DE102018006329B3 - Process for the preparation of crucibles by stratification with thermal destruction of the crucible positives - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Schmelztiegeln durch Schichtenaufbau, welche durch abwechselndes Benetzen des Tiegelpositivs mit bindemittelhaltigen, feuerfesten Formstoffen in flüssiger Form und anschließend in Pulverform aufgebaut werden. Alle Probleme, die beim aktuell am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Herstellung von Schmelztiegeln durch Schichtenbildung für das Schmelzen von Metallen auftreten, beruhen auf dem eingesetzten mechanisch und thermisch empfindlichen Material zur Tiegelpositivherstellung und dessen aufwendige Entfernung durch das Ausschmelzen aus der Form. Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass man als Tiegelpositiv Kunststoffe aus dem Blasformen, die in die entsprechende Tiegelform aus Preforms streckgeblasen werden können, verwendet. Dadurch entsteht ein vereinfachtes und verbessertes Verfahren. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass beim Brennen des grünen Schmelztiegels, das Tiegelpositiv mit der thermischen Zerstörung zu gasförmigen Produkten abgebaut und der Schmelztiegel gleichzeitig entformt wird. Zudem weist der Schmelztiegel sehr gute mechanische Eigenschaften und hervorragende Oberflächenqualitäten an den Kontaktflächen zum Tiegelpositiv auf.The invention relates to the production of crucibles by layer construction, which are constructed by alternately wetting the crucible positive with binder-containing, refractory molding materials in liquid form and then in powder form. All the problems that occur in the most commonly used process for the production of crucibles by layering for the melting of metals, based on the used mechanically and thermally sensitive material for crucible positive production and its elaborate removal by the melting out of the mold. According to the invention, the problem is solved by using, as crucible-positive, plastics from the blow-molding, which can be stretch-blown from the preforms into the appropriate crucible shape. This creates a simplified and improved process. This is characterized by the fact that when burning the green crucible, the crucible positive with the thermal destruction degrades to gaseous products and the crucible is simultaneously demolded. In addition, the crucible has very good mechanical properties and excellent surface qualities at the contact surfaces for the crucible positive.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Schmelztiegeln aus bindemittelhaltigen, feuerfesten Formstoffen, sodass diese für das Schmelzen von Metallen und darauffolgendem Gießen des Endproduktes eingesetzt werden können. Die Erfindung ist besonders gut geeignet für die Herstellung von Schmelztiegeln mit Schichtenaufbau durch abwechselndes Benetzen des Tiegelpositivs mit bindemittelhaltigen, feuerfesten Formstoffen in flüssiger Form und anschließend in Pulverform.The invention relates to the production of crucibles from binder-containing, refractory molded materials, so that they can be used for the melting of metals and subsequent casting of the final product. The invention is particularly well suited for the production of crucibles with layer structure by alternately wetting the crucible positive with binder-containing, refractory molding materials in liquid form and then in powder form.
Stand der TechnikState of the art
Im derzeitigen Herstellungsverfahren für Schmelztiegel durch Schichtenbildung für das Schmelzen von Metallen kommt hauptsächlich das Wachsausschmelzverfahren zum Einsatz. Auch andere Materialien, die einen weitaus niedrigeren Schmelzpunkt als das Tiegelmaterial haben, können verwendet werden. Hierbei werden zuerst Tiegelpositive aus Wachs mit Spritzgussmaschinen durch den Einsatz von Werkzeugen oder durch Freihandformen erstellt. Auch können Kombinationen aus beiden Verfahren auftreten. Dabei wird eine Grundform des endgültigen Tiegelpositivs aus Wachs mithilfe der Werkzeugform spritzgegossen und nach dem Aushärten mit feineren manuell angebrachten Wachsmodellen erweitert oder modifiziert. Die auf diese Weise hergestellten Wachsformen, die die Tiegelpositive der endgültigen Schmelztiegelformen darstellen, werden gereinigt und getrocknet, damit die Tiegelpositive aus Wachs leichter und möglichst rückstandslos aus den grünen Schmelztiegeln gelöst werden können. Durch das Tauchen des einzelnen Tiegelpositivs aus Wachs in verflüssigten, bindemittelhaltigen, feuerfesten Formstoff und anschließendem berieseln mit bindemittelhaltigen, feuerfesten Formstoffpartikeln wird eine Schicht aufgetragen. Je nach Mischungsverhältnis von flüssigem zur festen Formstoff, muss jede aufgetragene Schicht für eine bestimmte Zeit zum Trocknen und Aushärten. Diese Schritte können wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke des grünen Schmelztiegels erreicht ist. Meistens wird das vorrangige Reinigen des Tiegelpositivs aus Wachs und der Aufbau der Formstoffschichten automatisiert ausgeführt, da dies gleichmäßigere Ergebnisse garantiert. Für das Befestigen werden Handlings benötigt, die mit einem Materialüberschuss in die Tiegelpositive aus Wachs eingespritzt werden. Dieser Materialüberschuss wird im nächsten Schritt - meist mit einem Schnitt an einer vordefinierten, für das Design des Schmelztiegels günstigen Stelle - entfernt und die endgültige Form des Schmelztiegels festgelegt. Das Tiegelpositiv aus Wachs, welches in den Formstoffschichten festsitzt, wird mithilfe einer Temperaturerhöhung, das über dem Schmelzpunkt des verwendeten Wachses oder des verwendeten Tiegelpositivmaterials liegen muss, durch den Einsatz von zum Beispiel eines Autoklavs ausgeschmolzen. Damit ist das Tiegelpositiv aus Wachs zerstört und hinterlässt je nach aufgetragenen Formstoffschichten ein Negativ, dessen Oberfläche die Innenseite des grünen Schmelztiegels mit entsprechendem Durchmesser bildet. Die einzelnen Schichten des grünen Schmelztiegels sind jedoch noch porös und müssen vor der Verwendung zum Schmelzen eines Metallrohlings durch Erhitzen chemisch verfestigt und verbunden werden. Durch den Aufbau der verschiedenen Schichten ist ein gebrannter Schmelztiegel, dessen innere Schicht keine chemische Verbindung mit dem zu gießenden Metall eingeht und dessen äußere Schicht eine temperaturresistenter bzw. widerstandsfähiger Formstoff ist, entstanden. Danach kann der gebrannte Schmelztiegel geschützt durch die innere Schicht ohne chemische Reaktion mit der äußeren Schicht zum Schmelzen und Abgießen von Metall, verwendet werden.In the current melt crucible manufacturing process for metal sheet smelting, the main focus is on the lost wax process. Other materials that have a much lower melting point than the crucible material can also be used. In this process, crucible positives made of wax are first created using injection molding machines by using tools or by freehand molding. Also combinations of both methods can occur. In this process, a basic shape of the final crucible positive from wax is injection-molded using the mold and, after hardening, extended or modified with finer manually applied wax models. The wax molds produced in this way, which represent the crucible positives of the final crucible forms, are cleaned and dried so that the wax crucible positives can be released from the green crucibles more easily and without leaving any residue. A layer is applied by dipping the individual crucible positive from wax in liquefied, binder-containing, refractory molding material and then sprinkling with binder-containing, refractory molding material particles. Depending on the mixing ratio of liquid to solid molding material, each layer applied has to dry and harden for a certain time. These steps can be repeated until the desired green crucible thickness is achieved. Mostly, the primary cleaning of the wax crucible and the build up of the mold layers is automated because it guarantees more consistent results. For attaching, handling is required, which is injected with an excess of material into the crucible positive made of wax. This excess material is removed in the next step - usually with a cut at a predefined, favorable for the design of the crucible - and fixed the final shape of the crucible. The crucible positive made of wax, which is stuck in the molding material layers, is melted out by using, for example, an autoclave by means of a temperature increase, which must be above the melting point of the wax used or the crucible positive material used. Thus, the crucible positive is destroyed from wax and leaves depending on the applied layers of molding a negative whose surface forms the inside of the green crucible with a corresponding diameter. However, the individual layers of the green crucible are still porous and must be chemically consolidated and bonded by heating before use to melt a metal blank. As a result of the structure of the various layers, a fired crucible, the inner layer of which forms no chemical connection with the metal to be cast and whose outer layer is a temperature-resistant or resistant molding material, has been formed. Thereafter, the fired crucible protected by the inner layer without chemical reaction with the outer layer for melting and pouring metal may be used.
Zum Stand der Technik ist die internationale Veröffentlichung mit dem Titel „Tiegel zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Hableiters oder einer Metalllegierung, Bauteil für einen Tiegelgrundkörper eines Tiegels und Verfahren zum Herstellen eines Bauteils“ mit dem Aktenzeichen
Problemeissues
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Schmelztiegeln für das Schmelzen von Metallen, kann das Tiegelpositiv von der fertigen Form ohne Ausschmelzen nicht getrennt werden. Durch die hohen herbeigeführten Temperaturunterschiede werden die grünen Schmelztiegel beim Ausschmelzen mit einem Innendruck, welcher seinen Spitzenwert durch die Ausdehnung des Tiegelpositivs kurz vor dem Schmelzen erreicht, belastet und bersten dadurch sehr leicht. Zudem verändert die zum Ausschmelzen des Tiegelpositivs zu erreichende Temperatur die mechanischen Eigenschaften des grünen Schmelztiegels dauerhaft negativ. Auch die Oberflächenqualität an den Kontaktflächen zum Tiegelpositiv wird durch die thermische Belastung in Mitleidenschaft gezogen. Zudem ist es nicht auszuschließen, dass minimale Reste des Tiegelpositivmaterials bzw. Schmelzrückstände an der Oberfläche des grünen Schmelztiegels zurückbleiben und die Qualität der Oberfläche weiter reduzieren. Einen weiteren Nachteil bildet die zwingend einzuhaltende Prozesszeit zum Erhitzen auf Ausschmelztemperatur und zum Abkühlen auf Raumtemperatur. Um beim Erzeugen des Tiegelpositivs und beim Ausschmelzen keine hohen Temperaturen einsetzen zu müssen und dennoch ein gut formbares Tiegelpositivmaterial zu verwenden, werden Materialien mit niedrigen Schmelzpunkten eingesetzt. Dies hat Zufolge, dass das Tiegelpositivmaterial sehr empfindlich gegenüber kleinsten mechanischen und thermischen Einflüssen ist. Aus diesem Grund werden die Tiegelpositive meist in thermisch abgeriegelten Räumen verarbeitet und aufwendig auf Vorrichtungen oder Werkstückträgern befestigt, um thermische und mechanische Einflüsse möglichst zu minimieren, da die meisten Materialien sehr empfindlich auf Veränderungen dieser Art reagieren.In the known processes for the production of crucibles for the melting of metals, the crucible positive can not be separated from the finished shape without melting out. Due to the high induced temperature differences, the green crucibles are burdened during melting with an internal pressure, which reaches its peak value by the expansion of the crucible positive shortly before melting, and thereby burst very easily. In addition, the temperature to be reached for melting out the crucible positive permanently negatively changes the mechanical properties of the green crucible. Also the Surface quality at the contact surfaces to the pot positive is affected by the thermal stress. In addition, it can not be ruled out that minimal residues of the crucible-positive material or melt residues remain on the surface of the green crucible and further reduce the quality of the surface. Another disadvantage is the mandatory process time to heat to Ausschmelztemperatur and to cool to room temperature. In order to avoid having to use high temperatures in the production of the crucible positive and during the melting and yet to use a well-shaped crucible positive material, materials with low melting points are used. This has the consequence that the crucible positive material is very sensitive to the smallest mechanical and thermal influences. For this reason, the crucible positives are usually processed in thermally sealed rooms and attached consuming on devices or workpiece carriers in order to minimize thermal and mechanical influences as possible, since most materials are very sensitive to changes of this kind.
Lösungsolution
Alle oben genannten Probleme, die beim aktuell am aktuell häufigsten eingesetzten Verfahren zur Herstellung von Schmelztiegeln durch Schichtenbildung für das Schmelzen von Metallen auftreten, beruhen auf dem eingesetzten mechanisch und thermisch empfindlichen Material zur Tiegelpositivherstellung und dessen aufwendige Entfernung durch das Ausschmelzen aus der grünen Schmelztiegelform. Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, wenn als Tiegelpositiv ein Kunststoff aus dem Streckblasen oder Blasformen, die in die entsprechende Tiegelpositivform aus Preforms streckgeblasen oder blasgeformt werden kann, verwendet wird. Dadurch treten die oben genannten Probleme nicht mehr auf und ein vereinfachtes und verbessertes Verfahren ist erfunden. Kunststoffe aus dem Blasformen sind temperaturbeständig bis ca. 180 Grad Celsius und lassen sich durch einfache mechanische Beanspruchung nicht zerstören oder schwer endgültig aus der Form bringen. Durch die große Auswahl an Kunststoff Preforms können verschiedene Eigenschaften wie
- • Preform-Material: Beeinflusst die Oberflächenqualität der Kontaktfläche des Schmelztiegels und ebenso die einfache Lösbarkeit des Tiegelpositivs aus der grünen Schmelztiegelform.
- • Preform-Verschluss: Setzt die Dimension für die Verbindung mit der Handlingseinheit fest. Für technische Anwendungen sollte idealerweise immer ein Gewindeverschluss mit Hals verwendet werden.
- • Preform-Dimension: Ist auszulegen nach der Menge des zu schmelzenden Metalls. Die Preform-Dimension legt auch das Volumen des Schmelztiegels und damit verbunden auch die Wanddicke und Gewicht des Tiegelpositivs fest.
- • Blasformen
- • Streckblasen
- • Extrusions-Blasformen
- • Preform material: influences the surface quality of the contact surface of the crucible and also the easy solubility of the crucible positive from the green crucible shape.
- • Preform closure: Sets the dimension for connection to the handling unit. For technical applications, ideally a threaded neck closure should always be used.
- • Preform dimension: to be interpreted according to the quantity of metal to be melted. The preform dimension also defines the volume of the crucible and, associated therewith, the wall thickness and weight of the crucible positive.
- • Blow molding
- • Stretch blown
- • Extrusion blow molding
Folgende typische Kunststoffe, die in diesen Verfahren eingesetzt werden, können auch für die Tiegelpositivherstellung für Schmelztiegel genutzt werden:
- • PET: Polyethylenterephthalat
- • PE: Polyethylen
- • PC: Polycarbonat
- • PP: Polypropylen
- • PS: Polystyrol
- • PVC: Polyvinylchlorid
- PET: polyethylene terephthalate
- • PE: polyethylene
- • PC: polycarbonate
- • PP: polypropylene
- • PS: polystyrene
- • PVC: polyvinyl chloride
PE und besonders PET eignen sich durch ihre Eigenschaften sehr gut zur Tiegelpositivherstellung. Durch das oben geschilderte neue Vorgehen werden die meisten Probleme der gängigen Verfahren eliminiert oder reduziert und ein vereinfachtes, verbessertes Verfahren ist erfunden, welches folgende Vorteil mit sich bringt.Due to their properties, PE and especially PET are very well suited for the production of crucible positives. The above-described new approach eliminates or reduces most of the problems of current methods, and a simplified, improved method is invented which provides the following advantages.
Vorteileadvantages
Das Tiegelpositiv kann in der fertigen grünen Schmelztiegelform verbleiben und durch thermische Zerstörung beim Ausbrennen der Schmelztiegel zu gasförmigen Produkten abgebaut werden. Der Schmelztiegel weist dadurch bessere mechanische Eigenschaften auf und ist nicht der Gefahr des Aufplatzens beim Ausschmelzen ausgesetzt, da das Tiegelpositiv eine extrem dünnwandige Hohlform ist. Dadurch hat der Schmelztiegel hervorragende Oberflächenqualitäten an den Kontaktflächen zum Tiegelpositiv, da keine Reste des Tiegelpositivmaterials zurückbleiben können. Im kompletten Prozess der Tiegelpositivherstellung aus der Kunststoff Preform ist eine mechanische bzw. temperaturbedingte Verformung nicht möglich. Dadurch werden keine besonders behutsame Behandlung und keine temperierten Räume benötigt. Neben den technischen Vorteilen werden auch viele wirtschaftliche Vorteile, die unten kurz erläutert werden, generiert:
- • Fehlteilkosten durch Sprengen der grünen Schmelztiegelformen beim Ausschmelzen entfallen komplett und Ausfälle der gebrannten Schmelztiegel beim Gießen werden durch die verbesserte Oberfläche bzw. bessere mechanische Eigenschaft drastisch reduziert.
- • Maschinenkosten für das Ausschmelzen durch den Autoklaven entfallen.
- • Energiekosten für das Betreiben des Autoklaven und Kühlung der Fertigungsräume entfallen.
- • Prozesszeiten für das Erhitzen und Abkühlen der grünen Schmelztiegelformen entfallen.
- • Indirekte Materialkosten für das Werkstückhandling werden durch die Nutzbarkeit des Preform-Gewindes und der höheren mechanischen Belastbarkeit des Tiegelpositivs gesenkt.
- • Missing parts costs due to blasting of the green crucible molds during melting are completely eliminated and breakdowns of the fired crucibles during casting are drastically reduced by the improved surface or better mechanical properties.
- • Machine costs for autoclave melting are eliminated.
- • Energy costs for operating the autoclave and cooling the production rooms are eliminated.
- • There are no process times for heating and cooling the green crucible molds.
- • Indirect material costs for workpiece handling are reduced by the usability of the preform thread and the higher mechanical load capacity of the pot positive.
Folgendes Ausführungsbeispiel zeigt eine Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens zur Herstellung von Schmelztiegeln durch Schichtenbildung mit thermischer Zerstörung der Tiegelpositive für das Schmelzen von Metallen.The following embodiment shows an application possibility of the method for the production of crucibles by layer formation with thermal destruction of the crucible positive for the melting of metals.
Ausführungsbeispielembodiment
Für die Herstellung von Turbinenschaufeln aus Titan-Aluminid (TiAl) wird pro Gussvorgang ein Keramiktiegel zum Schmelzen des Metallrohlings aus TiAl benötigt, bevor die verflüssigte Masse von ca. 1000 Gramm in die Gussform der Turbinenschaufel gegossen wird. Zur Herstellung eines PET-Tiegelpositivs (
Die Figuren zeigen
- •
1 : Preform für das Streckblasen oder Blasformen - •
2 : Streckgeblasener Tiegelpositiv - •
3 : Tiegelpositiv mit aufgetragenen verschiedenen Schichten - •
4 : Trennung von Schmelztiegel und Materialüberschuss - •
5 : Grüner Schmelztiegel mit Tiegelpositiv beim Ausbrennen zur thermischen Zerstörung des Tiegelpositivs zu gasförmigen Abbauprodukten - •
6 : Gebrannter Schmelztiegel mit Metallrohling zum Schmelzen
- •
1 : Preform for stretch blow molding or blow molding - •
2 : Stretch blown crucible positive - •
3 : Crucible positive with applied different layers - •
4 : Separation of crucible and excess material - •
5 : Green crucible with crucible positive during burnout for the thermal destruction of the crucible positive to gaseous degradation products - •
6 : Burnt crucible with metal blank for melting
Die Positionen zeigen
- 1.
- Preform-Verschluss als Gewindeausführung
- 2.
- Preform-Körper
- 3.
- Streckgeblasener Tiegelpositiv
- 4.
- Kompletter grüner Schmelztiegel mit Materialüberschuss
- 5.
- Streckgeblasener Tiegelpositiv nach der Schichtenbildung
- 6.
Formstoffschicht 1- 7.
Formstoffschicht 2- 8.
- Grüner Schmelztiegel als Materialüberschuss
- 9.
- Grüner Schmelztiegel mit Tiegelpositiv
- 10.
- Tiegelpositivrest mit Gewindeverschluss als Materialüberschuss
- 11.
Formstoffschicht 1 als Materialüberschuss- 12.
Formstoffschicht 2 als Materialüberschuss- 13.
- Tiegelpositiv als verlorene Form
- 14.
Ausgehärtete Formstoffschicht 1 als grüner Schmelztiegel- 15.
Ausgehärtete Formstoffschicht 2 als grüner Schmelztiegel- 16.
- Tiegelpositiv im Prozess der thermischen Zerstörung beim Ausbrennen des grünen Schmelztiegels
- 17.
- Gasförmige Abbauprodukte des thermisch zerstörten Tiegelpositivs
- 18.
Ausgehärtete Formstoffschicht 1 beim Ausbrennen- 19.
Ausgehärtete Formstoffschicht 2 beim Ausbrennen- 20.
Formstoffschicht 1 als ausgebrannter Schmelztiegel- 21.
Formstoffschicht 2 als ausgebrannter Schmelztiegel- 22.
- Metallrohling zum Schmelzen
- 1.
- Preform closure as a threaded version
- Second
- Preform body
- Third
- Stretch blown crucible positive
- 4th
- Complete green crucible with excess material
- 5th
- Stretch blown crucible positive after stratification
- 6th
-
Molding material layer 1 - 7th
-
Molding material layer 2 - 8th.
- Green crucible as material surplus
- 9th
- Green crucible with crucible positive
- 10th
- Crucible positive residue with threaded closure as surplus material
- 11th
-
Formstoffschicht 1 as excess material - 12th
-
Formstoffschicht 2 as excess material - 13th
- Crucible positive as a lost form
- 14th
- Cured
molding material layer 1 as a green crucible - 15th
- Cured
molding material layer 2 as a green crucible - 16th
- Crucible positive in the process of thermal destruction during burnout of the green crucible
- 17th
- Gaseous decomposition products of the thermally destroyed pot positive
- 18th
- Cured
molding material layer 1 during burnout - 19th
- Cured
molding material layer 2 during burnout - 20th
-
Molding material layer 1 as a burnt-out crucible - 21st
-
Molding material layer 2 as a burnt-out crucible - 22nd
- Metal blank for melting
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