DE1185775B - Verfahren zum Herstellen von Praezisionsgiessformen mit Ausschmelzmodellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B 22 d

Deutsche Kl.: 31c-5/01

Nummer: 1 185 775

Aktenzeichen: R 24722 VI a/31 c

Aiimeldetag: 7. Januar 1959

Auslegetag: 21. Januar 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Präzisionsgießformen mit Ausschmelzmodellen unter Verwendung von mehreren Überzugsschichten aus feuerfesten Werkstoffen, die nach dem Tauchverfahren nacheinander und unter Zwischentrocknung auf das Modell aufgebracht werden und von denen eine eine Schicht bildende Überzugsmasse eine eutektische Schicht von niedrigerem Schmelzpunkt als die anderen Schichten bildet. ίο

Bekanntlich werden die Formschalen selbst, damit sie genau dem Modell entsprechen, durch Eintauchen des Modells in in Suspension befindliche keramische Stoffe in mehreren übereinanderliegenden Schichten unter Zwischentrocknung hergestellt und abschließend zur Verfestigung der Hüllschichten gebrannt, wobei das Modell, das zumeist aus Wachs oder wachsähnlichem Material besteht, herausschmilzt. Den die Formschale bildenden Stoffen sind entsprechende Bindemittel zugesetzt, die beim Brennen die Erhärtung der Form herbeiführen.

Zur Erzielung einer möglichst guten Oberfläche des fertigen Gußstücks kann das Ablösen des Gußteils von der Form dadurch verbessert werden, daß auf das Wachsmodell eine erste, sehr dünne und sehr feinkörnige, gleichzeitig aber hochfeuerfeste Schicht aufgebracht wird, während die nächste Schicht dicker ist und in üblicher Weise aus mit Alkalisilikat gebundenen feuerfesten Stoffen besteht. Die erste Schicht setzt sich vorteilhaft aus Chromoxyd, Aluminiumoxyd, Tonerdesilikat und alkoholischen oder wäßrigen Lösungen von Aluminium- und Chromchlorid sowie einem Verdickungsmittel zusammen. Hierbei ist es auch bekannt, mehrschichtige Überzugsmassen für ein ausschmelzbares Modell so zu wählen, daß die an das Modell anschließende Innenschicht ein Eutektikum von wesentlich niedrigerem Schmelzpunkt als die anderen Überzugsmassen bildet. Die Innenfläche einer solchen Form besitzt bei entsprechender Zusammensetzung hohe Hitzebeständigkeit und Härte, wodurch die Neigung zur Bildung von Oxyd oder Schlackenbelägen an den Außenflächen von Gußstücken aus hochschmelzenden Legierungen oder Metallen verringert oder verhindert wird.

Während auf diese Weise die Oberflächengüte des fertigen Gußstücks verbessert wird, hat man ferner versucht, Rißbildungen und Abblättern des Überzugs auf Grund schlechter Bindung zwischen der Formschale und der Hinterfüllung dadurch zu verhüten, daß das Modell in einen Schlicker eingetaucht und mit einem Überzug versehen wird, der aus sehr Verfahren zum Herstellen von
Präzisionsgießformen mit Ausschmelzmodellen

Anmelder:

Howe Sound Company, New York, N.Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. K. A. Brose, Patentanwalt,

Pullach (Isartal), Wiener Str. 2

Als Erfinder benannt:

Theodore Operhall,

Charles Wendell Schwartz, Whitehall, Mich.;

Dickson Van Schoik, Salem, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. Januar 1958 (708 628)

feinkörnigem feuerfestem Stoff besteht, in welchem ein geringer Anteil eines sehr grobkörnigen feuerfesten Materials enthalten ist. Die Korngröße des groben Materialanteils soll mindestens derjenigen der Hinterfüllmasse entsprechen, nach Möglichkeit aber 5- bis lOmal größer sein. Der Nachteil des Arbeitens mit Hinterfüllung besteht jedoch darin, daß die Herstellung der Gußteile teuer ist, weil die Form vor dem Gießen jeweils in einen Kasten eingesetzt und hinterfüllt werden muß, wobei die Körnung der Hinterfüllung besonders sorgfältig auf die Form abzustimmen ist, da sie sonst nicht die erforderliche Nachgiebigkeit vermittelt.

Im Zusammenhang mit einem Verfahren zur Herstellung schalenförmiger Gießformen, bei welchem Modelle aus erstarrtem Quecksilber verwendet werden, ist auch bereits vorgeschlagen worden, eine Schale aus festen Bestandteilen und einem Binder herzustellen, der bei niedrigen Temperaturen an dem erstarrten Quecksilber haftet und die festen Teilchen bei der Gefriertemperatur von Quecksilber bindet, und hierbei einen Träger für den Binder zu verwenden, der aus einem organischen Lösungsmittel besteht, das unterhalb des Gefrierpunkts von Quecksilber flüssig ist, bei Umgebungstemperatur jedoch siedet. Auf diese Weise soll eine Formschale hergestellt werden, die einerseits dick genug ist, um dem Angriff der Metallschmelze widerstehen zu können,

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andererseits aber ausreichend dünn ist, um unter den Schrumpfspannungen des sich abkühlenden Gußstücks nachzugeben. Die Herstellung eines Modells aus gefrorenem Quecksilber ist jedoch schwierig und kostspielig, da besondere Kühlvorrichtungen und Anlagen zur Rückgewinnung von verdampftem Quecksilber vorgesehen sein müssen.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen von Präzisionsgießformen vorzuschlagen, welches einfach und billig durchgeführt werden kann und bei dem die hergestellten Gießformen sich bei dem etwaigen Auftreten von Rissen und Sprüngen während des Brennens oder Gießvorgangs selbsttätig abdichten. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die die eutektische Schicht bildende Überzugsmasse als äußere Schicht auf die zuvor erfolgte mehrfache Beschichtung des Modells mit feuerfester Überzugsmasse aufgebracht wird. Die Gießform wird dann zum Ausschmelzen des Modells auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher der dem äußeren Überzug zugesetzte Werkstoff beginnt, flüssig zu werden, so daß sich das Eutektikum bildet. Die zuletzt aufgebrachte Schicht kann im wesentlichen aus den gleichen Bestandteilen der üblichen aus hochfeuerfesten Stoffen zusammengesetzten Schichten bestehen, mit der Ausnahme, daß der Beschichtungsmasse ein Werkstoff mit einer Schmelztemperatur zwischen 550 und 1650° C, vorzugsweise feinverteilter l· idspat, zugesetzt wird, der etwa 0.05 bis 0,25 Gewichtsteile, bezogen auf das Gewicht der übrigen feuerfesten Stoffe der Beschichtung, ausmacht. Dieser erstere, vor dem Brennen aufgebrachte Überzug kann nach dem Brennen durch einen weiteren, gleichartig zusammengesetzten Überzug ergänzt werden.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens wird zunächst ein Wachsmodell hergestellt, das in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen mit einem mehrschichtigen Tauchüberzug versehen wird. Hierbei wird vorzugsweise zunächst ein Überzug aufgebracht, der aus sehr feinem Zirkonpulver besteht, das zusammen mit kolloidaler Kieselerde und Natriumfluorid in Wasser aufgeschwemmt ist.

Nach dem Trocknen des ersten Überzugs wird ein zweiter, im wesentlichen aus Gips und Aluminiumoxyd bestehender Überzug aufgetragen, der nach dem Trocknen wiederum durch einen Überzug der zuerst geschilderten Art überschichtet wird. Das abwechselnde Aufbringen der beiden genannten Überzüge wird so lange fortgesetzt, bis die Formschale die erforderliche Stärke besitzt.

Nunmehr wird der äußere Überzug nach der Erfindung aufgebracht, der den Zweck hat, eine Außenschicht um die Formschale zu bilden, welche beim Trocknen oder Brennen der Form zu fließen beginnt und unter der Sintertemperatur des Füllstoffes, im allgemeinen Zirkon, sintert. Durch eine derartige Schicht werden alle eventuell auftretenden Risse in den inneren Schichten während des Brennens, Vorwärmens und insbesondere während des eigentlichen Gießvorgangs verschlossen, wobei gleichzeitig die Form erheblich durch das Sintern der Außenschicht verstärkt wird, so daß die Gießform ohne Hinterfüllung verwendet werden kann. Vor dem Vergießen des Metalls kann die Form vorgewärmt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 875 bis 1200 C.

Ein Überzug, welcher die zuvor genannten Eigenschaften aufweist, hat beispielsweise die folgende Zusammensetzung:

8000 ecm kolloidale Kieselerde (3O°/oige Sorte; spezifisches Gewicht 1,198),

75 kg Zirkon (99%, etwa 0,2 mm Korngröße;

65 bis 67 Vo ZnO., 34 bis 32% SiO₂),
6250 ecm Wasser,
115 g Natriumfluorid,

0,6 kg Feldspat (8Vo K.,O, 6% CaO, 9% ZnO, 16 bis 19% Al₂O₃, 60 bis 63% SiO₂).

Die vorteilhaften Eigenschaften des äußeren Überzugs der Form werden durch den Zusatz von Feldspat als Bestandteil des Füllmittels in der Tauchschicht erzielt. Feldspat beginnt bei einer Temperatur von etwa 1200° C zu sintern und beendet seine Sinterung beim Erreichen von etwa 1550° C.

Auf diese Weise sintert sowohl der Feldspat allein wie auch in Verbindung mit dem anwesenden Silizium während des Brennens und Vorwärmens der Form zu einer eutektischen keramischen Masse, die die Poren und Risse verschließt, welche in der Formschale vorhanden sind oder sich beim Brennen, Vorwärmen oder Eingießen des Metalls bilden.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der genannten Außenschicht besteht darin, daß die Risse in der Form geschlossen werden, bevor das Metall in diese eindringt, so daß im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren ein wesentlich geringerer Anteil an Ausschuß auftritt. Während bisher mit 40 bis 50% Ausschuß im Durchschnitt gerechnet werden mußte, konnte sein Anteil bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf wenige Prozente gesenkt werden.

Das sich bildende Eutektikum wirkt als keramisches Flußmittel und verfestigt die Gipsteilchen in der Form so stark, daß es möglich wird, die Form unmittelbar an einem Kippofen zu befestigen, und ohne Anbringung einer Hinterfüllung zu füllen.

Die Menge des verwendeten Feldspats wird so bemessen, daß eine Konzentration entsteht, weiche einerseits der Form die erwünschte Festigkeitseigenschäften verleiht, andererseits jedoch gering genug ist, um ein übermäßiges Diffundieren oder die Bildung von Wärmerissen zu vermeiden. Als untere Grenze hat sich die Verwendung von 0,05 Gewichtsteilen Feldspat, bezogen auf 1 Gewichtsteil Zirkon od. dgl. Füllmittel, in der Tauchschicht bewährt, während zur Vermeidung unerwünscht großen Diffundierens 0,25 Gewichtsteile Feldspat, bezogen auf das Füllmittel, nicht überschritten werden sollen. Vorzugsweise wird Feldspat in einer Menge von 0,08 bis 0,15 Gewichtsteilen auf 1 Gewichtsteil des Füllstoffes zugesetzt.

Da der Feldspat das Bestreben hat, während des Brennens nach innen zu diffundieren, muß sowohl die Brennzeit wie auch die Brenntemperatur auf die Feldspatmenge abgestimmt werden, damit sich ein Eutektikum bildet, ohne jedoch die Form vollständig nach innen zu durchdringen. Die Berührung des in die Form eingefüllten Metalls mit dem Feldspat ist unbedingt zu vermeiden, weil geschmolzener Feldspat mit den Metallen unter Schlackenbildung reagiert.

Selbstverständlich ist es auch möglich, nicht nur der äußeren Schicht der Gießform Feldspat zuzusetzen, sondern es können quch Zwischentauch-

schichten auf die beschriebene Art hergestellt werden, unter der Voraussetzung, daß die eutektische Schicht mindestens zwei Schichten, vorzugsweise jedoch fünf oder mehr Schichten, von der Innenfläche der Formschale entfernt ist.

Durch Veränderung der Zusammensetzung der eutektischen Schicht kann die Trocknungstemperatur im Bereich zwischen 550 und 1250° C geändert werden. Obzwar nicht gleich gute Ergebnisse erzielt werden, können auch Eisenoxyd, Borax oder Zinnchlorid oder dergleichen bei niedriger Temperatur sinternde anorganische Stoffe an Stelle von Feldspat Verwendung finden. Der das Eutektikum bildende Überzug wird im allgemeinen mit niedrigerer Viskosität als die sonstigen Tauchschichten hergestellt. Der Zusatz von Feldspat ist gegenüber dem von Borax insofern vorzuziehen, als Feldspat in der Suspension der Überzugsmasse beständiger ist.

Beim Brennen, durch welches das keramische Material gehärtet und das Wachsmodell ausgeschmolzen wird, sollen vorzugsweise nur Temperaturen bis zu 1200³ C angewendet werden, weil sonst die Überzugsschicht eine glasartige Form annimmt, welche die Formschale ungünstig beeinflußt. Die Mindesttemperatur beim Brennen ergibt sich durch die zum Aktivieren des Bindemittels erforderliche Temperatur. Bei Zusatz von Borat kann die Temperatur bis auf 260° C gesenkt werden, im allgemeinen ist es jedoch vorzuziehen, bei Temperaturen von 850° C zu brennen, weil es sonst schwierig ist, das Wachsmodell aus der Formschale zu entfernen. Sofern im Temperaturbereich zwischen 875 und 1200° C gebrannt wird, spielt die Brenndauer keine wesentliche Rolle. In vielen Fällen reicht eine Brenndauer von 3 Minuten bei diesen Temperaturen. Es ist jedoch empfehlenswert, die Brenntemperatur etwa 30 Minuten lang einwirken zu lassen, wobei eine Überschreitung dieser Zeit in dem angegebenen Temperaturbereich nicht schädlich ist. Wird bei Temperaturen von mehr als 1200° C gebrannt, wird zwar die Festigkeit der Formschale erhöht, andererseits sind jedoch auch Reaktionen möglich, die ein übermäßiges Schrumpfen der Schale verursachen.

Im allgemeinen nimmt die Dicke der Tauchschichten von innen nach außen infolge der erhöhten Porosität zu, die sich durch die Anwesenheit von Gips ergibt. Eine Formschale, die aus etwa fünf Tauchschichten und einer gleichen Anzahl von Gipsschichten besteht, hat im Durchschnitt eine Stärke von ungefähr 0,5 cm und besteht zu etwa 60 Gewichtsprozent aus fester Tauchüberzugsmasse, 35 °/e Gewichtsprozent rauhem Gips mit einer Korngröße von 0,5 bis 0,2 mm, etwa 2 Gewichtsprozent von Gips mit einer Korngröße von 0,85 mm in der ersten Gipsschicht und ungefähr 3 Gewichtsprozent Gips mit einer Korngröße von 0,26 mm in der zweiten Gipsschicht. Der Feldspat macht hierbei etwa 0,5 bis 1 Gewichtsprozent der Schale aus und befindet sich vor dem Brennen fast ausschließlich in der Außenschicht der Formschale.

Nach dem Aufbringen der eutektischen Schicht wird die Form etwa 8 bis 15 Stunden vor dem Brennen getrocknet. Nach dem Brennen kann die Formschale mit einer weiteren eutektischen Schicht auf der Außenfläche versehen werden, damit zum Abdichten der sich beim eigentlichen Gießvorgang oder der Vorerhitzung eventuell bildenden Risse und Poren zusätzlich Feldspat zur Verfügung steht. Wie bereits erwähnt wurde, ist die Formschale nach der Erfindung so fest, daß sie zum Eingießen des Metalls unmittelbar auf einem Kippofen befestigt werden kann und keinerlei Notwendigkeit besteht, die Schale in eine keramische Abstützung, wie dies

ίο bisher erforderlich war, einzubetten. Hierdurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Gießform sowohl vor wie auch nach dem Vorwärmen auf schadhafte Stellen geprüft werden kann, so daß auf diese Weise Verluste an Gießmaterial auf Grund schadhafter Gießformen vermieden werden. Das Vorerhitzen kann in den üblichen Vorwärmeöfen erfolgen, wobei die Temperatur der Form auf den gewünschten Wert für das Metallgießen gebracht wird, um hierdurch ein vollständiges Fließen des Metalls in die innersten Vertiefungen der Form zu gewährleisten.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Präzisionsgießformen mit Ausschmelzmodellen unter Verwendung von mehreren Überzugsschichten aus feuerfesten Werkstoffen, die nach dem Tauchverfahren nacheinander und unter Zwischentrocknung auf das Modell aufgebracht werden und von denen eine eine Schicht bildende Überzugsmasse eine eutektische Schicht von niedrigerem Schmelzpunkt als die anderen Schichten bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die die eutektische Schicht bildende Überzugsmasse als äußere Schicht auf die zuvor erfolgte mehrfache Beschichtung des Modells mit feuerfesten Überzugsmassen aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform zum Ausschmelzen des Modells auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher der dem äußeren Überzug zugesetzte Werkstoff beginnt, flüssig zu werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem äußeren Überzug ein Werkstoff zugesetzt wird, dessen Schmelztemperatur über 550° C und unter 1650° C liegt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenschicht der Gießform Feldspat in feinverteilter Form und in einer Menge von etwa 0,05 bis 0,25 Gewichtsteilen, bezogen auf das Gewicht der übrigen feuerfesten Stoffe, zugesetzt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anbringung einer weiteren eutektischen Außenschicht nach dem Brennen der Form.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 923 933;
österreichische Patentschrift Nr. 179 853;
H. Allendorf: »Präzisionsgießverfahren mit Ausschmelzmodellen«, 1956, S. 114 bis 125.

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