DE102020108196A1 - Process for the production of a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals and a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals - Google Patents
Process for the production of a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals and a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen und eine keramische, silikatfreie Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen.The invention relates to a method for producing a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals and a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen und eine keramische, silikatfreie Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen.The invention relates to a method for producing a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals and a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals.
Feingussformen werden zur Herstellung von kleinen, teilweise komplex geformten Gussteilen, bspw. für die Schmuckindustrie oder Feinwerktechnik, eingesetzt. Durch die eingesetzten Feingussformen weisen die hergestellten Gussteile eine hohe Detailtreue, Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität auf, so dass nachfolgende spanende Bearbeitungsschritte eingespart werden. Gerade beim Gießen von höherschmelzenden Metallen, wie bspw. Titanschmelzen kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den hochreaktiven Titanschmelzen und den keramischen Feingussformen. Aufgrund der Wechselwirkung bildet sich die harte, spröde sauerstoffreiche Alpha-Phase, die die Oberflächenqualität der Gussteile beeinträchtigt und nachfolgend vom Gussteil entfernt werden muss.Investment casting molds are used to manufacture small, sometimes complexly shaped cast parts, e.g. for the jewelry industry or precision engineering. Due to the investment casting molds used, the cast parts produced have a high level of detail, dimensional accuracy and surface quality, so that subsequent machining steps are saved. Especially when casting higher-melting metals, such as titanium melts, there are interactions between the highly reactive titanium melts and the ceramic investment molds. Due to the interaction, the hard, brittle, oxygen-rich alpha phase is formed, which affects the surface quality of the cast parts and then has to be removed from the cast part.
Ebenfalls Einfluss auf die Oberflächenqualität der mittels Feinguss von bspw. aus Titanschmelzen hergestellten Gussteile haben die bei der Herstellung der Feingussform verwendeten Binder. Typischerweise Verwendung finden anorganische Bindemittel, z.B. Silikatsole oder Phosphate. Diese Binder tragen zur Festigkeitssteigerung bei, verbrennen aber nicht bei der thermischen Behandlung der Feingussform und treten somit beim Gießen der Titanschmelze mit dieser in Wechselwirkung. So stellt bspw. SiO2 eine Verunreinigung für Titanschmelzen dar. Siliziumhaltige Materialien und Binder bilden eine eutektische, niedrigschmelzende Phase, welche in die Titanschmelze eindringt.The binders used in the manufacture of the investment casting mold also have an influence on the surface quality of the cast parts made from, for example, titanium melts by means of investment casting. Inorganic binders, for example silicate sols or phosphates, are typically used. These binders contribute to increasing the strength, but do not burn during the thermal treatment of the investment casting mold and thus interact with the molten titanium when it is poured. For example, SiO 2 represents an impurity for titanium melts. Silicon-containing materials and binders form a eutectic, low-melting phase which penetrates the titanium melt.
Verfahren zur Herstellung von Feingussformen sind bspw. aus
In
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Die internationale Patentanmeldung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen und eine keramische, silikatfreie Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen anzugeben, die eine erhöhte Grünfestigkeit, eine verbesserte Oberflächenqualität und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweist.The object of the invention is to provide a method for producing a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment castings from higher melting metals and a ceramic, silicate-free investment casting for the production of investment casting from higher melting metals, which has increased green strength, improved surface quality and improved Has corrosion resistance.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Feingussform mit den Merkmalen nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche wieder.The object is achieved by a method with the features according to
Erfindungsgemäß werden in einem Verfahren zur Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen auf ein Modell aufeinanderfolgend mindestens eine Frontschicht und mindestens zwei Stützschichten, die einen Stützschichtbereich bilden, jeweils mittels Schlickerauftrag, Besanden und Trocknen aufgebracht, um einen Grünkörper zu bilden. Anschließend wird der so gebildete Grünkörper vom Modell befreit, und anschließend thermisch behandelt. Der Schlickerauftrag erfolgt erfindungsgemäß mittels eines silikatfreien Schlickers, der als suspendiertes, pulverförmiges Material ein keramisches, silikatfreies Material oder eine Mischung keramischer, silikatfreier Materialien enthält. Weiterhin erfindungsgemäß erfolgt das Besanden mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien. Die Frontschicht wird erfindungsgemäß mittels Sprühen eines feinkörnigen, alginathaltigen Schlickers, der suspendierte Materialien mit einer maximalen Korngröße < 63 µm enthält, Tauchen in eine wässrige Härterlösung, Besanden mit einem Material mit Korngrößen von ≤ 500 µm, und Trocknen aufgebracht. Anschließend wird erfindungsgemäß eine Zwischenschicht zum Ausgleich der Schwindung und Reduzierung der Rissbildung zwischen Frontschicht und Stützschichtbereich mittels Auftrag eines feinkörnigen Schlickers, Besanden mit einem Material mit Korngrößen von 500 µm bis 1000 µm, und Trocknen aufgebracht. Weiterhin erfindungsgemäß werden anschließend zur Bildung aufeinanderfolgender Stützschichten Schlicker verwendet, die sich in der maximalen Korngröße des suspendierten, pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien unterscheiden und abwechseln.According to the invention, in a method for producing a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment castings from higher melting metals, at least one front layer and at least two support layers, which form a support layer area, are successively applied to a model by means of slip application, sanding and drying in order to create a green body form. The green body formed in this way is then freed from the model and then thermally treated. According to the invention, the slip is applied by means of a silicate-free slip which contains a ceramic, silicate-free material or a mixture of ceramic, silicate-free materials as the suspended, powdery material. Furthermore, according to the invention, sanding takes place with a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials. According to the invention, the front layer is applied by spraying a fine-grain, alginate-containing slip containing suspended materials with a maximum grain size <63 μm, dipping in an aqueous hardener solution, sanding with a material with grain sizes of 500 μm, and drying. Subsequently, according to the invention, an intermediate layer is applied to compensate for the shrinkage and reduce the formation of cracks between the front layer and the support layer area by applying a fine-grained slip, sanding with a material with grain sizes of 500 μm to 1000 μm, and drying. Furthermore, according to the invention, slips are then used to form successive support layers which differ and alternate in the maximum grain size of the suspended, powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials.
Vorteilhaft ermöglicht das Sprühen den Auftrag des Schlickers mit einer dünneren Schichtdicke im Vergleich zum Aufbringen des Schlickers mittels Tauchen oder Zentrifugieren. Weiterhin vorteilhaft wird durch das Sprühen des feinkörnigen Schlickers, der suspendierte Materialien mit einer Korngröße < 63 µm enthält, die Abbildungsgenauigkeit von Modellen verbessert, insbesondere von komplexen Modellen mit komplexer Geometrie, wie bspw. in der Schmuckindustrie oder Feinwerktechnik üblicher Modelle. Dadurch wird vorteilhaft gerade bei komplexen Modellen mit komplexen Modellteilen mit Löchern, Sacklöchern und/oder Reliefs mit Durchmessern bzw. Strukturtiefen von < 1 mm, bevorzugt < 500 µm eine hohe Abbildungsgenauigkeit erreicht.The spraying advantageously enables the slip to be applied in a thinner layer than when the slip is applied by means of immersion or centrifugation. Spraying the fine-grain slurry, which contains suspended materials with a grain size <63 μm, also advantageously improves the imaging accuracy of models, in particular of complex models with complex geometry, such as models common in the jewelry industry or precision engineering. As a result, particularly in the case of complex models with complex model parts with holes, blind holes and / or reliefs with diameters or structure depths of <1 mm, preferably <500 μm, a high level of imaging accuracy is achieved.
Höherschmelzende Metalle im Sinne der Erfindung sind Metalle oder Legierungen mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1500°C. In einer Ausführungsform umfassen höherschmelzende Metalle Titan und Titanlegierungen.Metals with a higher melting point in the context of the invention are metals or alloys with a melting point of more than 1500 ° C. In one embodiment, higher melting metals include titanium and titanium alloys.
Eine Frontschicht im Sinne der Erfindung meint die Schicht der Feingussform, die bei der Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen in direktem Kontakt mit der Metallschmelze steht. Die Frontschicht einer Feingussform ist maßgeblich für die Abbildungsgenauigkeit der Feingussform gegenüber dem Modell und für die Oberflächenqualität der herzustellenden Feingussteile verantwortlich.A front layer in the context of the invention means the layer of the investment casting mold which is in direct contact with the molten metal during the production of investment casting parts from higher melting metals. the The front layer of an investment mold is largely responsible for the accuracy of the representation of the investment mold in relation to the model and for the surface quality of the investment cast parts to be produced.
Ein Modell im Sinne der Erfindung ist ein verlorenes Modell. Verlorene Modelle sind üblicherweise aus Wachs oder Kunststoff. Das verlorene Modell weist mindestens ein Gießsystem und mindestens einen Modellteil auf, wobei der mindestens eine Modellteil die Negativform eines herzustellenden Feingussteils darstellt. Das Gießsystem umfasst gebräuchliche Komponenten, wie bspw. Einguss, Speiser, Steiger, Anguss. In einer Ausführungsform ist das Modell ein komplexes Modell. Ein komplexes Modell im Sinne der Erfindung weist mindestens ein Gießsystem und mindestens einen komplexen Modellteil auf. Ein komplexer Modellteil im Sinne der Erfindung meint einen Modelteil mit komplexer Geometrie, bspw. mit Löchern, Sacklöchern und/oder Reliefs mit einem Durchmesser und/oder Strukturtiefen von < 1 mm, bevorzugt von < 500 µm, welcher die Negativform eines herzustellenden komplexen Feingussteils darstellt. Derartige komplexe Modellteile können bspw. Negativformen für Ringe mit Löchern, Sacklöchern und/oder Reliefs in der Schmuckindustrie oder feinwerktechnische Komponenten sein.A model in the sense of the invention is a lost model. Lost models are usually made of wax or plastic. The lost model has at least one casting system and at least one model part, the at least one model part representing the negative shape of an investment casting part to be produced. The casting system includes common components such as sprue, riser, riser, sprue. In one embodiment the model is a complex model. A complex model within the meaning of the invention has at least one casting system and at least one complex model part. A complex model part within the meaning of the invention means a model part with complex geometry, for example with holes, blind holes and / or reliefs with a diameter and / or structure depths of <1 mm, preferably <500 μm, which represents the negative shape of a complex investment casting to be produced . Such complex model parts can, for example, be negative forms for rings with holes, blind holes and / or reliefs in the jewelry industry or precision engineering components.
Eine wässrige Härterlösung im Sinne der Erfindung ist eine wässrige Lösung von Salzen mit gebunden Kationen, bevorzugt zweiwertigen gebundenen Kationen.An aqueous hardener solution in the context of the invention is an aqueous solution of salts with bound cations, preferably divalent bound cations.
Eine Zwischenschicht im Sinne der Erfindung meint eine Schicht der Feingussform, die zwischen der Frontschicht und dem Stützschichtbereich innerhalb der Feingussform angeordnet ist. Diese Zwischenschicht dient als Anpassungsschicht zwischen der Frontschicht und dem Stützschichtbereich, da bekanntermaßen Front- und Stützschichtbereich unterschiedliche Aufgaben innerhalb der Feingussform wahrnehmen und sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Vorteilhaft dient die Zwischenschicht und deren Besandung dem Ausgleich der unterschiedlichen Schwindung von Front- und Zwischenschicht und Stützschichten während der thermischen Behandlung.An intermediate layer in the context of the invention means a layer of the investment casting mold which is arranged between the front layer and the support layer area within the investment casting mold. This intermediate layer serves as an adaptation layer between the front layer and the support layer area, since it is known that the front and support layer areas perform different tasks within the investment mold and differ in their properties. The intermediate layer and its sanding advantageously serve to compensate for the different shrinkage of the front and intermediate layer and the support layers during the thermal treatment.
Eine Stützschicht im Sinne der Erfindung meint eine Schicht innerhalb der Feingussform, die maßgeblich der mechanischen Stabilisierung der Feingussform dient, damit diese den hohen thermischen und mechanischen Belastungen beim Gießen höherschmelzender Metalle standhält. Ein Stützbereich im Sinne der Erfindung meint mindestens zwei Stützschichten.A support layer within the meaning of the invention means a layer within the investment casting mold which is used to a large extent to mechanically stabilize the investment casting mold so that it can withstand the high thermal and mechanical loads when casting higher-melting metals. A support area within the meaning of the invention means at least two support layers.
Ein silikatfreier Schlicker im Sinne der Erfindung meint eine Suspension aus Wasser, einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien und mindestens einem Additiv, wobei sowohl die pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materialien als auch das mindestens eine Additiv silikatfrei sind. Silikatfrei meint dabei, dass das keramische, pulverförmige Material oder die Mischung pulverförmiger, keramischer Materialien und das mindestens eine Additiv keine siliziumhaltigen Verbindungen enthalten. In einer Ausführungsform erfolgt der Schlickerauftrag mittels eines silikatfreien Schlickers, der suspendierte, pulverförmige, keramische, silikatfreie Materialien mit einer maximalen Korngröße im Bereich von 45 µm bis 10 mm, bevorzugt im Bereich von 45 µm bis 1000 µm enthält.A silicate-free slip in the context of the invention means a suspension of water, a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials and at least one additive, both the powdery, ceramic, silicate-free materials and the at least one additive being silicate-free are. Silicate-free means that the ceramic, powdery material or the mixture of powdery, ceramic materials and the at least one additive do not contain any silicon-containing compounds. In one embodiment, the slip is applied by means of a silicate-free slip which contains suspended, powdery, ceramic, silicate-free materials with a maximum grain size in the range from 45 μm to 10 mm, preferably in the range from 45 μm to 1000 μm.
Bekannte Additive sind bspw. Dispergierhilfsmittel, temporäre Bindemittel, Netzmittel und/oder Entschäumer. In einer Ausführungsform enthält der silikatfreie Schlicker 4 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 7 Gew.-%, mindestens eines Additivs, bezogen auf den Feststoffgehalt des silikatfreien Schlickers.Known additives are, for example, dispersing aids, temporary binders, wetting agents and / or defoamers. In one embodiment, the silicate-free slip contains 4 to 15% by weight, preferably 5 to 7% by weight, of at least one additive, based on the solids content of the silicate-free slip.
Beispiele für Dispergierhilfsmittel sind anorganische Dispergierhilfsmittel, wie Polyphosphate oder organische Dispergierhilfsmittel wie Polycarbonate, Polyacrylate, Oxalate, Citrate, Polycarboxilat, Alkanolamine oder Carbonsäurezubereitungen. In einer Ausführungsform enthält der silikatfreie Schlicker 0,5 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 1,5 bis 2,5 Gew.-%, mindestens eines Dispergierhilfsmittels, bezogen auf den Feststoffgehalt des silikatfreien Schlickers.Examples of dispersing auxiliaries are inorganic dispersing auxiliaries such as polyphosphates or organic dispersing auxiliaries such as polycarbonates, polyacrylates, oxalates, citrates, polycarboxylate, alkanolamines or carboxylic acid preparations. In one embodiment, the silicate-free slip contains 0.5 to 6% by weight, preferably 1.5 to 2.5% by weight, of at least one dispersing aid, based on the solids content of the silicate-free slip.
Temporäre Bindemittel erhöhen die Grünfestigkeit der herzustellenden Feingussform. Vorteilhaft werden die temporären Bindemittel bei der thermischen Behandlung rückstandslos entfernt. Weiterhin vorteilhaft kann durch die temporären Bindemittel eine geeignete Porengrößenverteilung erzielt werden. Bekannte organische temporäre Bindemittel sind bspw. Celluloseether, Xanthan oder auch Polyvinylalkohol. In einer Ausführungsform enthält der silikatfreie Schlicker 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 6 Gew.-%, mindestens eines temporäres Bindemittels, bezogen auf den Feststoffgehalt des silikatfreien Schlickers.Temporary binders increase the green strength of the investment casting mold to be produced. The temporary binders are advantageously removed without residue during the thermal treatment. A suitable pore size distribution can also advantageously be achieved through the temporary binders. Known organic temporary binders are, for example, cellulose ethers, xanthan or even polyvinyl alcohol. In one embodiment, the silicate-free slip contains 0.1% by weight to 10% by weight, preferably 3 to 6% by weight, of at least one temporary binder, based on the solids content of the silicate-free slip.
Bekannte Entschäumer sind bspw. Alkylpolyalkylenglykolether oder Zubereitungen aus Kohlenwasserstoffen und Fettsäurederivaten. In einer Ausführungsform enthält der silikatfreie Schlicker, 0,01 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%, bevorzugt 0,04 bis 0,1 Gew.-%, mindestens eines Entschäumers, bezogen auf den Feststoffgehalt des silikatfreien Schlickers.Known defoamers are, for example, alkyl polyalkylene glycol ethers or preparations made from hydrocarbons and fatty acid derivatives. In one embodiment, the silicate-free slip contains 0.01% by weight to 0, 5% by weight, preferably 0.04 to 0.1% by weight, of at least one defoamer, based on the solids content of the silicate-free slip.
Pulverförmige, keramische, silikatfreie Materialien umfassen dabei oxidische und nicht-oxidische, pulverförmige, keramische, silikatfreie Materialien. Oxidische, pulverförmige, keramische, silikatfreie Materialien sind beispielsweise Al2O3, ZrO2, TiO2, MgO, Cr2O3, CaO, La2O3, LaCrO3, CaZrO3, MgAl2O4, VO2, Nb2O5, HfO, MoO2, WO3, Ta2O5. Nicht-oxidische, pulverförmige, keramische, silikatfreie Materialien sind Nitride, Karbide und Boride der Halbmetalle, Metalle oder Übergangsmetalle, wie beispielsweise B4C, AIN, ZrB2, TiN, TiC, WC, TiB2, CrB2, TaC, NbC.Powdery, ceramic, silicate-free materials include oxidic and non-oxidic, powdery, ceramic, silicate-free materials. Oxidic, powdery, ceramic, silicate-free materials are, for example, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , MgO, Cr 2 O 3 , CaO, La 2 O 3 , LaCrO 3 , CaZrO 3 , MgAl 2 O 4 , VO 2 , Nb 2 O 5 , HfO, MoO 2 , WO 3 , Ta 2 O 5 . Non-oxidic, powdery, ceramic, silicate-free materials are nitrides, carbides and borides of semimetals, metals or transition metals, such as B 4 C, AlN, ZrB 2 , TiN, TiC, WC, TiB 2 , CrB 2 , TaC, NbC.
Ein feinkörniger, alginathaltiger Schlicker im Sinne der Erfindung ist ein Schlicker, der suspendierte feinkörnige Materialien mit einer maximalen Korngröße < 63 µm und mindestens ein Alginat enthält. Alginate sind über Extraktionsprozesse gewonnene Salze der wasserunlöslichen Alginsäure und bestehen aus zwei Hauptbestandteilen, dem α-L-Guluronat (G) und dem β-D-Mannuronat (M). Beide Monomere bilden Homopolymere in Form von MM- und GG-Blöcken und Heteropolymere mit alternierenden M- und G-Blöcken (-MG-). Der wichtigste Bestandteil für die Gelierung von Alginaten sind die GG-Blöcke, da nur diese die sogenannte „egg-box“—Struktur bilden, welche durch eine zusätzliche Zufuhr von vorrangig divalenten Metallkationen zu einer Vernetzung der einzelnen Molekülketten in eine Gelstruktur führt.A fine-grain, alginate-containing slip in the context of the invention is a slip which contains suspended fine-grain materials with a maximum grain size of <63 μm and at least one alginate. Alginates are salts of water-insoluble alginic acid obtained through extraction processes and consist of two main components, α-L-guluronate (G) and β-D-mannuronate (M). Both monomers form homopolymers in the form of MM and GG blocks and heteropolymers with alternating M and G blocks (-MG-). The most important component for the gelation of alginates are the GG blocks, as only these form the so-called "egg-box" structure, which, through an additional supply of primarily divalent metal cations, leads to a crosslinking of the individual molecular chains into a gel structure.
Vorteilhaft bindet das mindestens eine Alginat die einzelnen Partikel des im Schlicker suspendierten pulverförmigen, feinkörnigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, feinkörniger, keramischer, silikatfreier Materialien. Ebenfalls vorteilhaft bedingt das mindestens eine Alginat die Ausbildung einer dichten Frontschicht mit homogen verteilten Partikeln. Weiterhin vorteilhaft agglomerieren beim Sprühen des feinkörnigen, alginathaltigen Schlickers die im Schlicker suspendierten pulverförmigen, keramischen feinkörnigen, silikatfreien Materialien, so dass vorteilhaft eine dichte Schlickerschicht und nach der thermischen Behandlung eine günstige Porenstruktur der Frontschicht ausgebildet wird. Das mindestens eine Alginat wird bei der thermischen Behandlung rückstandsfrei entfernt und bewirkt eine homogene Porenverteilung in der Frontschicht der thermisch behandelten Feingussform. Beides wirkt sich günstig auf die Oberflächenqualität und Korrosionsbeständigkeit der Frontschicht der Feingussform aus.The at least one alginate advantageously binds the individual particles of the powdery, fine-grained, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, fine-grained, ceramic, silicate-free materials suspended in the slip. The at least one alginate also advantageously causes the formation of a dense front layer with homogeneously distributed particles. Furthermore, when the fine-grain, alginate-containing slip is sprayed, the powdery, ceramic, fine-grain, silicate-free materials suspended in the slip advantageously agglomerate, so that advantageously a dense slip layer and, after the thermal treatment, a favorable pore structure of the front layer is formed. The at least one alginate is removed without residue during the thermal treatment and produces a homogeneous pore distribution in the front layer of the thermally treated investment casting mold. Both have a positive effect on the surface quality and corrosion resistance of the front layer of the investment casting mold.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine Alginat im feinkörnigen, alginathaltigen Schlicker ausgewählt aus Natriumalginat, Kaliumalginat, Calciumalginat, Ammoniumalginat, Propylenglycolalginat und/oder Kombinationen daraus. In einer Ausführungsform wird die Frontschicht mittels Sprühen eines feinkörnigen, algniathaltigen Schlickers, der Natriumalginat oder Kaliumalginat enthält, Tauchen in eine wässrige Härterlösung, Besanden mit einem Material mit Korngrößen von ≤ 500 µm und Trocknen aufgebracht.In one embodiment, the at least one alginate in the fine-grain, alginate-containing slip is selected from sodium alginate, potassium alginate, calcium alginate, ammonium alginate, propylene glycol alginate and / or combinations thereof. In one embodiment, the front layer is applied by spraying a fine-grain, alginate-containing slip that contains sodium alginate or potassium alginate, dipping in an aqueous hardener solution, sanding with a material with grain sizes of 500 μm and drying.
In einer Ausführungsform erfolgt das Sprühen des feinkörnigen, alginathaltigen Schlickers mit einer Schichtdicke von 50 µm bis 150 µm, bevorzugt 80 µm bis 120 µm, auf das Model. Bekannt ist die Gelierung und Verfestigung von alginathaltigen Suspensionen mittels Änderung des pH-Wertes oder lonenaustausch bspw. aus Imeson2010, wobei der Fokus auf Anwendungen für die Lebensmittelindustrie liegt.In one embodiment, the fine-grain, alginate-containing slip is sprayed onto the model in a layer thickness of 50 μm to 150 μm, preferably 80 μm to 120 μm. The gelation and solidification of alginate-containing suspensions by means of changing the pH value or ion exchange, for example from Imeson2010, is known, the focus being on applications for the food industry.
Die Gelierung des auf das Modell gesprühten feinkörnigen, alginathaltigen Schlickers erfolgt, erfindungsgemäß durch Tauchen in eine wässrige Härterlösung, die zweiwertige Metallkationen enthält. In einer Ausführungsform erfolgt das Tauchen in eine wässrige Härterlösung, die Ca2+, Ba2+, Mg2+, Sr2+ oder Fe2+-lonen oder Kombinationen daraus mit einem Gehalt von 0,5 bis 10 Masse-%, bevorzugt 0,5 bis 2 Masse-%, enthält. Als Salze eignen sich bevorzugt aufgrund der guten Löslichkeit und der guten Gelbildungseigenschaften Calciumchlorid CaCl2 und Bariumnitrat Ba(NO3)2.The fine-grain, alginate-containing slip sprayed onto the model is gelled, according to the invention, by immersion in an aqueous hardener solution which contains divalent metal cations. In one embodiment, the immersion takes place in an aqueous hardener solution, the Ca 2+ , Ba 2+ , Mg 2+ , Sr 2+ or Fe 2+ ions or combinations thereof with a content of 0.5 to 10% by mass, preferably 0.5 to 2% by mass. Calcium chloride CaCl 2 and barium nitrate Ba (NO 3 ) 2 are preferably suitable as salts because of their good solubility and good gel-forming properties.
Vorteilhaft weist eine derart hergestellte Feingussform bereits nach dem Aufbringen der Frontschicht eine erhöhte Grünfestigkeit auf, wodurch die Handhabung und weitere Bearbeitbarkeit des mit der Frontschicht beschichteten Modells verbessert wird. Weiterhin vorteilhaft wird die Rissempfindlichkeit insbesondere an den Kanten der Feingussform verbessert.Advantageously, an investment casting mold produced in this way already has increased green strength after the front layer has been applied, as a result of which the handling and further workability of the model coated with the front layer is improved. The crack sensitivity is furthermore advantageously improved, in particular at the edges of the investment casting mold.
Das Besanden erfolgt erfindungsgemäß jeweils mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien auch als Besandungsmaterial bezeichnet. In einer Ausführungsform erfolgt das Besanden mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien mit Korngrößen bis zu 1000 µm. Vorteilhaft lagert sich das Besandungsmaterial in den noch feuchten Schlicker ein und verbessert die Schichtverbindung/Schichthaftung zu nachfolgend aufgebrachten weiteren Schichten.According to the invention, the sanding takes place in each case with a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials, also referred to as sanding material. In one embodiment, the sanding takes place with a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials with grain sizes up to 1000 μm. The sanding material is advantageously embedded in the still moist slip and improves the layer connection / layer adhesion to further layers applied subsequently.
Vorteilhaft wird durch das Besanden der Zwischenschicht mit einem Material mit Korngrößen von 500 µm bis 1000 µm erreicht, dass aufgrund der reduzierten Schwindung des Besandungsmaterials der Zwischenschicht bei der thermischen Behandlung Druckspannungen aufgebaut und Brücken zur Ableitung und Verzweigung von Rissen gebildet werden, die eine rissfreie Frontschicht ermöglichen. Gerade Risse in der Frontschicht der Feingussform wirken sich negativ aus, da diese die Oberflächenqualität der Frontschicht und die Beständigkeit der Feingussform beeinträchtigen.By sanding the intermediate layer with a material with grain sizes of 500 µm to 1000 µm, the reduced shrinkage of the sanding material of the intermediate layer results in compressive stresses being built up during the thermal treatment and bridges being formed to divert and branch off cracks, creating a crack-free front layer enable. Cracks in the front layer of the investment casting mold in particular have a negative effect, as they impair the surface quality of the front layer and the durability of the investment casting mold.
Der Schlickerauftrag zur Bildung der Zwischenschicht und der Stützschichten erfolgt mittels eines kalten Beschichtungsverfahrens. Ein kaltes Beschichtungsverfahren im Sinne der Erfindung ist ein Verfahren bei dem der aufzubringende Schlicker eine Temperatur von maximal 30°C, bevorzugt Raumtemperatur aufweist, wie bspw. Tauchen, Sprühen oder Zentrifugieren. In einer Ausführungsform erfolgt der Schlickerauftrag der Zwischenschicht und der Stützschichten mittels Tauchen oder Zentrifugieren.The slip to form the intermediate layer and the support layers is applied by means of a cold coating process. A cold coating process within the meaning of the invention is a process in which the slip to be applied has a temperature of at most 30 ° C., preferably room temperature, such as, for example, dipping, spraying or centrifuging. In one embodiment, the slip is applied to the intermediate layer and the support layers by means of immersion or centrifugation.
Das Bilden aufeinanderfolgender Stützschichten unter Verwendung von Schlickern, die sich hinsichtlich der maximalen Korngröße des suspendierten, pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien unterscheiden und abwechseln, erfolgt in einer Ausführungsform derart, dass für eine erste Stützschicht ein Schlicker verwendet wird, der ein suspendiertes, keramisches, silikatfreies Material oder eine Mischung keramischer, silikatfreier Materialien mit einer maximalen Korngröße von ≤ 500 µm enthält. Eine folgende zweite Stützschicht wird gebildet, indem ein Schlicker verwendet wird, der ein suspendiertes, keramisches, silikatfreies Material oder eine Mischung keramischer, silikatfreier Materialien mit einer maximalen Korngröße von ≤ 1000 µm enthält. Eine darauffolgende dritte Stützschicht wird gebildet, indem ein Schlicker verwendet wird, der ein suspendiertes, keramisches, silikatfreies Material oder eine Mischung keramischer, silikatfreier Materialien mit einer maximalen Korngröße von ≤ 500 µm enthält. In einer Ausführungsform werden zum Bilden aufeinanderfolgender Stützschichten abwechselnd Schlicker verwendet, die eine maximale Korngröße des suspendierten, pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien von ≤ 500 µm und ≤ 1000 µm enthalten.The formation of successive support layers using slips that differ and alternate with regard to the maximum grain size of the suspended, powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials, takes place in one embodiment such that a slip for a first support layer is used which contains a suspended, ceramic, silicate-free material or a mixture of ceramic, silicate-free materials with a maximum grain size of ≤ 500 µm. A subsequent second support layer is formed by using a slip which contains a suspended, ceramic, silicate-free material or a mixture of ceramic, silicate-free materials with a maximum grain size of 1000 μm. A subsequent third support layer is formed by using a slip which contains a suspended, ceramic, silicate-free material or a mixture of ceramic, silicate-free materials with a maximum grain size of 500 μm. In one embodiment, slips are used alternately to form successive support layers which contain a maximum grain size of the suspended, powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials of 500 μm and 1000 μm.
Vorteilhaft werden durch die Verwendung von Schlickern zur Bildung aufeinanderfolgender Stützschichten, die sich in der maximalen Korngröße des suspendierten, pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien unterscheiden und abwechseln über den Querschnitt der Feingussform die unterschiedlichen Schwindungen der keramischen Materialien unterschiedlicher Korngröße bei der thermischen Behandlung angepasst und die Gefahr von Schwindungsrissen, wie sie bspw. durch starke Gradienten der Korngröße bzw. Schwindungen über den Querschnitt auftreten können, minimiert.The use of slips to form successive support layers which differ in the maximum grain size of the suspended, powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials and alternate across the cross-section of the investment mold, the different shrinkages of the ceramic materials are advantageous adapted to different grain sizes during the thermal treatment and the risk of shrinkage cracks, such as those that can occur, for example, due to strong gradients in the grain size or shrinkage across the cross-section, is minimized.
In einer Ausführungsform werden vier bis sechs Stützschichten aufgebracht, um den Stützschichtbereich zu bilden und die gewünschte Enddicke der Feingussform aufzubauen. Das Befreien des Grünkörpers vom Modell erfolgt mit dem Fachmann bekannten thermischen Verfahren, bspw. durch Ausbrennen oder Ausschmelzen. Dabei wird das verlorene Modell thermisch zerstört, um den Grünkörper der Feingussform zu erhalten. Anschließend wird der Grünkörper thermisch behandelt, um die Feingussform zu erhalten.In one embodiment, four to six support layers are applied to form the support layer area and to build up the desired final thickness of the investment mold. The green body is freed from the model using thermal processes known to the person skilled in the art, for example by burning out or melting out. The lost model is thermally destroyed in order to preserve the green body of the investment mold. The green body is then thermally treated in order to obtain the investment casting mold.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen, siikatfreien Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen mindestens die Schritte:
- a) Aufbringen einer Frontschicht auf ein Modell,
- b) Eintauchen des mit der Frontschicht beschichteten Modells in eine wässrige Härterlösung,
- c) Besanden der in die Härterlösung getauchten Frontschicht,
- d) Trocknen der besandeten Frontschicht,
- e) Aufbringen einer Zwischenschicht auf die getrocknete und besandete Frontschicht,
- f) Besanden der aufgebrachten Zwischenschicht,
- g) Trocknen der besandeten Zwischenschicht,
- h) Aufbringen einer Stützschicht,
- i) Besanden der aufgebrachten Stützschicht,
- j) Trocknen der besandeten Stützschicht, wobei die Schritte h), i) und j) mindestens einmal wiederholt werden, um einen Stützschichtbereich auszubilden,
- k) Trocknung des mit Frontschicht, Zwischenschicht und Stützschichtbereich beschichteten Modells,
- l) Entfernen des Modells, um einen Grünkörper zu erhalten,
- m) Thermische Behandlung des Grünkörpers.
- a) applying a front layer to a model,
- b) immersing the model coated with the front layer in an aqueous hardener solution,
- c) sanding the front layer immersed in the hardener solution,
- d) drying the sanded front layer,
- e) applying an intermediate layer to the dried and sanded front layer,
- f) sanding the applied intermediate layer,
- g) drying the sanded intermediate layer,
- h) application of a support layer,
- i) sanding the applied support layer,
- j) drying the sanded support layer, steps h), i) and j) being repeated at least once in order to form a support layer area,
- k) drying of the model coated with front layer, intermediate layer and support layer area,
- l) removing the model to obtain a green body,
- m) Thermal treatment of the green body.
Dabei werden die Frontschicht, die Zwischenschicht und die Stützschichten jeweils aus einem silikatfreien Schlicker, und die Front- und die Zwischenschicht aus einem feinkörnigen, silikatfreien Schlicker mit gleicher Korngröße gebildet. Weiterhin wird in Schritt a) ein feinkörniger, silikatfreier, alginathaltiger Schlicker auf ein komplexes Modell gesprüht, und in Schritt b), das mit der Frontschicht beschichtete Modell in eine wässrige, zweiwertige Metallkationen enthaltende Härterlösung getaucht. In einer Ausführungsform wird die Zwischenschicht mit einem Material mit einer Korngröße größer als die Korngröße im Schlicker der Front- und der Zwischenschicht und größer als die Korngröße des keramischen Materials beim Besanden der Frontschicht besandet. Aufeinanderfolgende Stützschichten werden aus silikatfreien Schlickern mit unterschiedlichen, sich abwechselnden maximalen Korngrößen gebildet In einer Ausführungsform erfolgt das Besanden aufeinanderfolgender Stützschichten mit pulverförmigen, keramischen, siikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien unterschiedlicher Korngröße. In einer Ausführungsform werden die Front- und die Zwischenschicht aus einem feinkörnigen, silikatfreien Schlicker gleicher Korngröße gebildet, d.h. die im Schlicker suspendierten pulverförmigen, keramischen Materialien weisen die gleiche maximale Korngröße auf. Ein feinkörniger, keramischer, silikatfreier Schlicker ist ein keramischer, silikatfreier Schlicker, der als suspendiertes, pulverförmiges Material ein feinkörniges, keramisches, silikatfreies Material oder eine Mischung feinkörniger, keramischer, silikatfreier Materialien mit einer maximalen Korngröße von < 63 µm enthält. Vorteilhaft wird dadurch gerade bei komplexen Modellen mit komplexen Modellteilen mit Löchern, Sacklöchern und/oder Reliefs mit Durchmessern bzw. Strukturtiefen von < 1 mm, bevorzugt < 500 µm eine hohe Abbildungsgenauigkeit erreicht. In Schritt a) wird ein feinkörniger, keramischer, silikatfreier, alginathaltiger Schlicker auf ein komplexes Modell gesprüht, um eine Frontschicht aufzubringen. The front layer, the intermediate layer and the support layers are each formed from a silicate-free slip, and the front layer and the intermediate layer are formed from a fine-grain, silicate-free slip with the same grain size. Furthermore, in step a) a fine-grain, silicate-free, alginate-containing slip is sprayed onto a complex model, and in step b) the model coated with the front layer is immersed in an aqueous hardener solution containing divalent metal cations. In one embodiment, the intermediate layer is sanded with a material with a grain size larger than the grain size in the slip of the front layer and the intermediate layer and larger than the grain size of the ceramic material when sanding the front layer. Successive support layers are formed from silicate-free slips with different, alternating maximum grain sizes. In one embodiment, successive support layers are sanded with powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials of different grain sizes. In one embodiment, the front and intermediate layers are formed from a fine-grain, silicate-free slip of the same grain size, i.e. the powdery ceramic materials suspended in the slip have the same maximum grain size. A fine-grain, ceramic, silicate-free slip is a ceramic, silicate-free slip that contains a fine-grain, ceramic, silicate-free material or a mixture of fine-grain, ceramic, silicate-free materials with a maximum grain size of <63 µm as a suspended, powdery material. In this way, particularly in the case of complex models with complex model parts with holes, blind holes and / or reliefs with diameters or structure depths of <1 mm, preferably <500 μm, a high level of imaging accuracy is advantageously achieved. In step a) a fine-grain, ceramic, silicate-free, alginate-containing slip is sprayed onto a complex model in order to apply a front layer.
In einer Ausführungsform erfolgt das Besanden in Schritt c) mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Besandungsmaterial mit Korngrößen bis maximal 500 µm. In Schritt f) wird die aufgebrachte Zwischenschicht mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material besandet, dessen Korngröße größer als die maximale Korngröße des pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials im Schlicker der Front- und der Zwischenschicht ist und dessen Korngröße größer als die Korngröße des Besandungsmaterials in Schritt c) ist.In one embodiment, the sanding takes place in step c) with a powdery, ceramic, silicate-free sanding material with grain sizes up to a maximum of 500 μm. In step f), the applied intermediate layer is sanded with a powdery, ceramic, silicate-free material, the grain size of which is larger than the maximum particle size of the powdery, ceramic, silicate-free material in the slip of the front and intermediate layer and the particle size of which is larger than the grain size of the sanding material in step c).
In einer Ausführungsform unterscheiden sich die maximalen Korngrößen der im Schlicker suspendierten, pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materialien, aus denen die einzelnen Stützschichten in Schritt h) und den Wiederholungen von Schritt h) gebildet werden. Es ist vorteilhaft, wenn in Schritt h) und den Wiederholungen von Schritt h) Stützschichten aus einem Schlicker gebildet werden, in denen sich die maximalen Korngrößen des im Schlicker suspendierten pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials unterscheiden und abwechseln. Dadurch werden vorteilhaft über den Querschnitt der Feingussform die unterschiedlichen Schwindungen der keramischen Materialien unterschiedlicher Korngröße in Schritt m) angepasst und die Gefahr von Schwindungsrissen, wie sie bspw. durch starke Gradienten der Schwindungen über den Querschnitt auftreten können, minimiert. Wird bspw. in Schritt h) eine Stützschicht aufgebracht, die aus einem Schlicker, der suspendiertes, keramisches, silikatfreies Material mit einer maximalen Korngröße von ≤ 500 µm enthält, gebildet wird, so ist es vorteilhaft, wenn eine weitere Stützschicht durch eine erste Wiederholung von Schritt h) mit einem Schlicker mit einer maximalen Korngröße von ≤ 1000 µm des supsendierten, keramischen, silikatfreien Materials erfolgt. Eine zweite Wiederholung von Schritt h) erfolgt vorteilhafterweise mit einem Schlicker mit einer maximalen Korngröße von ≤ 500 µm. Eine dritte Wiederholung von Schritt h) erfolgt dann mit einem Schlicker mit einer maximalen Korngröße von ≤ 1000 µm. In einer Ausführungsform wird die Stützschicht in Schritt h) aufgebracht, indem ein keramischer, silikatfreier Schlicker aufgebracht wird, der ein suspendiertes pulverförmiges, keramisches, silikatfreies Material mit einer maximalen Korngröße ≤ 500 µm enthält. In einer ersten Wiederholung von Schritt h) wird eine weitere Stützschicht aufgebracht, indem ein keramischer, silikatfreier Schlicker aufgebracht wird, der ein suspendiertes pulverförmiges, keramisches, silikatfreies Material mit einer maximalen Korngröße ≤ 1000 µm enthält. Weiterhin unterscheiden sich die Korngrößen des pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials, mit dem das Besanden der Stützschichten in Schritt i) und den Wiederholungen von Schritt i) erfolgt und wechseln sich ab. In einer Ausführungsform wird in Schritt i) die Stützschicht mit einem pulverförmigen, keramischen, silkatfreien Material besandet, welches eine Korngröße von ≤ 500 µm aufweist. In einer ersten Wiederholung von Schritt i) wird eine weitere, in einer ersten Wiederholung von Schritt h), aufgebrachte Stützschicht mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material besandet, welches eine Korngröße von 500 µm bis 1000 µm aufweist.In one embodiment, the maximum grain sizes of the powdery, ceramic, silicate-free materials suspended in the slip, from which the individual support layers in step h) and the repetitions of step h) are formed, differ. It is advantageous if, in step h) and the repetitions of step h), support layers are formed from a slip in which the maximum grain sizes of the powdery, ceramic, silicate-free material suspended in the slip differ and alternate. As a result, the different shrinkages of the ceramic materials of different grain sizes in step m) are advantageously adapted over the cross section of the investment mold and the risk of shrinkage cracks, such as can occur, for example, due to strong gradients of the shrinkage over the cross section, is minimized. If, for example, a support layer is applied in step h) which is formed from a slip containing suspended, ceramic, silicate-free material with a maximum grain size of 500 μm, it is advantageous if a further support layer is formed by a first repetition of Step h) takes place with a slip with a maximum grain size of 1000 μm of the suspended, ceramic, silicate-free material. A second repetition of step h) is advantageously carried out with a slip with a maximum grain size of 500 μm. A third repetition of step h) then takes place with a slip with a maximum grain size of 1000 μm. In one embodiment, the support layer is applied in step h) by applying a ceramic, silicate-free slip which contains a suspended powdery, ceramic, silicate-free material with a maximum grain size of 500 μm. In a first repetition of step h), a further support layer is applied by applying a ceramic, silicate-free slip which contains a suspended powdery, ceramic, silicate-free material with a maximum grain size of 1000 μm. Furthermore, the grain sizes of the powdery, ceramic, silicate-free material with which the support layers are sanded in step i) and the repetitions of step i) differ and alternate. In one embodiment, in step i) the support layer is sanded with a powdery, ceramic, silicate-free material which has a grain size of 500 μm. In a first repetition of step i), a further supporting layer applied in a first repetition of step h) is sanded with a powdery, ceramic, silicate-free material which has a grain size of 500 μm to 1000 μm.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Korngröße des Besandungsmaterials in Schritt i) entsprechen der Korngröße des im Schlicker suspendierten keramischen Materials im vorangegangen Schritt h) gewählt wird. Ebenfalls vorteilhaft ist es, die Korngröße des Besandungsmaterials in einer Wiederholung von Schritt i) entsprechend der Korngröße des im Schlicker suspendierten keramischen Materials in der jeweils direkt vorangegangenen Wiederholung von Schritt h) zu wählen. Wird bspw. in Schritt h) eine Stützschicht aufgebracht, die aus einem Schlicker, der suspendierte keramische, silikatfreie Materialien mit einer maximalen Korngröße von ≤ 500 µm enthält, gebildet wird, so ist es vorteilhaft, wenn anschließend das Besanden in Schritt i) mit einem pulverförmigen keramischen Material mit einer Korngröße ≤ 500 µm erfolgt. Wird bspw. in einer Wiederholung von Schritt h) eine Stützschicht aufgebracht, die aus einem Schlicker, der suspendierte keramische, silikatfreie Materialien mit einer maximalen Korngröße von ≤ 1000 µm enthält, gebildet wird, so ist es vorteilhaft, wenn anschließend das Besanden in einer Wiederholung von Schritt i) mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material mit einer Korngröße von 500 µm bis 1000 µm erfolgt. In einer Ausführungsform werden die Schritte h), i) und j) vier- bis sechsmal wiederholt, um den Stützschichtbereich zu bilden und die gewünschte Enddicke der Feingussform aufzubauen. In einer Ausführungsform erfolgt die letztmalige Wiederholung von Schritt h) mit dem gleichen Schlicker, wie die vorausgegangene Wiederholung von Schritt h). In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die letztmalige Wiederholung von Schritt i) mit einem Besandungsmaterial gleicher Korngröße wie die vorausgegangene Wiederholung von Schritt i). In einer Ausführungsform werden die Schritte h), i) und j) mindestens einmal wiederholt, wobei bei der letztmaligen Wiederholung anstelle von Schritt j) Schritt k) durchgeführt wird. Ist die Enddicke der Feingussform erreicht, erfolgt anschließend in Schritt k) die Trocknung des mit Frontschicht, Zwischenschicht und Stützschichtbereich beschichteten Modells. Nachfolgend wird in Schritt I) das Modell entfernt, um einen Grünkörper zu erhalten. Dies erfolgt mit dem Fachmann bekannten thermischen Verfahren, bspw. durch Ausbrennen oder Ausschmelzen. Anschließend wird in Schritt m) der erhaltene Grünkörper thermisch behandelt, um die Feingussform zu erhalten. In einer Ausführungsform erfolgt das Trocknen in den Schritten d), g) und j) jeweils für eine Dauer von 2 bis 7 Stunden, bevorzugt 3 bis 5 Stunden.It is also advantageous if the grain size of the sanding material in step i) is selected to correspond to the grain size of the ceramic material suspended in the slip in the previous step h). It is also advantageous to choose the grain size of the sanding material in a repetition of step i) in accordance with the grain size of the ceramic material suspended in the slip in the repetition of step h) which immediately precedes each time. If, for example, a support layer is applied in step h) which is formed from a slip containing suspended ceramic, silicate-free materials with a maximum grain size of 500 μm, it is advantageous if the sanding in step i) is then followed by a powdery ceramic material with a grain size ≤ 500 microns takes place. If, for example, in a repetition of step h), a support layer is applied which is formed from a slip containing suspended ceramic, silicate-free materials with a maximum grain size of ≤ 1000 μm, it is advantageous if the sanding is then repeated in a repetition of step i) is carried out with a powdery, ceramic, silicate-free material with a grain size of 500 μm to 1000 μm. In one embodiment, steps h), i) and j) are repeated four to six times in order to form the support layer area and to build up the desired final thickness of the investment mold. In one embodiment, the last repetition of step h) takes place with the same slip as the previous repetition of step h). In a further embodiment, the last repetition of step i) takes place with a sanding material of the same grain size as the previous repetition of step i). In one embodiment, steps h), i) and j) are repeated at least once, the last time repeating step k) being carried out instead of step j). Once the final thickness of the investment casting mold has been reached, the model coated with the front layer, intermediate layer and support layer area is then dried in step k). The model is then removed in step I) in order to obtain a green body. This is done using thermal processes known to the person skilled in the art, for example by burning out or melting out. The green body obtained is then thermally treated in step m) in order to obtain the investment casting mold. In one embodiment, the drying takes place in steps d), g) and j) in each case for a period of 2 to 7 hours, preferably 3 to 5 hours.
In einer Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Stützschichten mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien unterschiedlicher Korngröße besandet.In one embodiment, successive support layers are sanded with a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials of different grain sizes.
Vorteilhaft wird dadurch eine weitere Anpassung der Schwindungen bei der thermischen Behandlung erreicht und starke Schwindungsgradienten bzw. Korngrößengradienten über den Querschnitt der Feingussform vermieden.A further adaptation of the shrinkage during the thermal treatment is thereby advantageously achieved and strong shrinkage gradients or grain size gradients over the cross section of the investment casting mold are avoided.
Das Besanden aufeinanderfolgender Stützschichten mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien unterschiedlicher Korngröße erfolgt in einer Ausführungsform derart, dass eine erste Stützschicht mit einem Besandungsmaterial mit einer Korngröße ≤ 500 µm besandet wird. Eine folgende zweite Stützschicht wird mit einem Besandungsmaterial mit einer Korngröße ≤ 1000 µm besandet. Eine darauffolgende dritte Stützschicht wird wiederrum mit einem Besandungsmaterial mit einer Korngröße ≤ 500 µm besandet. In einer Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Stützschichten mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien unterschiedlicher und sich abwechselnder Korngröße besandet. In einer weiteren Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Stützschichten abwechselnd mit einem pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Material oder einer Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien mit Korngrößen von ≤ 500 µm und ≤ 1000 µm besandet.The sanding of successive support layers with a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials of different grain sizes takes place in one embodiment such that a first support layer is sanded with a sanding material with a grain size ≤ 500 µm. A subsequent second support layer is sanded with a sanding material with a grain size of ≤ 1000 µm. A subsequent third support layer is in turn sanded with a sanding material with a grain size of 500 µm. In one embodiment, successive support layers are sanded with a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials of different and alternating grain sizes. In a further embodiment, successive support layers are alternately sanded with a powdery, ceramic, silicate-free material or a mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials with grain sizes of 500 μm and 1000 μm.
In einer Ausführungsform wird die Korngröße des pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien beim Besanden einer Stützschicht entsprechend der maximalen Korngröße des suspendierten, pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien im jeweils zuvor aufgetragenen Schlicker einer Stützschicht gewählt.
Vorteilhaft trägt auch dies zur Vermeidung von Korngrößen- bzw. Schwindungsgradienten über den Querschnitt der Feingussform bei, so dass die Rissempfindlichkeit während der thermischen Behandlung minimiert wird.In one embodiment, the grain size of the powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials when sanding a support layer corresponds to the maximum grain size of the suspended, powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials in each case previously applied slip of a support layer is selected.
This also advantageously contributes to avoiding grain size or shrinkage gradients over the cross section of the investment casting mold, so that the crack sensitivity is minimized during the thermal treatment.
Die Korngröße des pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien beim Besanden einer Stützschicht wird in einer Ausführungsform derart entsprechend der maximalen Korngröße des suspendierten, pulverförmigen, keramischen, silikatfreien Materials oder der Mischung pulverförmiger, keramischer, silikatfreier Materialien im jeweils zuvor aufgetragenen Schlickereiner Stützschicht gewählt, dass eine Stützschicht mittels Auftrag eines Schlickers mit einer maximalen Korngröße von ≤ 500 µm und Besanden mit einem Material mit einer Korngröße ≤ 500 µm und Trocknen aufgebracht wird. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Stützschicht mittels Auftrag eines Schlickers mit einer maximalen Korngröße von ≤ 1000 µm und Besanden mit einem Material mit einer Korngröße ≤ 1000 µm und Trocknen aufgebracht.The grain size of the powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials when sanding a support layer is in one embodiment in such a way corresponding to the maximum grain size of the suspended, powdery, ceramic, silicate-free material or the mixture of powdery, ceramic, silicate-free materials in the each previously applied slip of a support layer selected that a support layer by means of application of a slip with a maximum grain size of ≤ 500 µm and sanding with a material with a grain size of ≤ 500 µm and drying. In a further embodiment, a support layer is applied by applying a slip with a maximum grain size of 1000 μm and sanding with a material with a grain size 1000 μm and drying.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das pulverförmige, keramische, silikatfreie Material ein Perowskit oder ein Spinell. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Perowskit ein Perowskit auf Basis von CaZrO3. Vorteilhaft ist CaZrO3 korrosionsbeständig gegenüber höherschmelzenden Metallen, wie hochreaktiven Titanschmelzen, und ermöglicht die Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit gegenüber hochschmelzenden Metallen. Weiterhin vorteilhaft wird somit eine vollständig silikatfreie Feingussform hergestellt, in der die Diffusion von siliziumhaltigen Bestandteilen in den Frontschichtbereich vermieden wird.In a preferred embodiment, the powdery, ceramic, silicate-free material is a perovskite or a spinel. In a further preferred embodiment, the perovskite is a perovskite based on CaZrO 3 . CaZrO 3 is advantageously corrosion-resistant to higher-melting metals, such as highly reactive titanium melts, and enables the production of a ceramic, silicate-free investment casting mold with improved corrosion resistance to high-melting metals. A completely silicate-free investment casting mold is thus also advantageously produced, in which the diffusion of silicon-containing components into the front layer area is avoided.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein feinkörniger, alginathaltiger Schlicker enthaltend 0,25 bis 1 Masse-% mindestens eines Alginats, bezogen auf den Feststoffanteil des Schlickers, aufgesprüht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein feinkörniger, alginathaltiger Schlicker enthaltend 0,3 bis 0,5 Masse-% mindestens eines Alginats, bezogen auf den Feststoffanteil des Schlickers aufgesprüht. Vorteilhaft weist ein derartiger Schlicker geeignete Verarbeitungseigenschaften auf. Für das Aufbringen des Schlickers relevante Verarbeitungseigenschaften sind bspw. der Wasserbedarf und die Viskosität des Schlickers. Vorteilhaft weist ein derartiger Schlicker strukturviskoses Verhalten auf. Gerade die Viskosität des Schlickers ist für die Verarbeitung von Bedeutung. So ist es vorteilhaft für Schlicker die erfindungsgemäß mittels Sprühen aufgebracht werden, dass diese ein stark scherverdünnendes Schlickerverhalten (auch als strukturviskoses Verhalten bezeichnet) über einen breiten Scherratenbereich aufweisen. Beim Sprühen eines Schlickers werden üblicherweise Scherraten von 1000 bis 104 S-1 erreicht. Alginate tragen vorteilhaft zum gewünschten scherverdünnenden Verhalten bei, höhere Alginatkonzentrationen im Schlicker erhöhen die Strukturviskosität und die Viskosität in Ruhe, allerdings auch den benötigten Wasserbedarf für eine gute Verarbeitung der Schlicker. Zudem ist der Alginat- und Wassergehalt des mittels Sprühen aufgebrachten Schlickers von der Art der im Schlicker suspendierten Materialien, deren Korngröße und den Additiven abhängig.In a preferred embodiment, a fine-grain, alginate-containing slip containing 0.25 to 1% by mass of at least one alginate, based on the solids content of the slip, is sprayed on. In a particularly preferred embodiment, a fine-grain, alginate-containing slip containing 0.3 to 0.5% by mass of at least one alginate, based on the solids content of the slip, is sprayed on. Such a slip advantageously has suitable processing properties. Processing properties relevant for the application of the slip are, for example, the water requirement and the viscosity of the slip. Such a slip advantageously exhibits pseudoplastic behavior. The viscosity of the slip is particularly important for processing. For example, it is advantageous for slips that are applied by spraying according to the invention that they have a strongly shear-thinning slip behavior (also referred to as structurally viscous behavior) over a broad shear rate range. When spraying a slip, shear rates of 1000 to 10 4 S -1 are usually achieved. Alginates make an advantageous contribution to the desired shear-thinning behavior; higher alginate concentrations in the slip increase the structural viscosity and the viscosity at rest, but also the water required for good processing of the slip. In addition, the alginate and water content of the slip applied by spraying depends on the type of materials suspended in the slip, their grain size and the additives.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Tauchen in die wässrige Härterlösung für 1 bis 30 Sekunden. Dabei erfolgt vorteilhaft ein lonenaustausch der in dem mindestens einen Alginat enthaltenen Ionen mit den in der wässrigen Härterlösung gelösten zweiwertigen Kationen und eine Gelierung und Verfestigung des mittels Sprühen aufgebrachten feinkörnigen, alginathaltigen Schlickers. Weiterhin vorteilhaft erreicht der derart verfestigte alginathaltige Schlicker eine bessere Grünfestigkeit als nicht alginathaltige Schlicker, so dass die nachfolgende, maschinelle Handhabung zum Aufbringen weiterer Schichten verbessert wird.In a preferred embodiment, the immersion in the aqueous hardener solution takes place for 1 to 30 seconds. An ion exchange of the ions contained in the at least one alginate with the divalent cations dissolved in the aqueous hardener solution and a gelation and solidification of the fine-grain, alginate-containing slip applied by spraying advantageously take place. Furthermore, the alginate-containing slip solidified in this way advantageously achieves a better green strength than non-alginate-containing slip, so that the subsequent machine handling for applying further layers is improved.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Trocknen jeweils bei 20 bis 110°C und bei 30 bis 60% relativer Luftfeuchte. In einer Ausführungsform erfolgt das Trocknen jeweils für eine Dauer von 2 bis 7 Stunden, bevorzugt 3 bis 5 Stunden. In einer Ausführungsform erfolgt das Trocknen der zuletzt aufgebrachten Stützschicht für eine Dauer von 5 bis 10 Tagen, bevorzugt 6 bis 8 Tagen. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Trocknen der zuletzt aufgebrachten Stützschicht zusätzlich durch Trocknen im Exsikkator für eine Dauer von 5 bis 10 Tagen, bevorzugt 6 bis 8 Tagen. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Trocknen der zuletzt aufgebrachten Stützschicht bei einer Temperatur von 20 bis 110°C und bei 30 bis 60% relativer Luftfeuchte für eine Dauer von 6 bis 8 Tagen und zusätzlich für 6 bis 8 Tage im Exsikkator. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die thermische Behandlung bei 600°C bis 1900°C, bevorzugt bei 900°C bis 1650°C. Dabei kann die thermische Behandlung in oxidierender Atmosphäre, reduzierender Atmosphäre, Schutzgas-Atmosphäre oder Vakuum durchgeführt werden.In a preferred embodiment, the drying takes place at 20 to 110 ° C. and at 30 to 60% relative humidity. In one embodiment, the drying takes place in each case for a period of 2 to 7 hours, preferably 3 to 5 hours. In one embodiment, the support layer applied last is dried for a period of 5 to 10 days, preferably 6 to 8 days. In a further embodiment, the support layer applied last is dried additionally by drying in a desiccator for a period of 5 to 10 days, preferably 6 to 8 days. In a further embodiment, the last applied support layer is dried at a temperature of 20 to 110 ° C. and at 30 to 60% relative humidity for a period of 6 to 8 days and additionally for 6 to 8 days in a desiccator. In a preferred embodiment, the thermal treatment takes place at 600.degree. C. to 1900.degree. C., preferably at 900.degree. C. to 1650.degree. The thermal treatment can be carried out in an oxidizing atmosphere, reducing atmosphere, protective gas atmosphere or vacuum.
Weiterhin zur Erfindung gehört eine keramische, silikatfreie Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen. Erfindungsgemäß umfasst eine keramische, silikatfreie Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen mindestens einen Modellbereich und mindestens einen Gießsystembereich, wobei die keramische, silikatfreie Feingussform aufgebaut ist aus mindestens einer Frontschicht und mindestens zwei Stützschichten, die einen stabilisierenden Stützschichtbereich bilden. Weiterhin erfindungsgemäß weisen die einzelnen Schichten der Feingussform jeweils ein keramisches, silikatfreies Material oder eine Mischung keramischer, silikatfreier Materialien auf. Ebenfalls erfindungsgemäß gibt die Frontschicht in dem mindestens einen Modellbereich eine Geometrie eines herzustellenden Feingussteils wieder und weist eine innere Oberfläche mit Löchern, Sacklöchern und/oder Reliefs mit einem Durchmesser und/oder einer Strukturtiefe von < 1 mm auf. Weiterhin erfindungsgemäß weist die Feingussform eine Zwischenschicht zum Ausgleich der Schwindung und Reduzierung der Rissbildung auf, die zwischen der Frontschicht und dem Stützschichtbereich angeordnet ist. Die Frontschicht der Feingussform ist erfindungsgemäß mittels Sprühen eines silikatfreien, feinkörnigen, keramischen, alginathaltigen Schlickers, Härten, Besanden und Trocknen gebildet. Weiterhin erfindungsgemäß sind die Stützschichten abwechselnd aus silikatfreien Schlickern mit unterschiedlichen maximalen Korngrößen, Besanden und Trocknen gebildet. Vorteilhaft weist die Frontschicht dadurch gerade im mindestens einen Modellbereich einer derartigen Feingussform eine sehr gute Oberflächenqualität ohne Risse auf und ermöglicht die Herstellung von Feingussteilen mit komplexen Geometrien und sehr guter Oberflächenqualität. Weiterhin vorteilhaft weist eine derartige Feingussform eine homogene Korngrößenverteilung ohne Korngrößengradienten über den Querschnitt der Feingussform auf.The invention also includes a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals. According to the invention, a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment castings from higher-melting metals comprises at least one model area and at least one casting system area, the ceramic, silicate-free investment casting mold being composed of at least one front layer and at least two support layers that form a stabilizing support layer area. Furthermore, according to the invention, the individual layers of the investment casting mold each have a ceramic, silicate-free material or a mixture of ceramic, silicate-free materials. Also according to the invention, the front layer in the at least one model area reproduces a geometry of an investment casting to be produced and has an inner surface with holes, blind holes and / or reliefs with a diameter and / or a structure depth of <1 mm. Furthermore, according to the invention, the investment casting mold has an intermediate layer for compensating for the shrinkage and reducing the formation of cracks, which is arranged between the front layer and the support layer area. The front layer of the investment mold is formed according to the invention by spraying a silicate-free, fine-grain, ceramic, alginate-containing slip, hardening, sanding and drying. Furthermore, according to the invention, the support layers are formed alternately from silicate-free slips with different maximum grain sizes, sanding and drying. As a result, the front layer advantageously has a very good surface quality without cracks in at least one model area of such an investment mold and enables the production of investment cast parts with complex geometries and very good surface quality. Such an investment casting mold also advantageously has a homogeneous grain size distribution without grain size gradients over the cross section of the investment casting mold.
Ein Modellbereich im Sinne der Erfindung meint einen Bereich der keramischen, silikatfreien Feingussform, dessen innere Oberfläche, die bei der Herstellung von Feingussteilen mit der Metallschmelze in Kontakt steht, ein Modellteil abbildet und der Form des herzustellenden Feingussteils entspricht. Mindestens ein Gießsystembereich im Sinne der Erfindung meint einen Bereich der keramischen, silikatfreien Feingussform, dessen innere Oberfläche ein Gießsystem abbildet. Eine innere Oberfläche im Sinne der Erfindung meint die Oberfläche der keramischen, silikatfreien Feingussform, die bei der Herstellung von Feingussteilen mit der Metallschmelze in Kontakt steht und die im mindestens einen Modellbereich die Form eines herzustellenden Feingussteils wiedergibt und durch die Frontschicht gebildet wird. In einer Ausführungsform weist die Feingussform eine Dicke von 5 mm bis 10 mm, bevorzugt 6 mm bis 8 mm auf.A model area within the meaning of the invention means an area of the ceramic, silicate-free investment casting mold whose inner surface, which is in contact with the molten metal during the production of investment casting parts, depicts a model part and corresponds to the shape of the investment casting part to be produced. At least one casting system area within the meaning of the invention means an area of the ceramic, silicate-free investment casting mold, the inner surface of which represents a casting system. An inner surface within the meaning of the invention means the surface of the ceramic, silicate-free investment casting mold which is in contact with the molten metal during the production of investment casting parts and which reproduces the shape of an investment casting part to be produced in at least one model area and is formed by the front layer. In one embodiment, the investment casting mold has a thickness of 5 mm to 10 mm, preferably 6 mm to 8 mm.
In einer Ausführungsform weist die Frontschicht eine innere Oberfläche mit Löchern, Sacklöchern und/oder Reliefs mit einem Durchmesser und/oder einer Strukturtiefe von < 500 µm auf In einer Ausführungsform weist die Frontschicht der keramischen, silikatfreien Feingussform eine Oberflächenrauheit Ra von < 4,5 µm, bevorzugt < 3 µm, besonders bevorzugt < 2 µm auf. Dabei wird die Oberflächenrauheit Ra mittels Linienrauheitsmethode mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop gemessen.In one embodiment, the front layer has an inner surface with holes, blind holes and / or reliefs with a diameter and / or a structure depth of <500 μm. In one embodiment, the front layer of the ceramic, silicate-free investment mold has a surface roughness R a of <4.5 µm, preferably <3 µm, particularly preferably <2 µm. The surface roughness R a is measured using the line roughness method with a confocal laser scanning microscope.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Feingussform als keramisches, silikatfreies Material einen Perowskit oder einen Spinell auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Perowskit ein Perowskit auf der Basis von CaZrO3. Vorteilhaft weist eine derartige Feingussform eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegenüber hochschmelzenden Metallen, wie bspw. hochreaktiven Titanschmelzen auf.In a preferred embodiment, the investment casting mold has a perovskite or a spinel as the ceramic, silicate-free material. In a further preferred embodiment, the perovskite is a perovskite based on CaZrO 3 . Such an investment casting mold advantageously has improved corrosion resistance to refractory metals, such as, for example, highly reactive titanium melts.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die keramische, silikatfreie Feingussform eine offene Porosität von 20 bis 30 Vol.-% auf. Vorteilhaft weist eine derartige Feingussform eine gute Temperaturwechselbeständigkeit auf und gewährleistet die Gasdurchlässigkeit. Die offene Porosität wird durch Wasseraufnahme nach dem Archimedes-Prinzip bestimmt. In einer Ausführungsform umfasst die Porengrößenverteilung der Feingussform kleine und mittlere Porendurchmesser mit einen Median im Bereich von 2 µm bis 10 µm, bevorzugt von 2 µm bis 5 µm. Die Porengrößenverteilung und der mittlere Porendurchmesser werden mittels Quecksilberporosometrie bestimmt.In a preferred embodiment, the ceramic, silicate-free investment casting mold has an open porosity of 20 to 30% by volume. Such an investment mold advantageously has good thermal shock resistance and ensures gas permeability. The open porosity is determined by water absorption according to the Archimedes principle. In one embodiment, the pore size distribution of the investment casting mold comprises small and medium pore diameters with a median in the range from 2 μm to 10 μm, preferably from 2 μm to 5 μm. The pore size distribution and the mean pore diameter are determined by means of mercury porosometry.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die innere Oberfläche des mindestens einen Modellbereichs der keramischen, silikatfreien Feingussform Abmessungen von 1 mm bis 10 cm, bevorzugt 1 mm bis 5 cm in allen Raumrichtungen auf. Vorteilhaft können Feingussformen mit derartig kleinen und komplexen Modellbereichen bspw. in der Schmuckindustrie oder Feinwerktechnik zur Anfertigung von Schmuckstücken oder Bauteilen verwendet werden. Eine innere Oberfläche des mindestens einen Modellbereichs der keramischen, silikatfreien Feingussform im Sinne der Erfindung meint die Oberfläche, die bei der Herstellung von Feingussteilen in Kontakt mit der Metallschmelze steht und die Oberfläche des herzustellenden Feingussteils abbildet.In a preferred embodiment, the inner surface of the at least one model area of the ceramic, silicate-free investment casting mold has dimensions of 1 mm to 10 cm, preferably 1 mm to 5 cm, in all spatial directions. Investment casting molds with such small and complex model areas can advantageously be used, for example, in the jewelry industry or precision engineering for the production of jewelry or components. An inner surface of the at least one model area of the ceramic, silicate-free investment mold in the sense of the invention means the surface which is in contact with the molten metal during the manufacture of investment cast parts and which depicts the surface of the investment cast part to be manufactured.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erfindungsgemäße keramische, silikatfreie Feingussform zur Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen in der Schmuckindustrie und/oder in der Feinwerktechnik verwendet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform in der Schmuckindustrie oder in der Feinwerktechnik verwendet.In a preferred embodiment, a ceramic, silicate-free investment casting mold according to the invention is used for the production of investment casting parts from higher melting metals in the jewelry industry and / or in precision engineering.
In a further preferred embodiment, the method according to the invention is used to produce a ceramic, silicate-free investment casting mold in the jewelry industry or in precision engineering.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.To implement the invention, it is also expedient to combine the embodiments and features of the claims described above.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Dabei zeigen
-
1 ein Verfahrensschema zur Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus höherschmelzenden Metallen. -
2 ein schematisches Wachsmodell mit einen Gießsystem und drei Modellteilen. -
3 eine schematische Feingussform mit einem Gießsystembereich und drei Modellbereichen und schematisch den Querschnitt einer Feingussform entlang der Linie AA
-
1 a process scheme for the production of a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from higher melting metals. -
2 a schematic wax model with a casting system and three model parts. -
3 a schematic investment casting mold with a casting system area and three model areas and schematically the cross section of an investment casting mold along the line AA
Beispiel 1: Herstellung einer keramischen, silikatfreien Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus TitanExample 1: Production of a ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from titanium
Eine keramische, silikatfreie Feingussform zum Gießen von hochschmelzenden und hochreaktiven Titanlegierungen wird mit einem Verfahren entsprechend dem Verfahrensschema in
Im Schritt S1 wird auf ein verlorenes Modell aus Wachs eine Frontschicht aufgebracht, die aus einem feinkörnigen, keramischen, silikatfreien, alginathaltigen Schlicker gebildet wird.
In step S1, a front layer is applied to a lost wax model, which is formed from a fine-grain, ceramic, silicate-free, alginate-containing slip.
Der Schlicker wird in S1 mit einer Schichtdicke von 80±20 µm auf das Modell gesprüht. Der feinkörnige, keramische, silikatfreie, alginathaltige Schlicker enthält keramisches, silikatfreies, pulverförmiges CaZrO3-Material mit maximalen Korngrößen von ≤ 63 µm, Natriumalginat, Dispergier- und Netzmittel, Entschäumer und Binder entsprechend Tabelle 1. Das keramische CaZrO3-Material liegt in zwei unterschiedlichen Kornfraktionen vor, wobei alle keramischen Partikel eine Korngröße von < 63 µm aufweisen.
Tabelle 1: Versatz des feinkörnigen, keramischen, silikatfreien, alginathaltigen Schlickers für die Frontschicht
In Schritt S2 wird anschließend das mit der Frontschicht beschichtete Wachsmodell für die Dauer von 2 Sekunden in eine wässrige Härterlösung, eine 1 Gew.-% wässrige Calciumchloridlösung mit einer Zusammensetzung entsprechend Tabelle 2, getaucht.
Tabelle 2: wässrige Härterlösung
Nachfolgend wird in Schritt S3 die noch feuchte Frontschicht mit pulverförmigen, keramischen, silikatfreien CaZrO3-Besandungsmaterial der Kornfraktion 0 bis 500 µm (Imerys Fused Minerals GmbH) besandet, um die Schichtverbindung zu nachfolgenden Schichten zu verbessern. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer mittels Sprühen eines feinkörnigen, keramischen, silikatfreien, alginathaltigen Schlickers entsprechend Tabelle 1 aufgebrachten und getrockneten Frontschicht zeigen, dass die einzelnen CaZrO3-Partikel homogen verteilt und durch das im Schlicker enthaltene Alginat gebunden sind und eine dichte Schicht bilden. Anschließend wird in Schritt S4 die besandete Frontschicht für 3 Stunden bei 30°C und 60% relativer Luftfeuchtigkeit getrocknet, um die gewünschte Grünfestigkeit der Frontschicht für das Aufbringen weiterer Schichten zu erreichen.
Im Anschluss erfolgt in Schritt S5 das Aufbringen einer Zwischenschicht, die durch Tauchen in einen feinkörnigen, keramischen, silikatfreien Schlicker mit maximalen Korngrößen von ≤ 63 µm entsprechend Tabelle 3 gebildet wird.
Tabelle 3: Versatz der keramischen, silikatfreien Schlicker zum Aufbringen der Zwischenschicht und der Stützschichten
This is followed by the application of an intermediate layer in step S5, which is formed by dipping into a fine-grain, ceramic, silicate-free slip with maximum grain sizes of 63 μm in accordance with Table 3. Table 3: Offset of the ceramic, silicate-free slip for applying the intermediate layer and the supporting layers
Anschließend wird in Schritt S6 die feuchte Zwischenschicht mit CaZrO3 mit Korngrößen von 500 µm bis 1000 µm besandet und in Schritt S7 für 3 Stunden bei 30°C und 60% relativer Luftfeuchte getrocknet.Subsequently, in step S6, the moist intermediate layer is sanded with CaZrO 3 with grain sizes of 500 μm to 1000 μm and in step S7 dried for 3 hours at 30 ° C. and 60% relative humidity.
Nachfolgend wird in Schritt S8 eine Stützschicht aufgebracht, die durch Tauchen in einen keramischen, silikatfreien Schlicker mit maximalen Korngrößen von ≤ 500 µm entsprechend Tabelle 3 gebildet wird. Anschließend wird in Schritt S9 die Stützschicht mit CaZrO3 mit Korngrößen ≤ 500 µm besandet und in Schritt S10 für 4 bis 5 Stunden bei 30°C und 60% relativer Luftfeuchte getrocknet.Subsequently, in step S8, a support layer is applied, which is formed by dipping into a ceramic, silicate-free slip with maximum grain sizes of 500 μm in accordance with Table 3. Then in step S9 the support layer is sanded with CaZrO 3 with grain sizes 500 μm and in step S10 it is dried for 4 to 5 hours at 30 ° C. and 60% relative humidity.
Im Anschluss erfolgt in Schritt S11 die erste Wiederholung des Aufbringens einer Stützschicht (Schritt S8), um einen Stützschichtbereich zu bilden. Dabei wird eine zweite Stützschicht durch Tauchen in einen keramischen, silikatfreien Schlicker mit maximalen Korngrößen von ≤ 1000 µm entsprechend Tabelle 3 aufgebracht. Anschließend erfolgt in Schritt S12 die erste Wiederholung von Schritt S9, das Besanden mit CaZrO3 mit Korngrößen von 500 µm bis 1000 µm. Anschließend erfolgt in Schritt S13 die erste Wiederholung von Schritt S10, die Trocknung für 4 bis 5 Stunden bei 30°C und 60% relativer Luftfeuchte.This is followed by the first repetition of the application of a support layer (step S8) in step S11 in order to form a support layer area. A second support layer is applied by dipping in a ceramic, silicate-free slip with a maximum grain size of ≤ 1000 µm in accordance with Table 3. The first repetition of step S9 then takes place in step S12, sanding with CaZrO 3 with grain sizes of 500 μm to 1000 μm. The first repetition of step S10 then takes place in step S13, drying for 4 to 5 hours at 30 ° C. and 60% relative humidity.
Nachfolgend erfolgt in S14 die zweite Wiederholung des Schritts S8. Dabei wird eine dritte Stützschicht durch Tauchen in einen keramischen, silikatfreien Schlicker mit maximalen Korngrößen von ≤ 500 µm entsprechend Tabelle 3 gebildet. Anschließend wird in S15, der zweiten Wiederholung von Schritt S9, die dritte Stützschicht mit CaZrO3 mit Korngrößen ≤ 500 µm besandet. Nachfolgend erfolgt in Schritt S16 die zweite Wiederholung von Schritt S10, die Trocknung für 4 bis 5 Stunden bei 30°C und 60% relativer Luftfeuchte.The second repetition of step S8 then takes place in S14. A third support layer is created by dipping in a ceramic, silicate-free slip with a maximum grain size of ≤ 500 µm according to Table 3. Subsequently, in S15, the second repetition of step S9, the third support layer is sanded with CaZrO 3 with grain sizes 500 μm. The second repetition of step S10 then takes place in step S16, drying for 4 to 5 hours at 30 ° C. and 60% relative humidity.
Im Anschluss erfolgt in Schritt S17 die dritte Wiederholung von Schritt S8. Dabei wird eine vierte Stützschicht durch Tauchen in einen keramischen, silikatfreien Schlicker mit maximalen Korngrößen von ≤ 1000 µm entsprechend Tabelle 3 gebildet. Anschließend wird in Schritt S18, der dritten Wiederholung von Schritt S9, die vierte Stützschicht mit CaZrO3 mit Korngrößen von 500 µm bis 1000 µm besandet. Nachfolgend erfolgt in Schritt S19 die dritte Wiederholung von Schritt S10, die Trocknung für 4 bis 5 Stunden bei 30°C und 60% relativer Luftfeuchte. Nachfolgend erfolgt in Schritt S20 die vierte Wiederholung von Schritt S8, um den Stützbereich abschließend auszubilden. Dabei wird eine fünfte Stützschicht durch Tauchen in einen keramischen, silikatfreien Schlicker mit maximalen Korngrößen von ≤ 1000 µm entsprechend Tabelle 3 gebildet. Anschließend wird in Schritt S21, der vierten Wiederholung von Schritt S20, die Stützschicht mit CaZrO3 mit Korngrößen von 500 µm bis 1000 µm besandet.The third repetition of step S8 then takes place in step S17. A fourth support layer is formed by dipping in a ceramic, silicate-free slip with a maximum grain size of ≤ 1000 μm according to Table 3. Subsequently, in step S18, the third repetition of step S9, the fourth support layer is sanded with CaZrO 3 with grain sizes of 500 μm to 1000 μm. The third repetition of step S10 then takes place in step S19, drying for 4 to 5 hours at 30 ° C. and 60% relative humidity. The fourth repetition of step S8 then takes place in step S20 in order to finally form the support area. A fifth support layer is formed by dipping in a ceramic, silicate-free slip with a maximum grain size of ≤ 1000 µm in accordance with Table 3. Subsequently, in step S21, the fourth repetition of step S20, the support layer is sanded with CaZrO 3 with grain sizes of 500 μm to 1000 μm.
In Schritt S22 erfolgt die Trocknung des mit Frontschicht, Zwischenschicht und Stützschichtbereich beschichteten Modells erfolgt für 7 Tage bei 30°C und 60% relativer Luftfeuchte und zusätzlich für 7 Tage im Exsikkator.In step S22, the model coated with the front layer, intermediate layer and support layer area is dried for 7 days at 30 ° C. and 60% relative humidity and additionally for 7 days in a desiccator.
Anschließend wird in Schritt S23 das verlorene Modell in einem Ausschmelzverfahren bei 235°C im Trockenschrank entfernt, um einen Grünkörper zu erhalten. Abschließend wird in Schritt S24 der Grünkörper bei 1200°C in oxidierender Atmosphäre thermisch behandelt, um eine Feingussform zu erhalten und deren Endfestigkeit einzustellen. Dabei wird der Grünkörper mit einer Aufheizrate von 1 K min-1 aufgeheizt, wobei die Temperatur für 1 h jeweils bei 250°C, 660°C und 900°C und für 3 h bei 1200°C gehalten wird, die Abkühlung erfolgt frei.
Die Frontschicht, welche die innere Oberfläche der Feingussform bildet und beim Gießen in Kontakt mit der Metallschmelze steht, zeigt nach der thermischen Behandlung eine sehr gute Oberflächenqualität ohne Risse, die die Herstellung von Feingussteilen mit hoher Oberflächenqualität ermöglicht. Rasterelektronische Aufnahmen der Frontschicht nach der thermischen Behandlung zeigen die zusammengesinterten CaZrO3-Partikel und die durch das Verbrennen der Additive und des Alginats entstandenen Poren, sowie die homogene Verteilung von CaZrO3-Partikel und Poren.Subsequently, in step S23, the lost model is removed in a melting process at 235 ° C. in the drying cabinet in order to obtain a green body. Finally, in step S24, the green body is thermally treated at 1200 ° C. in an oxidizing atmosphere in order to obtain an investment casting mold and to set its final strength. The green body is heated at a heating rate of 1 K min -1 , the temperature being held at 250 ° C., 660 ° C. and 900 ° C. for 1 hour and at 1200 ° C. for 3 hours; cooling takes place freely.
The front layer, which forms the inner surface of the investment casting mold and is in contact with the molten metal during casting, shows a very good surface quality without cracks after the thermal treatment, which enables the production of investment castings with a high surface quality. Scanning electronic recordings of the front layer after the thermal treatment show the CaZrO 3 particles sintered together and the pores created by the burning of the additives and the alginate, as well as the homogeneous distribution of CaZrO 3 particles and pores.
Beispiel 2: keramische, silikatfreie Feingussform für die Herstellung von Feingussteilen aus TitanExample 2: Ceramic, silicate-free investment casting mold for the production of investment casting parts from titanium
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Verlorenes ModellLost model
- 1.11.1
- GießsystemCasting system
- 1.21.2
- ModellteilModel part
- 1.31.3
- Löcher, Sacklöcher und/oder ReliefHoles, blind holes and / or relief
- 22
- Keramische, silikatfreie FeingussformCeramic, silicate-free investment casting mold
- 2.12.1
- ModellbereichModel area
- 2.22.2
- GießsystembereichCasting system area
- 2.32.3
- FrontschichtFront layer
- 2.42.4
- StützschichtbereichSupport layer area
- 2.52.5
- Innere Oberfläche der FeingussformInner surface of the investment mold
- 2.62.6
- Löcher, Sacklöcher und/oder ReliefHoles, blind holes and / or relief
- 2.72.7
- ZwischenschichtIntermediate layer
- 2.82.8
- Dicke der FeingussformInvestment mold thickness
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
-
[Freitag2017]
Freitag, L. et al, „Silica-free investment casting molds based on calcium zirconate“, Ceramics International 43, 2017, 6807-6814 Freitag, L. et al, "Silica-free investment casting molds based on calcium zirconate", Ceramics International 43, 2017, 6807-6814 -
[Imeson2010]
Imeson A., „Food Stabilisers, Thickeners and Gelling Agents“, Wiley-Blackwell, 2010, ISBN 978-1-4051-3267-1 Imeson A., “Food Stabilizers, Thickeners and Gelling Agents”, Wiley-Blackwell, 2010, ISBN 978-1-4051-3267-1 -
[Xie2001]
Xie et al., „A new gel casting of ceramics by reaction of sodium alginate and calcium iodate at increased temperatures“, J. Mater. Sci. Lett. 20, 2001, 1255-1257 Xie et al., "A new gel casting of ceramics by reaction of sodium alginate and calcium iodate at increased temperatures," J. Mater. Sci. Lett. 20, 2001, 1255-1257 -
[Freitag2018]
Freitag, L. et. al, „Functional coatings for titanium casting molds using the replica technique“, J. Eur. Ceram. Soc. 38, 2018, 4560-4567 Friday, L. et. al, "Functional Coatings for Titanium Casting Molds Using the Replica Technique", J. Eur. Ceram. Soc. 38, 2018, 4560-4567
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 112013004948 T5 [0004]DE 112013004948 T5 [0004]
- DE 102006005057 A1 [0005]DE 102006005057 A1 [0005]
- DE 68915861 T2 [0006]DE 68915861 T2 [0006]
- DE 10317473 B3 [0007]DE 10317473 B3 [0007]
- DE 102007001724 A1 [0008]DE 102007001724 A1 [0008]
- WO 2017/077024 A1 [0009]WO 2017/077024 A1 [0009]
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- Freitag, L. et al, „Silica-free investment casting molds based on calcium zirconate“, Ceramics International 43, 2017, 6807-6814 [0072]Freitag, L. et al, "Silica-free investment casting molds based on calcium zirconate", Ceramics International 43, 2017, 6807-6814 [0072]
- Imeson A., „Food Stabilisers, Thickeners and Gelling Agents“, Wiley-Blackwell, 2010, ISBN 978-1-4051-3267-1 [0072]Imeson A., "Food Stabilizers, Thickeners and Gelling Agents", Wiley-Blackwell, 2010, ISBN 978-1-4051-3267-1 [0072]
- Xie et al., „A new gel casting of ceramics by reaction of sodium alginate and calcium iodate at increased temperatures“, J. Mater. Sci. Lett. 20, 2001, 1255-1257 [0072]Xie et al., "A new gel casting of ceramics by reaction of sodium alginate and calcium iodate at increased temperatures," J. Mater. Sci. Lett. 20, 2001, 1255-1257 [0072]
- Freitag, L. et. al, „Functional coatings for titanium casting molds using the replica technique“, J. Eur. Ceram. Soc. 38, 2018, 4560-4567 [0072]Friday, L. et. al, "Functional Coatings for Titanium Casting Molds Using the Replica Technique", J. Eur. Ceram. Soc. 38, 2018, 4560-4567 [0072]
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