CH650425A5

CH650425A5 - Kokille mit waermeisolierender schutzschicht.

Info

Publication number: CH650425A5
Application number: CH3309/81A
Authority: CH
Inventors: Marcus Textor; Tibor Kugler; Jeanpierre Gabathuler
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1985-07-31
Also published as: JPH0420686B2; FR2506189A1; GB2100636B; CA1189283A; AU554483B2; AU8350182A; DE3120582C2; US4425411A; JPS57202940A; GB2100636A; DE3120582A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kokille, insbesondere zum Giessen von Aluminium und Aluminiumlegierung, deren Kokillenarbeitsfläche eine wärmeisolierende Schutzschicht aufweist.

Beim Giessen von Metallen in Kokillen wird die Schmelze zur Erstarrung in unmittelbaren Kontakt mit der Kokille gebracht. Aus Qualitätsgründen ist es dabei erforderlich, den Wärmeübergang beim ersten Kontakt zwischen Schmelze und Kokillenarbeitsfläche genau zu kontrollieren. Bei zu starkem Wärmeentzug wird häufig am Gussprodukt unerwünschte Kaltlaufbildung beobachtet. Ein starker anfänglicher Wärmedurchgang durch die Kokille bedeutet ausserdem eine erhebliche thermische Wechselbeanspruchung, die zur Bildung von Brandrissen auf der Kokillenarbeitsfläche führen kann.

Es ist bekannt, zur Kontrolle des Wärmeüberganges zwischen Schmelze und Kokille die Kokillenarbeitsfläche mit einer wärmeisolierenden Schutzschicht zu überziehen. Derartige Schutzschichten bestehen beispielsweise aus keramischen Werkstoffen, welche mittels Hochtemperaturspritzverfahren auf die Kokillenarbeitsfläche aufgetragen werden. Permanente keramische Schutzschichten weisen aber eine im Verhältnis zu ihren hohen Herstellungskosten geringe Lebensdauer auf.

Es sind auch wärmeisolierende Schutzschichten bekannt, die als Schlichten in Form einer wässrigen Aufschlämmung von feingemahlenem Feuerfestmaterial auf die Kokillenarbeitsfläche aufgetragen werden. In der Praxis hat sich dabei als nachteilig erwiesen, dass eine nicht vollkommen gleich-mässige Belegung der Kokillenarbeitsfläche mit Schlichte eine unterschiedlich schroffe Anfangserstarrung im Gussprodukt bewirkt und damit zu Gussfehlern wie Oberflächenporosität und Oberflächenrissen führen kann. Zudem bilden handelsübliche Schlichten auf der Kokillenarbeitsfläche fest haftende Schutzschichten, die vor dem Auftragen einer neuen Schicht in einem aufwendigen Arbeitsgang vollständig entfernt werden müssen.

Angesichts dieser Gegebenheiten haben sich die Erfinder das Ziel gesetzt, eine Kokille der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Schutzschicht ein gutes Wärmeisolationsvermögen aufweist, auf einfache Weise gleichmässig auf die Kokillenarbeitsfläche aufgetragen und von dieser wieder entfernt werden kann.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schutzschicht aus submikronen Metalloxid-Partikeln besteht.

Die Verwendung submikroner Metalloxid-Partikel zur Beschichtung der Kokillenarbeitsfläche ermöglicht den Aufbau dünner Schutzschichten mit sehr kleiner Dichte und demzufolge sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit. Zur Erzielung einer gewünschten Wärmedämmung genügen daher schon kleine Mengen an Metalloxid-Partikeln pro Einheit der Kokillenarbeitsfläche.

Die Schutzschicht aus Metalloxid-Partikeln weist vorzugsweise eine Masse von 0,002 bis 2 mg/cm2 Kokillenarbeitsfläche auf und die bevorzugte Partikelgrösse liegt in einem Bereich zwischen 5 und 50 nm.

Besonders gute Ergebnisse in bezug auf das Wärmeisolationsvermögen werden mit einer Schutzschicht aus submikronen Si02-Partikeln erreicht. Weitere bevorzugte Metalloxide sind A1203, MgO, Ti02 und Zr02. Die Oxide können sowohl einzeln als auch in Mischungen eingesetzt werden.

Die Beschichtung kann in einfacher Weise durch Benetzen der Kokillenarbeitsfläche mit einem wässrigen Sol eines Metalloxids und nachfolgendem Abdampfen der Wasserphase - vorzugsweise durch Wärmeeinwirkung - durchgeführt werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Durchführung des Verfahrens wird die Kokillenarbeitsfläche auf eine Temperatur von mindestens 60 °C erwärmt und anschliessend mit dem wässrigen Sol besprüht bzw. in dieses eingetaucht, wobei diese Vorgänge mehrmals wiederholt werden können. Die Dicke der Beschichtung kann hierbei über die Konzentration des wässrigen Sois und die Sprühzeit bzw. die Anzahl Eintauch-und Trockenzyklen in weiten Grenzen variiert werden.

Die mit diesem Verfahren auf die Kokillenarbeitsfläche aufgebrachten Schutzschichten weisen eine Dichte von etwa 0,2 g/cm3 auf, was bei einer Masse von 0,002 bis 2 mg/cm2 Kokillenarbeitsoberfläche eine entsprechende Schichtdicke von 0,1 bis 100 um ergibt.

Die Schutzschicht aus submikronen Metalloxid-Partikeln zeigt während des Giessbetriebes eine genügende Haftung auf der Kokillenarbeitsfläche. Auf der Oberfläche des Gussproduktes bzw. auf der Kokillenarbeitsfläche verbleibende Partikel lassen sich nach dem Giessvorgang mühelos mit Druckluft oder Druckwasser entfernen.

Die Beschichtung mit submikronen Metalloxid-Partikeln ist für alle Arten von Kokillen geeignet, wobei die Kokillenarbeitsfläche glatt oder aufgerauht sein kann.

Bei feststehenden Giessformen wie Druckgiess- und Mas-selgiesskokillen wird zweckmässigerweise die nach jedem Abguss noch heisse Arbeitsfläche der Kokillen, gegebenenfalls nach vorgängigem Entfernen der verbrauchten Schutzschicht, durch Beaufschlagen mit Druckluft bzw. Druckwasser mit dem wässrigen Sol besprüht.

Die Beschichtung der Arbeitsfläche von Stranggiessko-killen mit kontinuierlich mitlaufenden Kokillenwänden, deren Arbeitsfläche durch direkte Beaufschlagung mit Wasser gekühlt wird, kann auf einfache Weise durch Zugabe eines wässrigen Sois eines Metalloxids in das Kühlwasser erfolgen.

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Bevorzugte handelsübliche Kieselsäuresole, die im allgemeinen eine Konzentration von etwa 10 bis 30 Gew.-% Si02 und gegebenenfalls bis zu etwa 1,5 Gew.-% A1203 aufweisen, können je nach gewünschter Dicke der Beschichtung beliebig mit Wasser verdünnt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Versuchsergebnissen.

Sprüh versuche auf eine auf etwa 100 °C erwärmte Kupferplatte haben ergeben, dass eine Beschichtung von 0,005 mg Si02/cm2 Oberfläche durch Besprühen mit einem 0,1 %igen Kieselsäuresol bereits nach einer Sprühzeit von 3 s erreicht ist. Zur Erzielung einer Beschichtung von 0,2 mg Si02/cm2 Oberfläche durch Besprühen mit einem l%igen Kieselsäuresol war eine Sprühzeit von 15 s erforderlich.

Kupferplatten wurden nach Erwärmen auf etwa 100 °C mit einem 1 %igen Kieselsäuresol unterschiedlich lange besprüht, wobei Beschichtungen von 0,002 bis 2 mg Si02/cm2 Oberfläche der Kupferplatten erzeugt wurden.

Auf die beschichteten Kupferplatten wurde Aluminiumschmelze einer Temperatur von 680 °C aufgegossen. Nach dem Erkalten des erstarrten Metalls wurden die Dendriten-armabstände des Gussgefüges bestimmt. Hierbei stellte sich heraus, dass schon eine Beschichtung von 0,002 mg SiOz/ cm2 Oberfläche der Kupferplatte im Vergleich zu einer unbeschichteten Platte zu einem erheblichen Anstieg der Dendri-tenarmabstände führt, was dem ausgezeichneten Wärmeisolationsvermögen der aus Si02-Partikeln aufgebauten Schutzschicht zuzuschreiben ist.

Bei mehrmaligem Aufgiessen von Aluminium wurde eine langsame Abnahme der Beschichtung festgestellt, da bei jedem Abguss eine gewisse Menge an Si02-Partikeln am erstarrten Metall haften bleibt.

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1. Kokille, insbesondere zum Giessen von Aluminium und Aluminiumlegierüngen, deren Kokillenarbeitsfläche eine wärmeisolierende Schutzschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus submikronen Metalloxid-Partikeln besteht.

2. Kokille nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Grösse der Metalloxid-Partikel von 5 bis 50 nm.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Metalloxid-Partikeln eine Masse von 0,002 bis 2 mg/cm2 Kokillenarbeitsfläche aufweist.

4. Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus submikronen Si02-Partikeln besteht.

5. Verfahren zum Beschichten der Arbeitsfläche einer Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokillenarbeitsfläche mit einem wässrigen Sol eines Metalloxids benetzt und die Wasserphase anschliessend abgedampft wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokillenarbeitsfläche auf eine Temperatur von mindestens 60 °C erwärmt und mit dem wässrigen Sol besprüht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokillenarbeitsfläche auf eine Temperatur von mindestens 60 °C erwärmt und in das wässrige Sol eingetaucht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als wässriges Sol ein Kieselsäuresol eingesetzt wird.