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Die
Erfindung betrifft einen Formstoff für Formteile von Gießformen
zum Vergießen
von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen,
hergestellt aus einem auf Basis von quarzfreiem Sand erzeugten Formgrundstoff
und einem mit dem Formgrundstoff vermischten, auf Basis von Wasserglas
erzeugten anorganischen Binder. Darüber hinaus betrifft die Erfindung
ein Formteil, das aus einem solchen Formstoff hergestellt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
der WO 03/024642 A1 ist vorgeschlagen 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.
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Neben
dem voranstehend erläuterten
Stand der Technik, der Formstoffe betrifft, die zur Herstellung
des jeweiligen Formteils in eine Kernformmaschine eingeschossen
werden, sind aus der
DE
695 12 426 T2 tongebundene Formen zum Gießen von Nichteisenmetallen
bekannt, die als Grundmaterial aus Magnetiterz hergestellt sind.
Dabei ist eingangs dieser Druckschrift erwähnt, dass Olivinsande und andere
Materialien, wie Magnesium-Eisen-Silikat oder Zirkonsande, als teilchenförmiges Mineralgrundmaterial
eingesetzt werden können.
Jedoch würden
diese Materialien üblicherweise
nur in denjenigen Teilbereichen von Gießformen verwendet, die beim
Abgießen
der jeweils verarbeiteten Schmelze einer großen Hitze ausgesetzt sind.
Aus diesem Grunde sei die Anwendung der betreffenden Stoffe insbesondere
im Bereich des Gießens
von Nichteisenmetallen oder -legierungen nicht üblich.
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Ein
anderer, ebenfalls einen tongebundenen Formstoff betreffender Stand
der Technik ist aus der
DE
38 41 473 A1 bekannt. Der betreffende Formstoff wird aus
einer sandigen Grundmasse, wie beispielsweise Olivinsand, und einem
tonigen Bindemittel, insbesondere Bentonit, bemischt. Zusätzlich wird
ein Glanzkohlenstoffbildner beigemischt, der Anhaftungen, Zersetzung
und Gasbildung verhindern soll.
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Tongebundene
Formstoffe der in der
DE 695 12
426 T2 und
DE
38 41 473 A1 beschriebenen Art sind aufgrund ihrer zähen Konsistenz
grundsätzlich nicht
dazu bestimmt und geeignet, in einen Formhohlraum geschossen zu
werden. Stattdessen werden sie durch Pressen zu ballenförmigen Formteilen geformt.
Diese sind nicht geeignet, filigrane, komplexgeformte Formteile
von Gussstücken
abzubilden. Hierin unterscheiden sie sich grundsätzlich von denjenigen eingangs
erläuterten
Formstoffen, die den technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung
repräsentieren.
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Ausgehend
von dem eingangs genannten Stand der Technik bestand die Aufgabe
der Erfindung daher darin, einen Formstoff zu nennen, der die kostengünstige Herstellung
von Gießformteilen,
insbesondere Gießkernen,
durch Einschießen
in eine Kernformmaschine ermöglicht.
Darüber
hinaus sollte ein Formteil angegeben werden, das besonders gute Entformungseigenschaften
hat.
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In
Bezug auf den Formstoff für
Formteile von Gießformen
zum Vergießen
von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen,
ist diese Aufgabe dadurch gelöst worden,
dass der quarzfreie Sand ein Olivin-Sand ist. Bei Olivinsand handelt
es sich um ein weitverbreitetes Mineral, das in großen Mengen
kostengünstig
erhältlich
ist.
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Überraschend
hat es sich gezeigt, dass Formstoffe, die erfindungsgemäß auf Grundlage
eines ganz oder zumindest zum weitaus überwiegenden Teil aus quarzfreien
Olivinsanden 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.
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Dementsprechend
besteht die Lösung
der oben genannten Aufgabe in Bezug auf ein Formteil für eine Gießform darin,
dass ein solches Formteil aus einem erfindungsgemäßen Formstoff
hergestellt ist. Bei Verwendung von Formteilen, die aus erfindungsgemäßen, einen
Wasserglasbinder enthaltenden Formstoffen hergestellt sind, kann
garantiert werden, dass sandanhaftungsfreie Gussteile erhalten werden.
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Der
erfindungsgemäße, auf
Grundlage von quarzfreiem 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.
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Grundsätzlich kann
der erfindungsgemäß verwendete
Formgrundstoff vollständig
aus quarzfreiem Olivin 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 Olivin vermischte Mullitanteil unterstützt in an
sich bekannter Weise 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
Gussstück
Hohlräume
abbilden.
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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.
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Eine
die Anforderungen der Praxis besonders gut erfüllende Formstoffzusammensetzung zeichnet
sich dabei dadurch aus, dass sie jeweils 1,5 – 3,0 Gew.-% Wasserglas enthält.
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Zur
Verbesserung der Sandlebenszeit kann der erfindungsgemäße Formstoff
0,3 – 0,5
Gew.-% Natronlauge enthalten.
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In
Bezug auf die Verwendung erfindungsgemäßen Formstoffs wird die oben
genannte Aufgabe dadurch gelöst,
dass erfindungsgemäßer Formstoff für die Herstellung
von Formteilen für
Gießformen verwendet
wird, bei denen es sich insbesondere um einen Gießkern handeln
kann.
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Grundsätzlich stellen
sich die durch Verwendung eines auf der Mischung von quarzfreien
Olivin 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.
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Es
hat sich jedoch herausgestellt, dass sich das so genannte "Anorganische Warmbox
Verfahren" für diesen
Zweck besonders eignet.
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Formteile
für Gießformen,
insbesondere Gießkerne,
lassen sich besonders gut auf folgende Weise aus erfindungsgemäßem Formstoff
dadurch herstellen, 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.
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Mit
dieser Vorgehensweise lassen sich aus Formstoffen, die durch Mischen
von erfindungsgemäß quarzfreien
Olivinsanden 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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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.
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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 und
als Rest Formgrundstoff mit der voranstehend erläuterten Zusammensetzung.
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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.
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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.
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In
dem Mikrowellenofen ist das Formteil für 3 Minuten durch Mikrowellen
beheizt worden, bis es eine für
den Gießeinsatz
ausreichende Endfestigkeit erreicht hat.
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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.
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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.