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Verfahren zum Giessen von Leichtmetallen und ihren Legierungen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Giessen von Leichtmetallen, insbesondere von Magnesium und Aluminium, und ihren Legierungen.
Soweit verlorene Formen in Betracht kommen, werden zum Giessen von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen im allgemeinen Sandformen verwendet. Hiebei entstehen jedoch durch die Gegenwart von Wasser erhebliche Schwierigkeiten, indem insbesondere Magnesium und hochprozentige Magnesiumlegierungen in geschmolzenem Zustand mit Wasser oder Wasserdampf explosionsartig reagieren.
Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten hat die einschlägige Technik zwei nebeneinander laufende Wege eingeschlagen.
Es wurde zunächst auf ein Mittel zurückgegriffen, das in der allgemeinen Giessereitechnik schon seit langem benutzt wurde (vgl. z. B. die amerikanische Patentschrift Nr. 198852 vom Jahre 1878), um das Arbeiten mit getrockneten Sandformen, das teuer ist und fortlaufend gute Ergebnisse doch nicht sicher verbürgt, zu vermeiden, nämlich auf die Verwendung von nichtwässerigen Flüssigkeiten, insbesondere Kohlenwasserstoffölen, zum Bildsammachen des Sandes. Ein Vorschlag dieser Art findet sich in der amerikanischen Patentschrift Nr. 1363384 (Bakken), wo die Verwendung solcher Bindemittel in Verbindung mit getrocknetem Formsand insbesondere auch für das Giessen von Magnesium beschrieben ist.
Ein Verfahren gleicher Art ist Gegenstand des deutschen Patentes Nr. 376739, in dessen Beschreibung verschiedene Formstoffe nebeneinander erwähnt sind, u. zw. Sand, Kohlepulver, gebrannte Magnesia, Karborund, wasserfreie Toneide, Schamottemehl u. dgl.
Im Gegensatz zu diesen Versuchen, die die technische Entwicklung niel-t beeinflusst haben, ist durch den Zusatz bestimmter Schutzstoffe zum Formsand ein Verfahren geschaffen worden, das für den Magnesiumguss erhebliche technische Bedeutung erlangt hat. Diese Arbeitsweise nahm ihren Ausgang von Vorkehrungen zur Verbesserung getrockneter Sandformen. Da auch bei Verwendung dieser teueren Formen an den Gussstücken nicht selten Brandstellen auftraten, wurde der Vorschlag gemacht, auf die getrocknete Sandform als Schlichte Stoffe aufzubringen, die das gemeinsame Kennzeichen haben, dass sie in Berührung mit dem geschmolzenen Metall Gase oder Dämpfe abgeben, welche weder selbst noch in Form ihrer Oxydationsprodukte mit dem Magnesium reagieren (D. R. P. Nr. 368906).
Auch dieses Verfahren hat die Technik nicht wesentlich bereichert, sondern nur mittelbar beeinflusst, indem sich hernach herausstellte, dass Stoffe dieser Art auch geeignet sind, die viel einfachere, aber bis dahin unausführbare Arbeitsweise des Vergiessens von Magnesium in feuchte Sandformen zu ermöglichen. In der deutschen Patentschrift Nr. 384137, in der dieses Verfahren beschrieben ist, sind als Beispiele derartiger Schutzstoffe elementarer Schwefel, Bikarbonate, Oxalate, Borsäure genannt, zu welchen Stoffen später noch Harnstoff hinzugekommen ist. In der Folge sind verschiedene Klassen von Schutzstoffen zu gleichem Zweck mit Erfolg verwendet worden.
Als Beispiele sind zu nennen : Ammoniumsalze im allgemeinen, Ammoniumfluorid, Ammoniumbifluorid oder Salze, die Ammoniumfluorid in komplexer Form gebunden enthalten, oder Mischungen von Ammoniumfluorid oder von solchen komplexen Salzen mit Stoffen saurer Natur, Borfluorwasserstoffsäure oder flüchtige Salze dieser Säure, Metallsilikoih'oride, wie Natriumoder Magnesiumsilikofluorid, und MetaIlfluoride.
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Diesem Verfahren zum Giessen von Magnesium in grüne Sandformen, das durch das Hinzukommen der von verschiedenen Seiten als brauchbar erkannten weiteren Schutzstoffe wesentlich verbessert worden ist, haftet jedoch ein schwerwiegender Nachteil an. Die Wärmeleitfähigkeit des Formsandes ist zum Schaden der fein kristallinen Struktur und der damit zusammenhängenden mechanischen Eigenschaften der Gussstücke schon von Haus aus gering.
Werden nun verdampfende Zusatzstoffe, die beim Giessen des Metalls Gaspolster zwischen die Gussform und das Gussstück legen, dem Sand zugemischt oder als Schlichte auf die Oberfläche der Sandform aufgebracht, so wird dadurch die Abkühlung der Gussstücke derart verzögert, dass diese an stärkeren Stellen ein grobkristallines Gefüge aufweisen und dass an Übergangsstellen von dickeren zu dünneren Querschnitten Haarrisse auftreten. Beide Erscheinungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Erzeugnisse sehr ungünstig.
Die bekannten Hilfsmittel, über die die Gusstechnik zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit verfügt (Einverleibung von fein verteilten, die Wärme gut leitenden Zusätzen in die Formstoffe, Verwendung von Formen mit Abschreckplatten), steigern nicht nur die Kosten, sondern führen auch nicht mit Sicherheit zur regelmässigen Erzielung völlig befriedigender Ergebnisse. So besteht insbesondere beim Giessen in Formen mit Abschreckplatten die Gefahr, dass sich durch Kondensation von Wasserdampf auf diesen Platten am Gussstück Brandstellen und Gussblasen bilden.
Gemäss der Erfindung werden nun zum Giessen von Leichtmetallen und ihren Legierungen in verlorene Formen in Verbindung mit den bekannten Schutzstoffen, die üblicherweise Verwendung finden, um das Arbeiten mit wasserhaltigem Formsand zu ermöglichen, trockene Metalloxyde oder kieselsäurearme oxydische Erze und Hüttenerzeugnisse, wie z. B. Magnesiumoxyd oder gebrannter Magnesit, Chromoxyd oder Chromit, als Hauptformstoffe verwendet, wobei diese Stoffe in bekannter Weise mit Hilfe eines nichtwässerigen flüssigen Bindemittels von der Art der Kohlenwasserstofföle in den bildsamen Zustand übergeführt werden. Metalloxyde der angegebenen Art haben eine wesentlich grössere Wärmeleitfähigkeit als Quarzsand ; so ist z. B. die Wärmeleitfähigkeit der Magnesia doppelt so gross als die des Sandes.
Ferner ist auch die auf die Raumeinheit bezogene spezifische Wärme dieser Oxyde beträchtlich höher als die des Quarzsandes. Die nachfolgende Zahlentafel, in der X die Wärmeleitfähigkeit, c die
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<tb> Quarzsand <SEP> 0'32 <SEP> 0'210 <SEP> 1'47 <SEP> 0'309
<tb> Sintermagnesit <SEP> 0-68 <SEP> 0-275 <SEP> 2-54 <SEP> 0-698
<tb> Chromit................. <SEP> 0'46 <SEP> 0'22 <SEP> 2'56 <SEP> 0'563.
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kann.
Hiezu kommt, dass zufolge der Verwendung von trockenen Formstoffen in Verbindung mit den nichtwässerigen Plastizierungsmitteln, also durch den praktisch vollkommenen Ausschluss von Wasser, mit besonderem Vorteil Schutzstoffe gewählt werden können, die in Berührung mit dem geschmolzenen Metall nur eine geringe Menge von Gasen und Dämpfen entwickeln oder nahezu unzersetzt bleiben, so dass die wesentlich kräftigere Abschreckwirkung des Formmaterials trotz der Gegenwart der Schutzstoffe fast ungeschwächt zur Geltung kommt. Die Möglichkeit, mit solchen Schutzstoffen auszukommen, ist auch in anderer Hinsicht wertvoll.
Die Verarmung des Formmaterials an Schutzstoff, die mit der reichlichen Entwicklung von Gasen und Dämpfen unvermeidlich verbunden ist, bedeutet nicht nur eine Verteuerung durch den Mehrverbrauch an Zusatzmitteln, sondern bringt auch eine unliebsame Unsicherheit mit sich, indem beim Giessen Ausschussstücke mit Brandstellen usw. entstehen können, weil der Gehalt an Schutzstoff schon unter das zulässige Mass gesunken ist.
Als Folge der Kornverfeinerung und Vermeidung von Haarrissen wird eine überraschende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt. Zur Beleuchtung dieses Fortschrittes mögen die nachfolgend wiedergegebenen Ergebnisse von Versuchen dienen, bei denen die Festigkeitseigenschaften von Zerreissstäben, die in feuchte Sandformen mit einem Zusatz von 5% Schwefel gegossen wurden, mit denen von Stäben verglichen werden, welche in kohlenwasserstoffölgebundenen Sintermagnesitformen und gleichartigen Chromitformen mit einem Zusatz von 2% Ammoniumfluorid aus der gleichen Schmelze unter gleichen Bedingungen hergestellt worden sind.
Ammoniumfluorid, das bei der Giesstemperatur grosse Mengen von Gasen abgibt, also durchaus nicht zu den bevorzugten Schutzstoffen im Sinne der Erfindung gehört, wurde bei diesen Vergleichsversuchen gewählt, um die Überlegenheit des Verfahrens besonders zu veranschaulichen. Es wurden Zerreissstäbe mit 17,20, 22 und 27 mm Durchmesser gegossen und diese auf 16 und 18 mm abgedreht. F ist die Festigkeit in Kilogramm/MM ? , D die Dehnung in Prozenten.
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Querschnitte <SEP> der <SEP> Gussstäbe <SEP> : <SEP> 17 <SEP> mm <SEP> 20 <SEP> mm <SEP> 22 <SEP> mm <SEP> 27 <SEP> mm
<tb> F <SEP> D <SEP> F <SEP> D <SEP> F <SEP> D <SEP> F <SEP> D
<tb> Quarzsand.......................... <SEP> 16-4 <SEP> 6'2 <SEP> 15-7 <SEP> 5'8 <SEP> 15-1 <SEP> 5'1 <SEP> 13'7 <SEP> 4'5
<tb> Sintermagnesit...................... <SEP> 19 <SEP> 9 <SEP> 9-5 <SEP> 18-3 <SEP> 7-8 <SEP> 17-3 <SEP> 7-0 <SEP> 15-8 <SEP> 5-8
<tb> Chromit <SEP> 19'2 <SEP> 8-6
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Sandformen gegossenen Stäben wesentlich geringere Festigkeits-und Dehnungszahlen entsprechen. Dabei ergibt sich noch der nicht geringe Vorteil giessereitechnischer Natur, dass beim Verfahren gemäss der Erfindung die angegebenen Ergebnisse mit sehr kleinen Steigern erzielt werden ;
mit grünem Sand werden selbst bei einer Vergrösserung der auf die Köpfe der Zerreissstäbe aufgesetzten Steiger um 50% die erfindungsgemäss erzielten Werte nicht erreicht.
Mit dem durch die Zusammenwirkung der Teilmassnahmen des Verfahrens zustande kommenden Fortschritt geht einher, dass auch die Übelstände vermieden sind, die bei Sandformen aus dem hohen Kieselsäuregehalt des Sandes entspringen. Insbesondere Magnesium und Magnesiumlegierungen sind gegen die Kieselsäure des Sandes chemisch nicht indifferent. Da es sich im Giessereibetrieb nicht mit völliger Sicherheit vermeiden lässt, dass an Steigern und Eingüssen Formsand haften bleibt, so gelangt beim Wiedereinschmelzen der Steiger und Eingüsse aus diesem Formsand Kieselsäure in das Metall, wodurch es zur Bildung von Siliziden kommt, die das Metall schädlich beeinflussen. Auch diese Nachteile, die der Beachtung bisher entgangen sind, indem z.
B. zur Herstellung von Formen für den Magnesiumguss Formsand mit hohem Kieselsäuregehalt bevorzugt worden ist (vgl. Irresberger, Giesserei-Zeitung, XIX, 1922, Seite 600 ; D. R. P. Nr. 567823, Seite 1, Zeile 56), sind durch die Wahl der angegebenen kieselsäurefreien oder kieselsäurearmen Formstoffe beseitigt.
Unter den Schutzstoffen, die zufolge vermiedener oder verminderter Gasentwicklung für das Verfahren vorzugsweise in Betracht kommen, haben sich als besonders geeignet solche erwiesen, die durch Abspaltung von gasförmigen Fluorverbindungen mit dem zu giessenden Metall Fluoride bilden, so dass sie also gegen das Metall keineswegs indifferent sind. Hiefür kommen in erster Linie die Metallfluosilikate in Betracht und unter diesen insbesondere das Natrium-und Magnesiumsilikofluorid, die sich bei der Erhitzung teilweise in Metallfluorid und Siliziumtetrafluorid spalten. Dieses letztere wirkt z. B. auf Magnesium unter Bildung eines hauchdünnen Überzuges von Magnesiumfluorid ein. Ein Zusatz von 3% Natriumsilikofluorid zu kohlenwasserstoffölgebundenen Magnesitfoimen ergibt einen vollkommen sicheren Schutz.
Eine noch bessere Schutzwirkung erhält man beim Zusatz von Magnesiumsilikofluorid zum Formstoff, von welchem Salz schon 1 % genügt, um ohne jede zusätzliche Massnahme vollkommen einwandfreie Gussstücke zu erzielen. Auch die Fluoborate sind für das Verfahren als Schutzstoffe tauglich ; sie sind jedoch wesentlich teurer als die Metallfluosilikate. Die besondere Wirkung solcher das Magnesium angreifender Schutzstoffe, durch die ein Gaspolster nicht erzeugt wird, beruht auf der Vergrösserung der Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Metalls. So fliesst beispielsweise Magnesium in Berührung mit Formwänden, welche die angegebenen Schutzstoffe enthalten oder abgeben, ganz anders als in Berührung mit andern Formwänden.
Während sich sonst beim Giessen ein Strahl bildet, der sich nach Art des Wassers mit gekräuselter Oberfläche fortbewegt und daher die lebhafte Neigung zeigt, schwarz zu werden und zu brennen, nimmt die Oberfläche des Gussstrahles in Berührung mit solchen Formen eine Be- schaffenheit an, die sich am besten durch den Vergleich mit der glatten Oberfläche einer Quecksilberkuppe veranschaulichen lässt. Hiedurch ist die Neigung des Magnesiums zur Bildung von Verbindungen mit Sauerstoff und Stickstoff und zur Entzündung aufgehoben. Diese veränderte Art des Fliessens, die also ganz sinnfällige Vorteile mit sich bringt, lässt sich gerade nur mit Schutzstoffen erzielen, die mit dem Magnesium in Reaktion treten.
Um die Überführung der trockenen Formstoffe mit dem nichtwässerigen Plastizierungsmittel zu erleichtern und gleichzeitig einen höheren Grad von Plastizität zu erreichen, kann man andere kieselsäurearme Formmaterialien bekannter Art mitverwenden, die befähigt sind, gewissermassen als Bindemittel für den Hauptformstoff zu dienen. Es können Zusätze anorganischer Art, wie Ton, Bauxit, mit gleichem Vorteil verwendet werden wie solche organischer Art, wie Kohlenpulver oder Graphit. In jedem Fall muss aber der Anteil an kieselsäurearmem Formstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit überwiegen, vorzugsweise soll er nicht unter 90% liegen.
Durch Zusammensetzung des Hauptformmaterials oder der Zusatzmaterialien oder beider aus gröberen und feineren Anteilen kann die Plastizierung des Formmaterials weiterhin geregelt werden.
Eine solche Zusammensetzung des Formmaterials bietet ausserdem die Möglichkeit, die Beschaffenheit der Formen den Erfordernissen des Gusses anzupassen. Im Grenzfall wird das Formmaterial aus grobdispersen Anteilen und Anteilen von kolloidem Dispersitätsgrad zusammengesetzt. In dieser Weise kann der Zusatz fremder Materialien zu dem Wärme gut leitenden Formstoff ganz vermieden werden, indem man an Stelle fester Stoffe von anderer Art zur Erhöhung der Bildsamkeit Gemische verwendet, die einen kleineren
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Drganosols, enthalten.
Ausführungsbeispiele :
1. Sintermagnesit der ungefähren Zusammensetzung 85-90% MgO, 3-5% Kieselsäure, 3-4% Eisenoxyd, 1% Aluminiumoxyd, 1-3% Kalziumoxyd wird in einer Korngrösse von 0 bis 0'5 mm mit 4% Ton und 1% Steinkohle von ungefähr gleicher Körnung gemischt und mit Hilfe eines asphaltischen Erd- öles oder eines künstlichen Gemisches von Kohlenwasserstoff ölen mit Bitumen in der Menge von etwa 3% des Ganzen bildsam gemacht, wobei dem Gemisch Åals Schutzstoff entweder 3% Natrium-Silikofluorid oder l% Magnesium-Silikofluorid zugesetzt wird.
Die Form wird aus dieser Masse in der üblichen Weise hergestellt und ihre Oberfläche beispielsweise mit einer alkoholischen Suspension von Natrium-Siliko- fluorid oder Magnesium-Silikofluorid in Spiritus oder mit Graphit geschlichtet oder mit einem dieser Schutzstoffe bestäubt. Das Giessen vollzieht sich bei den üblichen Temperaturen.
2. An Stelle von Sintermagnesit wird als Hauptformstoffin demim Beispiell angegebenen Gemisch Chromit der ungefähren Zusammensetzung 40-50% Chromoxyd, 14% Eisenoxyd, 14% Aluminiumoxyd, 14% Magnesiumoxyd, 7% Kieselsäure in gleicher Körnung verwendet. Im übrigen bleibt die Vorschrift des ersten Beispiels unverändert.
Es ist bekannt, Formmassen zum Giessen von Flussstahl oder Flusseisen aus einem Gemenge eines an gebundener und freier Kieselsäure sehr armen basischen Materials mit Bindemitteln herzustellen. Insbesondere ist gebrannter Magnesit als geeignetes Material empfohlen worden. Als Formstoff für den Eisenoder Stahlguss ist die Magnesia kieselsäurehaltigen Formmassen durch ihre grössere Feuerfestigkeit überlegen, indem sie, im Gegensatz zu den Silikaten des Sandes, bei den Giesstemperaturen des Flusseisens oder-stahls nicht schmilzt und daher keine leichtflüssigen Schlacken bildet. Es soll also beim Stahlguss durch die Verwendung von Magnesit als Hauptformstoff die Bildung von leichtflüssigen Silikatschlacken vermiedenwerden. Hingegen vollziehtsich das Giessen von Leichtmetallenbei Temperaturen, die weit unter dem Schmelzpunkt der Silikate des Sandes liegen.
Die Anforderungen an die Beschaffenheit des Formstoffs sind daher in wesentlicher Hinsicht verschieden. Die durch die vorliegende Erfindung erzielte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei Leichtmetallen konnte aus der Anwendung von Magnesia als Formmasse für Stahlguss um so weniger abgeleitet werden, als, wie schon erwähnt wurde, Sand mit hohem Kieselsäuregehalt bis in die jüngste Zeit als Formmaterial für den Guss von leicht oxydierbaren Metallen, wie Magnesium, bevorzugt worden ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Giessen von Leichtmetallen und ihren Legierungen in verlorenen Formen, dadurch gekennzeichnet, dass manin Verbindung mit bekannten Schutzstoffen, die üblicherweise Verwendung finden, um das Arbeiten mit wasserhaltigem Formsand zu ermöglichen, trockene Metalloxyde oder kieselsäurearme oxydische Erze und Hüttenerzeugnisse, wie z. B. Magnesiumoxyd oder gebrannten Magnesit, Chromoxyd oder Chromit, als Hauptformstoffe verwendet, wobei diese Stoffe in bekannter Weise mit Hilfe eines nichtwässerigen flüssigen Bindemittels von der Art der Kohlenwasserstoff ölein den bildsamen Zustand übergeführt werden.