WO2011054920A2 - Kerne auf der basis von salz, verfahren zu ihrer herstellung und deren verwendung - Google Patents

Kerne auf der basis von salz, verfahren zu ihrer herstellung und deren verwendung Download PDF

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    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/105—Salt cores

Definitions

  • Salt-based cores process for their preparation and their
  • the invention relates to salt-based cores, to processes for the preparation of salt-based cores, and to the use of such cores as cavity locators in the production of metallic castings, preferably in gravity casting technology, that is completely and without any problems due to solvents Whereabouts can be removed from the workpieces.
  • Cores which are used in the casting of metal workpieces into the molds in order to keep the cavities provided in the workpieces free when filling the molds with the melt place great demands.
  • the cores must be easy to produce, dimensionally stable and contour-accurate, and the materials used for their production and the dissolving solvents should not affect the casting quality, the environment or cause any health hazards.
  • the surface of the cores must be particularly smooth and contoured and the cores must dissolve completely in a suitable solvent and can be easily removed without leaving solid residue from the cavities of the workpieces .
  • Residues of cores containing non-dissolvable components such as quartz sand can cause damage to surfaces to be refined or cause the failure of an aggregate, for example, when core residues lead to blockage of an injector in the common rail system of a diesel engine.
  • Object of the present invention is cores based on salt with low porosity, good surface quality and the highest possible strength which can be easily and completely removed from the workpieces after casting the workpieces.
  • Another object of the present invention is to produce such cores in a simple and inexpensive forming process, preferably by the so-called dry pressing process.
  • the cores according to the invention consist of a salt, the binder and optionally adjuvants such as fillers, additives, wetting agents and catalysts can beige bechtcht. These cores are preferably intended for workpieces that are cast in the chill casting of non-ferrous metals, such as aluminum, brass or copper.
  • the cores according to the invention are composed of substances which can be removed with water, as a preferred solvent agent for reasons of environmental protection, residue on the cavities of the workpieces.
  • the quality of the castings is improved by casting defects such as Lun ker, gas pores or the like can be avoided by developing core gases.
  • the substances can be recovered by suitable processes from the liquid phase, for example the salt by spray drying or evaporation.
  • All compositions of the core materials can be processed in conventional mechanical or hydraulic presses by compacting.
  • the complexity of the geometry of the cores determines the manufacturing parameters as well as the design and constructive design of the tool for making the cores and the press.
  • Suitable core materials for the cores according to the invention are the salts of alkali metal and alkaline earth metal elements such as, in particular, sodium chloride, potassium chloride and magnesium chloride, sulfates and nitrates of alkali metal and alkaline earth metal elements such as, in particular, calium sulfate, magnesium sulfate, and ammonium salts such as, in particular, ammonium sulphate , C urrent materials are preferred.
  • alkali metal and alkaline earth metal elements such as, in particular, sodium chloride, potassium chloride and magnesium chloride
  • sulfates and nitrates of alkali metal and alkaline earth metal elements such as, in particular, calium sulfate, magnesium sulfate
  • ammonium salts such as, in particular, ammonium sulphate , C urrent materials are preferred.
  • These substances can be used singly or as a mixture, as long as they do not react with one another and thus have
  • all easily soluble salts are suitable whose decomposition or melting point above the temperature of the liquid Molten metal lies.
  • the core materials can be easily and simply divided into the desired grain sizes or grain classes.
  • the selected particle size distribution and the degree of compaction selected influence in particular the surface properties of the cores. The smaller the grain size, the smoother the surface.
  • the highest possible degree of compaction is desired, which can be achieved by mixing different salts and optionally the additional substances with different distribution curves, for example by a bi- or trimodal grain distribution in the mixture.
  • grain sizes in the range of 0.01 mm to 2 mm are preferred, depending on the core material, the desired surface quality and contour accuracy of the workpiece to be cast.
  • grain size fractions of 0.01 mm to 0.29 mm, 0.3 mm to 1, 3 mm and / or 1, 31 mm to 2.0 mm are mixed in different proportions.
  • Fillers which can also be removed completely by water as a solvent and residue-free, may optionally replace part of the salt as far as the density and strength are not adversely affected. According to the invention, it has been found that up to 30% by weight of the salt can be replaced by corresponding fillers.
  • the grain size of the filler is suitably adjusted to the grain size or the particle size distribution of the salt.
  • At least one suitable binder / binder or binder system is added to the salt prior to compaction.
  • All binders / binders are possible, which can be removed without residue after curing with water as the solvent, and the salt and optionally the additives are good the mixture of these substances must be malleable by means of compression into lost cores.
  • binders / binders, inorganic phosphates, inorganic borates, silicate compounds or mixtures of these binders are suitable if they can be removed without residue with water as solvent.
  • binders / binders of water-soluble silicates such as water-soluble water glass with a water glass module of 1 to 5 are preferred, whereby water glasses with different water glass module can also be present as a mixture.
  • the amount added depends on the water glass module used and, depending on the wetting behavior, is between 0.5% by weight and 15% by weight, preferably between 5% by weight and 8% by weight. In order to achieve the properties necessary for the subsequent casting process, such as strength and dimensional stability, it is also possible to use special mixtures of binders.
  • the properties of the mixture of salt according to the invention, optionally excipients such as additives, fillers, wetting agents and / or catalysts and binders or binder system can be influenced by the targeted addition of additives. It is also a prerequisite here that these additives or the reaction products of these additives with water as the solvent are completely removable from the cavity of a workpiece completely and residue-free and no casting-negative gases are released during casting, which can lead to casting defects.
  • these additives may be selected from: wetting agents, for example surfactants, additives affecting the consistency of the mixture, lubricants, deagglomerating additives, gelling agents, additives which modify the thermophysical properties of the core, for example the thermal conductivity, additives which adhere the composition Metal on the cores prevent additions that lead to better homogenization and miscibility, additives that increase shelf life, additives that prevent premature curing, additives that prevent smoke and condensate formation during casting, and additives that accelerate curing.
  • wetting agents for example surfactants
  • additives affecting the consistency of the mixture for example the consistency of the mixture
  • lubricants for example the consistency of the mixture
  • deagglomerating additives for example the thermal conductivity
  • additives which adhere the composition Metal on the cores prevent additions that lead to better homogenization and miscibility, additives that increase shelf life, additives that prevent premature curing, additives that prevent smoke and condensate formation during casting, and additives that accelerate curing.
  • additives are known
  • the cores in order for the cores to have the required strength after dry-pressing, it may be necessary to use catalysed catalysts to initiate and accelerate the cure.
  • the addition of especially fine-grained salt preferably the addition of powdered salt with a particle size below 100 nm, acts as a catalyst for curing.
  • the gas influencing the core material preferably CO 2 or air, in particular for hardening and drying of the cores after dry pressing, can be injected into the still closed mold.
  • the pressure can be up to 5 bar.
  • the core material is composed of the salt and the binder and, if necessary, the additives such as fillers, additives and catalysts, wherein the fillers and binders are inorganic. All substances can be homogeneously mixed with known mixing units. The added amount of binder and Additives are to be selected depending on the purpose of the cores and determines the surface quality and the density and strength of the cores.
  • the core material For the further processing of the core material to the usable core, it is of fundamental importance in which form the core material is present. If, as in the present invention, solid core materials are preferred, then it is of decisive importance whether the core materials are agglomerated or deagglomerated and whether they are in free-flowing form. Only free-flowing core material mixtures are capable of automatically and completely filling the so-called filling shoes used in the dry pressing process, the shaping process preferred according to the invention. Particularly preferred as the core material according to the invention are therefore free-flowing mixtures of the salt, the waterglass used as binder and the other admixtures.
  • the processing of the core materials is carried out separately from the manufacturing process, whereby appropriate protective measures must be provided to prevent agglomeration and premature curing, if necessary.
  • appropriate protective measures For example, depending on the composition of the core material, treatment, transport and storage can also be carried out under protective gas or vacuum.
  • composition and properties of a core have a significant impact on the quality of the casting.
  • the salt cores based on sodium chloride prepared according to the invention usually have a density of 1.5 g / cm 3 to 1.9 g / cm 3 , preferably 1.2 g / cm 3 to 1.8 g / cm 3 , determined by the buoyancy method , This corresponds to a porosity of 10% to 35%, preferably from 5% to 25%.
  • the flexural strength, measured according to VDG leaflet P73, is between 400 N / cm 2 and 1500 N / cm 2 . With reference to an embodiment, therefore, the most important properties are listed below. The properties given refer to cores that are not coated with a size.
  • the core was molded at a pressure of 50 to 1 20 bar on a hydraulic press. It was subjected to a thermal after-treatment of 60 min duration at 200 ° C for curing.
  • the present core is particularly suitable for use in aluminum chill casting. In order to withstand the temperatures and forces that occur during casting, the core must be dimensionally stable. The mechanical properties of the core were determined on a specimen measuring 180 mm in length, 22 mm in width and 22 mm in height.
  • the flexural strength measured according to VDG leaflet P73 (February 1996) is 400 and 1500 N / cm 2
  • the porosity also plays a decisive role.
  • the pore content is 30 in this embodiment
  • the core After the casting is completely solidified, the core must be removed. It is important that the core completely and easily dissolves immediately and without solid residues. (Note: in the context of the present invention, the term “water-soluble”, “dissolve” or “dissolve” means that it does not necessarily mean the chemical term of dissolving.) It is decisive that the constituents of the invention The nuclei can be easily and completely removed from the cavity of a workpiece by water as a solvent.) The dissolution behavior of the core is, of course, dependent on the core materials and their pretreatment, as well as the Core size dependent.
  • cores based on salt which can be produced by molding and compacting a core material mixture whose core materials are selected from at least one salt, at least one binder and optionally excipients such
  • the teaching of the invention further relates to: Process for the preparation of cores based on salt, wherein a core material mixture whose core materials are selected from at least one salt, at least one binder and optionally from excipients such as additives, fillers, wetting agents and or catalysts, in homogeneously mixed in a non-liquid form, shaped into a core and compressed in a dry pressing process.
  • a core material mixture whose core materials are selected from at least one salt, at least one binder and optionally from excipients such as additives, fillers, wetting agents and or catalysts, in homogeneously mixed in a non-liquid form, shaped into a core and compressed in a dry pressing process.
  • salts of alkali metal and alkaline earth elements in particular sodium chloride, potassium chloride and / or magnesium chloride, sulfates and nitrates of alkali and alkaline earth elements, in particular potassium sulfate and / or magnesium sulfate, and ammonium salts, in particular ammonium sulfate or mixtures of these salts can be selected, which, optionally mixed with the additional excipients, homogeneously mixed, molded into the core and compressed in the dry pressing process; the core materials, depending on the material, desired surface quality and contour accuracy of the metal to be cast workpiece, with Grain sizes in the range of 0.01 mm to 2 mm are used, formed into a core and compressed in a dry pressing process; the core materials are homogeneously mixed into a free-flowing core material mixture, shaped into a core and compacted in
  • the cores according to the invention can be used, for example, as hollow spacers in the production of metal castings, preferably in gravity casting technology.

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Abstract

An Kerne, die beim Druckgießen von Werkstücken aus Metall in die Form eingesetzt werden, um die in den Werkstücken vorgesehenen Hohlräume beim Füllen der Formen mit der Schmelze freizuhalten, werden hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Formstabilität und Entfernbarkeit aus den Hohlräumen gestellt. Erfindungsgemäß werden daher Kerne auf der Basis von Salz vorgesehen, die durch Formen und Verdichten einer Kernwerkstoff-Mischung herstellbar sind, deren Kernwerkstoffe ausgewählt sind aus mindestens einem Salz, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls aus Hilfsstoffen wie Additiven, Füllstoffen, Benetzungsmittel und Katalysatoren, wobei das Salz, das Bindemittel und die gegebenenfalls eingesetzten Hilfsstoffe der Kernwerkstoff-Mischung anorganisch sind und diese Kernwerkstoffe mit Wasser als Lösungsmittel lösbar sind.

Description

Kerne auf der Basis von Salz, Verfahren zu ihrer Herstellung und deren
Verwendung
Die Erfindung betrifft Kerne auf der Basis von Salz, Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, sowie d ie Verwendung solcher Kerne als Hohlraumplatzhalter bei der Herstellung von metallischen Gussteilen, vorzugsweise in der Kokillengusstechnologie, d ie sich durch Lösungsmittel vollständig und problemlos ohne Verbleib fester Rückstände aus den Werkstücken entfernen lassen.
An Kerne, die beim Gießen von Werkstücken aus Metall in die Formen eingesetzt werden, um die in den Werkstücken vorgesehenen Hohlräume beim Füllen der Formen mit der Schmelze freizuhalten, werden hohe Anforderungen gestellt. Die Kerne müssen sich leicht herstellen lassen, formstabil und konturgenau sein und d ie für ihre Herstellung verwendeten Werkstoffe sowie die sie auflösenden Lösungsmittel sollen weder die Gussqualität, noch die Umwelt belasten und keine gesundheitlichen Gefährdungen verursachen.
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 völlig in einem geeigneten Lösungsmittel auflösen und sich ohne Verbleib fester Rückstände aus den Hohlräumen der Werkstücke leicht entfernen lassen. Rückstände von Kernen, die nicht lösbare Komponenten enthalten wie beispielsweise Quarzsand, 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. 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 Abguss der Werkstücke leicht und vollständig aus den Werkstücken entfernen lassen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Kerne in einem möglichst einfachen und kostengünstigen Formgebungsverfahren, vorzugsweise durch das so genannte Trockenpressverfahren, herzustellen.
Bisher ist es nach dem Stand der Techn ik noch n icht gelungen , Kerne auf der Basis von Salz, die sowohl den extremen thermischen, als auch den mechanischen Beanspruchungen, die beim Umguss mit schmelzflüssigen Metallen auftreten, standhalten, ohne anschließenden Sinter- oder Rekristallisationsprozess, im so genannten Trockenpressverfahren, herzustellen. Das heißt, Kerne auf der Basis von Sa lz, d ie einerseits eine hohe Festigkeit aufweisen müssen und sich andererseits nach dem Abguss leicht aus dem Gussteil herauslösen lassen, sowie eine möglichst gute, glatte Oberflächenbeschaffenheit im Gussteil hinterlassen, sind i m Sta nd d e r Tech n i k b ish er noch n i cht m it H i lfe d es so g enannten Trockenpressverfahrens hergestellt worden.
Erfindungsgemäß gelöst wurde diese Aufgabe gemäß Hauptanspruch sowie gemäß dem Verfahren nach Anspruch 22 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.
Die erfindungsgemäßen Kerne bestehen aus einem Salz, dem Binder und wahlweise Hilfsstoffe wie Füllstoffe, Additive, Benetzungsmittel und Katalysatoren beigem ischt werden können . Diese Kerne sind vorzugsweise für Werkstücke vorgesehen , d ie im Kokillengussverfahren aus Nichteisenmetallen gegossen werden, beispielsweise Aluminium, Messing oder Kupfer. Die erfindungsgemäßen Kerne sind aus Stoffen zusammengesetzt, die sich mit Wasser, als aus Gründen des U mweltsch utzes bevorzugtes Lösu ngsm ittel, rückstand sfre i au s den Hohlräumen der Werkstücke entfernen lassen. Die erfindungsgemäßen Kerne haben den Vorteil, dass sie aus Stoffen (= Kern Werkstoffen) zusammengesetzt sind, die bei sachgerechter Handhabung keinerlei gasabspaltende Reaktionen zeigen, welche die Umwelt belasten, weder bei ihrer Herstellung, noch beim Gießprozess. Dadurch, dass beim Gießen auch keine Crackingprodukte eines organischen Binders entstehen, wird die Qualität der Gussteile verbessert, indem Gießfehler wie Lun ker, Gasporen o. ä. durch entstehende Kerngase vermieden werden können. Bei der Entfernung der Kerne aus den Werkstücken entstehen keine Rückstände, d ie 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.
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.
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 Kal iumsu lfat, Magnesiu msu lfat, sowie Am mon iumsalze wie insbesondere Ammon iumsulfat. Di e wa sserl ösl i ch e n Ve rtrete r d i ese r Kernwerkstoffe sind bevorzugt. Diese Stoffe können einzel n oder auch als Mischung eingesetzt werden, so weit sie nicht miteinander reagieren und so die gewünschten Eigenschaften negativ beeinflussen, denn der Kernwerkstoff soll bei der Kernherstellung keine Stoff um Wandlung erfahren, die seine rückstandsfreie Entfernung negativ beeinflusst. Generell sind alle leicht löslichen Salze geeignet, deren Zersetzungs- oder Schmelzpunkt oberhalb der Temperatur der flüssigen Metallschmelze liegt. Die Kernwerkstoffe lassen sich, vergleichbar mit Sand, leicht und einfach in die gewünschten Korngrößen beziehungsweise Kornklassen aufteilen. Durch die gewählte Korngrößenverteilung und den gewählten Verdichtungsgrad wird insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit der Kerne beeinflusst. Je geringer die Korngröße, desto glatter die Oberfläche. Generell wird ein möglichst hoher Verdichtungsgrad angestrebt, was durch Mischung verschiedener Salze und gegebenenfalls der zusätzlichen Stoffe mit unterschiedlichen Verteilungskurven erreicht werden kann, beispielsweise durch eine bi- oder trimodale Kornverteilung in der Mischung. Erfindungsgemäß werden Korngrößen im Bereich von 0,01 mm bis zu 2 mm bevorzugt, je nach Kernwerkstoff, gewünschter Oberflächengüte und Konturgenauigkeit des zu gießenden Werkstücks. Je nach gewünschtem Verdichtungsgrad werden Korngrößenfraktionen von 0,01 mm bis 0,29 mm, 0,3 mm bis 1 ,3 mm und / oder 1 ,31 mm bis 2,0 mm in unterschiedlichen Anteilen vermischt. Füllstoffe, die sich ebenfalls durch Wasser als Lösungsmittel vollständig und rückstandsfrei entfernen lassen, können gegebenenfalls einen Teil des Salzes so weit ersetzen wie dadurch die Dichte und Festigkeit nicht negativ beeinflusst werden. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass bis zu 30 Gew.-% des Salzes durch entsprechende Füllstoffe ersetzt werden können. Die Korngröße des Füllstoffs wird zweckmäßigerweise auf die Korngröße bzw. die Korngrößenverteilung des Salzes abgestimmt.
Um die erforderliche Stabilität der Kerne nach dem Formgebungsverfahren, vorzugsweise dem Trockenpressen, zu gewährleisten, wird vor dem Verdichten dem Salz mindestens ein geeigneter Binder / ein geeignetes Bindemittel bzw. ein geeignetes Bindersystem zugegeben. Es sind alle Binder / Bindemittel möglich, die nach dem Aushärtevorgang mit Wasser als Lösungsmittel rückstandsfrei entfernt werden können und die das Salz und gegebenenfalls die Zusatzstoffe gut benetzen, wobei die Mischung dieser Stoffe mittels Verdichten zu verlorenen Kernen formbar sein muss. Generell sind als Binder / Bindemittel, anorganische Phosphate, anorganische Borate, Silikatverbindungen oder Mischungen dieser Bindemittel geeignet, wenn sie mit Wasser als Lösungsmittel rückstandsfrei entfernt werden können. Als anorganisches Phosphat kann beispielsweise Alkalioder Ammoniumphosphat, Monoaluminiumphosphat, Borphosphat oder Natriumpolyphosphat eingesetzt werden. Bevorzugt werden Binder / Bindemittel aus wasserlöslichen Silikaten wie wasserlösliches Wasserglas mit einem Wasserglasmodul von 1 bis 5, wobei Wassergläser mit unterschiedlichem Wasserglasmodul auch als Mischung vorliegen können. Die Zugabemenge ist abhängig vom eingesetzten Wasserglasmodul und liegt, abhängig vom Benetzungsverhalten, zwischen 0,5 Gew.-% und 15Gew.-% vorzugsweise zwischen 5 Gew.-% und 8 Gew.-%. Um die für das anschließende Gießverfahren notwendigen Eigenschaften wie Festigkeit und Formstabilität zu erreichen, können auch spezielle Mischungen von Bindern eingesetzt werden.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Mischung aus Salz, gegebenenfalls Hilfsstoffen wie Additive, Füllstoffe, Benetzungsmittel und / oder Katalysatoren und Binder bzw. Bindersystem kann durch die gezielte Zugabe von Additiven beeinflusst werden. Voraussetzung ist auch hier, dass diese Additive oder die Reaktionsprodukte dieser Additive mit Wasser als Lösungsmittel vollständig und rückstandsfrei aus dem Hohlraum eines Werkstücks leicht entfernbar sind und beim Gießen keine den Gießvorgang negativ beeinträchtigenden Gase freigesetzt werden, welche zu Gießfehlern führen können. Je nach Zusammensetzung der Kernwerkstoffe können diese Additive ausgewählt werden aus: Benetzungsmitteln, beispielsweise Tensiden, die Konsistenz der Mischung beeinflussende Zusätze, Gleitmittel, Deagglomerisierungszusätze, Gelierungsmittel, Zusätze, die die thermophysikalischen Eigenschaften des Kerns verändern, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, Zusätze, die ein Ankleben des Metalls an den Kernen verhindern, Zusätze, die zu einer besseren Homogenisierung und Mischbarkeit führen, Zusätze, die die Lagerfähigkeit erhöhen, Zusätze, die eine vorzeitige Aushärtung verhindern, Zusätze, die eine Rauch- und Kondensatbildung beim Gießen verhindern sowie Zusätze, die zur Beschleunigung der Aushärtung führen. Diese Additive sind dem Fachmann von der Herstellung herkömmlicher Kerne bekannt. Ihre Zugabemenge richtet sich nach der Art und Zusammensetzung des Kern Werkstoffs.
Damit die Kerne nach dem Trockenpressen die erforderliche Festigkeit aufweisen, kann es, je nach Zusammensetzung des Kernwerkstoffs, erforderlich sein, darauf abgestim mte Katalysatoren einzusetzen , d ie d ie Aushärtu ng ein leiten u nd beschleunigen.
Ü berraschend erwe ise hat s ich g eze igt, dass d ie Zug abe von besond ers feinkörnigem Salz, vorzugsweise die Zugabe von puderförmigem Salz mit einer Teilchengröße unter 100 nm, als Katalysator für die Aushärtung wirkt. Werden erfindungsgemäß gasförmige Katalysatoren eingesetzt, kan n das den Kernwerkstoff beeinflussende Gas, vorzugsweise CO2 oder Luft, insbesondere zur Aushärtung und Trocknung der Kerne nach dem Trockenpressen in d ie noch geschlossene Form eingeblasen werden. Der Druck kann bis zu 5 bar betragen.
Mögl ich ist auch eine thermische Nachbehandlung der Kerne bei Temperaturen, bis zu 500°C.
Der Kernwerkstoff wird aus dem Salz und dem Binder sowie, sofern erforderlich, den Zusatzstoffen wie Füllstoffe, Additive und Katalysatoren zusammengesetzt, wobei die Füllstoffe und Binder anorganisch sind. Alle Stoffe können mit bekannten Mischaggregaten homogen gemischt werden. Die Zugabemenge von Binder und Zusatzstoffen ist in Abhängigkeit des Verwendungszwecks der Kerne zu wählen und bestimmt die Oberflächengüte sowie die Dichte und Festigkeit der Kerne.
Für die weitere Verarbeitung des Kernwerkstoffs zum verwendbaren Kern ist es von grundsätzlicher Bedeutung, in welcher Form der Kernwerkstoff vorliegt. Werden, wie bei der vorliegenden Erfindung, feste Kernwerkstoffe bevorzugt, so kommt es in entscheidendem Maße darauf an, ob die Kernwerkstoffe agglomeriert oder desagglomeriert und ob sie in rieselfähiger Form vorliegen. Nur rieselfähige Kernwerkstoff-Mischungen sind in der Lage, die im Trockenpressverfahren, dem erfindungsgemäß bevorzugtem Formgebungsverfahren, verwendeten, so genannte Füllschuhe selbsttätig und vollständig aufzufüllen. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt als Kernwerkstoff sind daher rieselfähige Mischungen aus dem Salz, dem als Binder eingesetzten Wasserglas und den sonstigen Beimischungen.
Die Aufbereitung der Kernwerkstoffe erfolgt getrennt vom Fertigungsprozess, wobei gegebenenfalls geeignete Schutzmaßnahmen zur Verhinderung von Agglomeration und vorzeitiger Aushärtung vorgesehen werden müssen. Beispielsweise können, je nach Zusammensetzung des Kernwerkstoffs, Aufbereitung, Transport und Lagerung auch unter Schutzgas oder Vakuum erfolgen.
Die Zusammensetzung und die Eigenschaften eines Kerns haben wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Gussteils.
Die erfindungsgemäß hergestellten Salzkerne auf der Basis von Natriumchlorid haben üblicherweise eine Dichte von 1,5g/cm3 bis 1,9g/cm3, vorzugsweise von 1,2 g/cm3 bis 1,8 g/cm3, bestimmt nach dem Auftriebsverfahren. Das entspricht einer Porosität von 10 % bis 35%, vorzugsweise von 5% bis 25%. Die Biegefestigkeit, gemessen nach VDG-Merkblatt P73, liegt zwischen 400 N/cm2 und 1500 N/cm2. An Hand eines Ausführungsbeispiels werden deshalb die wichtigsten Eigenschaften nachfolgend aufgeführt. Die angegebenen Eigenschaften beziehen sich auf Kerne, die nicht mit einer Schlichte überzogen sind.
Zum Einsatz kommt ein Kern aus NaCI mit folgenden zusätzlichen Stoffen wie Wasserglas-Binder und weiteren Zusätzen wie Trennmittel, Abbinderverzögerer, Benetzungsmittel u . a. Der Kern wurde mit einem Druck von 50 bis 1 20 bar auf einer hydraulischen Presse geformt. Er wurde einer thermischen Nachbehandlung von 60 min Dauer bei 200 °C zur Aushärtung unterzogen. Der vorliegende Kern ist besonders geeignet für den Einsatz im Aluminiumkokillenguss. U m d en bei m Gießen auftretenden Temperaturen und Kräften widerstehen zu können, muss der Kern formstabil sein . An einer Probe mit den Abmessungen von 180 mm Länge, 22 m m Breite u nd 22 mm Höhe wurden d ie mechan ischen Eigenschaften des Kerns bestimmt. Die Biegefestigkeit, gemessen nach VDG-Merkblatt P73 (Februar 1996) beträgt 400 und 1500 N/cm2 Beim Einströmen des Metalls darf die Oberfläche des Kerns nicht ausgespült oder beschäd igt werden . Aus d iesem Gru nd m uss der Kern eine entsprechende Oberflächenfestigkeit aufweisen. Auch die Porosität spielt eine entscheidende Rolle. Der Porenanteil beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 30
Nachdem das Gussteil vollständig erstarrt ist, muss der Kern entfernt werden. Dabei ist es wichtig, dass sich der Kern sofort und ohne feste Rückstände komplett und leicht auflöst. (Anmerkung : wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung von „wasserlöslich", „lösen" oder „auflösen" g es p roch e n , so i st d a m it n i c h t notwendigerweise der chemische Begriff des Lösens gemeint. Entscheidend ist, dass sich die Bestandteile der erfindungsgemäßen Kerne durch Wasser als Lösungsmittel leicht, vollständ ig und rückstandsfrei aus dem Hohlraum eines Werkstücks entfernen lassen .) Die Auflöseg eschwi nd ig ke it des Kerns ist naturgemäß von den Kernwerkstoffen und seiner Vorbehandlung sowie der Kerngröße abhängig. Bei reinem Salz kann sie von der bei einer Zusammensetzung mit Binder und Füllstoffen abweichen Versuche mit einem Versuchsteil haben gezeigt, dass sich ein Kern mit den Abmessungen 22 mm x 22mm x 1 80 mm innerhalb von 1 min bis 2 min mit heißem Wasser komplett aus dem Gussteil auswaschen lässt.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Lehre Kerne auf der Basis von Salz betrifft: die durch Formen und Verdichten einer Kernwerkstoff-Mischung herstellbar sind, deren Kernwerkstoffe ausgewählt sind aus mindestens einem Salz, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls Hilfsstoffen wie
Additiven, Füllstoffen, Benetzungsmittel und Katalysatoren, wobei das Salz, das Bindemittel und die gegebenenfalls eingesetzten Hilfsstoffe anorganisch sind, diese Kernwerkstoffe mit Wasser als Lösungsmittel lösbar sind und die Kernwerkstoff-Mischung zu Kernen geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet ist.
Bevorzugt sind Kerne, bei denen Salze eingesetzt werden, deren Zersetzungs- oder Schmelzpunkt oberhalb der Temperatur des flüssigen Metalls liegt, mit dem die Kerne umgössen werden; b e i d e n e n a l s S a l ze C h l o r i d e d e r Al ka l i- 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; bei denen das Salz Natriumchlorid ist; bei denen die Korngrößen des eingesetzten Salzes im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm liegen; bei denen das eingesetzte Salz in bi- oder trimodaler Korngrößenverteilung vorliegt; bei denen das eingesetzte Salz in einer Korngrößenverteilung von 0,01 bis 0,29 mm, 0,3 bis 1 ,3 mm und / oder 1 ,31 bis 2,0 mm vorliegt; bei denen als Bindemittel mit Wasser rückstandsfrei entfernbare, anorganische Phosphate, anorganische Borate, Silikatverbindungen oder Mischungen dieser Bindemittel eingesetzt werden; bei denen als Bindemittel mit Wasser rückstandsfrei entfernbares Alkalioder Ammoniumphosphat, Monoaluminiumphosphat, Borphosphat oder Natriumpolyphosphat oder Mischungen dieser Bindemittel eingesetzt werden; bei denen als Bindemittel wasserlösliche Silikatverbindungen, vorzugsweise Wassergläser eingesetzt werden; bei denen das Bindemittel ein Wasserglas mit einem Wasserglasmodul von 1 bis 5 und / oder eine Mischung von Wassergläsern mit verschiedenen Wasserglasmodulen ist; bei denen der Anteil an Bindemitteln zwischen 0,5 Gew.-%, und 15 Gew.-% liegt; bei denen der Anteil des Bindemittels in Abhängigkeit vom Benetzungsverhalten und Wasserglasmodul zwischen 0,5 Gew.-% und 15 Gew.-% liegt; bei denen als Bindemittel Wasserglas mit einem Anteil von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung und abgestimmt auf den Wasserglasmodul, enthalten ist; bei denen als Hilfsstoff ein Katalysator zugegeben wird; bei denen der Katalysator besonders feinkörniges Salz, vorzugsweise puderförmiges Salz mit einer Teilchengröße unter 100 nm ist; bei denen das Salz Natriumchlorid ist, das vorzugsweise in bi- oder trimodaler Korngrößenverteilung besonders bevorzugt in einer Korngrößenverteilung von 0,01 bis 0,29 mm, 0,3 bis 1 ,3 mm und / oder 1 ,31 bis 2,0 mm vorliegt, das Bindemittel Wasserglas, der Katalysator besonders feinkörniges Salz, vorzugsweise puderförmiges Salz mit einer Teilchengröße unter 100 nm ist, dass gegebenenfalls weitere Hilfsstoffe wie Additive, Füllstoffe, Benetzungsmittel und /oder weitere Katalysatoren enthalten sind und dass die Mischung der Kernwerkstoffe rieselfähig ist; bei denen die Kerne nach der Formgebung wärmebehandelt werden; bei denen die Kerne nach der Formgebung bei einer Temperatur von 500 °C wärmebehandelt werden; bei denen die geformten Kerne eine Dichte von 1 ,5 g/cm3 bis 1 ,9 g/cm3, vorzugsweise von 1 ,2 g/cm3 bis 1 ,8 g/cm3 aufweisen; bei denen die geformten Kerne eine Porosität von 10 % bis 40 %, vorzugsweise von 5 % bis 25 % aufweisen; bei denen die geformten Kerne eine Biegefestigkeit zwischen 400 N/cm2 und 1500 N/cm2 aufweisen.
Die erfindungsgemäße Lehre betrifft weiterhin: Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, wobei eine Kernwerkstoff-Mischung, deren Kernwerkstoffe ausgewählt sind aus mindestens einem Salz, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls aus Hilfsstoffen wie Additiven, Füllstoffen, Benetzungsmittel und oder Katalysatoren, in nicht flüssiger Form homogen gemischt, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet wird.
Bevorzugt sind Verfahren, bei denen Salz mit Korngrößen unterschiedlicher Verteilungskurven, vorzugsweise in einer bi- oder trimodalen Kornverteilung eingesetzt und vermischt wird; al s Sa lze Ch lorid e der Al ka l i- und Erdalkalielemente, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat, sowie Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder Mischungen dieser Salze gewählt werden, die, gegebenenfalls mit den zusätzlichen Hilfsstoffen, homogen gemischt, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet werden; die Kernwerkstoffe, je nach Werkstoff, gewünschter Oberflächengüte und Konturgenauigkeit des aus Metall zu gießenden Werkstücks, mit Korngrößen im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm verwendet werden, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet werden; die Kernwerkstoffe zu einer rieselfähigen Kernwerkstoff-Mischung homogen gemischt, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet werden.
Verwendung finden können die erfindungsgemäßen Kerne beispielsweise als Hoh l rau m platzhalter bei der Herstel l u ng von metal lischen Gussteilen, vorzugsweise in der Kokillengusstechnologie.

Claims

Patentansprüche
Kerne auf der Basis von Salz, d ie durch Formen und Verdichten einer Kernwerkstoff-Mischung herstellbar sind, deren Kernwerkstoffe ausgewählt sind aus mindestens einem Salz, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls aus Hilfsstoffen wie Additiven, Füllstoffen, Benetzungsmittel und Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz, das Bindemittel und die gegebenenfalls eingesetzten Hilfsstoffe der Kernwerkstoff-Mischung anorganisch sind, diese Kernwerkstoffe mit Wasser als Lösungsmittel lösbar sind und die Kernwerkstoff-Mischung zu Kernen geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet ist.
Kerne auf der Basis von Salz gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kernwerkstoff-Mischung rieselfähig ist.
Kerne auf der Basis von Salz gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Salze eingesetzt werden, deren Zersetzungs- oder Schmelzpunkt oberhalb der Temperatur des flüssigen Metalls liegt, mit dem die Kerne umgössen werden.
Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Salze 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.
Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz Natriumchlorid ist.
6. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößen des eingesetzten Salzes im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm liegen.
7. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Salz in bi- oder trimodaler Korngrößenverteilung vorliegt.
8. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Salz in einer Korngrößenverteilung von 0,01 bis 0,29 mm, 0,3 bis 1 ,3 mm und / oder 1 ,31 bis 2,0 mm vorliegt.
9. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel mit Wasser rückstandsfrei entfernbare anorganische Phosphate, anorganische Borate, beispielsweise Alkali- oder Ammoniumphosphat, Monoaluminiumphosphat, Borphosphat oder Natriumpolyphosphat, Silikatverbindungen, vorzugsweise Wassergläser, oder Mischungen dieser Bindemittel eingesetzt werden.
10. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Wasserglas mit einem Wasserglasmodul von 1 bis 5 und / oder eine Mischung von Wassergläsern mit verschiedenen Wasserglasmodulen ist.
1 1 . Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Bindemitteln zwischen 0,5 Gew.-%, und 15 Gew.-% liegt.
12. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Bindemittels in Abhängigkeit vom Benetzungsverhalten und Wasserglasmodul zwischen 0,5 Gew.-% und 15 Gew.-% liegt.
13. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Wasserglas mit einem A n t e i l vo n 0 , 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung und abgestimmt auf den Wasserglasmodul, enthalten ist.
14. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsstoff ein Katalysator zugegeben wird.
15. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator besonders feinkörniges Salz, vorzugsweise puderförmiges Salz mit einer Teilchengröße unter 100 nm ist.
16. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz Natriumchlorid ist, das vorzug swe ise i n b i- oder trimodaler Korngrößenverteilung besonders bevorzugt in einer Korngrößenverteilung von 0,01 bis 0,29 mm, 0,3 bis
1 ,3 mm und / oder 1 ,31 bis 2,0 mm vorliegt, das Bindemittel Wasserglas, der Katalysator besonders feinkörniges Salz, vorzugsweise puderförmiges Salz mit einer Teilchengröße unter 100 nm ist, dass gegebenenfalls weitere H ilfsstoffe wie Add itive, Füllstoffe, Benetzungsmittel und /oder weitere Katalysatoren enthalten sind und dass die Mischung der Kernwerkstoffe rieselfähig ist.
17. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne nach der Formgebung wärmebehandelt werden.
18. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne nach der Formgebung bei einer Temperatur von 500 °C wärmebehandelt werden.
19. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die geformten Kerne eine Dichte von 1 ,5 g/cm3 bis 1 ,9 g/cm3, vorzugsweise von 1 ,2 g/cm3 bis 1 ,8 g/cm3 aufweisen.
20. Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Porosität von 10 % bis 40 %, vorzugsweise von 5 % bis 25 % aufweisen.
21 . Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Biegefestigkeit zwischen 400 N/cm2 und 1500 N/cm2 aufweisen.
22. Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kernwerkstoff-Mischung, deren Kernwerkstoffe ausgewählt sind aus mindestens einem Salz, mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls aus Hilfsstoffen wie Additiven, Füllstoffen, Benetzungsmittel und oder Katalysatoren, in n icht flüssiger Form homogen gemischt, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass Salz mit Korngrößen unterschiedlicher Verteilungskurven, vorzugsweise in einer bi- oder trimodalen Kornverteilung eingesetzt und vermischt wird.
24. Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Salze Chloride der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Natriumchlorid, Kaliumchlorid und / oder Magnesiumchlorid, Sulfate und Nitrate der Alkali- und Erdalkalielemente, insbesondere Kaliumsulfat und / oder Magnesiumsulfat, sowie Ammoniumsalze, insbesondere Ammoniumsulfat oder Mischungen dieser Salze gewählt werden, die, gegebenenfalls mit den zusätzlichen Hilfsstoffen, homogen gemischt, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet werden.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernwerkstoffe, je nach Werkstoff, gewünschter Oberflächengüte und Konturgenauigkeit des aus Metall zu gießenden Werkstücks, mit Korngrößen im Bereich von 0,01 mm bis 2 mm verwendet werden, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet werden.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 25, dadurch g e ke n n ze i ch n et , d a ss d i e Ke rnwerkstoffe zu einer rieselfähigen Kernwerkstoff-Mischung homogen gemischt, zum Kern geformt und im Trockenpressverfahren verdichtet werden.
27. Verwendung der Kerne auf der Basis von Salz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 als Hohlraumplatzhalter bei der Herstellung von metallischen Gussteilen, vorzugsweise in der Kokillengusstechnologie.
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