Die Erfindung betrifft ein gasdurchlässiges Formwerkzeug zur Herstellung von Guß- und Kernformen aus aushärtbarem Formsand sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine vorteilhafte Verwendung derartiger Werkzeuge.

Gußformen aus Formsand haben eine große Verbreitung bei der Herstellung von Metallguß-Massenteilen. Es handelt sich dabei um nur einmal verwendbare, massive oder schalenföππige Formen. Zur Herstellung der Gußform wird fein¬ körniger Formsand mit aushärtbaren Binderzusätzen versehen, über eine Sandei laßöffnung in ein Formwerkzeug gebracht und dort ausgehärtet. Die Aushärtung erfolgt thermisch - hoher Energieaufwand - oder in jüngerer Zeit alternativ auch mittels Reaktionsgasen, welche unter Druck durch den Formsand im Form¬ werkzeug gepreßt werden. Bei letzterer Variante wird das Gas an der Sandein¬ laßöffnung in den Sand eingepreßt und muß durch. Bohrungen, Düsen bzw. sonstige, mechanisch in die Foππwerkzeugwand eingebrachte Kanäle und Öffnungen aus dem Formwerkzeug austreten.

Nach einer bekannten Ausführung (DE 2403199, DE 3039394) werden Bohrunge in der Wand des Formwerkzeuges an der Form-Außenseite durch Überdruckventile verschlossen. Derartige Formwerkzeuge haben den Nachteil hoher Werkzeug-

kosten. Die Ventile verstopfen häufig durch vom Gas mitgerissene Formsand¬ körner und müssen gereinigt werden. Vor allem aber weist die Formwerkzeugwand keine homogene Gasdurchlässigkeit auf, so daß die Reaktionsgase den Formsand nicht homogen durchströmen können und demzufolge der Formsand nicht gleich¬ mäßig aushärtet. Kernformen lassen sich nur in massiver Ausführung herstellen

In der DE 3002939 ist ein Formwerkzeug mit einer Wandung beschrieben, in welche Rippen und Schlitze unterschiedlicher Abmessungen mechanisch einge¬ bracht sind. Das durch einen Einlaß in den Formsand gelangende Reaktionsgas wird durch die Schlitze abgesaugt.

Doch die Schlitze versanden. Zudem ist die Herstellung sehr kostspielig und erlaubt nicht die Fertigung eines wirklich engmaschigen Netzwerkes von Schlitzen und Bohrungen. Der Sand wird auch bei dieser Ausführung eines Form¬ werkzeuges vom Reaktionsgas nur ungleichmäßig durchströmt. Weiterhin wird Reaktionsgas im Überschuß verbraucht, das heißt, in weit größeren Mengen als nach der Stöchio etrie der gewünschten Reaktion erforderlich.

Es wurde auch bereits gefordert, das Formwerkzeug aus porösen und gasdurch¬ lässigen Werkstoffen herzustellen. Die Umsetzung dieser Forderung scheiterte bisher jedoch an den zu erwartenden technischen Schwierigkeiten, komplexe Geo metrien von Gußteilen in einem Formwerkzeug aus porösen Werkstoffen umzu¬ setzen, dabei sowohl dem Anspruch einer homogenen Gasdurchlässigkeit der Wand im Mikrobereich als auch deren mechanische Festigkeit gerecht zu werden und gleichzeitig sicherzustellen, daß der Formsand bei der Druckbeaufschlagung mit Reaktionsgas nicht die Formwerkzeugporen verstopft oder sogar durch die Poren der Formwerkzeugwand hindurchtritt.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht demzufolge darin, ein Formwerkzeug mit im Mikrobereich homogen gasdurchl ssiger Wand herzustellen. Damit scheiden die eingangs geschilderten Verfahren und Techniken aus. Die Aufgabe besteht im einzelnen darin, durch geeignete Kombination von an sich bekannten Techniken zur Herstellung poröser Materialien eine heteroporöse Formwerkzeug¬ wand zu schaffen, welche in ihrem, an den Formsand angrenzenden Bereich eine geeignete Mikroporosität aufweist und in ihrem daran angrenzenden Bereich ein grobporiges, skelettartiges Stützgerüst bildet. Die derart hergestellten Form werkzeuge sollen die Anfertigung von Gußformen aus Formsand in großer Stück¬ zahl erlauben, insbesondere auch als nichtmassive, schalenför ige Gußform. Dazu muß die dem Formsand ausgesetzte Oberfläche des Formwerkzeuges besonders verschleißfest sein. Porenverstopfung durch Formsand soll keine wesentliche AusfallUrsache des Formwerkzeuges mehr sein. Eventuell durch Formsand ver¬ stopfte Poren müssen sich mit geringem Arbeitsaufwand regenerieren, d. h. wieder freilegen lassen.

Die Aufgabe zur Schaffung eines gasdurchl ssigen Formwerkzeuges wird erfin¬ dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkzeug aus heteroporös aufgebautem, offenporigem Material besteht, wobei die Wand des Formwerkzeuges einen ersten, an den Formsand angrenzenden feinporigen Schichtbereich von 0,2 - 2 mm Dicke, von 75 - 95 % theoretischer Materialdichte und Porendurch¬ messer <50 ,um aufweist, an welchen ein zweiter, massiver Bereich in Form eines großporigen Stützskeletts mit <80 % theoretischer Materialdichte und einem mittleren Porendurchmesser >100 ,um materialschlüssig angrenzt.

Für das gasdurchlässige Formwerkzeug, sowie Verfahren zu deren Herstellung und deren vorteilhafte Verwendung, haben sich Ausführungen entsprechend der Unteransprüche 2 - 10 besonders bewährt.

Zu den Formwerkzeugen gehören sowohl Guß- als auch Kernformen, d. h. sowohl Formen zur Herstellung massiver wie innen hohler Gußteile.

Zur Erreichung der geforderten Material- und Struktureigenschaften der Form¬ werkzeugwand entsprechend vorliegender Erfindung stehen dem Durchschnittsfach¬ mann für die Herstellung von porösen Werkstoffen eine Reihe von Einzelver¬ fahren zur Verfügung, welche sinnvoll zu kombinieren sind.

Als Materialien für die Formwerkzeugwand kommen grundsätzlich metallische und/oder keramische Materialien und/oder Kunststoffe in Frage. In einem ein¬ zigen Formwerkzeug bekannter Ausführungen werden bis zu größenordnungsmäßig 60.000 Sandformen hergestellt. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen wird der Sand jeweils mit großer Geschwindigkeit und unter hohem Druck in die Form einge¬ füllt. Entsprechend hoch sind die Verschleißanforderungen an die mit dem Form sand in Berührung kommende Oberfläche des Formwerkzeuges. Diesem Umstand ist durch die Auswahl des Materials für die feinporige Schicht des Formwerkzeuges Rechnung zu tragen. Es haben sich für diese Schicht verschleißfeste Stahl¬ sorten ebenso bewährt wie verschleißfeste Keramiken sowie metallische und nichtmetallische Hartstoffe, z. B. Siliziumnitrid, Bornitrid, Titankarbid, Titannitrid, Siliziumkarbid.

Die heteroporös aufgebaute Wand des Formwerkzeuges läßt sich entweder durch zähflüssiges, aufgeschäumtes und anschließend verfestigtes Material bilden oder aber die Wand wird mittels pulverförmiger, zu verfestigender Ausgangs¬ werkstoff geformt.

Die mit dem Formsand in Berührung kommende Schicht der Formwerkzeugwand kann gebildet werden, indem Pulver isostatisch auf eine Lehrenform entsprechend dem Gußteil aufgepreßt wird. Das Pulver kann, mit einem flüchtigen Lösungs¬ mittel vermischt, als Paste auf die Lehrenform aufgetragen bzw. aufgespritzt werden. Es haben sich auch galvanische Verfahren und Gasabscheide-Verfahren (PVD-Verfahren) zur Bildung derartiger Schichten bewährt. Schließlich kann die Schicht in Form einer flexiblen metallischen oder keramischen Folie auf die Lehrenform aufgelegt werden. Die Flexibilität derartiger Folien ist gegeben durch bei späterer Wärmebehandlung flüchtige, in fester Form hoch¬ flexible thermoplastische Komponenten. Im übrigen bestehen die Folien aus pulverförmigen Metallen, Hartstoffen oder Keramiken.

Die mit dem Schichtmaterial belegte Lehrenform wird anschließend entweder umschäumt oder nach Einbettung in eine entsprechende äußere Form mit grob¬ körnigem Pulvermaterial hinterfüllt und vorzugsweise isostatisch verpreßt.

Der fertige Verbundkörper wird durch thermisches oder chemisches Aushärten, Brennen oder Sintern der kompaktierten Verbundwerkstoffe erzeugt.

Zur Herstellung des offenporigen Stützgerüstes hat es sich bewährt, Sand-, Glas- oder Keramik-Körner durch Tauchen in entsprechende Dispersionen oder Lösungen zunächst mit einer dünnen KunststoffSchicht zu überziehen.

Das derart vorbehandelte Granulat läßt sich in eine Form einschütten und/oder verpressen und anschließend chemisch oder thermisch aushärten.

Die Techniken zur Erzielung feinporiger bzw. grobporiger und offenporiger Materialien sind bekannt. So sind beispielsweise bei der Herstellung von Diaphragmen für Elektroden in der Elektrochemie Techniken unter Verwendung spezieller Porenbildner erarbeitet worden, welche eine MaterialStruktur mit definierter Gasdurchlässigkeit ergeben, wie sie auch im vorliegenden Fall gefordert sind. Techniken zur Herstellung grob- und offenporiger Materialien sind im weiten Anwendungsbereich der mechanischen Filter ebenso erarbeitet worden wie beispielsweise auf dem Gebiet selbstschmierende Gleitlager oder auf dem Gebiet der elektrischen Kontaktwerkstoffe, bestehend aus porösem Skelett eines Werkstoffes A, in welches ein Werkstoff B infiltriert wird.

Formwerkzeuge gemäß vorliegender Erfindung weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf.

Sie weisen einen bis in den Mikrobereich völlig homogenen, offenporigen Wand¬ aufbau mit definiertem Druckabfall auf. Dieser erlaubt einen gleichmäßigen Gasdurchtritt durch die Wand und damit homogene Aushärtung des Formsandes. Die Poren im feinporigen Bereich der Formwerkzeugwand sind so beschaffen, daß sich nur in Ausnahmefällen Sandkörner in der Forrawerkzeugwand festsetzen können. Entscheidend ist aber, daß diese Sandkörner mit geringem Aufwand in der Regel wieder aus den Poren entfernt werden können, indem Luft unter hohem Druck, evtl. in Verbindung mit Lösungsmitteldämpfen, aus Richtung des grob¬ porigen Skelettes der Formwerkzeugwand durch die feinporige Wandschicht ge¬ blasen wird.

Im Unterschied zu bekannten Verfahren, bei denen die Gasaushärtung des Form¬ sandes durch Gaseinblasen über die Sandeinlaßöffnung erfolgt, kann bei Anwen¬ dung der erfindungsgemäßen Formwerkzeuge die Druckbeaufschlagung des im Form¬ werkzeug eingeschlossenen Formsandes durch die heteroporöse Wand erfolgen. Durch entsprechende Einstellung von Gasdruck und Zeit ist es möglich, das Aus härten des eingeschlossenen Formsandes nur in einer Randzone bis zu einer gewünschten Tiefe zu bewirken. Eine noch feinere Dosierung läßt sich dadurch erreichen, daß man das Formwerkzeug mit einer geeigneten Flüssigkeit tränkt. Dadurch baut sich in den feinen Poren der Werkzeugwand ein definierter Kapillardruck auf, der erst bei Überschreiten dieses Druckes das Reaktionsgas freigibt. Der Kern des eingeschlossenen Sandes bleibt bei entsprechend stöchiometrischer Dosierung des Gases rieselfähig und kann nach Aushärten der Randzone durch die Sandeinlaßöffnung entfernt und wiederverwendet werden.

Ein wesentlicher Vorteil von Formwerkzeugen gemäß vorliegender Erfindung liegt in der Möglichkeit, deren dem Formsand zugewandte Oberfläche der ge¬ wünschten Gußform anzupassen, deren rückseitige Oberfläche aber mit wenigen ebenen Flächen, z. B. quaderför ig oder zylindrisch, auszugestalten. Aufgrund der Gasbeaufschlagung des Formsandes durch die poröse Wand des Form¬ werkzeuges bildet sich regelmäßig eine feine Gasschicht zwischen der Wand des Formwerkzeuges und dem Formsand. Dadurch wird das Verkleben des Formsandes mit der Formwerkzeugwand während des Sand-Aushärt-Prozesses ausgeschlossen. Die Sandform löst sich nach dem Aushärt-Prozeß leicht vom Formwerkzeug. Besondere Maßnahmen gegen das Verkleben von Formsand und Formwerkzeug (Besprühen der Formwerkzeugwand, Einlegen einer Folie), wie sie bei bekannten Werkzeugen und Verfahren zur Herstellung von Gußformen erforderlich sind, können daher in der Regel unterbleiben. Die Technik des aufeinanderfolgenden Auftragens von feinporiger Schicht und Skelettmaterialien auf die Lehrenform

erlaubt es, dem Formwerkzeug unmittelbar die endgültige Gestalt, Oberfl chen- beschaffenheϊt und Verschleißfestigkeit zu geben. Es ist somit weder eine kostenintensive mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche der Formwerkzeug¬ wand zur Erzeugung der gewünschten Geometrie und Oberflächenrauhigkeit, noch eine ^" Nachbehandlung, insbesondere thermische Härteverfahren, zur Erzielung der erforderlichen Oberflächenhärte bzw. -Verschleißfestigkeit erforderlich - im Unterschied zu den bisherigen Herstellverfahren von Formwerkzeugen, welche nicht von porösen Materialien ausgehen.

Die Erfindung wird an Hand der Figur 1 sowie mittels zweier Ausführungs¬ beispiele näher erläutert.

Figur 1 zeigt die Ausgestaltung einer Halbschale eines Formwerkzeuges, im Schnitt, sowie Einrichtungen zur Herstellung des Formwerkzeuges nach einem bevorzugten Verfahren. Im einzelnen zeigt das Schnittbild nach Figur 1 die Modellplatte -1- mit der Lehrenform für die Halbschale eines Formwerkzeuges. Dabei ist derjenige Bereich der Modellplatte besonders gekennzeichnet, welcher bei der späteren Verwendung die Sandeinlaßöffnung des Formwerk¬ zeuges -la- abgibt. Eine Dichtplatte -2- liegt auf der Modellplatte auf, bzw. ist mit dieser verschraubt oder verklemmt. Sie besitzt eine zentrale Aus¬ sparung entsprechend der geometrischen Form des herzustellenden Formwerk¬ zeuges. Der an den Formsand angrenzende, feinporige Schichtbereich -3- des Formwerkzeuges weist eine konstante Schichtdicke über den gesamten Ober¬ fl chenbereich auf, ausgenommen ein schmaler Bereich an der Trennfläche der beiden Halbschalen. An den feinporigen Schichtbereich des Formwerkzeuges grenzt das offenporige Stützskelett -4- materialschlüssig an. Die äußere geo¬ metrische Form des Formwerkzeuges wird durch einen, auf die Modellplatte auf¬ geschraubten Formkasten -5- bzw. Formrahmen vorgegeben. Dabei sind Herstel-

lungsvarianten möglich, wo der Formkasten nicht vollständig mit dem Material ausgefüllt wird, sondern wo beim Einfüllen eines fließ- oder streichfähigen Materials ein Luftraum -6- zwischen Stützskelett und Formkastenoberseite ver¬ bleibt.

Beispiel 1

Entsprechend der in Figur 1 gezeigten Technik (für die Herstellung des Form¬ werkzeuges) wird zunächst eine Modellplatte mit der Lehrenform einer Hälfte des zu fertigenden Gußteiles aus einem metallischen und/oder keramischen Werk¬ stoff oder aus Kunststoff nach gebräuchlichen Verfahren hergestellt. In der Mehrzahl der Fälle bietet es sich bei Kern- und Gußformen an, das Formwerk¬ zeug aus zwei Halbschalen herzustellen. Auf die Modellplatte wird nach vor¬ herigem Aufbringen eines Trennmittels eine Dichtplatte, vorzugsweise aus Stahl oder Keramik, aufgebracht und mit der Modellplatte verschraubt. Dabei ist die zentrale Aussparung in der Dichtplatte so zu bemessen, daß im Bereich der Trennfläche der beiden Halbschalen des Formwerkzeuges zwischen Lehrenober¬ fläche (Modellplatte) und Dichtplatte ein Spalt mindestens von der Dicke des feinporigen Schichtbereiches des Formwerkzeuges bestehen bleibt.

Auf die Lehrenoberfläche der Modellplatte wird zunächst die feinporige Schicht des Formwerkzeuges aufgetragen - gegebenenfalls nach vorheriger Auf¬ tragung eines Trennmittels auf der Lehrenoberfl che. Hierzu wird eine Paste aufgestrichen bzw. aufgespritzt. Die Paste besteht aus feinkörnigem, korro¬ sionsfestem Keramikpulver von durchschnittlich 10 - 100 ,um Korngröße, welchem zur Erhöhung der Oberflächenverschleißfestigkeit des Formwerkzeuges 10 - 20 Vol.% Titankarbidpulver (gemessen am Anteil Keramikpulver) etwa gleicher Korngröße zugegeben sind. Das Pulver wird mit einem flüchtigen bzw.

thermisch ausdampfbaren Bindemittel zu einer Paste verarbeitet. Dem Binde¬ mittel sind gegebenenfalls nicht verflüchtigbare metallische und/oder nicht- metallische Komponenten und/oder Porenbildner beigegeben. Die Auftragung der feinporigen Schicht erfolgt vorteilhafterweise in mehreren Lagen bis zum Er¬ reichen der gewünschten Gesamtschichtdicke. Dabei erfolgt die Schichtauftra¬ gung entsprechend Figur 1 auch über den Rand der Dichtplatte hinweg.

Die derart aufgebrachte, feinporige Schicht wird getrocknet bzw. ausgehärtet. Daran anschließend wird ein Formkasten oder Formrahmen entsprechend Figur 1 auf die Modellplatte bzw. Dichtplatte aufgeschraubt und das Material zur Bil¬ dung des Wandbereiches mit offenporigem Stützskelett in den Formkasten einge¬ bracht. Es handelt sich dabei um ein grobkörniges Keramikpulver, welchem flüchtige Porenbildnermaterialien zugesetzt sind, wie sie beispielsweise bei der Herstellung poröser keramischer Filter verwendet werden. Das keramische Pulver wird mit flüchtigen Bindemitteln zu einer Paste angerührt, diese wird in den Formkasten eingestrichen und dort ausgehärtet. Daran anschließend wird das Formwerkzeug von der Modellplatte getrennt und in Hochtemperaturöfen gesintert bzw. gebrannt. Man erhält auf diese Weise verschleißfeste, montage¬ fähige Formwerkzeug-Halbschalen mit ebenen Trennflächen. Die Formenoberfläche bedarf in der Regel keiner Oberflächennachbehandlung. Der Bereich der Sand- eiπ aßöffnung des Formwerkzeuges wird abschl eßend mit einem Porenfüller abge¬ dichtet, so daß im späteren Betrieb kein Reaktionsgas durch diesen Bereich der Formwerkzeugwand hindurchtreten und der Formsand in diesem Bereich nicht aushärten kann.

Die Prüfung derart hergestellter Formwerkzeuge mit erfindungsgemäßem Wandauf¬ bau hat ergeben, daß sich an der Grenze zwischen grob- und feinporiger Schicht ein Druckunterschied von 1 - 2 bar aufbauen läßt. Dabei liegt die

Schwankungsbreite des absoluten Gasdruckes vor der Grenze im grobporigen Teil der Wand in verschiedenen Abschnitten der Formwerkzeugwand bzw. in verschie¬ denen, nach gleichem Verfahren hergestellten Formwerkzeugen zwischen 0,1 - 0,2 bar und ist somit in weitem Umfang unabhängig davon, wie dick das grobporige Stützskelett der Formwand tatsächlich ist. Der besagte Sprung des Gasdruckes an der Grenze zwischen grob- und feinporiger Schicht stellt sich praktisch allein aufgrund der Struktur der feinporigen Schicht ein. Dieser Drucksprung läßt sich noch verstetigen, indem das Formwerkzeug mit einer ge¬ eigneten Sperrflüssigkeit getränkt wird, wodurch sich in den Poren der fein¬ porigen Schicht ein sehr homogener Kapillardruck über den gesamten Ober¬ fl chenbereich des Formwerkzeuges aufbaut.

Die Herstellung einer Gußform aus aushärtbarem Formsand unter Verwendung eines Formwerkzeuges entsprechend vorliegender Erfindung läuft danach wie folgt ab. Nach dem Einfüllen des Formsandes wird das Formwerkzeug mit Reaktionsgas eines Druckes von > 2 bar von außen beaufschlagt. Dieses drückt die Flüssigkeit aus den Kapillaren der feinporigen Schicht des Formwerkzeuges und gelangt mit exakt dosierbarem Gasdruck in den Formsand bzw. in eine Rand¬ zone der Sandform. Das ermöglicht die Aushärtung des Formsandes bis in eine gewünschte, gut dosierbare Tiefe. Der Kernbereich des eingefüllten Formsandes bleibt rieselfähig. Er kann nach Abschluß des Aushärtens über die Sandeinla߬ öffnung entfernt und wiederverwendet werden. Mit dem Absenken des Gasdruckes unter 2 bar wird die Sperrflüssigkeit durch Dochtwirkung wieder in die Poren der feinporigen Schicht zurückgezogen. Das bedeutet kurze Fertigungszeiten für die einzelnen Sandformen sowie geringe Störanfälligkeit und Ausschußquote.

Beispiel 2

Analog zu Beispiel 1 wird eine Lehrenform bzw. Modellplatte für eine Halb¬ schale eines Formwerkzeuges hergestellt. Ebenfalls entsprechend Beispiel 1 wird eine Dichtplatte auf die Modellplatte aufgeklemmt. Das Formwerkzeug-Wand¬ material für die feinporige Schicht wird in Form einer flexiblen metallischen Folie auf die Lehrenform aufgelegt. Die separat gefertigte metallische Folie besteht aus einer homogenen Mischung aus korrosionsfesten Stahlteilchen einer Korngrößenverteilung von 10 - 100 ,um, ggf. angereichert mit einigen Volum¬ prozenten verschleißfester Titankarbidteilchen vergleichbarer Korngröße, ggf. ergänzt um pul erförmige Füllstoffe und Porenbildner-Materialien sowie aus einem bei höheren Temperaturen verflüchtigenden thermoplastischen Kunststoff. Mittels für das isostatische Pulver-Schlauchpressen bekannter Techniken wird sodann ein Gummi- oder Plastik- ⁿ Schlauch" an den Boden der Modellplatte ange¬ klemmt und mit einer grobkörnigen Pulvermischung, bestehend aus legiertem Eisenpulver und Porenbildner gefüllt - die feinporige Schicht überdeckend. Das Schlauchinnere wird daraufhin evakuiert, der Schlauch verschlossen. Die komplette Einheit wird kaltisostatisch gepreßt. Der so erzeugte Grünling des Formwerkzeuges läßt sich vom Modell trennen und mittels gebräuchlicher Sinter¬ verfahren weiterverarbeiten. Das gesinterte Formwerkzeug kann - soweit erfor¬ derlich - mechanisch bearbeitet und beispielsweise für die Aufnahme in Werk¬ zeughalterungen maßlich angepaßt werden.

Beim isostatischen Pulverpressen in Plastik- bzw. Guπm.hüllen ist es üblich, der Gummihülle die Grobform bzw. Grobkonturen des zu pressenden Formteiles zu geben. Entsprechend lassen sich auf den vorliegenden Fall angewendet Halb¬ schalen von Formwerkzeugen mit näherungsweise homogener Formwerkzeug-Wand¬ stärke erzielen.

Wie weiter oben bereits angeführt, sind entsprechend dem breiten Anwendungs¬ feld für poröse Formkörper eine Vielzahl von Techniken bekannt, um feinporige und/oder großporige Formkörper ausgehend von pulverförmigen Materialien herzu stellen. Die Beschreibung zur Herstellung von Formwerkzeugen entsprechend vor liegender Erfindung erfolgt daher unter Hinweis auf jene Produktgruppen nicht abschließend.