Verfahren zur Herstellung verlorener Formen für den Gnss von Leiehtmetallen und ihren Legierungen. Gegenstand der Erfindung ist ein Ver fahren zur Herstellung verlorener Formen für den Guss von Leichtmetallen, insbeson dere von Magnesium und Aluminium und ihren Legierungen.
Soweit verlorene Formen in Betracht kommen, werden zum Giessen von Leicht metallen und Leichtmetallegierungen im all gemeinen Sandformen verwendet. Hierbei entstehen jedoch durch die Gegenwart von Wasser erhebliche Schwierigkeiten, indem insbesondere Magnesium und hochprozentige Magnesiumlegierungen in geschmolzenem Zu- Eand mit Wasser oder Wasserdampf explo sionsartig reagieren. Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten hat die einschlägige Technik zwei nebeneinander laufende Wege einge schlagen.
Es wurde zunächst auf ein Mittel zurück gegriffen, das in der allgemeinen Giesserei- r-, schon seit langem benutzt wurde (vergleiche zum Beispiel U. S. A. Patent- schrift Nr. 198.852 vom Jahre 1878), um das Arbeiten mit getrockneten Sandformen, das teuer ist und fortlaufend gute Ergeb nisse doch nicht sicher verbürgt, zu vermei den, nämlich auf die Verwendung von nicht wässerigen Flüssigkeiten, insbesondere Koh lenwasserstoffölen, zum Bildsammachen des Sandes.
Ein Vorschlag dieser Art findet sich in der amerikanischen Patentschrift Nummer 1,363,384 (Bakken), wo die Verwendung solcher Bindemittel in Verbindung mit ge trocknetem Formsand, insbesondere auch für das Giessen von Magnesium beschrieben ist. Ein Verfahren gleicher Art ist Gegenstand des deutschen Patentes Nr. 376,789, in dessen Beschreibung verschiedene Formstoffe neben einander erwähnt sind, und zwar Sand, Kohlepulver, gebrannte Magnesia, garbo- rund, wasserfreie Tonerde, Schamottemehl und dergleichen.
Im Gegensatz zu diesen Versuchen, die die technische Entwicklung nicht beeinflusst haben, ist durch den Zusatz bestimmter Schutzstoffe zum Formsand ein Verfahren geschaffen worden, das für den Magnesium guss erhebliche technische Bedeutung erlangt hat.
Diese Arbeitsweise nahm ihren Ausgang von Vorkehrungen zur Verbesserung getrock neter Sandformen. Da auch bei Verwendung dieser teuren 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 Me tall Gase oder Dämpfe abgeben, welche weder selbst noch in Form ihrer Oxydations produkte mit dem Magnesium reagieren (DRP 368906).
Auch dieses Verfahren hat die Technik nicht wesentlich bereichert, son dern 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 Sand formen zu ermöglichen. In der deutschen Pa tentschrift Nr. 384137, in der dieses Verfah ren beschrieben ist, sind als Beispiele derar tiger Schutzstoffe elementarer Schwefel, Bi karbonate, Oxalate, Borsäure genannt, zu welchen Stoffen später noch Harnstoff hin zugekommen ist. In der Folge sind verschie dene Klassen von Schutzstoffen zu gleichem Zweck mit Erfolg verwendet werden.
Als Beispiele sind sind zu nennen: Ammoniumsalze im allgemeinen, Ammoniumfluorid, Ammo- niumbifluorid oder Salze, die Ammonium- fluorid in komplexer Form gebunden enthal ten, oder Mischungen von Ammoniumfluorid oder von solchen komplexen Salzen mit Stof fen saurer Natur, Borfluorwasserstoffsäure oder flüchtige Salze dieser Säure, Metallsili- kofluoride,
wie Natrium- oder Magnesium- silikofluorid und Metallfluoride.
Diesem Verfahren zum Giessen von Mag nesium in grüne Sandformen, das durch das Hinzukommen der von verschiedenen Sei ten als brauchbar erkannten weiteren Schutz stoffe 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 Haiis aus gering.
Werden nun@verdampfende Zusatz stoffe, die beim Giessen des Metalles Gas polster zwischen die Gussform und das Guss- stück 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 Ge füge aufweisen, und dass an Übergangsstellen von dickeren zu dünneren Querschnitten Haarrisse auftreten. Beide Erscheinungen be einflussen die mechanischen Eigenschaften der Erzeugnisse sehr ungünstig.
Die bekann ten Hilfsmittel, über die die Gusstechnik zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit verfügt (Einverleibung von fein verteilten, die Wärme gut leitenden Zusätzen in die Form stoffe, Verwendung von Formen mit Ab schreckplatten), 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 Guss- stück Brandstellen und Gussblasen bilden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung von verlorenen Formen für den Guss von Leichtmetallen und ihren Legie rungen besteht nun darin, dass man in Ver bindung mit Schutzstoffen, die das Giessen in Formen aus wasserhaltigem Formsand er möglichen, trockene kieselsäurearme Metall oxyde als Hauptformstoff verwendet, wobei diese Stoffe mit Hilfe von Kohlenwasser stoffölen in den bildsamen Zustand überge führt werden.
Als den Hauptformstoff bil dende Metalloxyde kommen sowohl die reinen Oxyde als auch oxydisohe Erze und Hütten erzeugnisse, zum Beispiel Magnesiumoxyd oder gebrannter hlagnesit, Chromoxyd oder Chromit, Bauxit, Puddelschlacke und der gleichen, somit auch alle Mineralien oder ogydischen Erze und metallurgischen Neben- Produkte in Betracht, die arm an Kieselsäure sind und Metalloxyde als wesentliche Be standteile enthalten.
Metalloxyde der ange gebenen Art haben eine wesentlich grössere Wärmeleitfähigkeit als Quarzsand; so ist zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit der Magnesia doppelt so gross als die des Sandes. Ferner ist auch die auf die Raumeinheit be zogene spezifische Wärme dieser Oxyde be- trächtlich höher als die des Quarzsandes.
Die nachfolgende Zahlentafel, in der A. die Wärmeleitfähigkeit, c die spezifische Wärme, 7 das Raumgewicht und<I>c</I> # <I>y</I> die spezifische Wärme, auf die Raumeinheit bezogen, be deuten, zeigt die Wärmeübergangszahlen von Quarzsand, Sintermagnesit und Chromit in Form gekörnter Pulver, die eine Minute ge- r üttelt worden sind.
EMI0003.0011
Material <SEP> <U>Kcal</U> <SEP> _ <SEP> <U>Kcal</U> <SEP> _ <SEP> kg <SEP> _ <SEP> <U>Kcal</U>
<tb> <B>3000</B> <SEP> h.m. <SEP> <SEP> C <SEP> 0-4000 <SEP> kg <SEP> # <SEP> <SEP> C <SEP> r <SEP> dm3 <SEP> <I>c <SEP> r</I> <SEP> dm3 <SEP> # <SEP> 0 <SEP> C
<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 Dank dieser beträchtlichen Überlegenheit der angegebenen Formstoffe in bezug auf die W ärmeübergangseigenschaften wird den Gussstücken die Wärme so schnell entzogen, dass die mit der Verwendung von Schutz stoffen unvermeidlich verknüpfte Verzöge rung der Abkühlung sich nicht schädlich auswirken kann.
Hierzu kommt, dass zufolge der Verwendung von trockenen Formstoffen i Verbindung mit den nichtwässerigen Pla- D, t' stizierungsmitteln, also durch den praktisch vollkommenen Ausschluss von Wasser, mit besonderem Vorteil Schutzstof f e gewählt wer den können, die in Berührung mit dem ge schmolzenen Metall nur eine geringe Menge von Gasen und Dämpfen entwickeln oder nahezu unzersetzt bleiben, so dass die wesent lich kräftigere Abschreckwirkung des Form materials trotz der Gegenwart der Schutz stoffe 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 Ent wicklung von Gasen und Dämpfen unver meidlich 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 <B>USW.</B> entstehen können, weil der Gehalt an Schutzstoff schon unter das zulässige Mass gesunken ist.
Als Folge der Kornverfeinerung und Ver meidung von Haarrissen wird eine überra schende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt. Zur Beleuchtung dieses Fortschrittes mögen die nachfolgend wieder gegebenen 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 kohlenwasserstoffölgebun- denen Sintermagnesitformen und gleicharti gen Chromitformen mit einem Zusatz von .\2 % Ammoniumfluorid aus der gleichen Schmelze unter gleichen Bedingungen herge stellt worden sind. Ammoniumfluorid, das bei der Giesstemperatur grosse Mengen von Gasen abgibt, also durchaus nicht zu den bevorzugten Schutzstoffen im oben erwähn ten Sinne gehört, wurde bei diesen Ver gleichsversuchen gewählt, um die Überlegen heit des Verfahrens besonders zu veranschau lichen.
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 s, D die Deh nung in Prozenten.
EMI0004.0001
Querschnitte <SEP> der <SEP> Gussstäbe <SEP> 17 <SEP> mm <SEP> 20 <SEP> mm <SEP> 22 <SEP> mm <SEP> 27 <SEP> mm
<tb> F <SEP> D <SEP> F <SEP> I <SEP> D <SEP> F <SEP> D <SEP> F <SEP> <B>#</B> <SEP> D
<tb> Quarzsand <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <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> Sic)termagnesit <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 19,9 <SEP> 9,5 <SEP> 18,3 <SEP> 7,8 <SEP> 17,3 <SEP> 7,0 <SEP> 15,8 <SEP> 5,8
<tb> Chromit <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> .
<SEP> 1.9,2 <SEP> 8,6 Es zeigt sich, dass die in Sintermagnesitfor- men gegossenen Stäbe die höchsten mecha nischen Werte aufweisen, denen die Werte der in Chromit gegossenen Stäbe ziemlich nahekommen, während den in grüne Sand formen gegossenen Stäben wesentlich gerin gere Festigkeits- und Dehnungszahlen ent sprechen.
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<B>50%</B> die erfindungsgemäss erziel ten Werte nicht erreicht.
Mit dem durch die Zusammenwirkung der Teilmassnahmen des Verfahrens zustandekom- menden Fortschritt geht einher, dass auch die Übelstände vermieden sind, die bei Sandfor men aus dem hohen Kieselsäuregehalt des Sandes entspringen. Insbesondere Magnesium und Magnesiumlegierungen sind gegen die Kieselsäure des Sandes chemisch nicht indif ferent.
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 Form sand Kieselsäure in das Metall, wodurch es zur Bildung von Siliziden kommt, die das Metall schädlich beeinflussen.
Auch diese Nachteile, die der Beachtung bisher ent gangen sind, indem zum Beispiel zur Her stellung von Formen für den Magnesiumguss Formsand mit hohem Kieselsäuregehalt be vorzugt worden ist (vergleiche Irresberger, Giesserei-Zeitung, XIX, 1922, Seite 600; DRP" 56'l 823, Seite 1, Zeile 56), sind durch die Wahl der angegebenen kieselsäurefreien oder kieselsäurearmen Formstoffe beseitigt.
Unter den Schutzstoffen, die zufolge ver miedener 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.
Hierfür kommen in erster Linie die Me- tallsilikofluoride in Betracht und unter die sen insbesondere das Natrium- und Mag nesiumsilikafluorid, die sich bei der Erhit zung teilweise in Metallfluorid und Sili- ziumtetrafluoridspalten. Dieses letztere wirkt zum Beispiel auf Magnesium unter Bildung eines hauchdünnen Überzuges von Magne- siumfluorid ein.
Ein Zusatz von 3 % Na- triumsilikofluorid zu kohlenwasserstoffölge- bundenen Magnesitformen ergibt einen voll kommen sicheren Schutz. Eine noch bessere Schutzwirkung erhält man beim Zusatz von 1lagnesiumsilikofluorid zum Formstoff, von welchem Salz schon 1 % genügt, um ohne jede zusätzliche Massnahme vollkommen einwand freie Gussstücke zu erzielen.
Auch die Bor- fluoride sind für das Verfahren als Schutz stoffe tauglich; sie sind jedoch wesentlich teurer als die Metallsilikofluoride. Die be sondere Wirkung solcher das Magnesium an greifender Schutzstoffe, durch die ein Gas polster nicht erzeugt wird, beruht auf der Vergrösserung der Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Metalles. So fliesst beispiels weise Magnesium in Berührung mit Form wänden, welche die angegebenen Schutzstoffe enthalten oder abgeben, ganz anders als in Berührung mit andern Formwänden.
Wäh- send sich sonst beim Giessen ein Strahl bildet, der sich nach Art des Wassers mit gekräusel ter Oberfläche fortbewegt und daher die leb hafte Neigung zeigt, schwarz zu werden und zu brennen, nimmt die Oberfläche des Guss- strahls in Berührung mit solchen Formen eine Beschaffenheit an, die sich am besten durch den Vergleich mit der glatten Ober fläche einer Quecksilberkuppe veranschau lichen lässt. Hierdurch ist die Neigung des Magnesiums zur Bildung von Verbindungen mit Sauerstoff und Stickstoff und zur Ent zündung aufgehoben.
Diese veränderte Art des Fliessens. die also ganz sinnfällige Vor teile mit sich bringt, lässt sich gerade nur mit Schutzstoffen erzielen, die mit dem Magne sium in Reaktion treten. Besonders vorteil haft ist die Anwendung solcher Schutzstoffe, welche auf dem vergossenen Metall einen korrosionsbeständigen Überzug bilden. Diese Eigenschaft kommt allen oben aufgezähl ten Schutzstoffen zu.
LTm die Mischung der trockenen Form stoffe mit dem nichtwässerigen Plastizie- rungsmittel zu erleichtern, und gleichzeitig einen höheren Grad von Plastizität zu errei chen, kann man andere kieselsäurearme Form materialien bekannter Art mitverwenden, die befähigt sind, gewissermassen als Bindemittel für den Hauptformstoff zu dienen. Es kön nen Zusätze anorganischer Art, wie Ton, Bauxit, mit gleichem Vorteil verwendet wer den wie solche organischer Art, wie Kohlen pulver oder Graphit. In jedem Fall muss aber der Anteil an kieselsäurearmen Metalloxyd überwiegen, vorzugsweise soll er nicht unter 90 % liegen.
Durch Zusammensetzung des Hauptform- materials oder der Zusatzmaterialien oder beider aus gröberen und feineren Anteilen kann die Plastizierung des Formmaterials weiterhin geregelt werden. Eine solche Zu sammensetzung des Formmaterials bietet ausserdem die Möglichkeit, die Beschaffen heit der Formen den Erfordernissen des Gus ses anzupassen.
Im Grenzfall wird das Form material aus grobdispersen Anteilen und An teilen von kolloidem Dispersitätsgrad zu- sammengesetzt. In dieser Weise kann der Zu satz fremder Materialien zu dem Wärme gut leitenden Formstoff ganz vermieden werden, indem man an Stelle fester Stoffe von ande rer Art zur Erhöhung der Bildsamkeit Ge mische verwendet, die einen kleineren oder grösseren Anteil dieses Formstoffes in kolloi dem Zustande, und zwar zweckmässig in Form eines geeigneten Organosols, enthalten.
<I>Beispiel 1:</I> Sintermagnesit der ungefähren Zusam mensetzung 85-90% Mg0, 3-5% Kiesel säure, 3-4 % Eisenoxyd, 1 % Aluminium- oxyd, 1-3 % galziumogyd wird in einer Korngrösse von 0-0,5 mm mit 4 % Ton und 1 % Steinkohle von ungefähr gleicher Kör nung gemischt und mit Hilfe eines asphal- tischen Erdöls oder eines künstlichen Ge misches von Kohlenwasserstoffölen mit Bitu men in der Menge von etwa 3 % des Ganzen bildsam gemacht,
wobei dem Gemisch als Schutzstoff entweder 3 % Natrium-Siliko- fluorid oder 1 % Magnesium-Silikofluorid zugesetzt wird. Die Form wird aus die ser Masse in der üblichen Weise herge stellt und ihre Oberfläche beispielsweise mit einer alkoholischen Suspension von Na- trium-Silikofluorid oder Magnesium-Siliko- f luorid in Spiritus oder mit Graphit, ge schlichtet oder mit einem dieser Schutzstoffe bestäubt. Das Giessen vollzieht sich bei den üblichen Temperaturen.
<I>Beispiel 2:</I> An Stelle von Sintermagnesit wird als Hauptformstoff in dem im Beispiel 1 ange gebenen 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 Ge menge eines an gebundener und freier Kiesel säure sehr armen basischen Materials mit Bindemitteln herzustellen. Insbesondere ist gebrannter Magnesit als geeignetes Material empfohlen worden. Als Formstoff für den Eisen- oder Stahlguss ist die Magnesia kiesel säurehaltigen 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 leicht flüssigen Schlacken bildet.
Es soll also beim Stahlguss durch die Verwendung von Magne- sit als Hauptformstoff die Bildung von leichtflüssigen Silikatschlacken vermieden werden. Hingegen vollzieht sich das Giessen von Leichtmetallen bei Temperaturen, die weit unter dem Schmelzpunkt der Silikate des Sandes liegen. Die Anforderungen an die Beschaffenheit des Formstoffes sind daher in wesentlicher Hinsicht verschieden.
Die durch die vorliegende Erfindung erzielte Verbesserung der mechanischen Eigenschaf ten bei Leichtmetallen konnte aus der An wendung 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 ogy- dierbaren Metallen, wie Magnesium, bevor zugt worden ist. .