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Gegenstand der Erfindung sind Formstoffe für den Formguss
von Metallen oder Metalllegierungen sowie deren Verwendung zur Herstellung
von Form- und Kernwerkstoffen mit besonders guter Wärmeleitfähigkeit,
die darüber
hinaus vollständig
rezyklierbar sind.
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Zur Herstellung von Gussteilen im
beispielsweise Sandgussverfahren wird der Formstoff (Formsand) auf
ein Modell (Dauermodelle aus beispielsweise Holz oder Kunststoff,
die zur Herstellung von geteilten Formen benutzt werden, und verlorene
Modelle aus beispielsweise Wachs oder Polystyrol) des anzufertigenden
Gusstückes
gebracht. Nach der anschließenden
Verfestigung ist eine abgießfähige Negativform
entstanden. Die ehemals überwiegend
verwendeten natürlichen,
tongebundenen Sande werden heutzutage aufgrund gestiegener Qualitätsansprüche an den
Formstoff nur noch selten eingesetzt. Es werden hauptsächlich chemisch
gebundene Formstoffe sowohl für
die Herstellung von Formen als auch für die Kernproduktion verwendet.
Der Formgrundstoff ist ein geeigneter Sand (überwiegend klassierter Quarzsand.
Für besondere
Anwendungen kommen auch Chromit-, Zirkon- und Olivinsand zur Anwendung.
Ebenfalls werden Formgrundstoffe auf Schamott-, Magnesit-, Silimanit-
und Korundbasis eingesetzt), der mit einer chemischen Binderkomponente
versetzt wird, die dann wiederum durch einen flüssigen oder festen Katalysator
oder Härter
oder durch zusätzliche
Wärmeeinwirkung
ausgehärtet wird.
Die Herstellungsverfahren der sandgebundenen Giesformen sind in
der Literatur umfangreich dokumentiert [C.Henry, R. Showman, G.
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Wandtke, Giesserei-Praxis Nr.12,
1999; P. Carey, M. Swartzlander, Sand Binder Systems, Part II – Resin/Sand
Interactions, Foundry Management and Technology 97 (1995); W. Tilch,
E. Flemming Formstoffe und Formverfahren, dt. Verlag für Grundstoffindustrie
Leipzig/Stuttgart 1993; Giesserei Jahrbuch, Giesserei-Verlag GmbH
Düsseldorf,
Band 1, 2000; P. Carey, J. archibald, Sand Binder Systems, Part
X – The
Phenolic Urethane Amine ColdBox system, Foundry Management and 'Technology
98 (1995); G. S. Cole, R. M. Nowicki, Sand Cores and Their Removal
From Aluminium Semipermanent Molded Castings, Trans. Amer. Foundrym.
Soc. 87 (1979); I. Bindernagel, Formstoffe und Formverfahren in
der Giessereitechnik, VDG-Tschenbuch 12, Giesserei – Verlag,
Düsseldorf
1983; D. Boenisch, J. Nitsche, W. Patterson, Eigenschaften harzgebundener
Formstoffe, Aluminium 46, (3), 1970].
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Die
EP 1 036 610 A1 bezieht sich auf einen Formstoff
für den
Fein- und Formguss von Metallen oder Metalllegierungen umfassend
Kunststoff- und/oder
Kohlenstoffaerogele sowie ein Verfahren zur Herstellung von entsprechenden
Formstoffen. Der Formstoff umfasst hochporöse, offenporige durch Sol-Gel-Polymerisation
von organischen Kunststoffmaterialien gegebenenfalls gefolgt von
teilweise oder vollständiger
Pyrolyse des erhaltenen Kunststoffaerogels.
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Gegenstand der
EP 1 077 097 A1 ist die
Verwendung von Kunststoff/Kohlenstoffaerogelen als Kernwerkstoff.
Verwendung von hochporösen,
offenporigen Kunststoff- und/oder Kohlenstoffaerogelen, erhältlich durch
Sol-Gel-Polymerisation von organischen Kunststoffmaterialien als
Kernwerkstoff für
den Formguss.
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Kerne sind das genaue Abbild des
Hohlraumes im späteren
Gusstück. Üblicherweise
werden Kerne grundsätzlich
aus kunstharzgebundenem Sand maschinell oder bei kleineren Stückzahlen
von Hand im Kernkasten gefertigt.
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Ihr späteres Ausleeren aus dem Gusstück gestaltet
sich je nach Gießmetall
unter Umständen als
schwierig, so beispielsweise bei Aluminiumguss. Die tieferen Gießtemperaturen
von Aluminium erzeugen im Kernsand nur niedrige Temperaturen, so
dass die thermische Zersetzung des Bindemittels schwächer ist.
Wenn die Bindemittelbrücken
nur unzureichend zerstört
werden bewirkt dies, dass die Kerne auch nach dem Abguss eine höhere Festigkeit
aufweisen und sich nur schwer, beispielsweise durch mechanische
Vibration oder Hochdruckwasserstrahlen entfernen lassen.
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Insbesondere für Aluminium Form- und Feinguss
existiert daher ein Bedarf an mechanisch und thermisch stabilen
Kernen, die sich leicht aus dem Gussstück entfernen lassen.
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Beim Abguss der heißen Metallschmelze
in die Form werden der Formstoff und der Kern thermisch hoch belastet.
Die Kunstharzmittel werden dabei zum teil thermisch zersetzt unter
Bildung von giftigen und umweltschädlichen Zersetzungsprodukten (Furanradikale).
Nach der Entformung der Gussstücke
kann nur ein Teil des Formsandes und kein Bestandteil der Kerne
wieder verwendet werden.
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Die Gebrauchseigenschaften eines
Gusswerkstückes
hängen
entscheidend vom Gefüge
im Gussteil ab. Ein feines Gefüge
verbunden mit möglichst
geringer Porosität
ist in der Regel für
hohe Festigkeit und Bruchdehnung entscheidend. Gebräuchliche
Kombinationen der oben genannten Gießereisande und Bindemittel
führen
zu Form- und Kernwerkstoffen mit Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 1
W/Km und darunter. Eine Verfeinerung des Gefüges kann dann erfolgen, wenn
anorganische Zusätze verwendet
werden können,
die eine hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht somit in der Bereitstellung neuartiger Formstoffe für den Fein-
und Formguss von Metallen und Metalllegierungen, insbesondere eines
voll rezyklierbaren Form- und Kernwerkstoffes mit guter Wärmeleitfähigkeit.
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Die vorgenannte Aufgabe wird in einer
ersten Ausführungsform
gelöst
durch Formstoffe für
den Fein- und Formguss von Metallen oder Metall-Legierungen, enthaltend offenporige
Kunststoffaerogele und anorganische SiC-Füllstoffe in einem Anteil von wenigstens
70 Vol.-%, erhältlich
durch Sol-Gel-Polymerisation von organischen Kunststoffmaterialien neben
den Füllstoffen.
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Die Kombination eines voll rezyklierbaren Form-
und Kernwerkstoffes mit guter Wärmeleitfähigkeit
ist Kern der vorliegenden Erfindung, im dem polymere Aerogele als
Binder für
SiC-Sande verwendet werden. SiC besitzt herausragende Wärmeleitfähigkeiten,
die bis über
100 W/Km gehen können,
so dass sie vergleichbar sind mit Metallen. Damit kann man im hier
beschriebenen "Sandguss" gießen
wie in einer Dauerform aus Metall.
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Der Mengenanteil Sand kann in weiten
Grenzen verändert
werden: 70 bis 90 Vol.%, insbesondere im Bereich von 70 bis 80 Vol.-%
je nach Korngröße, Korngrößenmischung
und Verdichtung durch beispielsweise Schütteln. Dadurch werden auch
die Eigenschaften wie Biegebruchfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit verändert.
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Durch kontinuierliches Rühren während des Gelierprozesses
lässt sich
bei geringen Volumenanteilen Sand einerseits eine homogene Verteilung
einstellen und andererseits werden die Aerogele dabei strukturell
verändert.
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Die erfindungsgemäßen Formstoffe weisen nach
ihrer Herstellung praktisch keine Schrumpfung auf.
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Die erfindungsgemäßen Formstoffe lassen sich
insbesondere durch die folgenden Merkmale charakterisieren. Die
Druckfestigkeit beträgt
vorzugsweise 3 bis 10 MPa, die Biegezugfestigkeit 1,5 bis 5 MPa,
das E-Modul 200
bis 500 MPa und die Wärmeleitfähigkeit
1 bis 10 W/Km.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Formstoffe
besteht darin, dass die Sol-Gel-Bildung bei Raumtemperatur, das
heißt
insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Fließpunktes des Wachses innerhalb
weniger Stunden abgeschlossen werden kann. Eine überkritische Trocknung, wie
bei den rein anorganischen Gelen ist nicht erforderlich. Dennoch
ist es möglich,
die Porengröße im Mikrometerbereich
einzustellen. Bei Trocknung im überkritischen
Temperaturbereich sind darüber
hinaus auch Porengrößen im Nanometerbereich
möglich.
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Die erfindungsgemäßen Formstoffe können darüber hinaus
auch weitere anorganische oder organische Füllstoffmaterialien enthalten.
Hierunter werden im wesentlichen bei Erstarrungsbedingungen inerte
stabile Materialien verstanden. Anorganische Füllstoffmaterialien sind beispielsweise
ausgewählt aus
Aluminiumoxid, Titandioxid und/oder Quarz, die jeweils in einer
Menge von 5 bis 30 Vol.-%. eingesetzt werden können. Füllstoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung
umfassen weiterhin Fasermaterialien, die eine Faserverstärkung mit
organischen, anorganischen oder Kohlenstoff- und/oder SiC-Fasern
bei etwa gleichen Volumenanteilen erlauben.
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Besonders bevorzugt im Sinne der
vorliegenden Erfindung werden für
den Formstoff Aerogele auf der Basis Resorcin/Formaldehyd eingesetzt,
die bei geeigneter Zusammensetzung und geeignetem Gehalt an basischem
Katalysator bei Temperaturen zwischen 20 und 50 °C ohne überkritisches Trocknen in ein
mikrostrukturiertes Aerogel überführt werden können.
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Das geht nicht bei den SiC Form und
Kernwerkstoffen.
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Die Verwendung der Formstoffe zur
Herstellung der Gussform besteht darin, dass man
- a) einen
Wachsformkörper
in einen Behälter
einbringt,
- b) den Behälter
teilweise oder vollständig
mit einem Gemisch aus Kunststoffsol und Füllstoff (überwiegend SiC) auffüllt,
- c) bei einer Temperatur unterhalb der Fließtemperatur des Wachses das
Sol in die Gelform überführt,
- d) das Gel bei einer Temperatur unterhalb der Fließtemperatur
des Wachses trocknet und
- e) bei einer Temperatur oberhalb der Fließtemperatur des Wachses dieses
aus dem erstarrten Gel ausschmilzt oder ausbrennt.
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Die Temperatur der Umwandlung der
Lösung in
ein Kunststoffaerogel sollte dem Schmelzpunkt des Wachses angepasst
werden. Nach Umwandlung in ein Aerogel kann das Wachs ausgeschmolzen werden.
Abhängig
von der Zusammensetzung der Ausgangslösung, der Gelierungstemperatur,
der Dichte des entstehenden porösen
Körpers
lassen sich Gussformen herstellen, sowohl als Kunststoffaerogel,
die auf einer Mikrometerskala oberflächlich glatt sind und konturscharf
abbilden. Erfindungsgemäß benötigt die
Herstellung von Formen bis zur Gussform meist 1 bis 3 Tage, häufig nur
bis zu 24 Stunden.
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Beispielhaft sind die jeweiligen
Verfahrensschritte zur Herstellung von Gussformen wie folgt charakterisiert:
- 1. Herstellung der Ausgangslösung
(Resorcin, Formaldehyd, Wasser und basischer Katalysator);
- 2. Lagerung des Wachsmodells in einer beliebigen Form;
- 3. Auffüllung
des Behälters
in 2. mit einer Mischung aus Füllstoff
und Aerogellösung
- 4. Gelierung im Trockenschrank (hierbei sollte die Form dicht
verschlossen sein, damit die Lösung
ihre Zusammensetzung nicht verändert)
im Temperaturbereich von 20 bis 60 °C;
- 5. Nach erfolgter Gelierung wird das noch nasse Gel in der Form
bei der gleichen Temperatur getrocknet
- 6. Entwachsen bei einer Temperatur oberhalb des Fließpunktes
des verwendeten Waches, aber unterhalb 150°C.
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Ausführungsbeispiel:
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Die Herstellung von Gussformen mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Formstoffe
ist schematisch in der Fig. beschrieben:
- 1.
Das Wachsmodell wird in einer geeigneten Mischung von SiC-Pulvern unterschiedlicher
Korngröße (die
Verteilung der Korngrößen bestimmt entscheidend
die spätere
Wärmeleitfähigkeit)
eingesetzt und mit der Resorcin/Formaldhydmischung gemäß EP 1 036 610 A1 versetzt,
bis der Porenraum des Sandes vollständig mit dem flüssigen Sol
gefüllt
ist.
- 2. Schütteln
auf einem Rütteltisch,
zur Verdichtung des Sandes (dieser Schritt ist nicht notwendig)
- 3. Gelierung des RF-Sols unter Luftabschluss (Temperaturen 20 – 60 °C)
- 4. Trocknen des nassen Gels bei 20 bis 60°C.
- 5. Entwachsen bei 60 – 100°C
- 6. Giessen in die Form
- 7. Entformen durch thermische Zersetzung bei Temperaturen oberhalb
von 250°C
an Luft. Dabei oxidiert das RF-Aerogel vollständig, so dass das zurückbleibende
SiC vollständig
wiederverwendet werden kann. Im Falle von aushärtbaren Gusslegierungen (beispielsweise
AlSiMg-Basis) kann dieser Verfahrensschritt mit dem Schritt der
Lösungsglühung zusammen
fallen. Form- und Kernwerkstoff können nach der Wärmebehandlung ohne
mechanischen Aufwand entfernt werden.