DE10008384C2

DE10008384C2 - Verfahren zur Herstellung einer oxidationshemmenden Titangußform

Info

Publication number: DE10008384C2
Application number: DE10008384A
Authority: DE
Inventors: Sandor Cser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: DE10008384A1; DE50104599D1; US6802358B2; ES2233619T3; EP1259341A2; PT1259341E; EP1259341B1; JP2003523287A; WO2001062413A2; WO2001062413A3; AU4635901A; ATE283129T1; US20030011093A1

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.

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

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,

dadurch gekennzeichnet, daß die Form nach Erreichen und Halten einer Maximaltemperatur durch vermehrte Zufuhr von Raumluft in den Kontaktbereich mit der Form aktiv gekühlt wird, um die Abkühlzeit zu reduzieren.

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.

6. Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur Herstellung von Formen für den zahntechnischen Titanguß.