Verfahren zur Herstellung von keramischen Formteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Formteilen für den Präzisionsguss von Metallstücken bis zu etwa 20 kg Gewicht, aus einer giessbaren Formmasse, die mindestens zwei feuerfeste keramische Materialien und als Bindemittel Aminoalkylkieselsäureester enthält.
Giessverfahren zur Herstellung keramischer Körper mit einer schwierigen und komplizierten Gestalt sind bekannt. Nach einem dieser Verfahren wird feinzerkleinertes keramisches Material mit Kieselsäureester, der unter Wasserzusatz zu Kieselsäure hydrolysiert, als Bindemittel gemischt und in Form eines Giessschlickers über ein Modell oder in eine Unterform gegossen.
Als Kieselsäureester benützt man fast ausschliesslich Äthylsilikate, insbesondere ein solches der Formel Si,On-1(OCzHs)zn,z, das einen SiOO-Gehalt von etwa 40 % besitzt. Stöchiometrisch entspricht es etwa der Formel Si4.5035(0C2H5)11, ist also ein Polykieselsäureester. Nach Zugabe von Wasser setzt der Hydrolysevorgang nach folgender Gleichung ein:
EMI1.1
Es kommt dabei zu einer Dispersitätsvergröberung (Kondensation) des entstandenen Kieselsäuresols nach der Gleichung
EMI1.2
Diese Kondensation lässt sich durch die Anwesenheit von Säuren oder Basen katalysieren:
EMI1.3
Aus dem entstandenen Kieselgel flockt die Kieselsäure aus. Sie ist äusserst oberflächenreich und diffusionsfreudig.
Durch die ausflockende Kieselsäure verfilzen sich die Teilchen des keramischen Materials derart, dass die Formmasse durch Adhäsionskräfte verfestigt wird. Ein derart erhaltenes Formteil wäre aber selbst nach dem Brennen für Präzisionsguss nicht brauchbar, da seine Struktur zu dicht ist, um die beim Metallguss entstehenden Gase austreten zu lassen. Um dem Formteil die erforderliche Porosität zu verleihen, wird es im sogenannten grünen Zustand aus dem Formkasten genommen, mit Alkohol (Sprit) getränkt, dieser entzündet und abbrennen gelassen. Durch diese Behandlung entstehen feine Risse, sogenannte Mikrorisse, im Formteil, die dessen Masshaltigkeit, Temperaturwechsel- und chemische Beständigkeit gewährleisten.
Durch die Mikrorisse wird jedoch der Formteil mechanisch geschwächt, weshalb man ihn mit Phosphorsäure tränkt, wodurch die Innenflächen der Mikrorisse beständiger werden. Vor der Verwendung zum Metallguss müssen die Formteile allerdings noch gebrannt werden.
Dieses Verfahren erfordert also einen ziemlichen Arbeitsaufwand und bringt schliesslich noch den Nachteil mit sich, dass sich die Mikrorisse auf der Oberfläche des Gussstückes abbilden und damit dessen Ober flächengüte herabsetzen. Bei der Herstellung kompliziert geformter Guss stück mit sehr engen Toleranzen und hoher Oberflächengüte, wo es gilt, die Nachbearbeitung und die Formkosten möglichst niedrig zu halten, stellen diese Mikrorisse einen schwerwiegenden Nachteil dar.
Aufgabe und Ziel der Erfindung war daher die Beseitigung dieser Nachteile durch Schaffen eines Verfahrens zur Herstellung von keramischen Formteilen für den Metallguss, das sich in kürzerer Zeit durchführen lässt, und wobei die erhaltenen Formteile die für ihre Verwendung erforderliche mechanische Beständigkeit aufweisen und nicht nachbearbeitet werden müssen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Herstellung von keramischen Formteilen mit hoher Oberflächengüte zu ermöglichen, bedingt durch den Wegfall der Gasdurchlässigkeit.
Als Bindemittel haben sich nun Aminoalkylsilikate als besonders geeignet erwiesen.
Bis jetzt wurde dieser Binder nur für das Schalenformverfahren verwendet, bei dem ein Wachsmodell in die Binderlösung getaucht und anschliessend mit keramischem Material bestäubt wurde. Dieser Vorgang wurde mehrmals wiederholt, bis sich die nötige Wandstärke bildete, um eine genügende Festigkeit für den Metallguss zu erreichen. Beim Brennen schmolz das Wachsmodell aus und die fertige Form konnte für den Metallguss verwendet werden.
Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, dass es umständlich und zeitraubend ist.
Es wurde nun in überraschender und unerwarteter Weise gefunden, dass sich aus diesem beschriebenen Binder mit keramischem Material ein Giessschlicker erzeugen lässt, der durch Zusatz eines geeigneten Katalysators beliebige Abbindezeiten ergibt. Er ist nur unter Verwendung einer bestimmten Korngrössenverteilung des keramischen Materials giessfähig. Der fertige Formteil bleibt sowohl nach dem Trocknen als auch nach dem Brennen rissfrei und weist keine Permeabilität (Gasdurchlässigkeit) auf. Ausserdem wird dadurch ein rascher Abkühlungseffekt nach dem Metallguss erzielt.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von keramischen Formteilen für den Präzisionsguss von Metallstücken bis zu etwa 20 kg Gewicht, aus einer giessbaren Formmasse, die mindestens zwei feuerfeste keramische Materialien und als Bindemittel Aminoalkylkieselsäureester enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass man ein feuerfestes Material, das mindestens 30 Gewichtsprozent Zirkonsilikat und höchstens 70 Gewichtsprozent mindestens eines anderen feuerfesten Materials enthält und die nachstehende Korngrössenverteilung:
Korngrösse in ,um Gewichtsprozent
63 und darüber 0,9- 1,5
20 -63 49,0-55,0
6,3-20 17,0-25,0
2,0- 6,3 9,0-15,0
2,0 und darunter 4,0- 8,0 aufweist, mit dem Bindemittel im Gewichtsverhältnis von angenähert 4,5: 1 mischt und die nach dem Giessen erhaltenen Formteile trocknet und brennt.
Die als keramisches Material verwendeten mindestens zwei keramischen Rohstoffe unterschiedlicher Wärmeausdehnung sind mit Vorteil völlig gasfrei (gasdicht, dicht gesintert, oder von Natur aus keine gasenden Bestandteile, wie Karbonate, Sulfate, Pflanzenreste usw., enthaltend).
Ein Feststoff/Flüssigkeitsgewichtsverhältnis von annähernd 4,5 : 1 muss eingehalten werden, um überhaupt eine giessbare Formmasse zu erhalten. Die Formmasse kann ferner, als Bindeverdünner, ein übliches Alkohol Wassergemisch im Volumenverhältnis 1: 3 enthalten.
Als Katalysatoren zur Beschleunigung bzw. Verzögerung des Abbindens wirken z. B. Athylendiamin, Ammoniumkarbonat und Salzsäure.
Eine beispielsweise Formmasse enthält Äthylsilikat und Bindeverdünner im Gewichtsverhältnis (0,5 bis 1): (1,5 bis 1) und als feuerfestes keramisches Material Zirkonsilikat und ein anderes der genannten feuerfesten Materialien in der beschriebenen Korngrössenverteilung.
Zu 100 Gewichtsteilen des feuerfesten keramischen Materials gibt man 40 bis 50 Gewichtsteile Bindemittellösung (48 %).
Zur Durchführung des Verfahrens werden Bindemittel und keramisches Material gemischt, wobei das Mischungsverhältnis von Feststoff zu Flüssigkeit und die Korngrösse der beiden keramischen Rohstoffe innerhalb der genannten Grenzen von der Grösse der gewünschten Formteile abhängt.
Das Gemisch wird gewöhnlich als dickflüssiger Brei in oder über ein Modell gegossen. Nach dem Erstarren des Formteils lässt es sich durch einfaches Ablösen vom Modell entformen, da es sich noch in einem gummiartigen Zustand befindet, und kann dann sofort z. B. an der Luft oder in einem Trockenschrank bei 20 bis 600 C getrocknet werden. Hierbei härtet der Formteil vollständig aus und erreicht eine Trockenbruchfestigkeit von 10 bis 12 kp/cm2. Nach dem Trocknen kann er sofort gebrannt werden, z. B. in einem flammenbeheizten Ofen bei einer Temperatur von 5000 C. Bei einer Temperaturerhöhung bis 10000 C verfestigt sich der Formteil weiterhin, so dass die Bruchfestigkeit auf 600 bis 700 kp/cm2 steigt.
Trocknungsvorgang
Durch Temperatureinwirkung verdampfen Wasser, Alkohol und Amine allmählich und diffundieren durch die Kapillaren, die bei der Verfilzung des Kieselsäuregels mit dem feuerfesten Material entstehen aus dem Formteil. Dank einer vorsichtigen Trocknung wird eine Rissbildung vermieden und die Oberflächengüte, d. h.
Oberflächenrauhheit liegt im allgemeinen bei 1 bis 1,25 Mikron. Die Trocknungszeit liegt gewöhnlich zwischen 1 bis ll/43 Stunden. Beim Trocknen tritt eine in allen Richtungen gleichmässige Schwindung mit Toleranzen von üblicherweise 0,01 bis 0,02 % ein, die bei der Herstellung eines Modells für ein Präzisionsgussstück miteinzubeziehen ist.
Brennvorgang
Beim Brennen bei 500-10000 C treten die restlichen Gase durch die beim Trocknen schon entstandenen Kapillaren aus, ohne irgendwelche Rissbildung zu verursachen. Es wird angenommen, dass die oberflächenreiche Kieselsäure die einzelnen Teilchen des keramischen Materials z. B. durch Verfritten miteinander verkittet und so die hohe mechanische Festigkeit bewirkt.
Die Oberflächenrauheit der gebrannten Formteile liegt ebenfalls im allgemeinen bei 1 bis 1,2 ,e. Die erfindungsgemässen erhaltenen Formteile können sowohl im kalten Zustand als auch vorgeheizt in der Giesserei eingesetzt werden, ohne dass sich das Gussstück dadurch verändert.