production of moldings, in particular casting cores, allows. About that In addition, should be inexpensive producible moldings and a method can be specified that it allows To produce such moldings.
In Bezug auf den Formstoff für Formteile von Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein solcher Formstoff aus einem auf Basis von quarzfreiem Sand erzeugten Formgrundstoff und einem mit dem Formgrundstoff vermischten, auf Basis von Wasserglas erzeugten anorganischen Binder hergestellt ist.In Reference to the molding material for Moldings of casting molds for casting of molten metals, in particular light metal melts, such as cast aluminum melts, this task is solved by that such a molding material of a based on quartz-free sand produced molding material and mixed with the molding material, produced on the basis of water glass produced inorganic binder is.
Als quarzfreier Sand besonders geeignet ist Olivin-Sand, bei dem es sich um ein weitverbreitetes Mineral handelt, das in großen Mengen kostengünstig erhältlich ist.As quartz-free sand is particularly suitable olivine sand, in which it is a widespread mineral, in large quantities economical available is.
Überraschend hat es sich gezeigt, dass Formstoffe, die erfindungsgemäß auf Grundlage eines ganz oder zumindest zum weitaus überwiegenden Teil aus quarzfreien Sanden bestehenden Basisstoffes hergestellt werden, sich vom fertigen Gussteil auch dann einwandfrei ablösen, wenn sie mit einem Wasserglasbinder gebunden sind. Dabei sind die am Gussteil verbleibenden Sandhaftungen auf ein Minimum reduziert. Auf diese Weise kann auch bei Verwendung von Formteilen, die aus erfindungsgemäßen, einen Wasserglasbinder enthaltenden Formstoffen hergestellt sind, garantiert werden, dass sandanhaftungsfreie Gussteile erhalten werden.Surprised It has been found that molding materials based on the invention a whole or at least for the most part quartz-free Sanden existing base fabric are manufactured, from the finished Cast off perfectly even when using a waterglass binder are bound. Here are the remaining sand retention on the casting reduced to a minimum. This way can also be used of moldings consisting of inventive, a water glass binder containing molded materials are guaranteed to be free of sand adhesion Castings are obtained.
Der erfindungsgemäße, auf Grundlage von quarzfreiem Sand, insbesondere Olivin, erzeugte Formstoff schafft die Vorraussetzung für eine kostengünstige Herstellung von Gussteilen. So ist bei Verwendung erfindungsgemäßer Formstoffe der Aufwand für die Sandentfernung gegenüber demjenigen Aufwand verringert, der bei der Reinigung von Gussteilen anfällt, die unter Verwendung von aus herkömmlichen, quarzhaltigen Formstoffen erzeugten Formteilen gegossen worden sind.The molding material produced on the basis of quartz-free sand, in particular olivine, according to the invention creates the prerequisite for cost-effective production of castings. So is Ver The use of molding materials according to the invention reduces the expense of removing sand compared with the expense incurred in the cleaning of cast parts which have been cast using molded parts produced from conventional, quartz-containing molding materials.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäß verwendete Formgrundstoff vollständig aus quarzfreiem Sand bestehen. Um jedoch neben der Anhaftungsfreiheit auch eine besonders einfache Entfernung der Formteile vom fertig erstarrten Gussteil zu gewährleisten, ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung möglich, dem Formgrundstoff einen Anteil an synthetischem Mullit zuzugeben. Dieser mit dem Hauptbestandteil quarzfreier Sand, insbesondere Olivin, vermischte Mullitanteil unterstützt den selbsttätigen, im Zuge der Erstarrung des Gießbauteils einsetzenden Zerfall der auf Basis des erfindungsgemäßen Formgrundstoffs erzeugten Formteile. Dies erweist sich als besonders günstig, wenn es sich bei den Formteilen um Gießkerne handelt, die im fertigen Gusstück Hohlräume abbilden.Basically the invention used Molding material completely consist of quartz-free sand. However, in addition to the attachment also a particularly simple removal of the moldings from the finished to ensure solidified casting, is it according to one advantageous embodiment of the invention possible, the molding material a Add proportion of synthetic mullite. This one with the main ingredient quartz-free sand, especially olivine, mixed mullite content supports the automatic, in the course of solidification of the casting component onset of decomposition based on the molding material of the invention produced moldings. This proves to be particularly favorable when it is the moldings to casting cores in the finished Cast cavities depict.
Die durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Formstoffen erreichten positiven Wirkungen stellen sich bei allen gängigen Wassergläsern ein. Dies gilt insbesondere für solche Wassergläser, die ein Modul von 3,3 – 2 aufweisen.The achieved by the use of molding materials according to the invention positive effects occur with all common water glasses. This is especially true for such water glasses, which is a module of 3.3 - 2 respectively.
Eine die Anforderungen der Praxis besonders gut erfüllende Formstoffzusammensetzung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass sie jeweils 1,5 – 3,0 Gew.-% Wasserglas enthält.A meets the requirements of the practice particularly well-fulfilling molding composition This is characterized by the fact that it contains 1.5 to 3.0 wt .-% of water glass.
Zur Verbesserung der Sandlebenszeit kann der erfindungsgemäße Formstoff 0,3 – 0,5 Gew.-% Natronlauge enthalten.to Improvement of the sand life can the molding material according to the invention 0.3 - 0.5 Wt .-% sodium hydroxide solution.
In Bezug auf das Formteil wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Formteil für Gießformen, bei dem es sich insbesondere um einen Gießkern handelt, aus einem erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt ist.In With respect to the molding, the above object is achieved in that an inventive molding for casting molds, which is in particular a casting core, from a molding material according to the invention is made.
Grundsätzlich stellen sich die durch Verwendung eines auf der Mischung von quarzfreien Sanden und einem anorganischen Wasserglasbinder basierenden Formstoffsystem beim Abguss von Leichtmetallschmelzen erreichten vorteilhaften Effekte unabhängig davon ein, nach welchem Verfahren die jeweiligen Formteile, insbesondere Gießkerne, hergestellt worden sind.Basically ask By using one on the mixture of quartz-free Sanden and an inorganic water glass binder based molding material system during the casting of light metal melts achieved advantageous effects independently of which, according to which method the respective moldings, in particular cores, have been produced.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich das so genannte "Anorganische Warmbox Verfahren" für diesen Zweck besonders eignet. Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe in Bezug auf das Verfahren zum Herstellen eines Formteils für Gießformen, insbesondere zur Herstellung von Gießkernen, dementsprechend dadurch gelöst, dass folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden:
- – Herstellen eines erfindungsgemäßen Formstoffs,
- – Einfüllen des Formstoffs in einen das Formteil abbildenden Hohlraum eines temperierten Formkasten,
- – Verfestigen des Formstoffs in zwei Phasen,
- – wobei in der ersten Verfestigungsphase der Formstoff in dem temperierten Formkasten gehalten wird, bis eine abriebfeste Randschale des Formteils entstanden ist, und
- – wobei das Formteil anschließend aus dem Formkasten entnommen und unter Einwirkung einer Mikrowellenheizung fertig ausgehärtet wird.
- Preparing a molding material according to the invention,
- Filling of the molding material into a molding cavity of a tempered molding box,
- Solidifying the molding material in two phases,
- - Wherein in the first solidification phase of the molding material is held in the tempered mold box until an abrasion-resistant edge shell of the molded part is formed, and
- - The molding is then removed from the molding box and cured fully under the influence of microwave heating.
Mit dieser Vorgehensweise lassen sich aus Formstoffen, die durch Mischen von erfindungsgemäß quarzfreien Sanden, insbesondere Olivinsand-Grundstoffen, mit einem anorganischen Binder hergestellt sind, zuverlässig Formteile fertigen, die nicht nur eine besonders hohe Festigkeit und Abbildungstreue besitzen, sondern darüber hinaus die Eigenschaft haben, bei der Herstellung der Gussteile anhaftungsfrei zu zerfallen. Zerfallsfördernde Zusätze im Bindersystem sind nicht mehr erforderlich. Daher werden bei der Anwendung der Erfindung Belastungen der Umwelt und Gefährdungen der Bedienpersonen durch entweichende Gase vermieden, deren Entstehung und ungewollte Verbreitung bei konventioneller Fertigungsweise nur mit großem technischen Aufwand minimiert werden können.With This procedure can be made of molded materials by mixing of quartz-free according to the invention Sands, in particular olivine sand base materials, with an inorganic Binder are made, reliable Produce molded parts that not only a particularly high strength and illustration fidelity, but beyond the property have to disintegrate without adhesion during the production of the castings. decay-promoting additions in the binder system are no longer necessary. Therefore, at the Application of the invention Pollution of the environment and hazards the operators avoided by escaping gases, their formation and unwanted dissemination in conventional manufacturing way only with big technical effort can be minimized.
Die Ausbildung der festen, den Weitertransport in den Mikrowellenofen ermöglichenden Außenschale kann dadurch unterstützt werden, dass der Formstoff während der ersten Phase der Verfestigung unter Unterdruck gehalten wird. In dieser ersten Phase der Verfestigung härtet der Formstoff soweit aus, dass in seinem an die Formwandungen angrenzenden Randbereich eine feste Schicht entsteht, die eine ausreichende Formstabilität des Formstoffs beim nächsten Fertigungsschritt gewährleistet.The Training of the solid, the further transport in the microwave oven enabling outer shell can be supported be that the molding material during the first phase of solidification is kept under negative pressure. In this first phase of solidification, the molding material cures so far, that in its adjoining the mold walls edge region a solid layer is formed, the sufficient dimensional stability of the molding material next Guaranteed production step.
Abhängig von der Komplexität der Formgebung des jeweils herzustellenden Formteils sollte die Temperatur des Formkastens in der ersten Phase der Verfestigung 150°C bis 200°C betragen. Bei Einhaltung dieses Temperaturbereichs während der Bildung des festen Randbereichs der Formteile lassen sich auch solche Gießkerne sicher herstellen, die stark variierende Durchmesserverläufe oder stark ungleichförmige Massenverteilungen aufweisen.Depending on the complexity The shape of each mold to be produced should be the temperature of the mold box in the first stage of solidification 150 ° C to 200 ° C. When maintaining this temperature range during the formation of the solid Edge region of the moldings, such casting cores can be safe produce, the strongly varying diameter courses or strongly non-uniform Have mass distributions.
Es hat sich gezeigt, dass sich bei geeigneter Temperaturwahl eine für die Weiterverarbeitung ausreichend beständige Außenschale des Formteils schon dann einstellt, wenn die erste Phase der Verfestigung 10 s bis 50 s dauert.It It has been shown that with suitable temperature selection one for further processing sufficiently resistant outer shell of the molding already sets when the first phase of solidification 10 s to 50 s lasts.
Die vollständige Aushärtung des Formteils stellt sich anschließend sicher ein, wenn die Einwirkzeit der Mikrowellenheizung in der zweiten Phase der Verfestigung 2 – 5 Minuten beträgt. Innerhalb dieser Zeitspanne kann die jeweilige Einwirkdauer unter Berücksichtigung der Komplexität der Formgebung so eingestellt werden, dass am Ende der Mikrowellenbehandlung eine für den Abgussprozess ausreichende Endfestigkeit und Trockenheit des Formteils gewährleistet ist.The full curing of the molding then adjusts safely when the exposure time Microwave heating in the second phase of solidification 2 - 5 minutes is. Within this period, the respective exposure time can be below consideration the complexity The shaping can be adjusted so that at the end of the microwave treatment one for the casting process sufficient final strength and dryness of the Guaranteed molding is.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.following The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.
Zur Herstellung eines für den Guss eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgusslegierung bestimmten Gießkerns ist zunächst ein Formgrundstoff erzeugt worden, der vollständig aus Olivin-Sanden bestand.to Producing a for determined the casting of a cylinder head from an aluminum casting alloy casting core is first a molding base made entirely of olivine sands.
Aus diesem Formgrundstoff ist anschließend ein Formstoff erzeugt worden, indem der Formgrundstoff mit einem Wasserglasbinder vermengt worden ist. Zusätzlich ist dem Formgrundstoff ein Anteil Natronlauge zur Verbesserung seiner Haltbarkeit zugegeben worden. Der so zusammengestellte Formgrundstoff enthielt 2,5 Gew.-% Wasserglasbinder, 0,3 Gew.-% Natronlauge, 0,2 Gew.-% Silikonöl und als Rest Formgrundstoff mit der voranstehend erläuterten Zusammensetzung.Out This molding material is then produced a molding material been mixed by mixing the molding material with a water glass binder has been. additionally the molding base material is a proportion of sodium hydroxide to improve its Durability has been added. The thus assembled basic molding material contained 2.5% by weight of water glass binder, 0.3% by weight of sodium hydroxide solution, 0.2 Weight% silicone oil and as the remainder of the molding material with the above-explained Composition.
Dieser Formstoff ist in den den fertigen Gießkern abbildenden Hohlraum eines vorgewärmten Formkastens gegeben worden. Aufgrund der ausgezeichneten Fließfähigkeit des Formstoffs sind dabei auch schwierig geformte, kleinteilige Formelemente des Hohlraums sicher gefüllt worden. Diese sichere Formfüllung ist zudem dadurch unterstützt worden, dass der Formkasten schon während des Füllvorgangs mit Unterdruck beaufschlagt wurde. Der Unterdruck betrug 0,3 bar.This Molded material is in the finished casting core imaging cavity a preheated molding box been given. Due to the excellent flowability of the molding material are also difficult-shaped, small-scale Moldings of the cavity have been securely filled. This secure mold filling is also supported by it been that the molding box already applied during the filling process with negative pressure has been. The negative pressure was 0.3 bar.
Die Temperatur des Formkastens betrug beim Einfüllen des Formstoffs 180°C. Bei dieser Temperatur ist der Formstoff nach Beendigung des Füllvorgangs in dem Formkasten für 30 Sekunden bei nach wie vor wirksamer Unterdruckbeaufschlagung gehalten worden. In dieser Zeit bildete sich im Bereich der an die Innenwandungen des Formkastens angrenzenden Bereiche des Formstoffs eine feste Außenschale. Auf diese Weise war am Ende der im Formkasten absolvierten ersten Phase der Verfestigung ein Formteil vorhanden, dessen Festigkeit ausreichte, um es sicher in einen Mikrowellenofen transportieren zu können.The Mold box temperature was 180 ° C during filling of the molding material. At this Temperature is the molding material after completion of the filling process in the molding box for Maintained for 30 seconds with still effective negative pressure Service. At this time formed in the area of the inner walls the mold box adjacent areas of the molding material, a solid outer shell. In this way was at the end of completed in the form box first Stage of solidification a molding available, its strength sufficient to transport it safely in a microwave oven to be able to.
In dem Mikrowellenofen ist das Formteil für 3 Minuten durch Mikrowellen beheizt worden, bis es eine für den Gießeinsatz ausreichende Endfestigkeit erreicht hat.In the microwave oven is the molded part for 3 minutes by microwaves been heated until there was a for the casting insert has reached sufficient final strength.
Der derart erzeugte Gießkern ist dann in eine Gießform gesetzt worden, in der anschließend die aus der Aluminiumgusslegierung erzeugte Schmelze zu dem herzustellenden Zylinderkopf vergossen worden ist. Im Zuge der Erstarrung ist der Gießkern aufgrund des Temperatureinflusses der Gießwärme und seiner infolge der Erstarrung des Gussstücks eintretenden mechanischen Belastung selbsttätig in viele kleine Bruchstücke zerfallen, die nach der vollständigen Erstarrung des Gussstücks leicht entfernt werden konnten.Of the Casting core produced in this way is then in a mold been set in the subsequent the melt produced from the aluminum casting alloy to be produced Cylinder head has been shed. In the course of solidification is the casting core due to the temperature influence of the casting heat and its as a result of Solidification of the casting entering mechanical stress automatically split into many small fragments, the after the complete Solidification of the casting could be easily removed.
Nach dem Entfernen der Bruchstücke des Gießkerns zeigte sich, dass an den Wänden des Gussstücks, die in unmittelbaren Kontakt mit dem Gießkern gekommen waren, kein Sand mehr anhaftet. Eine nachträgliche Säuberung der durch den Gießkern abgebildeten Kanäle und Hohlräume des Zylinderkopfes war nicht mehr erforderlich.After removing the fragments of the casting core showed up on the walls of the casting, which had come into direct contact with the foundry, no More clinging sand. An afterthought cleaning the through the core pictured channels and cavities the cylinder head was no longer required.
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