DE10008384C2 - Verfahren zur Herstellung einer oxidationshemmenden Titangußform - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer oxidationshemmenden TitangußformInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
verlorenen Formen für den Titanguß. Werkstücke aus Titanguß werden
überall in der Technik aufgrund der hervorragenden Werkstoffeigen
schaften und des relativ geringen Preises von Titan zunehmend einge
setzt. Insbesondere auch im Bereich der zahntechnischen Anwendungen
findet Titan immer größere Verwendung.
Die Vorgehensweise zur Herstellung einer Form für den Titanguß ist
dabei grundsätzlich bekannt. Zunächst muß ein Modell des später zu
gießenden Werkstücks ausmodelliert werden. Dazu wird vorzugsweise ein
speziell geeignetes Wachs verwendet, da dieses gut modellierbar ist und
später nach dem Einbetten in die Einbettmasse in einfacher Art und
Weise ausgebrannt werden kann. Nach dem Ausmodellieren wird an dem
Modell ein Gußkanal aus Wachsdraht angeformt, wobei dabei je nach
Größe der Modelle mehrere Modelle für eine Form miteinander verbunden
werden können. Danach wird das Modell in einem Muffelring bzw. einer
Muffel befestigt, wobei verschiedene Hilfsmittel wie Gußringe und/oder
Gußtrichterformer verwendet werden können. Danach wird die Einbettmasse
angerührt und in die Muffel eingefüllt, so daß das Modell als
verlorener Kern umschlossen wird und die gewünschte Form in der
Einbettmasse negativ abformt. Danach wird die Einbettmasse in einem
Brennofen gemäß einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Profil aufgeheizt
und wieder abgekühlt. Dabei härtet die Einbettmasse aus und der aus
schmelzbare Werkstoff des Modells wird aus der Form ausgebrannt.
Nachdem die Form ausreichend abgekühlt ist, kann sofort das flüssige
Titan in die Form eingegossen werden, so daß im Ergebnis das ge
wünschte Titangußteil erhalten wird.
Aus der DE 35 42 921 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Titanguß
form bekannt, bei dem der Formwerkstoff nach der Einbettung des
Wachsmodells auf mehr als 900°C, vorzugsweise auf etwa 1200°C,
aufgeheizt wird, so daß der Formwerkstoff durch Brennen aushärtet und
das Wachsmodell ausgeschmolzen wird. Anschließend wird die Form
langsam bis auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend das ge
wünschte Werkstück durch Eingießen des Titans hergestellt.
Eine der größten Nachteile des Werkstoffs Titan stellt seine relativ hohe
Oxidationsneigung dar. Beim Gießen von Titan neigt dieser Werkstoff
dazu, an der Oberfläche eine Oxidationsschicht zu bilden, die für die
meisten Anwendungsfälle anschließend aufwendig entfernt werden muß.
Durch die Oberflächenoxidation wird die Maßhaltigkeit der Werkstücke
verschlechtert. Außerdem steigen aufgrund des Aufwandes für die Entfer
nung der Oxidationsschicht die Herstellungskosten an. Zur Vermeidung
bzw. Reduzierung der Oxidation des Titans beim Gießen sind eine Viel
zahl von Maßnahmen bekannt, die darauf abzielen, den Gießvorgang
selbst in einer Art und Weise zu beeinflussen, so daß die Oxidation
vermindert wird. Beispielsweise ist bekannt, das flüssige Titan unter
Schutzgasatmosphäre in die Form einzufüllen.
Versuche haben aber gezeigt, daß die Oberflächenoxidation des Titans
maßgeblich davon abhängt, in welcher Art und Weise die Form beim
Aushärten der Einbettmasse verarbeitet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Her
stellung einer verlorenen Form für den Titanguß vorzuschlagen, das die
Herstellung von Titangußwerkstücken mit geringerer Oberflächenoxidati
on erlaubt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1
bis 6 gelöst.
Handelsübliche Einbettmassen für den Titanguß bestehen aus einer
Mischung verschiedener Oxide, wobei vor allem Aluminiumoxid (Al2O3)
und Magnesiumoxid (MgO) in größeren Anteilen enthalten sind. Daneben
enthält die Einbettmasse zumindest einen weiteren noch oxidierbaren
Bestandteil, der in vielen Fällen aus Zirconium besteht.
Bei den bekannten Verfahren soll das Zirconium Sauerstoff von der
Titanschmelze fernhalten. Dieser Effekt wird aber nur unzureichend
erreicht, da das Zirconium bereits beim Brennen der Form mit Sauerstoff
kontaminiert wird.
Das erfindungsgemäßen Verfahren beruht auf dem Grund
gedanken, die Kontamination des Zirconiums, insbesondere mit Sauer
stoff, während des Aushärtens der Einbettmasse zumindest einzuschrän
ken. Dadurch wird erreicht, daß während des Titangusses möglichst viel
unverbrauchtes Zirconium zur Verfügung steht und dadurch eine größere
Menge von Sauerstoff im Kontaktbereich zwischen der Titanoberfläche
und der Oberfläche des Formnests an das Zirconium gebunden werden
kann. Die Menge des Sauerstoffes, die damit zur Oxidation des Titans zur
Verfügung steht, kann dadurch reduziert werden.
Der relative Oxidationsgrad der
Einbettmasse, d. h. das Verhältnis der nicht oxidierten Einbettmasse zum
Anteil der oxidierten Einbettmasse hängt maßgeblich davon ab, bei
welcher Temperatur die Einbettmasse für wie lange einer bestimmten
Gasdichte ausgesetzt wird. Hohe Temperaturen, hohe Gasdichten und eine
lange Einwirkdauer führen im Ergebnis zu hohen Oxidationsgraden.
Durch Reduzierung der Einwirkdauer von hohen Temperaturen auf die
Einbettmasse kann also die Oxidation der oxidierbaren Bestandteile der
Einbettmasse verringert werden.
Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die Haltezeit, während der nach Errei
chung einer Maximaltemperatur (beispielsweise 850°C) die Temperatur
im Ofeninnenraum weitgehend konstant gehalten wird, an die Menge der
verwendeten Einbettmasse anzupassen ist. Aufgrund der hohen Tempera
tur im Ofeninnenraum herrscht während der Haltezeit eine so geringe
Gasdichte im Ofeninnenraum, daß die Oxidation der Einbettmasse wäh
rend dieser Zeit verhältnismäßig gering ist. Durch das Abkühlen des
Ofeninnenraums nach Ende der Haltezeit steigt die Gasdichte im Ofenin
nenraum wieder stark an. Der Hauptanteil der Oxidation erfolgt deshalb
während des Abkühlens der Form, da in dieser Verfahrensphase sowohl
ausreichend hohe Temperaturen für die Oxidation der Einbettmasse und
ausreichend hohe Gasdichten zur Versorgung mit Luftsauerstoff im
Ofeninneren vorhanden sind.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird deshalb
die Form nach Erreichen und Halten einer Maximaltemperatur, d. h.
nachdem die Haltezeit auf Maximaltemperatur durchlaufen ist, aktiv
gekühlt, um die Abkühlzeit zu reduzieren. Dabei sollte die Kühlung
gerade so stark sein, daß ein Reißen der Form durch zu große Tempera
turbeanspruchung ausgeschlossen ist.
Da das Maß der zulässigen Kühlung durch die maximale Temperaturbean
spruchbarkeit und der Menge der ausgehärteten Einbettmasse begrenzt
ist, sind spezielle Kühlmittel erfindungsgemäß nicht erforderlich. Vielmehr
ist es bereits ausreichend, wenn der Form zur Kühlung
raumwarme Luft aus der Umgebungsatmosphäre zugeführt wird. Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Ofen nach Ende der
Haltezeit nicht einfach nur abgeschaltet wird und die Form im geschlos
senen Ofeninnenraum langsam abkühlt, sondern statt dessen der Ofen
nach Abschalten der Heizung geöffnet und dadurch die Atmosphäre im
Ofeninnenraum mit der raumwarmen Umgebungstemperatur ausgetauscht
wird. Zur Verstärkung der Kühlung mit der Umgebungsluft können
selbstverständlich auch weitere Hilfsmittel, wie beispielsweise Ventilato
ren, die für eine Zwangsströmung sorgen, eingesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit positiv auf den Oxidationsgrad der Einbettma
sse Einfluß zu nehmen ist es, den Brennofen beim Aushärten der Form bis
zum Erreichen der Maximaltemperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von zumindest 7°C pro Minute oder schneller aufzuheizen. Da normaler
weise nur mit lediglich 6°C pro Minute aufgeheizt wird, ergibt sich durch
diese Maßnahme ein schnelleres Erreichen der Maximaltemperatur,
wodurch wiederum im Ergebnis die Verweildauer der Einbettmasse schon
während der Aufheizphase im aufgeheizten Ofen reduziert wird.
Bei der Herstellung von Formen mit einem Gewicht zwischen 80 g und
1000 g, wie sie für den zahntechnischen Guß typisch sind, hat sich eine
Verfahrensvariante als besonders vorteilhaft erwiesen, die durch folgende
Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
Das Gußobjekt wird zunächst ausmodelliert und mittels Gußkanälen aus geeignetem Material, beispielsweise Wachs, an einem Gußtrichterformer in einem Muffelring oder ähnlichem befestigt. Danach wird die Einbett masse mit einer vorgeschriebenen Menge Anmischflüssigkeit, beispiels weise Wasser, angerührt und in die Muffel eingefüllt, wobei dabei das Gußobjekt vollständig umschlossen wird und dadurch die gewünschte Form negativ in der Einbettmasse abbildet. Danach wird die Muffel mit Grußtrichterformer in einem Drucktopf mit Überdruck beaufschlagt, um dadurch die Einbettmasse weiter zu verdichten. Danach wird die Einbett masse für mindestens 30 Minuten bei Raumtemperatur ausgehärtet und anschließend der Gußtrichterformer entfernt. Danach wird die Muffel in einem kalten Ofen eingebracht und der Ofen mit einer Aufheizgeschwin digkeit von mindestens 7°C pro Minute bis auf eine Temperatur von 850°C aufgeheizt. Diese Haltetemperatur wird dann für ca. 30 Minuten konstant gehalten. Danach wird der Ofen ausgeschaltet und der Ofenin nenraum durch Öffnen der Ofentür für ca. 15 Minuten gekühlt. Danach wird die Form an den Rand der Ofenöffnung oder auf die Ofenklappe gestellt, um dadurch die Kühlung zu verstärken. Wiederum wird die Form an dieser Stelle für ca. 15 Minuten zur Kühlung stehengelassen. Zur weiteren Verstärkung der Kühlung wird die Form anschließend außerhalb des Ofens abgestellt und wiederum stehen gelassen, bis die gewünschte Temperatur für den Gießvorgang erreicht ist. Damit ist das erfindungs gemäße Verfahren zur Herstellung der Titangußform abgeschlossen und das flüssige Titan wird noch vor dem vollständigen Abkühlen der Form bei beispielsweise ca. 150°C in das Formnest eingefüllt.
Das Gußobjekt wird zunächst ausmodelliert und mittels Gußkanälen aus geeignetem Material, beispielsweise Wachs, an einem Gußtrichterformer in einem Muffelring oder ähnlichem befestigt. Danach wird die Einbett masse mit einer vorgeschriebenen Menge Anmischflüssigkeit, beispiels weise Wasser, angerührt und in die Muffel eingefüllt, wobei dabei das Gußobjekt vollständig umschlossen wird und dadurch die gewünschte Form negativ in der Einbettmasse abbildet. Danach wird die Muffel mit Grußtrichterformer in einem Drucktopf mit Überdruck beaufschlagt, um dadurch die Einbettmasse weiter zu verdichten. Danach wird die Einbett masse für mindestens 30 Minuten bei Raumtemperatur ausgehärtet und anschließend der Gußtrichterformer entfernt. Danach wird die Muffel in einem kalten Ofen eingebracht und der Ofen mit einer Aufheizgeschwin digkeit von mindestens 7°C pro Minute bis auf eine Temperatur von 850°C aufgeheizt. Diese Haltetemperatur wird dann für ca. 30 Minuten konstant gehalten. Danach wird der Ofen ausgeschaltet und der Ofenin nenraum durch Öffnen der Ofentür für ca. 15 Minuten gekühlt. Danach wird die Form an den Rand der Ofenöffnung oder auf die Ofenklappe gestellt, um dadurch die Kühlung zu verstärken. Wiederum wird die Form an dieser Stelle für ca. 15 Minuten zur Kühlung stehengelassen. Zur weiteren Verstärkung der Kühlung wird die Form anschließend außerhalb des Ofens abgestellt und wiederum stehen gelassen, bis die gewünschte Temperatur für den Gießvorgang erreicht ist. Damit ist das erfindungs gemäße Verfahren zur Herstellung der Titangußform abgeschlossen und das flüssige Titan wird noch vor dem vollständigen Abkühlen der Form bei beispielsweise ca. 150°C in das Formnest eingefüllt.
Selbstverständlich kann das vorgeschlagenen Verfahren auch dann noch
durchgeführt werden, wenn einzelne bzw. mehrere der oben genannten
Verfahrensparameter modifiziert oder ganz weggelassen werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die
einzelnen Verfahrensschritte automatisch in einer dafür geeigneten
Vorrichtung ausgeführt. Dadurch lassen sich Personalkosten einsparen
und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöhen.
Eine für das Verfahren besonders geeignete Formulierung der Einbettma
sse besteht aus 0 bis 1% Si2O2, 0 bis 1% TiO2, 10 bis 40% Al2O3, 0 bis
2% Fe2O3, 0 bis 1% MnO, 40 bis 80% MgO, 2 bis 10% CaO, 0 bis 2%
Na2O, 0 bis 1% K2O, 0 bis 1% P2O5 und 0 bis 5% Zr. Der Anteil der
einzelnen Bestandteile kann in den Bereichsgrenzen, die in Gewichtspro
zent angegeben sind variiert werden. Dabei können auch weitere Be
standteile hinzukommen und einzelne der Bestandteile durch andere
Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften substituiert werden.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können zur Herstellung jeglicher Art
von Formen genutzt werden, die für den Titanguß bestimmt sind. Beson
ders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren zur
Herstellung von Formen für den zahntechnischen Titanguß, da in diesem
technischen Anwendungsbereich besonders hohe Anforderungen an die
Qualität der herzustellenden Gußstücke gestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 den Verlauf der Temperatur bzw. Gasdichte über
die Zeit bei einem erfindungsgemäßen Herstel
lungsverfahren im Vergleich zu einem konventio
nellen Herstellungsverfahren;
In dem durch Fig. 1 dargestellten Diagramm ist die Temperatur bzw. die
relative Gasdichte über die Zeit während des Aushärtens der Einbettma
sse im Brennofen eingetragen. Graph 1 stellt dabei den Temperaturverlauf
bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Brennverfahren dar.
Graph 2 zeigt den zugehörigen Verlauf der relativen Gasdichte im Ofen
über die Zeit. Im Vergleich dazu zeigen die Graphen 3 und 4 den Tempe
raturverlauf bzw. den Verlauf der relativen Gasdichte über der Zeit, wie
er bei einem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen werden kann. Man
erkennt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Haltetemperatur
von 850°C durch Verwendung einer höheren Aufheizgeschwindigkeit
schneller erreicht wird als bei dem konventionellen Verfahren. Die Dauer
der Haltezeit, während der die Haltetemperatur von 850°C im Ofen
konstant gehalten wird, ist lediglich um einige Minuten verkürzt. Der
Hauptunterschied zwischen den beiden Graphen 1 und 3 besteht darin,
daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Temperaturkurve nach
Ende der Haltezeit durch aktive Kühlung, beispielsweise durch Öffnen
der Ofentür, in relativ kurzer Zeit bis auf Raumtemperatur zurückgefah
ren wird, so daß Oxidationsvorgänge weitgehend unterdrückt werden. Im
Unterschied dazu fällt bei dem konventionellen Verfahren gemäß Graph 1
die Temperatur nur sehr langsam ab.
Am Verlauf der Graphen für die relative Gasdichte 2 und 4 erkennt man,
daß die relative Gasdichte sich umgekehrt proportional zur Temperatur
im Ofen verhält. Sobald die Temperatur bei der Haltetemperatur ihr
Maximum findet, erreicht die relative Gasdichte ihr Minimum bei ca.
25%. Erst mit Abfallen der Temperatur im Ofen steigt die relative Gas
dichte wieder an, wobei die relative Gasdichte gemäß dem Graphen 4
beim erfindungsgemäßen Verfahren sehr viel schneller ansteigt, da die
Temperatur im Ofen stärker fällt. Insgesamt ist aus dem Diagramm von
Fig. 1 erkennbar, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Oxidation
der Einbettmasse durch Verringerung der Einwirkdauer des Luftsauer
stoffs bei hohen Temperaturen insgesamt reduziert werden kann.
Insgesamt ist festzustellen, daß durch die aktive Kühlung der Form bzw.
durch das schnellere Aufheizen eine signifikante Verringerung des
relativen Oxidationsgrades erreicht werden kann, was wiederum einer
Verringerung der Titanoxidation beim Eingießen des flüssigen Titans in
das Formnest bewirkt.
Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung einer verlorenen Form für den Titanguß
aus einer aushärtbaren Einbettmasse, das zumindest einen oxidierba
ren Bestandteil, insbesondere Zirconium, enthält, wobei zumindest
folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a) Urformung der Form durch Einbetten eines Modells aus ausschmelzbarem Werkstoff in die Einbettmasse;
- b) Aushärten der Einbettmasse und Ausschmelzen des Modellwerk stoffs durch Erhitzen und anschließendes Abkühlen der Form ent sprechend eines vorgegebenen Temperatur-Zeit-Profils in einem Brennofen,
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennofen beim Aushärten der Form bis zum Erreichen der
Maximaltemperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit von zumindest
7°C/min oder schneller aufgeheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß folgende Verfahrensschritte zur Herstellung einer Form mit ei
nem Gewicht zwischen 80 g und 1000 g durchgeführt werden:
a) Modell mit einem Gußtrichterformer in einem Muffelring befesti
gen,
b) Einbettmasse mit vorgeschriebener Menge Anmischflüssigkeit an
rühren,
c) Einbettmasse in eine Muffel füllen,
d) Muffel mit Gußtrichterformer bei Umgebungsbedingungen oder in
einem Drucktopf mit Überdruck beaufschlagen,
e) Einbettmasse mindestens 30 min. aushärten lassen und anschlie
ßend Gußtrichterformer entfernen,
f) Muffel in kalten Ofen einbringen und Ofen mit mindestens
7°C/min bis auf eine Temperatur von 850°C (Haltetemperatur) auf
heizen,
g) Ofen bis zur vollständigen Durchwärmung der Gußform bei Halte
temperatur der halten,
h) Ofen ausschalten und Ofeninnenraum durch Öffnen der Ofentür für
circa 15 min. kühlen,
i) Form an den Rand der Ofenöffnung oder auf die Ofenklappe stellen
und circa 15 min. zum Kühlen stehen lassen,
j) Form außerhalb des Ofens abstellen und bis zum Erreichen der ge
wünschten Temperatur für den Gießvorgang stehen lassen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren im wesentlichen automatisch durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einbettmasse zumindest Bestandteile in den nachfolgend an gegebenen Anteilsgrenzen enthält:
0 bis 1 Gew-% Si2O2
0 bis 1 Gew-% TiO2
10 bis 40 Gew-% Al2O3
0 bis 2 Gew-% Fe2O3
0 bis 1 Gew-% MnO
40 bis 80 Gew-% MgO
2 bis 10 Gew-% CaO
0 < bis 2 Gew-% Na2O
0 < bis 1 Gew-% K2O
0 < bis 1 Gew-% P2O5 und
0 < bis 5 Gew-% Zr.
daß die Einbettmasse zumindest Bestandteile in den nachfolgend an gegebenen Anteilsgrenzen enthält:
0 bis 1 Gew-% Si2O2
0 bis 1 Gew-% TiO2
10 bis 40 Gew-% Al2O3
0 bis 2 Gew-% Fe2O3
0 bis 1 Gew-% MnO
40 bis 80 Gew-% MgO
2 bis 10 Gew-% CaO
0 < bis 2 Gew-% Na2O
0 < bis 1 Gew-% K2O
0 < bis 1 Gew-% P2O5 und
0 < bis 5 Gew-% Zr.
6. Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur
Herstellung von Formen für den zahntechnischen Titanguß.
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