Verfahren zur Herstellung von Formmasken Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formmasken, mit welchen ins besondere Gussstücke wirtschaftlich und zweckent sprechend in komplizierten Formen und mit genau kontrollierten Dimensionen hergestellt werden können.
Verfahren zur Herstellung von Gussstücken mit nied rigen Kosten und mit hinreichend genauen Dimen sionen und komplizierten Formen waren bis jetzt Ge genstand ausgedehnter und fortgesetzter Forschung. Viele Verfahren sind schon bekannt, wie z. B. das Grün sandgiessverfahren, das Spritzgussverfahren, das Wachs ausschmelzverfahren und ähnliche. Aus verschiedenen Gründen, aber vor allem wegen den Kosten, haben solche Verfahren für die Herstellung von vielen Gegen ständen, wie z. B. von Turbinenschaufeln und ähnli chen, nur beschränkte Anwendung gefunden.
Präzisionsgussstücke können gemäss der vorliegen den Erfindung zu geringen Kosten, in grosser Anzahl und in genauen Dimensionen und komplizierten For men hergestellt werden. Dieses neue Verfahren weist mit dem bekannten Formmaskenverfahren eine gewisse Ähnlichkeit auf, aber es unterscheidet sich von diesem in wesentlichen Einzelheiten. Das Ziel dieser Einzel heiten ist die Herstellung von Gussstücken mit genauen Dimensionen und Formen mit besserer Oberflächen beschaffenheit und Feinheit.
Die nach dem neuen Ver fahren hergestellten Gussstücke weisen weiter eine ver besserte Dichte und Einheitlichkeit im Querschnitt auf, selbst wenn das Gussstück einen beträchtlichen Anteil von dünnwandigen Teilen aufweist. Diese Vorteile kön nen erzielt werden, trotzdem die Kosten des Produktes gesenkt werden können. Das neue Verfahren kann ganz oder teilweise für die Herstellung von grösseren Mengen von Gussstücken mechanisiert werden, so dass eine im wesentlichen kontinuierliche Produktion erzielt werden kann.
Im allgemeinen weist das Formmaskenverfahren, selbst nach der bisherigen Praxis, gegenüber anderen Metallgiessverfahren eine Reihe von Vorteilen auf, ins besondere hinsichtlich der Art und der Eigenschaften der hergestellten Gussstücke und hinsichtlich gewisser wirtschaftlicher Vorteile.
Im Vergleich zu anderen Giessverfahren, wie z.B. dem Grünsandgiessverfahren, lassen sich nach dem Formmaskenverfahren folgende Vorteile erzielen: Gussstücke mit besserer Oberflächen beschaffenheit, mit besseren Dimensionstoleranzen, mit dünnwandigeren Anteilen, ein Produkt, das relativ frei ist von Ein- oder Ausbrennungen (charakteristisch für das Grünsandgussverfahren). Durch den letztge nannten Vorteil werden reinere Gussstücke erzielt, wo mit die Anzahl der Fertigbearbeitungsoperationen re duziert werden kann,
wodurch eine Reduktion der Ab nützung der zur Fertigbearbeitung der Gussstücke ver wendeten Werkzeuge erreicht wird.
Das Giessen nach dem Formmaskenverfahren lässt sich durch geeignete Massnahmen wesentlich leistungs fähiger und wirtschaftlicher gestalten. Zum Beispiel können Masken in grosser Zahl im voraus hergestellt werden, und nachher bis zum Gebrauch gelagert wer den. Dadurch kann beim Formmaskenverfahren eine Mechanisierung erzielt werden. Es kann damit vor allem Arbeitszeit eingespart werden. Dadurch können die Kosten für die einzelne Form und somit auch für das Gussstück wesentlich gesenkt werden.
Wenn die dem Formmaskenverfahren innewohnen den Vorteile auch zu einem weiten Anwendungsbereich desselben geführt haben, so verbleibt doch noch ein weites Gebiet für weitere Verbesserungen des Verfah rens und der dabei hergestellten Produkte. Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in solchen Verbesse rungen.
Das Formmaskenverfahren, so wie es bis jetzt aus- geiibt worden ist, erfordert, dass das Modell bis zu einer Temperatur erwärmt wird, die genügt, um das harz artige Bindemittel in einen anhaftenden Zustand über zuführen. Weiter ist es erforderlich, die Härtung des harzartigen Bindemittels so weit vorzunehmen, dass eine bleibende Form entsteht. Es war deshalb bis jetzt not wendig, Modelle zu verwenden, die aus Metall bestan den, das auf Temperaturen über 316 C erhitzt werden komate. Im weiteren musste zusätzliche Wärme zuge führt werden, um die Formen auf der gewünschten Temperatur zu halten, damit sich das Bindemittel in der Maske auf der Modelloberfläche verfestigen konnte.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist unter anderem ein Verfahren zur Herstellung von Formmasken für die Metallgiesserei, gemäss welchem es möglich wird, die Masken herzustellen, ohne dass die Modelle auf er höhte Temperaturen erhitzt werden müssen.
Die Fliesscharakteristiken, wie sie für Masken mit guter Ausbildung der Einzelheiten erwünscht sind, sind irgendwie nicht in Übereinstimmung mit der Feinheit der Teilchen, wie sie bei der Herstellung von Masken mit einem hohen Grad an Oberflächenglattheit not wendig sind. Im weiteren wird die Anzahl der herstell- baren Masken aus einem gegebenen Modell beschränkt durch die Zeit, die benötigt wird, um das Material ein heitlich über dem Modell zu versprühen und durch die Zeit, die für die Hitzedurchdringung zur Verfestigung des Bindemittels benötigt wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die Einzelheiten des Modells in der Maske besser wiedergegeben werden, und zwar un abhängig von der Teilchengrösse. Auf diese Art lässt sich eine präzise Durchbildung der Einzelheiten sowohl als auch eine glatte Oberfläche in der Maske gleichzeitig erzielen. Im weiteren lässt sich durch das Verfahren ge mäss der vorliegenden Erfindung die Anzahl der herge stellten Masken pro Zeiteinheit und pro Muster wesent lich vergrössern. Dabei wird eine Maske mit hoher Dichte und Festigkeit erzielt, die der nachfolgenden Behandlung gut widerstehen kann. Dabei wird das Mo dell unmittelbar für den weiteren Gebrauch frei.
Die Bedingungen in der bisherigen Praxis des Form maskenverfahrens auferlegen weitere Einschränkungen in der Anpassungsfähigkeit des Verfahrens für den Ge brauch in der Herstellung von Präzisionsgussstücken, besonders wenn Abschnitte von dünnen Wänden in Randstellen des Gussstückes gebildet werden müssen, oder wenn dünne Wandabschnitte von wesentlicher Länge vorhanden sind. Man glaubt, dass ein Grund für diese Beschränkung darin zu suchen ist, dass die Masken bei ungefähr Raumtemperatur zum Giessen verwendet werden müssen. Andernfalls würde eine Zersetzung des die Maske zusammenhaltenden Bindemittels stattfin den, mit dem Ergebnis, dass die Maske ungeeignet wer den würde, im Falle sie für das Giessen auf eine erhöhte Temperatur vorgeheizt würde.
Wenn das Metall in die kalte Maske gegossen wird, besteht die Tendenz, dass sich an den Berührungsflächen mit den Maskenwänden Häute bilden, mit dem Ergebnis, dass der Fluss in die innersten Rücksprünge und in die dünnen Wandab schnitte manchmal blockiert wird und sich dann ein Gussstück bildet, das in seinem Querschnitt nicht ein heitlich ist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren, in welchem die gänzliche Füllung der Form sichergestellt wird, damit ein dichtes Produkt mit homogener Zusammensetzung im Quer schnitt erzielt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine trockene Formmasse zur Durchführupg des erfin dungsgemässen Verfahrens, eine poröse Maske, herge stellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren sowie eine Verwendung einer erfindungsgemäss hergestellten Formmaske.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert, in welcher Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfah rens gemäss der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Schnittseitenansicht der Vorrichtung von Teilen für die Druckformung der Maske; Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Teil einer geformten Maske; Fig. 4 eine Schnittansicht durch einen Teil der in richtiger Weise zusammengefügten Maskenteile, und Fig. 5 eine perspektive Ansicht einer hergestellten Maske mit mehreren Vertiefungen zeigt.
Bei dem nachstehend beschriebenen Verfahren wer den Maskenteile von kontrollierter Dicke trockenge- presst, und zwar aus Material, das eine ausgezeichnete Hitzeschockwiderstandsfähigkeit und Dimensionssta bilität bei erhöhter Temperatur aufweist. Dadurch wird es möglich, die Masken für den Giessvorgang auf höhere Temperaturen zu erhitzen, womit Gussstücke erzielt werden können, die neue und verbesserte Merkmale aufweisen. Dadurch können die einzelnen Verfahrens schritte in besserer Weise kombiniert werden, so dass eine grössere Produktion von Teilen möglich wird.
Bei der Herstellung der Maskenteile wird ein feuer festes Material verwendet, das in einem feinverteilten Zustand vorliegt und welches mit einem Vorbindemit- tel verbunden wird, welches unmittelbar nach der trockenen Kompression wirksam wird. Dadurch erhält das maskenartig geformte Produkt seine Festigkeit zwecks Aufrechterhaltung der Form der Maske wäh rend der nachfolgenden Behandlung. Das Produkt ent hält weiter ein feuerfestes Bindemittel, das wirksam wird, wenn dieses auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird und welches der geformten Masse Festigkeit und Dimensionsstabilität verleiht, wenn das geschmolzene Metall in die Maske gegossen wird. Eine bestimmte Menge des Formmaterials wird zur Kompression in eine Presse gegeben, in der ein Modellteil an einem Stempel angeordnet ist.
Dann wird das Material kom primiert und es fliesst dabei genügend, um jede Einzel heit des Modells anzunehmen und einen Maskenteil zu bilden, der durch das Vorbindemittel zusammengehal ten wird, das unter Druck sofort, ohne oder mit Er wärmen aktiv wird. Das so geformte Material hat eine genügende Kaltfestigkeit. Der Maskenteil wird aus der Presse entfernt und dann einer Hitzebehandlung unter- worfen, und zwar bei einer Temperatur, die genügt, da mit das feuerfeste Bindemittel bindet und im wesent lichen a11 das verflüchtigbare Material in der Maske zu eliminieren.
Die Temperatur soll dabei aber nicht so hoch sein, dass eine Glasbildung oder eine Sinterung des Bindemittels eintritt, die genügen würde, um die Permeabilität der Maske, ihre Form oder ihre Abmes sungen zu zerstören.
Die so hergestellten Formteile haben eine gute Hitzeschockbeständigkeit und eine gute Festigkeit. Sie werden dann vor oder nach der Hitzebehandlung in passender Weise zusammengefügt, um eine Form zu ergeben, die für den Giessvorgang bei höherer Tempe ratur geeignet ist. Durch die erhitzte Form wird die Fliessfähigkeit des Metalls während längerer Zeit er halten, was bewirkt, dass sich die Form besser füllt und sich ein dichtes Produkt bildet, das der Form besser entspricht und welches eine gute Oberflächenbeschaf fenheit aufweist, so dass im wesentlichen ein fertiger Körper entsteht. Wenn die Maskenteile in zusammen gefügter Weise einer Hitzebehandlung unterworfen werden, dann bewirkt die Hitzebehandlung zusätzlich die Verbindung der Teile untereinander.
Wenn die Zu sammensetzung nachher stattfindet, ist es notwendig, ein Bindemittel oder andere geeignete Mittel zu ver wenden, die das Zusammenhalten der zusammenge setzten Maskenteile bewirken. Wenn die Form bei er höhter Temperatur verwendet wird, können die durch Hitzebehandlung zusammengefügten Maskenteile di rekt bei dieser oder ungefähr bei dieser Temperatur der Hitzebehandlung für das Giessverfahren verwendet werden, andernfalls ist es notwendig, die zusammenge fügten Teile für den Giessvorgang wieder zu erhitzen.
<I>Beispiel 1</I> Zusammensetzung der Formmasse für die Masken herstellung: 95 Gew.-Teile kalzinierte Tonerde 3 Gew.-Teile Feldspat 2 Gew.-Teile Schlämmkreide 5 Gew.-Teile Paraffinwachs 95 Gew.-Teile Trichloräthylen Verfahren: Das Wachs wird bis zum Schmelzen er hitzt und dann durch langsamen Zusatz des Trichlor- äthylens in Lösung übergeführt.
Diese Lösung wird der Mischung der trockenen Pulver zugegeben und die gebildete Aufschlämmung wird zwecks Verkleinerung bis zu einer Teilchengrösse für ein Sieb mit lichter Ma schenweite von 0,040 mm oder weniger in eine Kugel mühle gegeben. Gewöhnlich werden für diesen Mahl vorgang ungefähr 24 Stunden oder etwas mehr benötigt.
Das Lösungsmittel, d. h. das Trichloräthylen, wird durch Verdampfen in offenen Pfannen aus dem gemah lenen Produkt entfernt, gegebenenfalls unter Hitzean wendung und vorzugsweise unter Rühren, um eine Trennung der Lösungsmittelphase von den festen Teil chen zu vermeiden. Andernfalls werden die Teilchen vom Wachsbindemittel nicht homogen überzogen. Das trockene Produkt wird pulverisiert, vorzugsweise bevor alles Lösungsmittel entfernt ist, denn wenn eine kleine Menge des Lösungsmittels verbleibt (ungefähr 3 bis 10 Gew. %), wird der Arbeitsaufwand für die Pulveri- sierung geringer.
Das trockene Produkt muss nicht wie der auf eine Teilchengrösse für ein Sieb mit lichter Ma schenweite von 0,040 mm zerkleinert werden. Es ist in der Tat erwünscht, das Produkt zu Kügelchen zu kom primieren, welche durch mechanische Mittel leichter den für die Formung benötigten Pressen zugeführt wer den können. Anschliessend wird das Produkt so ge trocknet, dass es nicht mehr als 1 bis 2 Gew. % Feuch tigkeit, bezogen auf die Feststoffe, enthält.
<I>Maskenbildung:</I> Die Maske 10 wird durch Kom pression einer abgemessenen Menge des trockenen Pulvers 12 zwischen der Matrize 14 und dem Modell teil 24 hergestellt, welche Teile in einem Hohlraum 16 untergebracht sind, in dem ein Druckkolben 18 ange ordnet ist. Dieser Kolben kann sich zwischen der nar- malen, der zurückgezogenen und der Formposition in einem Operationszyklus bewegen.
Die Presse besteht vorzugsweise aus einem Metall, das eine hochpolierte Oberfläche aufweist, damit die darauf geformte Maske leichter abgelöst werden kann und damit die Maske eine bessere Oberflächenbeschaffenheit erhält, welche sich dann wieder auf die Oberfläche des zu formenden Gussstückes überträgt.
Eine abgemessene Menge des Pulvers wird in den Hohlraum der Presse eingefüllt und unter einem Druck von 70 bis 1400 kg/cm' so gepresst, dass ein Volumen verhältnis von ungefähr 1:3 resultiert. Der Kolben wird dabei von der Normalstellung in die Formstellung und wieder zurückgebracht, wobei ein Maskenteil ent steht, der eine Wanddicke im Bereiche von 3,18 bis 12,7 mm aufweist.
Der Wachsfilm, der jedes Tonerdeteilchen überzieht, wird unter Kompression als Vorbindemittel wirksam und verbindet die einzelnen Teilchen untereinander zu einer kompakten Masse, die eine genügende Festigkeit aufweist, um einem Zusammenbruch oder einer Defor mation der geformten Maske unter normalen Behand lungsbedingungen widerstehen zu können. Der Masken teil 10 wird aus dem Hohlraum entfernt, damit die Formpresse für die Herstellung von weiteren Masken teilen frei wird.
Der Maskenteil 10 wird dann allein oder in Kom bination mit dem zugehörigen Maskenteil 20 einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 399 bis 1093 C unterworfen, und zwar so lange, bis ein fester poröser Zustand erreicht ist. In diesem Zustand ist das feuerfeste Bindemittel für die Bindung wohl zur Wirkung gekommen, jedoch ohne dass Glasbildung oder Sinterung in einem solchen Ausmasse auftritt, dass eine Schrumpfung oder ein wesentlicher Verlust der Durchlässigkeit der Maske zustande käme. Unter die sen Bedingungen wird das Wachs, welches den Masken teil vorübergehend in der gewünschten Form erhält, und jegliches andere verflüchtigbare Material aus der Maske abdestilliert oder ausgebrannt.
Eine solche De stillation oder ein solches Ausbrennen wird unter oxy dierenden Bedingungen durchgeführt, damit eine gänz liche Entfernung aus dem Maskenteil erzielt wird. Ge- wöhnlich werden diese Bedingungen durch die natür lichen Luftzüge in den Öfen und anderen Brennanlagen, in denen die Masken gebrannt werden, ohnehin ge schaffen. Das Brennen kann in Serien oder kontinuier lich vor sich gehen. Wenn bei einer Temperatur von 1038'C gebrannt wird, dann dauert die Behandlung 2 bis 10 Stunden, je nach der Wanddicke des Masken teils und der Masse des zu behandelnden Materials.
Das Maskenpaar 10 und 20, das durch oder nach der Hitzebehandlung zusammengefügt worden ist, wird allein oder zusammen mit anderen Maskenteilen in ge eigneter Form angelegt und in einen Gruppenkasten verbracht und mit geeigneten Eingusstrichtern, Ein güssen, Steigern, Einlagen und Läufen versehen, damit das Metall in den Maskenteil gegossen werden kann.
Das Giessen, das Kühlen, das Entfernen der Gussstücke und das Reinigen derselben sind im wesentlichen ähn lich wie beim konventionellen Formmaskenverfahren, mit der Ausnahme, dass gemäss einer bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung die Masken bei einer gewünschten erhöhten Temperatur gehalten werden oder sonst auf eine erhöhte Temperatur erhitzt werden, um das Metall in die Masken zu giessen. Dies mit dem Ergebnis, dass das Metall fähig ist, die Maske im wesentlichen gänzlich zu füllen. Dabei wird ein festes und dichtes Gussstück erhalten, das die Oberfläche der Maskenwände in allen Einzelheiten wiedergibt.
Ein solches Gussstück erfordert wenig zusätzliche Ober flächenbehandlung.
Der Hauptbestandteil der Formmaske ist ein feuer festes Material, welches durch die kalzinierte Tonerde gemäss dem beschriebenen Beispiel oder ein anderes Material wie Siliziumoxyd, Zirkoniumsilikate, Beryl- liumerze, Thoriumoxyd, Zirkonium, Kyanit, Mullit, Sillimanit und andere hoch reaktive Oxyde und Silicate und Erze von feuerfesten Metallen repräsentiert wer den kann. Diese Materialien können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden.
Es ist ge funden worden, dass als feuerfeste Komponente ein feuerfestes Material verwendet werden kann, das auf einer Glasplatte einen Schüttwinkel von 10 bis 30' auf weist. Die feuerfeste Komponente stellt gewöhnlich 80 bis 96 Gew. % des Formmaskenmaterials dar. Sie sollte einen Schmelzpunkt aufweisen, der höher ist als die Temperatur des zu giessenden Metalls, damit ein Zu sammenbruch der geformten Maske vermieden werden kann. Es empfiehlt sich, ein feuerfestes Material zu ver wenden, das einen Schmelzpunkt oberhalb des Erwei- chungspunktes eines Segerkegels 32 aufweist.
Im Falle, dass das feuerfeste Material gebundenes Wasser oder andere verflüchtigbare Komponenten enthält, ist es notwendig, das Material zu kalzinieren oder anderswie zu behandeln, damit das verflüchtigbare Material vor der Formung der Maske entfernt wird, ansonst das ver- flüchtigbare Material während des Brennvorganges ab getrieben wird, was eine Schrumpfung und einen mög lichen Zusammenbruch der Maske bewirkt. Es ist auch möglich, dass das verflüchtigbare Material erst befreit wird, wenn das geschmolzene Metall bei noch höherer Temperatur in die Maske gegossen wird.
Dadurch wird dann ein weiterer Zusammenbruch oder eine Verflüch tigung bewirkt, die in der Bildung eines Produktes von unannehmbaren Eigenschaften resultiert.
Im vorangehenden Beispiel wird ein feuerfestes Ma terial verwendet, dessen Teilchen ein Sieb mit lichter Maschenweite von 0,04 mm passieren können. Die Teilchengrösse ist für das Verfahren nicht begrenzt, aber es wird vorgezogen, Teilchen von kleiner Dimension zu verwenden, damit die Herstellung einer geformten Maske mit exakten Einzelheiten und einer maximal glatten Oberfläche sichergestellt ist. Teilchen von grö sserer Dimension können gebraucht werden, aber es ist nicht erwünscht, Teilchen zu verwenden, die nicht ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,36 mm passieren.
Als Vorbindemittel können natürliche und synthe tische Wachse verwendet werden, wie Carnauba-Wachs, Bienenwachs, Petroleumwachs, Alkoholwachse, Orga- nosilicon-Polymere und ähnliche;
Petroleumdestillate und Kohlenteerrückstände; Asphalt, Kolophonium und Teere; natürliche Harze und Gummi, wie Manila- kopal, Tragacanth, Gummi arabicum, Karaya, Cou- maron- und Indenharze und ähnliche;
synthetische Harze vom wärmehärtbaren und vom thermoplasti schen Typ, wie Phenolformaldehyd, Harnstofformal- dehyd, Resorcinformaldehyd, Polyesterharz und ähn liche wärmehärtbare Harze von Polyvinylalkohol, Poly- vinylacetat, Polyvinylbutyrat, Polyäthylacrylat, Poly- butylmethacrylat, Polystyrol von niederem Molekular gewicht, Zellulosepropionat-Butyrat,
Butylzellulose, Polyäthylen, Polybutylen und ähnliche thermoplasti sche Harze; Kohlenhydrate, Proteine wie Casein, Zein, Alginate, Albumine, Gelatinen, animalische Leime, Stärken. Es kann auch ein anorganisches Bindemittel system, wie Borax, Natriumsilicat, Natriumteträborat, Feldspat, Aluminiumphosphat und ähnliches verwen det werden.
Vorzugsweise werden ein oder mehrere organische Bindemittel, am besten Paraffin oder Pe troleumwachse, verwendet, da die Vorbindemittel- komponente die Hauptkosten des zur Maskenformung verwendeten Materials ausmacht. Es ist unerwünscht, so viel Bindemittel zu verwenden, dass eine übermässige Schrumpfung und damit Zerstörung der geformten Maske stattfinden würde, nachdem das Bindemittel während des anschliessenden Brennens aus der Maske ausgebrannt oder abdestilliert wird. Beste Resultate werden erzielt, wenn das Bindemittel in einer Menge von 3 bis 7 Gew. % der Formzubereitung verwendet wird.
In gewissen Systemen können bis hinunter zu 2 % Bindemittel und in anderen bis hinauf zu 10 % Bin demittel verwendet werden. Es ist jedoch unerwünscht, mehr als 12 Gew. % Bindemittel zu verwenden, es sei denn, dass das Bindemittel während des nachfolgenden Brennens entfernt wird oder sich bei der während des Giessvorganges herrschenden Temperatur verflüchtigt.
Um eine homogene Verteilung des Vorbindemittels in der Maskenformzubereitung zu erzielen, ist es am besten, das Bindemittel in Lösung in einem Verdün nungsmittel zuzugeben, wobei die Teilchen der feuer festen Materialien vollkommen benetzt werden können, womit jedes Teilchen eine dünne Schicht des Vorbinde mittels erhält. Um eine Unhomogenität in der Vertei lung zu verhindern, ist es wünschenswert, die Teilchen in homogener Mischung mit der Lösung zu halten, ins besondere während der Eliminierung des Verdünnungs mittels. Dies geschieht am besten durch fortlaufendes Rühren.
Aus anderen als wirtschaftlichen Gründen ist es vorzuziehen, ein Lösungsmittelsystem zu verwenden, das durch Verdampfung aus offenen Pfannen bei unge fähr Raumtemperatur eliminiert werden kann, um eine im wesentlichen gänzliche Trocknung zu erzielen. Die teuren Lösungsmittel können durch zahlreiche be kannte Verfahren wieder zurückgewonnen werden. Vom Standpunkt der Sicherheit und der Kosten ist es jedoch vorzuziehen, ein wässriges System zu verwenden, das die wasserlöslichen Vorbindemittel in Lösung ent hält.
Wo das Vorbindemittel in die zur Verteilung ge nügend feine Teilchengrösse übergeführt werden kann, können wässrige Emulsionen oder Dispersionen ver wendet werden, aber es ist wünschenswert, die Verwen dung des Vorbindemittels mit grossen Teilchen zu ver meiden, da die geformte Maske dann in gewissen Ge bieten einen ungenügenden Bindemittelgehalt aufweist, während überschüssiges Vorbindemittel in anderen Regionen gegenwärtig ist und dort während des Bren nens und während des Gebrauches Schwierigkeiten ver ursacht.
Als feuerfeste Bindemittel können Materialien wie Glasfritte, Feldspat, Borax, Borate, Natriumtetraborat und ähnliche Materialien verwendet werden, die einen Schmelzpunkt unter 1371 C aufweisen und die keine Deformation oder Schrumpfung der geformten Maske während der Hitzebehandlung verursachen. Um die Gefahren der Schrumpfung und des Verziehens weiter zu vermindern, ist es vorteilhaft, eine Minimalkonzen tration des Bindemittels zu verwenden, die genügt, um die gewünschten Hitzeschockcharakteristiken ohne Di mensionsveränderungen zu ergeben.
Beste Resultate werden erzielt, wenn das feuerfeste Bindemittel in einer Menge von 3 bis 7 Gew. % der Formzubereitung ver wendet wird. Es kann aber auch so wenig wie 2 Gew. und soviel wie 10 Gew. % des feuerfesten Bindemittels verwendet werden. Mehr als 10 Gew. % des feuerfesten Bindemittels können dann verwendet werden, wenn die in der Kombination gegenwärtigen feuerfesten Mate rialien besonders feuerfest sind, wobei die Kombina tion die gewünschten thermischen Merkmale geben kann.
Zum Beispiel können 10 Gew. % und bis zu 12 Gew. % Feldspat verwendet werden, wenn Thorium- oxyd in der feuerfesten Komponente enthalten ist.
Die Komponenten können in konventioneller Weise kombiniert werden. Im Falle die feuerfesten Ma terialien in der gewünschten Teilchengrösse vorliegen, ist eine weitere Zerkleinerung nicht notwendig. Andern falls kann eine Zerkleinerung auf zahlreiche Arten er zielt werden, wie z. B. durch den Gebrauch einer Kugel- oder Walzenmühle, oder mittels eines Mahlsteines.
Im folgenden werden weitere Beispiele von Zu sammensetzungen gegeben, die für die Herstellung von Formmassen verwendet werden können: <I>Beispiel 2:</I> Zusammensetzung der Formmasse für die Masken herstellung: 94 Gew.-Teile Zirkonium 5 Gew.-Teile Polyvinylalkohol (mittlerer Viskosität)
1 Gew.-Teil Siliziumoxyd 5 Gew.-Teile Glasfritte 100 Gew.-Teile Wasser In der oben angegebenen Formmasse wird der Poly- vinylalkohol in Wasser aufgelöst und die anderen Ma terialien werden dann zu dieser Lösung zugegeben und die Teilchen werden mittels einer Kugel- oder Rollen mühle so zerkleinert, dass sie ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,040 mm passieren können.
<I>Beispiel 3</I> 40 Gew.-Teile Siliziumoxyd 50 Gew.-Teile kalzinierte Tonerde 10 Gew.-Teile Feldspat 4 Gew.-Teile Kolophonium 90 Gew.-Teile Äthylalkohol Das Kolophonium wird im Äthylalkohol aufgelöst und die anderen Materialien werden dieser Lösung zu gegeben und das Ganze wird gemahlen; (Korngrösse entsprechend einer lichten Siebmaschenweite von 0,040 mm).
<I>Beispiel 4</I> 90 Gew.-Teile Magnesiumoxyderz (Korngrösse entsprechend einer lichten Siebmaschenweite 0,16 mm) 10 Gew.-Teile Feldspat (Korngrösse entsprechend einer lichten Siebmaschenweite <B>0,16</B> mm) 5 Gew.-Teile Glasfritte 5 Gew.-Teile Phenolformaldehydharz in wasser löslichem A-Zustand 5 Gew.-Teile Natriumtetraborat (Korngrösse ent sprechend einer lichten Siebmaschenweite 0,16 mm) 90 Gew.-Teile Wasser.
Das Phenolformaldehydharz wird in Wasser auf gelöst und die anderen Materialien werden dieser Lö sung zugemischt und das Ganze wird dann getrocknet, um die gewünschten Kügelchen zu ergeben, wie sie für den Formvorgang ohne vorgängiges Mahlen verwendet werden können.
Von den in den obigen Rezepten angegebenen feuer festen Materialien können normalerweise viele gebun denes Wasser enthalten. Sie müssen deshalb vor der Einverleibung in die Formmasse kalziniert werden, um das gebundene Wasser und andere verflüchtigbare Be standteile zu entfernen. Der Formmasse können auch andere Materialien wie Pigmente und Füllmittel ein verleibt werden, aber der Anteil an solchen Füllmitteln und Pigmenten sollte 5 Gew. % der Zubereitung nicht übersteigen.
Wenn mehr als 2 Gew. % und vorzugsweise mehr als 3 Gew. % Wachs oder ein anderes organisches Vor bindemittel in der getrockneten Formmasse vorhanden sind, dann genügt dies meistens, um eine genügende Fliessfähigkeit zu erzielen, damit die Maske praktisch nach jedem konventionellen Pressverfahren gebildet werden kann, wie z. B. durch Spritzguss, Strangpressen und dergleichen. Die Masse wird dabei in den das Mo dell enthaltenden Hohlraum der Presse gebracht.
Der Begriff Pressen , wie er im vorliegenden gebraucht wird, soll auch alle anderen Druck anwendenden Ver- formungsverfahren einschliessen. Beim Kompressions- pressverfahren bildet der Stempelteil der Presse das Modell und die getrocknete Formmasse wird mittels eines Druckkolbens oder eines anderen Körpers darauf gepresst, damit das Material zu fliessen beginnt und sich an die Oberflächen des Modells eng anschmiegt, um so ein kompakter Maskenteil zu formen. Bei der Kom pressionsformung ist es vorteilhaft, ein federndes Glied zu verwenden, wie z.
B. ein Gummidiaphragma, das durch hydraulische Mittel betätigt wird, oder einen Gummiblock 24, der am Ende des Druckkolbens ange bracht ist, so dass die Formoberfläche deformiert wer den kann, um der Form des Modells zu entsprechen. Dadurch wird die Oberfläche der Maske verbessert und sie entspricht dem Muster genauer und ist von im we sentlichen einheitlicher Dicke und Dichte. Demgemäss kann mit weniger Formzubereitung eine bessere Maske erhalten werden.
Im beschriebenen Verfahren ist es nicht notwendig, erhitzte Modelle zu verwenden; da das Vorbindemittel bei innigem Kontakt mit den Teilchen bei der Kom pression wirksam wird und so die kompakte Form bil det; dies ist jedoch von Vorteil, wenn ein wärmehärt- bares Bindemittel verwendet wird, das durch Hitze ver festigt werden soll. Es können deshalb Modelle oder Stempelteile verwendet werden, die aus anderen Mate rialien als Metall bestehen, und zwar ohne Beschränkung hinsichtlich des Schmelzpunktes des Materials, wie Plastik, Holz und ähnliche. Wenn Metall verwendet wird, können niedrig schmelzende Legierungen oder Metall gebraucht werden, welche es erlauben, die Stem pelteile oder die Muster in billiger Weise und in Massen herzustellen. Dies geschieht z.
B. durch Spritzguss von Aluminium, Kontaktverformung oder ein ähnliches Verfahren. Auf diese Weise kann auch das Produkt selbst wieder als Modell verwendet werden.
Die Oberflächen des Stempels können vor der Maskenformung mit einem Trennmittel behandelt wer den, wie einer Organosilikon-Flüssigkeit oder Pulver, um die Ablösung der geformten Maske zu erleichtern. Wenn ein solches Trennmittel gebraucht wird, ist es nicht notwendig, die Stempeloberfläche zwischen jeder Formungsoperation zu schmieren, da das Trennmittel über mehrere Formungsoperationen wirksam ist.
Er hitzte Formstempel können gewünschtenfalls verwen det werden, wenn ein Bindemittel verwendet wird, das bei erhöhten Temperaturen besser wirksam ist; das er findungsgemässe Verfahren stützt sich jedoch nicht auf die Umwandlung eines wärmehärtenden Bindemittels in einen verfestigten Zustand, wie dies in den bisher verwendeten Formmaskenverfahren der Fall war, da das Bindemittel während der nachfolgenden Press- operation eliminiert wird.
Blosse Kompression, die ge- nügt, um eine kompakte Masse zu bilden, die nachher entfernt und gebrannt werden kann, ist alles, was erfor derlich ist, wodurch eine Maskengrossproduktion von einer einzigen Form möglich wird.
Die Wanddicke der geformten Maske ist nicht auf einen bestimmten Wert festgestellt. Es genügt, wenn die Maskenwände genügende Festigkeit aufweisen, um einem Zusammenfall während des Einbrennens und während des Gebrauches zu widerstehen. Eine Wand dicke von ungefähr 3,18 mm scheint das Minimum zu sein, und es wird vorgezogen, Masken mit einer Wand dicke von ungefähr 6,35 bis 12,7 mm herzustellen. Grössere Dicken können wohl gebraucht werden, aber es wird dadurch nur ein geringer oder überhaupt kein Vorteil erzielt, es sei denn, dass die Maske so geformt ist, dass sie ein ausnehmend grosses Volumen an Giess metall aufzunehmen hat, oder dass sie ohne Rückhalt oder Stütze gebraucht wird.
Im Vergleich zu den nach den bekannten Verfahren hergestellten Masken sind die auf die beschriebene Art hergestellten Masken relativ undurchlässig. Es ist des halb wünschenswert, das flüchtige Material während der nachfolgenden Brennoperation im wesentlichen gänzlich zu entfernen. Es ist weiter wünschenswert, eine übermässige Glasbildung oder Sinterung des feuerfesten Materials zu verhindern, da eine solche Sinterung nicht nur die Permeabilität der Maske weiter reduzieren würde, sondern sie würde auch eine Umlagerung der Materialien bewirken mit dem Ergebnis, dass eine un kontrollierte Schrumpfung und Deformation eintreten würde.
Die geformte Maske kann als semipermeable Struktur bezeichnet werden, die genügend Permeabili- tät aufweist, damit die entstehenden Dämpfe und Gase daraus entweichen können. Für den Fall, dass grössere Permeabilität erwünscht ist, kann die Formmasse so zubereitet werden, dass sie 10 Vol. % eines verbrenn baren Materials wie Holzmehl, Sägemehl oder ein ähn liches Material enthält, das darin homogen verteilt ist.
Der geformte Maskenteil kann in Serien oder in einem kontinuierlichen Verfahren in einem öl- oder gasbeheizten Ofen gebrannt werden. Auch eine elek trische Widerstandsheizung oder ein Strahlungsbrenner ist möglich, um den Ofen zu heizen. Die Minimum temperatur sollte dabei genügen, um das Vorbinde mittel zu verflüchtigen und das feuerfeste Bindemittel zu sintern oder in einen festen porösen Zustand über zuführen. Die Temperatur darf hingegen nicht so hoch sein, dass das keramische Bindemittel in eine flüssige Phase übergeführt wird, die eine Verglasung mit sich brächte.
Im allgemeinen liegt die Temperatur im Bereich von 399 bis 1316'C und vorzugsweise in einem Bereich von 816 bis 1093'C. Wenn der geformte Maskenteil über die Destillationstemperatur oder über die ther mische Zersetzungstemperatur (ungefähr 260'C für die meisten organischen Materialien) erhitzt wird, dann kommen die organischen Komponenten des Vorbinde mittels heraus und brennen, bis sie gänzlich entfernt sind, im allgemeinen unter oxydierenden Bedingungen. Solange das Bindemittel weniger als 10 Gew. % des geformten Maskenteils ausmacht, kann dieses ohne feststellbare Dimensionsänderungen des Produktes ent fernt werden.
Wenn die Temperatur erhöht wird, bis das feuerfeste Bindemittel den porösen Zustand er reicht, dann werden das Vorbindemittel und jegliche andere verflüchtigbare Materialien eliminiert und es entsteht eine Maske, die im wesentlichen aus kerami schen Materialien besteht. Dieser Maskenteil weist eine gute Hitzeschockwiderstandsfähigkeit und gute Dimen sionsstabilität bei erhöhten Temperaturen auf, so dass der Maskenteil im nachfolgenden Giessverfahren in heissem Zustande verwendet werden kann.
Die Masken können auf Ziegeln oder gruppiert oder in Behältern mit losen Zusatzstoffen oder mit Sand darum herum gebrannt werden. Das Brennen innerhalb der für den porösen Zustand bestimmenden Temperatur kann endlos fortgesetzt werden, aber es ist nicht er wünscht, den Maskenteil übermässig lange über die Zeit hinaus zu brennen, die notwendig ist für die Entwick lung des gewünschten porösen Zustandes (ungefähr 1 bis 10 Stunden, je nach Temperatur und Materialien).
Eine gewisse Verglasung kann toleriert werden, so lange sie nicht genügt, um Dimensionsänderungen oder die Impermeabilität der Maske für Gase zu bewirken. Wie bereits betont worden ist, ist die nach dem beschrie benen Verfahren geformte Maske semipermeabel im Vergleich zu den Masken, die nach den bisherigen Ver fahren hergestellt worden sind. Die Maske ist aber ge nügend durchlässig, damit sie den kleinen Anteil von flüchtigen Stoffen, die beim Giessen entstehen können, bewältigen kann.
Im weiteren können die Gase und Dämpfe durch die Trennfugen der aneinandergefügten Maskenteile entweichen, und es ist deshalb am besten, die Masken so zu formen, dass die Trennfugen die dem Eintritt am meisten entfernten Teile passieren.
Die Maskenteile können wie beschrieben getrennt gebrannt werden und nachher mittels geeigneten Binde mitteln, Klammern oder losen Aggregaten zusammen gefügt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Maskenteile vor dem Brennen zusammengefügt, damit durch das Brennen eine Haf tung entsteht, die genügt, um die Teile zusammenzu halten. Wenn die Masken in zusammengefügter Weise gebrannt werden, können die geformten Maskenteile durch geeignete Klebemittel oder durch einen feuer festen oder organischen Zement zusammengehalten werden. Es ist auch möglich, die Teile während des Brennens mittels Klammern, Bolzen oder ähnlichem oder durch Stützen oder durch Einbetten der Teile in losen Sand zusammenzuhalten.
Wenn die Teile getrennt gebrannt werden, können sie nachher mit einem geeig neten feuerfesten Zement zusammengefügt werden, der in kleinen Mengen an den gemeinsamen Kanten aufge bracht wird. Sie können auch durch Stützung in den Behältern mit losen Aggregaten zusammengehalten werden.
Wenn die geformten Masken in zusammengefügter Weise gebrannt werden, dann können die erhitzten Formmasken für den Giessvorgang vom Vorbrennofen direkt auf die Giessebene gebracht werden, wo das ge- schmolzene Metall in den Hohlraum gegossen wird. Wenn die Maskenteile getrennt gebrannt werden oder wenn man die Masken auf eine tiefere Temperatur hat abkühlen lassen, dann können sie vor dem Giessen auf geheizt werden, wobei das geschmolzene Metall in die Hohlräume gegossen wird, wenn die Masken eine er höhte Temperatur aufweisen. Diese Verfahrensweise stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar. Das Me tall kann auch in die Formen gegossen werden, wenn die Masken eine niedrigere Temperatur oder sogar Raumtemperatur aufweisen.
Die Hitzeschockwiderstandsfähigkeit der auf diese Weise hergestellten Masken bewirkt, dass die zusam mengestellten Masken auf eine Temperatur erhitzt werden können, die näher bei der derjenigen des ge schmolzenen Metalles oder niedriger als die Schmelz temperatur oder die Verglasungstemperatur des feuer festen Bindemittels liegt. Alternativ können auch ge formte Masken bei niedrigeren Temperaturen bis hin unter zur Raumtemperatur verwendet werden, wenn das Metall in den Hohlraum gegossen wird.
Wenn die Formen auf erhöhte Temperatur erhitzt werden, kön nen die Metalleim allgemeinen bei einer um 38 bis 93'C niedrigeren Temperatur gegossen werden, als dies für andere Gussverfahren notwendig ist, d. h. also bei un gefähr 1649 bis<B>1871'C</B> für die meisten Stahlsorten und speziellen Legierungen, wie sie in der Präzisionsgiesserei verwendet werden. Da die Methode des Schmelzens und Giessens des Metalles für das vorliegende Verfahren von den bisher verwendeten Techniken in manchen Formverfahren nicht wesentlich abweicht, ist eine aus führliche Beschreibung hierüber nicht notwendig.
Da die Gewinnung der Gussstücke aus den Behältern oder Formen nach der üblichen Praxis vor sich geht, kann auf eine Beschreibung ebenfalls verzichtet werden. Es sei bloss darauf hingewiesen, dass das Verfahren durch die erfindungsgemässen Verbesserungen leichter durch führbar wird und dass genauer geformte Gussstücke er halten werden. Eines der wesentlichsten Vorteile der Er findung ist die Herstellung von Masken für den Ge brauch bei erhöhter Temperatur mit dem Ergebnis, dass das Metall in alle Vertiefungen, sich verengenden und wieder erweiternden Partien vordringen kann. Das Metall kann dadurch auch Öffnungen mit kleinem Querschnitt durchfliessen und die Form gut ausfüllen.
Der Gebrauch von geformten Masken bei erhöhter Temperatur in der Metallgiesserei bewirkt auch die Eli mination von Dampfphasen, die sich öfters bilden und an den feinen Teilchen hängen bleiben, die die Ober flächen der Form bilden. Er verhindert auch die Bildung von Dämpfen, welche die Tendenz haben, den Ober flächen des gegossenen Metalles anzuhaften und so Fehler in den gebildeten Gussstücken verursachen.
Das Metall kann in eine einzige Form oder in eine zusammengefügte Gruppe von Formen gegossen wer den, die einen gemeinsamen Einguss und Läufe aufweist, die vom gegossenen Produkt leicht entfernt werden können. Die Masken können vertikal um einen Zentral zulauf gruppiert werden, der einen seitlichen Fluss des geschmolzenen Metalles in die Formen bewirkt, oder sie können in Gruppen für einen vertikalen Fluss des Metalles in die Formen angeordnet sein. Die Glattheit der Oberflächen der Gussstücke erlaubt die Trennung von den Masken und anderem Trägermaterial, die ohne Schwierigkeit und ohne die Verwendung einer speziellen Ausrüstung vor sich geht.
Das gebildete Produkt be nötigt wenig oder gar keine Nachbehandlung der Ober fläche oder maschinelle Behandlung. Die Gussstücke sind auch in den Einzelheiten so durchgebildet, dass sie beinahe als solche direkt verwendet werden können.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung liegt in der Tatsache, dass, wenn einmal geeignete Modelle für die Pressen geformt sind, die Masken in sehr schneller Weise mit diesen Modellteilen hergestellt werden kön nen. Es sind keine erhitzbaren Modelle notwendig und die für das Trockenpressen notwendige Ausrüstung ist wohlbekannt und in der Plastik- und Keramikindustrie leicht zugänglich.
Im weiteren hat die Elimination der verdampfbaren Materialien aus der geformten Maske zur Folge, dass das geschmolzene Metall in die Masken gegossen wer den kann, während diese eine erhöhte Temperatur auf weist. Dabei wird die Erzeugung von Gasen und Dämp fen im wesentlichen gänzlich eliminiert im Vergleich mit den bisherigen Formmaskenverfahren, bei welchen das flüssige Metall in die Masken gegossen wird, welche immer noch ihre harzartigen Bindemittel und andere verflüchtigbare Materialien enthalten, die während des Giessverfahrens teilweise freigesetzt werden und die Qualität des gegossenen Produktes beeinträchtigen.
Nach den bekannten Verfahren war es deshalb notwen dig, hochdurchlässige Masken zu verwenden, durch welche die Gase und Dämpfe entweichen konnten. Solche hochdurchlässige Masken waren jedoch unfähig, dem Gussstück die Oberflächenbeschaffenheit und die Einzelheitenausbildung zu verleihen, die mit erfin dungsgemäss hergestellten Masken erzielt werden kann. Bei den bekannten Verfahren wurden die flüchtigen Stoffe bei verschiedenen Temperaturen aus den geform ten Masken freigesetzt, was Fehler in den geformten Produkten bewirkte. Dies bewirkte nicht nur eine Ab nahme der Ausbeute an annehmbaren Gussstücken, sondern es vergrösserte auch die Kosten der Nachbe handlung der annehmbaren Gussstücke.
Method for producing molded masks The present invention relates to a method for producing molded masks with which, in particular, castings can be produced economically and appropriately in complex shapes and with precisely controlled dimensions.
Methods of making castings at low cost and with sufficiently accurate dimensions and complex shapes have heretofore been the subject of extensive and continued research. Many methods are already known, such as B. the green sand casting process, the injection molding process, the lost wax process and the like. For various reasons, but mainly because of the cost, such methods for the production of many objects such. B. of turbine blades and similar surfaces, found only limited application.
Precision castings can be manufactured in accordance with the present invention at low cost, in large numbers and in precise dimensions and complex forms. This new process is somewhat similar to the known shape mask process, but it differs from it in essential details. The aim of these details is to produce castings with precise dimensions and shapes with better surface properties and fineness.
The castings produced according to the new process continue to have an improved density and uniformity in cross section, even if the casting has a considerable proportion of thin-walled parts. These advantages can be achieved while the cost of the product can be reduced. The new process can be fully or partially mechanized for the production of larger quantities of castings, so that an essentially continuous production can be achieved.
In general, the molded mask process, even according to previous practice, has a number of advantages over other metal casting processes, in particular with regard to the type and properties of the castings produced and with regard to certain economic advantages.
Compared to other casting processes, e.g. The green sand casting process, the following advantages can be achieved using the molded mask process: Castings with better surface properties, with better dimensional tolerances, with thinner-walled components, a product that is relatively free from burn-in or burn-out (characteristic of the green sand casting process). The last-mentioned advantage results in cleaner castings, which can reduce the number of finishing operations,
whereby a reduction in the wear and tear of the tools used for finishing the castings is achieved.
Casting using the molded mask process can be made much more efficient and economical by taking suitable measures. For example, masks can be manufactured in large numbers in advance and then stored until use. In this way, mechanization can be achieved in the molded mask process. Above all, it can save working time. As a result, the costs for the individual mold and thus also for the casting can be reduced significantly.
While the advantages inherent in the preformed mask process have also resulted in a wide range of applications for the same, there still remains a wide area for further improvements in the process and the products made thereby. The purpose of the present invention is such improvements.
The form masking method, as stated so far, requires that the model be heated to a temperature sufficient to render the resinous binder in an adherent state. It is also necessary to harden the resinous binder to such an extent that a permanent shape is created. Up until now it has therefore been necessary to use models made of metal that can be heated to temperatures above 316 C. In addition, additional heat had to be added to keep the molds at the desired temperature so that the binder in the mask could solidify on the model surface.
The aim of the present invention is, inter alia, a method for producing molded masks for metal foundries, according to which it is possible to produce the masks without the models having to be heated to elevated temperatures.
The flow characteristics desired for masks with good detail are somehow inconsistent with the fineness of the particles, which are necessary in the manufacture of masks with a high degree of surface smoothness. Furthermore, the number of masks that can be produced from a given model is limited by the time it takes to uniformly spray the material over the model and the time it takes for the heat to penetrate to solidify the binding agent.
Another object of the present invention is therefore to provide a method with which the details of the model in the mask can be better reproduced, regardless of the particle size. In this way, both a precise formation of the details and a smooth surface in the mask can be achieved at the same time. Furthermore, the number of masks produced per unit of time and per pattern can be significantly increased by the method according to the present invention. A mask with high density and strength is achieved, which can withstand the subsequent treatment well. The model is immediately available for further use.
The conditions in the previous practice of the mold mask process impose further restrictions in the adaptability of the process for use in the manufacture of precision castings, especially when sections of thin walls must be formed in peripheral locations of the casting, or when thin wall sections of substantial length are present . It is believed that one reason for this limitation is that the masks must be used for casting at around room temperature. Otherwise, decomposition of the bonding agent holding the mask together would take place, with the result that the mask would become unsuitable if it were preheated to an elevated temperature for casting.
When the metal is poured into the cold mask, there is a tendency for skins to form on the areas in contact with the mask walls, with the result that flow into the innermost recesses and thin wall sections is sometimes blocked and then a casting becomes forms, which is not a uniform in its cross-section. Another object of the present invention is therefore a method in which the complete filling of the mold is ensured so that a dense product with a homogeneous composition in cross section is obtained.
The present invention also relates to a dry molding compound for carrying out the method according to the invention, a porous mask produced by the method according to the invention, and a use of a molded mask produced according to the invention.
An embodiment of the method according to the invention is explained below with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 is a schematic representation of a procedural rens according to the present invention; Fig. 2 is a schematic sectional side view of the apparatus of parts for pressure forming the mask; Figure 3 is a sectional view through part of a molded mask; Fig. 4 shows a sectional view through part of the properly assembled mask parts, and Fig. 5 shows a perspective view of a fabricated mask having a plurality of wells.
In the method described below, the mask parts of controlled thickness are dry-pressed from material that has excellent heat shock resistance and dimensional stability at elevated temperature. This makes it possible to heat the masks to higher temperatures for the casting process, with which castings can be obtained which have new and improved features. As a result, the individual process steps can be combined in a better way, so that a larger production of parts is possible.
In the manufacture of the mask parts, a refractory material is used which is in a finely divided state and which is combined with a prebinding agent which becomes effective immediately after the dry compression. This gives the mask-like shaped product its strength for the purpose of maintaining the shape of the mask during the subsequent treatment. The product also contains a refractory binder which becomes effective when heated to an elevated temperature and which gives the molded mass strength and dimensional stability when the molten metal is poured into the mask. A certain amount of the molding material is given for compression in a press in which a model part is arranged on a punch.
Then the material is compressed and there is enough flow to accept every detail of the model and to form a mask part that is held together by the pre-binding agent, which is immediately activated under pressure, with or without heating. The material thus formed has sufficient cold strength. The mask part is removed from the press and then subjected to a heat treatment, to be precise at a temperature which is sufficient since it binds the fire-resistant binder and essentially eliminates the volatilizable material in the mask.
However, the temperature should not be so high that glass formation or sintering of the binder occurs, which would be sufficient to destroy the permeability of the mask, its shape or its dimensions.
The molded parts produced in this way have good heat shock resistance and good strength. They are then put together in a suitable manner before or after the heat treatment to give a shape suitable for casting at a higher temperature. Due to the heated mold, the flowability of the metal is maintained for a longer time, which causes the mold to fill better and a dense product is formed which corresponds better to the shape and which has a good surface texture, so that essentially a finished product Body arises. If the mask parts are subjected to a heat treatment in an assembled manner, then the heat treatment also causes the parts to be connected to one another.
If the assembly takes place afterwards, it is necessary to use a binding agent or other suitable means which will act to hold the assembled mask parts together. If the mold is used at an elevated temperature, the mask parts joined together by heat treatment can be used for the casting process directly at this or approximately this heat treatment temperature, otherwise it is necessary to heat the joined parts again for the casting process.
<I> Example 1 </I> Composition of the molding compound for making masks: 95 parts by weight of calcined clay 3 parts by weight of feldspar 2 parts by weight of whiting chalk 5 parts by weight of paraffin wax 95 parts by weight of trichlorethylene Process: The wax is heated until it melts and then converted into solution by slowly adding trichlorethylene.
This solution is added to the mixture of dry powders and the slurry formed is placed in a ball mill for the purpose of reducing it to a particle size for a sieve with a clear mesh size of 0.040 mm or less. This milling process usually takes about 24 hours or a little more.
The solvent, i.e. H. the trichlorethylene is removed from the ground product by evaporation in open pans, if necessary with Hitzean application and preferably with stirring in order to avoid separation of the solvent phase from the solid particles. Otherwise the particles will not be homogeneously coated by the wax binder. The dry product is pulverized, preferably before all the solvent is removed, because if a small amount of the solvent remains (about 3 to 10% by weight), the pulverization labor is reduced.
The dry product does not have to be comminuted to a particle size for a sieve with a clear mesh size of 0.040 mm. Indeed, it is desirable to compress the product into pellets which, by mechanical means, can be more easily fed to the presses required for molding. The product is then dried in such a way that it does not contain more than 1 to 2% by weight of moisture, based on the solids.
<I> Mask formation: </I> The mask 10 is produced by compressing a measured amount of the dry powder 12 between the die 14 and the model part 24, which parts are accommodated in a cavity 16 in which a pressure piston 18 is arranged is. This plunger can move between the narrow, retracted, and molding positions in one cycle of operation.
The press is preferably made of a metal that has a highly polished surface so that the mask formed thereon can be detached more easily and so that the mask has a better surface quality, which is then transferred back to the surface of the casting to be molded.
A measured amount of the powder is poured into the cavity of the press and pressed under a pressure of 70 to 1400 kg / cm 'so that a volume ratio of approximately 1: 3 results. The piston is moved from the normal position to the shaped position and back again, with a mask part standing ent with a wall thickness in the range from 3.18 to 12.7 mm.
The wax film that coats each alumina particle is effective under compression as a pre-binder and binds the individual particles together to form a compact mass that has sufficient strength to withstand a collapse or deformation of the molded mask under normal treatment conditions can. The mask part 10 is removed from the cavity so that the compression molding press for the production of further masks is free.
The mask part 10, alone or in combination with the associated mask part 20, is then subjected to a heat treatment at a temperature of approximately 399 to 1093 C, until a solid, porous state is reached. In this state, the refractory binder for the bond has taken effect, but without glass formation or sintering to such an extent that shrinkage or a substantial loss of the permeability of the mask would occur. Under these conditions, the wax, which the mask part temporarily receives in the desired shape, and any other volatilizable material from the mask is distilled or burned out.
Such a De stillation or such a burnout is carried out under oxidizing conditions so that a complete removal from the mask part is achieved. These conditions are usually created by the natural drafts of air in the ovens and other firing systems in which the masks are fired. The firing can take place in series or continuously. When firing at a temperature of 1038'C, the treatment lasts 2 to 10 hours, depending on the wall thickness of the mask part and the mass of the material to be treated.
The pair of masks 10 and 20, which has been put together by or after the heat treatment, is applied alone or together with other mask parts in a suitable form and placed in a group box and provided with suitable pouring funnels, sprues, risers, inserts and barrels so that Metal can be poured into the mask part.
The casting, cooling, removal of the castings and cleaning thereof are essentially similar to the conventional molded mask process, with the exception that, according to a preferred embodiment of the present invention, the masks are kept at a desired elevated temperature or otherwise elevated temperature to pour the metal into the masks. With the result that the metal is able to substantially completely fill the mask. A solid and dense casting is obtained, which reproduces the surface of the mask walls in all details.
Such a casting requires little additional surface treatment.
The main component of the molded mask is a refractory material, which is replaced by the calcined alumina according to the example described or another material such as silicon oxide, zirconium silicates, beryllium ores, thorium oxide, zirconium, kyanite, mullite, sillimanite and other highly reactive oxides and silicates and ores represented by refractory metals. These materials can be used alone or in combination with each other.
It has been found that a refractory material can be used as the refractory component which has an angle of repose of 10 to 30 'on a glass plate. The refractory component usually represents 80 to 96% by weight of the molded mask material. It should have a melting point which is higher than the temperature of the metal to be cast, so that collapse of the molded mask can be avoided. It is advisable to use a refractory material that has a melting point above the softening point of a Seger cone 32.
In the event that the refractory material contains bound water or other volatilizable components, it is necessary to calcine or otherwise treat the material so that the volatilizable material is removed before the mask is formed, otherwise the volatilizable material is removed during the firing process is driven, which causes shrinkage and possible collapse of the mask. It is also possible that the volatilizable material is only released when the molten metal is poured into the mask at an even higher temperature.
This then causes further breakdown or volatilization which results in the formation of a product with unacceptable properties.
In the preceding example, a fire-resistant material is used, the particles of which can pass through a sieve with a mesh size of 0.04 mm. The particle size is not limited for the process, but it is preferred to use particles of small dimension in order to ensure the production of a shaped mask with exact details and a maximally smooth surface. Particles of larger dimensions can be used, but it is not desirable to use particles which do not pass a sieve with a mesh size of 0.36 mm.
Natural and synthetic waxes can be used as pre-binders, such as carnauba wax, beeswax, petroleum wax, alcohol waxes, organosilicon polymers and the like;
Petroleum distillates and coal tar residues; Asphalt, rosin and tars; natural resins and gums such as manila copal, tragacanth, gum arabic, karaya, cougar and indene resins and the like;
synthetic resins of the thermosetting and thermoplastic types, such as phenol formaldehyde, urea formaldehyde, resorcinol formaldehyde, polyester resin and similar thermosetting resins of polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl butyrate, polyethyl acrylate, polybutyl methacrylate, polystyrene of low molecular weight butulose,
Butyl cellulose, polyethylene, polybutylene and similar thermoplastic resins; Carbohydrates, proteins such as casein, zein, alginates, albumins, gelatins, animal glues, starches. An inorganic binder system such as borax, sodium silicate, sodium tetraborate, feldspar, aluminum phosphate and the like can also be used.
One or more organic binders, ideally paraffin or petroleum waxes, are preferably used, since the pre-binder component accounts for the main costs of the material used for molding the mask. It is undesirable to use so much binder that excessive shrinkage and thus destruction of the shaped mask would take place after the binder is burned off or distilled off from the mask during the subsequent firing. Best results are achieved when the binder is used in an amount of 3 to 7% by weight of the molding preparation.
In certain systems as little as 2% binder and in others up to 10% binder can be used. However, it is undesirable to use more than 12% by weight of binder, unless the binder is removed during the subsequent firing or it evaporates at the temperature prevailing during the casting process.
In order to achieve a homogeneous distribution of the pre-binding agent in the shell mold preparation, it is best to add the binding agent in solution in a diluent, whereby the particles of the refractory materials can be completely wetted, whereby each particle receives a thin layer of the pre-binding agent. In order to prevent inhomogeneity in the distribution, it is desirable to keep the particles in homogeneous mixture with the solution, especially during the elimination of the diluent. This is best done by stirring continuously.
For reasons other than economy, it is preferable to use a solvent system that can be eliminated by evaporation from open pans at around room temperature to achieve essentially complete drying. The expensive solvents can be recovered by numerous known methods. However, from the standpoint of safety and cost, it is preferable to use an aqueous system containing the water-soluble pre-binders in solution.
Where the pre-binder can be converted into a particle size fine enough for distribution, aqueous emulsions or dispersions can be used, but it is desirable to avoid the use of the pre-binder with large particles, since the molded mask will then offer some Ge has an insufficient binder content, while excess pre-binder is present in other regions and there causes difficulties during firing and during use.
Materials such as glass frit, feldspar, borax, borates, sodium tetraborate and similar materials, which have a melting point below 1371 ° C. and which do not cause deformation or shrinkage of the molded mask during the heat treatment, can be used as refractory binders. In order to further reduce the risks of shrinkage and warping, it is advantageous to use a minimum concentration of the binder which is sufficient to give the desired heat shock characteristics without dimensional changes.
Best results are achieved when the refractory binder is used in an amount of 3 to 7% by weight of the molding preparation. However, as little as 2% by weight and as much as 10% by weight of the refractory binder can also be used. More than 10% by weight of the refractory binder can then be used if the refractory materials present in the combination are particularly refractory, which combination can give the desired thermal characteristics.
For example, 10 wt% and up to 12 wt% feldspar can be used when thorium oxide is included in the refractory component.
The components can be combined in a conventional manner. If the refractory materials are present in the desired particle size, further comminution is not necessary. Otherwise, crushing can be achieved in numerous ways, such as. B. by using a ball or roller mill, or by means of a grinding stone.
Further examples of compositions that can be used for the production of molding compounds are given below: Example 2: Composition of the molding compound for mask production: 94 parts by weight of zirconium 5 parts by weight of polyvinyl alcohol (medium viscosity)
1 part by weight of silicon oxide 5 parts by weight of glass frit 100 parts by weight of water The polyvinyl alcohol is dissolved in water in the molding compound given above and the other materials are then added to this solution and the particles are or roller mill crushed so that they can pass a sieve with a mesh size of 0.040 mm.
<I> Example 3 </I> 40 parts by weight of silicon oxide 50 parts by weight of calcined alumina 10 parts by weight of feldspar 4 parts by weight of rosin 90 parts by weight of ethyl alcohol The rosin is dissolved in the ethyl alcohol and the other materials are added to this solution and the whole is ground; (Grain size corresponding to a clear mesh size of 0.040 mm).
<I> Example 4 </I> 90 parts by weight of magnesium oxide ore (grain size corresponding to a clear mesh size of 0.16 mm) 10 parts by weight of feldspar (grain size corresponding to a mesh size of <B> 0.16 </B> mm) 5 parts by weight of glass frit 5 parts by weight of phenol-formaldehyde resin in the water-soluble A state 5 parts by weight of sodium tetraborate (grain size corresponding to a mesh size of 0.16 mm) 90 parts by weight of water.
The phenol-formaldehyde resin is dissolved in water and the other materials are mixed in with this solution and the whole is then dried to give the desired beads which can be used in the molding process without prior milling.
Of the refractories listed in the above recipes, many can normally contain bound water. They must therefore be calcined before being incorporated into the molding compound in order to remove the bound water and other volatilizable components. Other materials such as pigments and fillers can also be incorporated into the molding compound, but the proportion of such fillers and pigments should not exceed 5% by weight of the preparation.
If more than 2% by weight and preferably more than 3% by weight wax or another organic pre-binder are present in the dried molding compound, then this is usually sufficient to achieve sufficient flowability so that the mask is formed by practically any conventional pressing process can be, such as B. by injection molding, extrusion and the like. The mass is brought into the cavity of the press containing the model.
The term pressing, as it is used here, is also intended to include all other deformation processes that use pressure. In the compression molding process, the die part of the press forms the model and the dried molding compound is pressed onto it by means of a plunger or another body so that the material begins to flow and clings tightly to the surface of the model to form a compact mask part. When Kom pressionsformung it is advantageous to use a resilient member, such.
B. a rubber diaphragm, which is operated by hydraulic means, or a rubber block 24, which is placed at the end of the plunger, so that the mold surface is deformed who can to match the shape of the model. This improves the surface of the mask and conforms it more closely to the pattern and is of substantially uniform thickness and density. Accordingly, a better mask can be obtained with less mold preparation.
In the procedure described, it is not necessary to use heated models; since the prebinding agent is effective upon intimate contact with the particles during the compression and thus forms the compact form; however, this is advantageous when using a thermosetting binder that is to be hardened by heat. It can therefore be used models or stamp parts made of other mate rials than metal, without any restriction on the melting point of the material, such as plastic, wood and the like. If metal is used, low-melting alloys or metal can be used which allow the stamping parts or the patterns to be manufactured cheaply and in bulk. This happens e.g.
B. by injection molding of aluminum, contact deformation or a similar process. In this way, the product itself can also be used as a model again.
The surfaces of the die can be treated with a release agent, such as an organosilicon liquid or powder, prior to mask molding, to facilitate removal of the molded mask. If such a release agent is used, it is not necessary to lubricate the die surface between each molding operation, since the release agent is effective over several molding operations.
Heated dies can be used if desired if a binder is used which is more effective at elevated temperatures; however, the method according to the invention is not based on the conversion of a thermosetting binder into a solidified state, as was the case in the previously used molded mask processes, since the binder is eliminated during the subsequent pressing operation.
Mere compression, sufficient to form a compact mass that can subsequently be removed and fired, is all that is required, thereby enabling large-scale production of masks from a single mold.
The wall thickness of the molded mask is not determined to be a specific value. It is sufficient if the mask walls have sufficient strength to withstand collapse during baking and during use. A wall thickness of about 3.18 mm appears to be the minimum and it is preferred to make masks with a wall thickness of about 6.35 to 12.7 mm. Greater thicknesses may well be used, but little or no benefit is achieved, unless the mask is shaped to accommodate an exceptionally large volume of cast metal, or that it has no support or support is needed.
Compared to the masks produced according to the known method, the masks produced in the manner described are relatively impermeable. It is therefore desirable to substantially remove the volatile material during the subsequent firing operation. It is further desirable to prevent excessive glass formation or sintering of the refractory material, since such sintering would not only further reduce the permeability of the mask, but it would also cause the materials to rearrange with the result that uncontrolled shrinkage and deformation would occur.
The formed mask can be referred to as a semipermeable structure that has sufficient permeability so that the vapors and gases generated can escape from it. In the event that greater permeability is desired, the molding compound can be prepared so that it contains 10% by volume of a combustible material such as wood flour, sawdust or a similar material that is homogeneously distributed therein.
The molded mask part can be fired in series or in a continuous process in an oil or gas fired furnace. Electrical resistance heating or a radiant burner is also possible to heat the furnace. The minimum temperature should be sufficient to volatilize the pre-binder and sinter the refractory binder or transfer it to a solid, porous state. The temperature, on the other hand, must not be so high that the ceramic binder is converted into a liquid phase, which would result in glazing.
In general, the temperature is in the range from 399 to 1316 ° C and preferably in the range from 816 to 1093 ° C. When the molded mask portion is heated above the distillation temperature or above the thermal decomposition temperature (about 260 ° C for most organic materials), the organic components of the prebond come out and burn until they are completely removed, generally under oxidizing conditions . As long as the binder makes up less than 10% by weight of the molded mask part, this can be removed without any noticeable dimensional changes in the product.
If the temperature is increased until the refractory binder reaches the porous state, then the pre-binder and any other volatilizable materials are eliminated and a mask is formed which consists essentially of ceramic materials. This mask part has good heat shock resistance and good dimensional stability at elevated temperatures, so that the mask part can be used in the hot state in the subsequent casting process.
The masks can be baked on bricks or grouped or in containers with loose additives or sand around them. The firing within the temperature determining the porous state can be continued indefinitely, but it is undesirable to burn the mask part excessively long beyond the time necessary for the development of the desired porous state (approximately 1 to 10 hours , depending on temperature and materials).
Some glazing can be tolerated as long as it is not sufficient to cause dimensional changes or the impermeability of the mask to gases. As has already been emphasized, the mask formed according to the described method is semi-permeable compared to the masks that have been produced according to the previous process. However, the mask is sufficiently permeable so that it can cope with the small amount of volatile substances that can arise during casting.
Furthermore, the gases and vapors can escape through the parting lines of the mated mask parts, and it is therefore best to shape the masks so that the parting lines pass through the parts furthest from the entrance.
The mask parts can be fired separately as described and then joined together by means of suitable binding agents, clips or loose aggregates. In a preferred embodiment of the invention, the mask parts are joined together before firing, so that the firing creates a bond that is sufficient to hold the parts together. When the masks are fired in an assembled manner, the molded mask parts can be held together by suitable adhesives or by a refractory or organic cement. It is also possible to hold the parts together during firing by means of clamps, bolts or the like or by supports or by embedding the parts in loose sand.
If the parts are fired separately, they can then be joined together with a suitable refractory cement that is brought up in small amounts at the common edges. They can also be held together by support in the containers with loose aggregates.
When the molded masks are fired in an assembled manner, the heated molded masks for the casting process can be brought from the prebaking furnace directly to the casting plane, where the molten metal is poured into the cavity. If the mask parts are fired separately or if the masks have been allowed to cool to a lower temperature, then they can be heated prior to casting, the molten metal being poured into the cavities when the masks are at an elevated temperature. This procedure is a preferred embodiment. The metal can also be poured into the molds when the masks are at a lower temperature or even room temperature.
The heat shock resistance of the masks produced in this way means that the assembled masks can be heated to a temperature which is closer to that of the molten metal or lower than the melting temperature or the vitrification temperature of the refractory binder. Alternatively, molded masks can be used at lower temperatures, down to below room temperature, when the metal is poured into the cavity.
When the molds are heated to an elevated temperature, the metals can generally be cast at a temperature 38 to 93 ° C lower than that required for other casting processes; H. So at around 1649 to <B> 1871'C </B> for most types of steel and special alloys, as used in precision foundries. Since the method of melting and casting the metal for the present process does not differ significantly from the techniques used hitherto in some molding processes, a detailed description of this is not necessary.
Since the castings are extracted from the containers or molds according to normal practice, a description can also be dispensed with. It should merely be pointed out that the improvements according to the invention make the method easier to carry out and that more precisely shaped castings will be obtained. One of the most important advantages of the invention is the production of masks for use at elevated temperatures, with the result that the metal can penetrate into all depressions, narrowing and re-widening areas. As a result, the metal can also flow through openings with a small cross section and fill the shape well.
The use of molded masks at elevated temperatures in the metal foundry also eliminates the vapor phases that often form and stick to the fine particles that form the surfaces of the mold. It also prevents the formation of vapors, which have a tendency to adhere to the surfaces of the cast metal and thus cause defects in the castings formed.
The metal can be poured into a single mold or into an assembled group of molds that share a common gate and runner that can be easily removed from the molded product. The masks can be grouped vertically around a central inlet that provides lateral flow of the molten metal into the molds, or they can be arranged in groups for vertical flow of the metal into the molds. The smoothness of the surfaces of the castings allows the separation of the masks and other support material to be done without difficulty and without the use of special equipment.
The product formed requires little or no subsequent treatment of the surface or mechanical treatment. The details of the castings are designed so that they can almost be used directly as such.
One of the main advantages of the invention resides in the fact that, once suitable models for the presses are formed, the masks can be made with these model parts in a very rapid manner. No heatable models are required and the equipment necessary for dry pressing is well known and readily available in the plastics and ceramics industries.
Furthermore, the elimination of the vaporizable materials from the molded mask has the consequence that the molten metal can be poured into the mask while it is at an elevated temperature. The generation of gases and vapors is essentially completely eliminated compared to the previous molded mask processes, in which the liquid metal is poured into the masks, which still contain their resinous binders and other volatilizable materials that are partially released during the casting process and affect the quality of the cast product.
According to the known method, it was therefore neces sary to use highly permeable masks through which the gases and vapors could escape. Such highly permeable masks, however, were unable to give the casting the surface properties and the detail formation that can be achieved with masks produced according to the invention. In the known methods, the volatiles were released from the molded masks at different temperatures, which caused defects in the molded products. Not only did this cause a decrease in the yield of acceptable castings, but it also increased the cost of post-processing the acceptable castings.