DE1198496B - Verfahren zur Herstellung von Gussstuecken mit feinkoernigem Kristallgefuege - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Deutsche KL: 31c-5/01

Nummer: 1198 496 Aft/ ,

Aktenzeichen: H 48736 VI a/31 c
Anmeldetag: 3. April 1963
Auslegetag: 12. August 1965

i/to

Die Erfindung betrifft die Gewinnung von metallischen Gußkörpern mit feinkörnigem Kristallgefüge. Sie hat speziell ein Verfahren zur Gewinnung solcher Gußkörper zum Gegenstand, bei welchen die innere Oberfläche der Form für den Gußkörper mit einer Kobaltaluminat- oder Kobaltsilicatverbindung versehen wird, um die Bildung von Kristallisationskeimen bei der ersten Erstarrungsphase der eingegossenen Legierung zu katalysieren und auf diese Weise sicherzustellen, daß der Gußkörper ein feinkörniges Kristallgefüge erhält.

Es ist schon lange bekannt, daß die Korngröße eines Metalls von großem Einfluß auf einige seiner physikalischen Eigenschaften, wie z. B. die Zug- und Zerreißfestigkeit, Härte und Duktilität ist. Ein Metall von feinkörnigem Gefüge ist für gewöhnlich fester, härter und weniger duktil als das gleiche Metall mit einem grobkörnigen Gefüge. Die Korngröße, welche das Kristallgefüge eines Metalls aufweist, wird im allgemeinen durch die Intensität der mechanischen Bearbeitung und der Wärmebehandlung bestimmt, welcher das Metall im Verlauf seiner Formgebung ausgesetzt war. Hochschmelzende Legierungen, die sich nicht leicht bearbeiten lassen, d. h. die hart und praktisch nicht duktil oder schmiedbar sind, können jedoch durch solche konventionelle Verfahren nicht mit feinkörnigem Gefüge gewonnen werden. Die Herstellung von Formstückeri aus solchen Legierungen geschieht am besten durch den Formguß; gegossene Metallstücke weisen normalerweise aber ein grobkörniges Gefüge auf.

Seit längerer Zeit weiß man, daß die Korngröße von Metallen oder anderen polykristallinen Materialien in einem Zustand, der dem nach dem Erstarren aus der Schmelze entspricht, durch geeignete An-Wendung von Keimbildungskatalysatoren verfeinert werden kann. Katalysatoren dieser Art sind Substanzen, welche das Wachsen der Kristalle aus der Schmelze begünstigen. Die Schmelze einer Legierung erstarrt beim Abkühlen auf die Temperatur, bei welcher sie schmelzflüssig wird, nicht spontan; es tritt vielmehr eine beträchtliche Unterkühlung ein, bevor das Erstarren einsetzt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Erstarrung von außerordentlich kleinen Teilchen, sogenannten Kristallkeimen oder Kristallkernen, ausgeht, welche sich in der Schmelze bilden oder dort vorhanden sind. Unmittelbar unterhalb des Schmelzpunktes liegt eine metastabile Temperaturzone, in welcher in der Schmelze der Legierung keine spontane Keimbildung erfolgt. In Ab-Wesenheit geeigneter fremder Teilchen (heterogene Keimbildung) oder Teilchen der gleichen Substanz Verfahren zur Herstellung von Gußstücken
mit feinkörnigem Kristallgefüge

Anmelder:

Howe Sound Company, New York, N. Y.
(V. St. A.) ' "■■·.-

Vertreter: ·

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
Stuttgart 1, Werastr. 24 -;" -

Als Erfinder benannt:

Roy Chester Feagin, Mountain Lakes, N. J.

Beanspruchte Priorität: .7

V. St. v. Amerika vom 9. April1962 (185 882)

(homogene Keimbildung), die etwa hinzugefügt worden sind, erstarrt die Schmelze nicht, solange sie nicht auf eine Temperatur unterhalb der metastabilen Zone abgekühlt ist; ist dieser Temperaturbereich aber unterschritten, so erfolgt die Keimbildung spontan. Die sich endgültig ergebende Korngröße hängt vom Verhältnis der Geschwindigkeiten der spontanen Keimbildung und des Kristallwachstums ab. Ist die Keimbildungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Geschwindigkeit des Kristallwachstums groß, so ergibt sich ein feinkörniges Kristallgefüge. Ist dagegen die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristalle groß gegenüber der Keimbildungsgeschwindigkeit, so bildet sich ein grobkristallines Gefüge.

Teilchen, welche als Zentren für die Auslösung der Bildung von Kristallen in der Schmelze wirksam sind, bevor diese unter die metastabile Temperaturzone unterkühlt ist, werden Keimbildungskatalysatoren genannt. Der Ausdruck Katalysator wird in der Chemie oft für eine Substanz gebraucht, welche eine Reaktion begünstigt oder beschleunigt, ohne selbst an ihr beteiligt zu sein oder mindestens ohne durch sie verbraucht zu werden. Ein Keimbildungskatalysator unterscheidet sich von diesen jedoch dadurch, daß Teilchen eines solchen Katalysators in die Kristalle, deren Wachstum sie auslösen, eingebaut (von diesen also »verbraucht«) werden. Ein Keimbildungskatalysator beschleunigt dagegen das kristalline Erstarren eines polykristallinen Materials aus der Schmelze, indem es Keime bildet, von welchen ausgehend das Kristallwachstum einsetzen kann, be-

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vor die Schmelze bei Abwesenheit eines solchen Katalysators spontan kristallisieren würde. Aus diesem Grund dürften diese Stoffe wohl die Bezeichnung Katalysator erhalten haben.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit feinkristallinem Gefüge und beruht auf der Entdeckung, daß bei Verwendung einer. Kobaltaluminat- oder Kobaltsilikatverbindung zur Auslösung der Keimbildung bei Legierungen besonders günstige Ergebnisse erzielt werden. Da es nicht günstig wäre, eine solche Verbindung der Legierung selbst hinzuzufügen, sieht die Erfindung vor, diese Verbindung auf die innere Oberfläche der Gießform aufzubringen, welche zur Herstellung der Formstücke verwendet werden soll. Dann wird die schmelzflüssige Legierung in die Form eingegossen und in dieser unter die Erstarrungstemperatur abgekühlt. Das so gewonnene Gußstück zeichnet sich durch ein bemerkenswert feinkörniges Kristallgefüge aus, das viel feiner ist als ao dasjenige, das unter den gleichen Gießbedingungen unter Verwendung einer Gießform ohne Keimbildungskatalysator zu erhalten ist und das auch noch feiner ist als dasjenige, welches sich bei Anwendung eines der vielen gegenwärtig angewandten Keimbildungskatalysatoren ergibt. Somit ist der hauptsächlichste und entscheidende Vorteil der Kobaltaluminat- und Kobaltsilikatverbindungen gegenüber anderen Keimbildungskatalysatoren darin zu sehen, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten metallischen Gußstücke ein gleichmäßig verfeinertes Kristallgefüge aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung von Gußstücken mit feinkristallinem Gefüge nach der Arbeitsweise des modernen Präzisionsgießverfahrens, welches mit einer Gießform aus hochschmelzendem Material arbeitet, die um ein verlorenes Modell herum aufgebaut wird, worauf nach dem Erhärten der Formmasse das Modell entfernt wird. Obwohl man das als Keimbildungskatalysator dienende Kobaltaluminat oder Kobaltsilikat auf die Oberfläche des Formhohlraumes aufbringen kann, nachdem das Modell aus der Form genommen oder in anderer Weise aus dieser entfernt worden ist, dürfte es im allgemeinen doch bequemer und im Hinblick auf den zu erzielenden Effekt besser sein, den Keimbildungskatalysator auf die Oberfläche des Modells aufzutragen, bevor dieses mit der Formmasse umhüllt wird. Wenn dann das Modell aus der Gießform entfernt ist, verbleibt mindestens ein Teil des Katalysators an der inneren Oberfläche der Gießform. Wird z. B. eine zur Herstellung von Präzisionsgußteilen geeignete Gießform dadurch hergestellt, daß ein schmelzbares Modell aus Wachs, Kunststoffmaterial, erstarrtem Quecksilber od. ä. mit der Formmasse umhüllt wird, so benützt man eine Suspension der Kobaltaluminat- oder Kobaltsilikatverbindung in einem flüssigen Bindemittel, um damit durch Auf streichen oder durch Tauchen das Modell mit einer ersten Schicht zu überziehen, worauf auf das so vorbehandelte Modell die Formmasse aufgetragen wird, damit sich eine hochschmelzende Formschale ergibt. Eine andere, ebenfalls vorteilhafte Möglichkeit ist, den Katalysator der erhärtenden Formmasse zuzusetzen, mit welcher das Modell (z.B. durch Tauchen) überzogen wird, und diese das Modell einhüllende Formmasse erstarren zu lassen, so daß sich eine hochschmelzende Formschäle ergibt, in welche hernach die Legierung eingegossen wird.

Um eine sehr wirksame Verminderung der Korngröße zu erzielen, ist keine hohe Konzentration der Kobaltaluminat- oder Kobaltsilikatverbindung erforderlich. Eine wirksame Verminderung der Korngröße konnte mit Zusätzen von etwa 10 bis zu 300 g oder mehr je Liter flüssiger Formmasse für hochschmelzende Gießformen erzielt werden. Für gewöhnlich werden jedoch sehr gute Ergebnisse mit Zusätzen im Bereich zwischen 20 und 50 g je Liter erzielt. Dies gilt besonders für Legierungen mit hohem Nickelgehalt.

Mit der Verwendung des Ausdrucks Formschale soll nicht gemeint sein, daß es sich unbedingt um eine einteilige Gießform handeln muß. Zwar kann es wohl auch eine solche sein, doch gelten die Angaben der vorliegenden Beschreibung in gleicher Weise auch für die einzelnen Teile einer zusammengesetzten Gießform. Der Ausdruck Formschale wird hauptsächlich zur Bezeichnung der aus Formmasse bestehenden Schicht verwendet, die unmittelbar auf das Modell aufgetragen wird und die den Teil der Gießform bildet, mit welchem die Metallschmelze in Berührung kommt, wenn sie in die Hohlform zur Erzeugung des Gußstücks eingegossen wird. Eine solche Schale kann, wenn die dick und fest genug ist, die vollständige Gießform darstellen; sie kann aber auch durch Auftragen von weiterer Formmasse verdickt werden, so daß sich eine stärkerwandige Formschale ergibt; sie kann außerdem auch nur den inneren Teil einer Vollform darstellen, die man dadurch erhält, daß die Formschale in einen Formkasten eingesetzt und durch fest eingestampftes, gekörntes hochschmelzendes, abbindendes oder nicht abbindendes Material hinterfüllt wird, und die stabil ist und eine rauhe Behandlung und große Spannungen aushält. Die Schale kann auch nur die Hälfte oder ein anderes Teilstück einer vollständigen Gießform sein, die sich ergibt, wenn zwei oder mehrere dieser Teilstücke entsprechend zusammengesetzt werden. In der vorliegenden Beschreibung werden die Ausdrücke Gießform oder Formschale außerdem auch für Kerne verwendet, die in die Gießformen eingesetzt werden, damit die Gußstücke an den vorgesehenen SteEen entsprechende Hohlräume erhalten.

Es kann vermutet werden, daß Kobaltaluminat und Kobaltsilikat deswegen als Keimbildungskatalysatoren zur Auslösung des Kristallwachstums so außergewöhnlich gut wirksam sind, weil das Kobalt während der Keimbildung vollständig umgesetzt wird und weil es nicht mehr weiter oxydiert werden kann. Daher wird die eine Oxydation verursachende Wirkung des Kobalts in vollem Umfang ausgenutzt, so daß sich ein entsprechend feinkörnigeres Kristallgefüge ergibt. Demgegenüber wird bei den Oxyden des Kobalts nie eine vollständige Umsetzung des Kobalts erreicht, und das sich ergebende Korngefüge ist dementsprechend auch weniger fein.

Die Erfindung wird im nachfolgenden an Hand einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung von Metall-Präzisionsgußteilen mit feinkörnigem Kristallgefüge ausführlicher beschrieben. Die zur Herstellung solcher Gußteile erforderlichen Arbeitsgänge sind im allgemeinen: die Herstellung eines verlorenen Modells des Gußstücks, das dann mit einer erhärtenden Aufschlämmung von hochschmelzenden Materialien umgeben wird, damit sich um das Modell eine hochschmekende Schale bildet; Verstärkung

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dieser Schale in ausreichendem Maße, damit sie den die Kobaltsilikatverbindung in sehr feinteiliger Form Beanspruchungen bei der Entfernung des Modells in einer derartigen Mischung, die ein hochschmelzen- und beim Eingießen der Metallschmelze standhält; des Material enthält, dispergiert. Entfernung des Modells durch Schmelzen und Aus- Eine derartige Masse wird in der gleichen Weise gießen des flüssigen Materials aus der Formschale; 5 auf das Modell aufgetragen wie eine gewöhnliche Eingießen des schmelzflüssigen Metalls in die Gieß- Formmasse. Dieses Auftragen kann durch Aufform und schließlich Abkühlen des in der Form streichen oder Sprühen vorgenommen werden, doch befindlichen flüssigen Metalls, bis es erstarrt ist. Das wird das Aufbringen der Formmasse im Tauchvererfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die als Keim- fahren bevorzugt. Dieses besteht darin, daß das bildungskatalysator dienende Kobaltaluminat- oder io Modell in der für die Herstellung von Formen für Kobaltsilikatverbindung vor oder zusammen mit der den Präzisionsguß üblichen Weise in eine größere erhärtenden Aufschlämmung des schwer schmelzen- Menge der flüssigen Mischung eingetaucht wird, den Materials auf das Modell aufzutragen, so daß Das einer Mischung hinzugefügte Kobaltaluminat sich schließlich eine Formmaske aus dem schwer oder Kobaltsilikat eignet sich besonders gut, die erste schmelzenden Material bildet; doch können diese 15 Deckschicht auf einem Modell zu bilden, sofern diese Katalysatoren auch unmittelbar auf die innere Ober- Verbindungen nicht unmittelbar in die Formmasse fläche der Gießform aufgetragen werden, nachdem mit dem hochschmelzenden Material eingearbeitet das Modell entfernt worden ist, ohne daß dadurch wurden. Für diesen Zweck können diese Verbinder Bereich der Erfindung verlassen würde. Abge- düngen als einzige feinteilige Feststoffe in einer sehen von dem Auftragen eines der beschriebenen ao Lösung von Äthylsilikat oder in einem wäßrigen Keimbildungskatalysatoren sind die Arbeitsgänge des Kieselsäuresol suspendiert werden, dies besonders oben beschriebenen Verfahrens die gleichen wie die- dann, wenn eine dieser Substanzen zugleich auch als jenigen, die auch bisher schon bei Präzisionsgieß- flüssiges Medium für die anschließend aufzubringende verfahren angewendet wurden; all die verschiedenen Mischung mit dem hochschmelzenden Material dient. Ausführungsformen und Modifikationen dieser Ar- 25 Wenn die Kobaltaluminat- oder Kobaltsilikatverbeitsgänge können auch bei der Durchführung des bindung dazu neigt, in der Formmasse mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens angewandt werden. hochschmelzenden Material oder in einem anderen Für die Herstellung einer größeren Zahl von glei- Medium, in welchem sie dispergiert wurde, sich abchen Präzisionsgußteilen werden im allgemeinen zusetzen, so kann ein geeignetes Dispersionsmittel mehrere Urmodelle hergestellt, nach welchen einige 30 angewandt werden, um den Katalysator in Suspen-Kokillen angefertigt werden. Die verlorenen Modelle sion zu halten. Falls eine derartige Mischung oder für die serienweise Fertigung des Präzisionsgußteiles das angewandte Medium das Modell nicht benetzen werden für gewöhnlich aus Wachs oder anderem und auch in anderer Weise nicht ausreichend fest schmelzbarem Material oder aus erstarrtem Queck- haften, so kann die Formmasse mit einem Netzmittel silber oder anderen leicht schmelzbaren Metallen in 35 versetzt werden. Auch andere Zusätze können andiesen Kokillen hergestellt. gewandt werden, etwa um das Anmachen der Masse Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungs- oder deren Auftragen auf besondere Modelle zu ergemäßen Verfahrens sieht vor, den Keimbildungs- leichtern oder um ihre Anwendung unter besonderen katalysator durch Auftragen auf die Oberfläche der Bedingungen zu ermöglichen.

für die Serienfertigung hergestellten verlorenen 40 Größere Mengen von Kobaltaluminat sind durch Modelle zur Anwendung zu bringen. Eine besonders Umsetzung von Aluminiumoxyd mit technischem vorteilhafte Arbeitsweise für eine derartige Anwen- Kobaltoxyd (Co₃O₄) hergestellt worden, wobei sich dung ist, das als Katalysator dienende Kobaltalu- ein Gemisch ergab, das in überwiegender Menge minat oder Kobaltsilikat der erhärtenden flüssigen Kobalt(II)-aluminat, etwas Kobalt(III)-aluminat und Aufschlämmung des hochschmelzenden Formmate- 45 eine sehr geringe Menge an Korund (AI₂O₃) enthielt, rials beizumischen, mit welcher das Modell beschich- Demnach war die Hauptmenge des Aluminiumoxyds tet wird, worauf man sie auf diesem abbinden läßt, unter Bildung eines theoretischen Kobalt(II)-Kobalt~ so daß sich eine Formmaske aus hochschmelzendem (m)-aluminats in Reaktion getreten. Die Analyse Material bildet. Derartige Formmassen bestehen im anderer, ebenfalls verwendeter Kobaltaluminat-Pigallgemeinen im wesentlichen aus einer Suspension 50 mente ergab hohe Gehalte an Kobaltaluminat und von feinzerteilten hochschmelzenden Stoffen, wie geringe Anteile an Korund; die Analyse anderer Zirkon, Aluminiumoxyd oder Quarz, in einem wäß- Pigmente ergab einen Gehalt von ungefähr 40¹Vo rigen Medium, wie einer wäßrigen Lösung von Kobalt. Das verwendete Kobaltsilikat enthielt laut Äthylsilikat oder aus einer wäßrigen kolloidalen Analyse ungefähr 55% Kobalt. Kieselsäurelösung oder einer anderen Substanz, die 55 Die Menge an Kobaltaluminat, die der Formmasse in der Lage ist, durch Gelieren oder in anderer Weise zum Auftragen auf das Modell zugesetzt werden abzubinden, wenn das Wasser verdampft, nachdem muß, ist nicht groß. Eine deutliche Kornverfeinerung eine Deckschicht aus dieser Mischung auf das Mo- wird erzielt, wenn 20 g oder weniger Kobaltaluminat dell ausgebracht worden ist. Wenn das Modell aus im Liter der zum Auftragen auf das Modell vorgeerstarrtem Quecksilber besteht, darf die Mischung 6₀ sehenen Formmasse enthalten sind. Eine nahezu natürlich nicht mit Wasser angemacht sein; man maximale Kornverfeinerung wird erzielt, wenn die wählt dann eine Suspension eines feinteiligen hoch- Konzentration des Oxyds 50 g pro Liter beträgt, schmelzenden Materials in einer organischen Flüssig- Diese ausgezeichnete Kornverfeinerung bleibt bei keit, die Zusatzstoffe enthält, welche ein Erhärten Zusätzen bis zu 200 g pro Liter erhalten; bei einer der Mischung bewirken, wenn diese bei einer sehr 6₅ weiteren Steigerung des Zusatzes wird die Wirksamtiefen Temperatur auf das Modell aufgetragen ist. keit der Mischung, eine Kornverfeinerung herbeizu-Zur praktischen Durchführung des erfindungs- führen, verhältnismäßig wenig weiter erhöht; doch gemäßen Verfahrens wird die Kobaltaluminat- oder können Konzentrationen über 200 g pro Liter ebenso

noch mit Vorteil angewandt werden wie Konzen- aufgetragen, damit sich eine Formschale von austrationen unter 20 g pro Liter, Bei Verwendung von reichender mechanischer Festigkeit ergibt; die als Kobaltsilikat können praktisch die gleichen Konzen- Katalysatoren dienenden Kobaltaluminat- und Kotrationen angewandt werden, wobei auch ähnliche baltsilikatverbindungen können jedoch nur wirksam Ergebnisse zu erzielen sind. S werden, wenn sie mit dem schmelzflüssigen Metall

Es ist darauf hinzuweisen, daß die oben ange- in Berührung kommen. Infolgedessen bringt es keigebenen Konzentrationen besonders wirksam sind, nen Vorteil, wenn diese Verbindungen auch den wenn Legierungen mit hohem Nickelgehalt ange- Formmassen zugesetzt werden, die für die zweite wandt werden. Wenn beim erfindungsgemäßen Ver- und die weiteren Formschichten der Fonnschale verfahren als Metallschmelze etwa eine Legierung mit io wendet werden. Tatsächlich ist es auch die übliche hohem Kobaltgehalt verwendet wird, so werden die Praxis, für die erste auf das Modell aufgetragene Kobaltaluminat- und Kobaltsilikatverbindungen bei Schicht eine andere Formmasse zu benutzen als für Konzentrationen von 50 g pro Liter und mehr als die weiteren Schichten. Die Formmasse der ersten Keimbildungskatalysatoren am besten wirksam. Eine Schicht enthält das hochschmelzende Material in außergewöhnlich starke Verminderung der Korn- 15 einer feineren Verteilungsform und ist infolgedessen größe ergibt sich bei Konzentrationen von 200 g pro besser geeignet, eine gute Gießformoberfläche zu Liter und darüber. In all diesen Fällen wurden bilden als die Masse, die für die zweite und die höhere Gehalte bis zu 20%, bezogen auf den hoch- weiteren Schichten verwendet wird. Es bedeutet inschmelzenden Bestandteil, zur Anwendung gebracht. folgedessen kein Abgehen von der üblichen Praxis, Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Ver- 20 wenn für die erste Schicht eine andere Formmasse fahren zu verwenden, um an verschiedenen Teilen verwendet wird als für die zweite und die daraufdes gleichen Gußstücks die Korngröße individuell zu folgenden Schichten.

beeinflussen. Um dies zu erreichen, wird das als Nachdem die erste abbindende Formmasse auf das

Katalysator dienende Kobaltaluminat oder Kobalt- Modell aufgetragen ist (gleichgültig ob sie die als silikat nur an den vorgesehenen Stellen auf das 25 Katalysator dienenden Kobaltaluminat- oder Kobalt-Modell aufgetragen. Wenn z. B. beabsichtigt ist, ein Silikatverbindungen in dispergierter Form enthält Gußstück herzustellen, das in einem Teil ein fein- oder nicht), wird diese, noch bevor sie erhärtet ist, körniges Kristallgefüge und in den übrigen Teilen ein mit verhältnismäßig grobteiligem hochschmelzendem verhältnismäßig grobes Korn aufweist, so wird der Material bestreut oder »besandet«. Diese Teilchen Teil des Modells, der dem feinkörnigen Teil des 30 dringen teilweise in die noch plastische Formmasse Gußstücks entspricht, mit einer Mischung abgedeckt, ein und begünstigen die Bindung der zweiten Formdie eine oder mehrere der angegebenen katalytisch massenschicht an die erste. Vorzugsweise wird jede wirkenden Verbindungen enthält, während der Teil der aufeinanderfolgenden Formmassenschichten, mit des Modells, der dem verhältnismäßig grobkörnigen Ausnahme der letzten, in ähnlicher Weise bestreut. Teil des Gußstücks entspricht, eine Deckschicht aus 35 Die Bildung der schwer schmelzenden Gießform einer Mischung erhält, die nur eine geringe Menge und die Herstellung eines Gußstücks mit ihrer Hilfe oder keinen Zusatz an katalytisch wirkenden Ver- wird, wenn auf das Modell eine Masse mit einem bindungen enthält. In ähnlicher Weise kann vor- Keimbildungskatalysator aufgetragen wurde, in der gegangen werden, wenn unter Bedingungen, bei wel- gleichen Weise vorgenommen, wie es sonst bei der chen sich normalerweise Gußstücke ergeben, die in 40 Herstellung von Präzisionsgußteilen üblich ist. Wenn verschiedenen Abschnitten sehr unterschiedliche die mit der gewünschten Dicke hergestellte Form-Korngrößen aufweisen, gleichmäßig feinkörnige Guß- schale von sich aus nicht fest genug ist, um der stücke hergestellt werden sollen. Wenn z.B. ein Beanspruchung, der sie ausgesetzt werden soll, stand-Gußstück Teile aufweist, die von sehr unterschied- zuhalten, so kann sie in geeigneter Weise verstärkt licher Dicke sind, so ist, wenn es in der bisher 45 werden. Zu diesem Zweck kann sie in einen Formüblichen Weise gegossen wurde und wenn speziell kasten eingesetzt und mit einer dichtgepackten abdie Bedingungen, unter welchen der Guß durchge- bindenden Formmasse oder mit einer dichtgepackten, führt wurde, derart waren, daß sich der dünnere Teil aber nicht abbindenden Füllung von gekörntem hochrasch abkühlen konnte, in dem dünnen Teil das schmelzendem Material in diesen eingebettet werden. Kristallgefüge beträchtlich feinkörniger als im dicken. 50 Dicke und feste Fonnmasken oder solche, die keiner Bei solchen Gußstücken läßt sich ein gleichmäßig stärkeren Beanspruchung ausgesetzt werden, "braufeinkörniges Kristallgefüge dadurch erzielen, daß der chen nicht verstärkt zu werden, dem dicken Teil des Gußstücks entsprechende Teil Als nächstes wird das Modell aus der Form ent-

des Modells mit einer Mischung überzogen wird, fernt. Für gewöhnlich wird zu diesem Zweck die welche das als Katalysator wirkende Kobaltaluminat 55 Form mit dem darin befindlichen Modell auf eine oder Kobaltsilikat in höherer Konzentration enthält, Temperatur erhitzt, die über der Schmelztemperatur während der Teil des Modells, der dem dünnen des Materials liegt, aus welchem das Modell besteht; Abschnitt des Gußstückes entspricht, mit einer Mi- dabei wird die Form mit der Öffnung nach unten schung abgedeckt wird, die nur eine geringe Menge gehalten, damit das geschmolzene Modellmaterial des Katalysators oder überhaupt nichts davon enthält. 60 ausfließen kann. Wenn das Modell aus Wachs oder Wenn, wie im allgemeinen bevorzugt, das Kobalt- einem anderen schmelzbaren Material besteht, so aluminat oder das Kobaltsilikat in der Formmasse wird die Gießform so lange erhitzt, bis durch Oxydispergiert wird, die auf das Modell aufgetragen und dation oder Verflüchtigung oder beides auch die unter Bildung der Formmaske abbinden soll, so letzten Reste des Modellmaterials, die an der Oberbraucht nur die in der untersten Schicht aufgetragene 65 fläche der Form zunächst noch zurückbleiben, voll-Masse eine derartige Verbindung zu enthalten. Für ständig entfernt sind. Statt durch Ausschmelzen und gewöhnlich wird auf das Modell nacheinander eine Verflüchtigen kann das Modell auch durch Extrak-Reihe von Schichten aus abbindenden Formmassen tion mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt

werden. Das Modell kann auf diese Weise entweder mit einem in der flüssigen Phase oder mit einer Verdampfung arbeitenden Lösungsmittel-Extraktionsverfahren herausgelöst werden.

Es ist jedoch erforderlich, daß bei der Entfernung des Modells die Kobaltaluminat- oder Kobaltsilikatverbindung an der inneren Oberfläche der Gießform verbleibt und diese mindestens teilweise bildet. Es ist indessen kein besonderer Arbeitsgang erforderlich, um sicherzustellen, daß diese Bedingung erfüllt ist.

Wenn der Katalysator — wie bevorzugt — in der Weise angewandt wird, daß man ihn der Formmasse für die innerste Schicht der Formschale beifügt oder daß man ihn in Form einer Grundschicht aus einer abbindefähigen Masse auf das Modell aufträgt, so verbleibt er selbstverständlich an den vorgesehenen Stellen, wenn das Modell entfernt wird. Es ist nur erforderlich, die Entfernung des Modells aus der Form mit der erforderlichen Vorsicht vorzunehmen, damit sich der Katalysator vom Modell ablöst und an der Oberfläche der Form zurückbleibt.

Zur Vorbereitung des Gusses wird die Gießform vorzugsweise vorher schon auf eine höhere Temperatur erhitzt. Dann wird die schmelzflüssige Legierung in die Form eingegossen und bis zur völligen Erstarrung darin belassen. Für gewöhnlich läßt man das erhaltene Gußstück in der Form so weit abkühlen, bis es eine Temperatur erreicht hat, bei welcher es ohne Schwierigkeit gehandhabt werden kann. Danach wird die Formschale weggebrochen, worauf die gewünschten gegossenen Formstücke von den Gußzapfen und Steigern befreit werden.

Besonders die Kobaltaluminatverbindungen, aber auch die Kobaltsilikatverbindungen sind als Keimbildungskatalysatoren für Gußteile mit feinkörnigem Kristallgefüge aus Legierungen mit hohem Nickeloder mit hohem Kobaltgehalt besonders wirksam; infolgedessen ist insbesondere die Anwendung von Kobaltaluminat- und Kobaltsilikatverbindungen für die Herstellung von Gußteilen aus solchen Legierangen ein spezieller Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf die Herstellung von Gußteilen mit feinkörnigem Kristallgefüge irgendeiner speziellen Legierung beschränkt ist.

Die Tabelle gibt als Beispiel die nominellen Zusammensetzungen (in Gewichtsprozent) verschiedener Legierungen an, die mit Erfolg nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Teilen mit feinkörnigem Kristallgefüge vergossen worden sind.

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	Legierung A	Legierung B
Kohlenstoff	<0,10 <0,t5 <0,20 < 0,015 15,0 3,25	0,50
Mangan	0,030 4,25 5,0 <4,00 <0,10 <0,06 Rest 18,5
Silicium
Schwefel	25,5
Chrom
Titan
Bor	7,5
Aluminium	<2,00
Wolfram
Molybdän	10,5 Rest
Eisen
Kupfer
Zirkonium
Nickel
Kobalt

— Gußteile, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind, zeichnen sich dadurch aus, daß die Korngröße des Kristallgefüges in den Abschnitten, die den Teilen der Formoberfläche entsprechen, welche mit dem Keimbildungskatalysator versehen sind, erheblich geringer ist als bei gleichen Gußteilen, die in der gleichen Weise, aber unter Verwendung einer nicht in der erfindungsgemäßen Weise vorbereiteten Gießform hergestellt worden sind. Metallgußteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, weisen ein Kristallgefüge auf, dessen Körnchen zu klein sind, als daß sie mit dem unbewaffneten Auge zu erkennen wären (so wurden z. B. Körner mit einem Durchmesser von unter 0,25 mm gefunden), während bei Gußstücken der gleichen Form, die in der gleichen Weise, jedoch ohne Anwendung von Keimbildungskatalysatoren hergestellt worden waren, Korngrößen zwischen 6 und 13 mm Durchmesser beobachtet wurden.

Es ist interessant und von einiger Bedeutung, daß die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielende Kornverfeinerung verhältnismäßig tief in das Gußstück hineinreicht. Obwohl die bei diesem Verfahren angewandte Keimbildungskatalyse in erster Linie ein Oberflächenphänomen ist, erstreckt sich ihre Auswirkung doch über einen beträchtlichen Bereich in das Material hinein. Die Kristallkörner von Gußstücken sind oft von stengeliger Form und so orientiert, daß sie senkrecht zur Oberfläche des Gußstücks nach innen ragen. Dies ist dadurch zu erklären, daß die Erstarrung des schmelzflüssigen Metalls an zahlreichen Stellen an der Oberfläche beginnt und nach innen fortschreitet, wobei das Wachstum in dieser Richtung von den benachbarten Kristallen weniger gestört wird als in einer Richtung quer dazu. Der Effekt scheint aber nicht ausschließlich ein Oberflächenphänomen zu sein, da in Querschnitten durch behandelte Gußstücke viel mehr Körner zu sehen sind, die eindeutig nicht von der Oberfläche ausgehen, als dies bei Querschnitten durch unbehandelte Gußstücke der Fall ist.

Die nachfolgend beschriebenen Verfahrensweisen sind typische Beispiele für die erfindungsgemäße Herstellung von Gußstücken mit feinkörnigem Kristallgefüge.

Durch Anmachen von feingemahlenem Zirkon mit einer wäßrigen Tauchflüssigkeit, die 20% Siliciumdioxyd enthielt, wurde eine erhärtende Formmasse mit hochschmelzenden Bestandteilen hergestellt. Diese Aufschlämmung wurde mit 50 g Kobaltaluminat pro Liter versetzt, das laut Analyse einen hohen Gehalt an Kobalt(II)-aluminat und eine geringe Menge Korund enthielt. In die so erhaltene Mischung wurde das Wachsmodell einer Gruppe von Turbinenschaufeln eingetaucht, worauf die auf dem Modell befindliche Schicht der Formmasse in üblicher Weise besandet wurde. Anschließend wurden, ebenfalls durch Tauchen, drei weitere Schichten einer ähnlichen oder gleichwertigen Formmasse mit hochschmelzenden Bestandteilen aufgebracht, die aber kein Kobaltaluminat enthielt. Jede Schicht wurde mit gemahlener Schamotte besandet; die nächste Schicht wurde jeweils erst dann aufgebracht, wenn die vorhergehende erhärtet war. Das beschichtete Modell wurde in einen Formkasten eingesetzt und mit einer abbindenden Masse hinterfüllt. Nachdem die Hinterfüllmasse abgebunden hatte, wurde die so erhaltene Gießform auf den Kopf gestellt und erhitzt, um das

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Wachsmodell auszuschmelzen. Anschließend wurden die Wachsreste, die an der inneren Oberfläche der Form zurückgeblieben waren, abgebrannt. Anschließend wurde die Form weiter erhitzt, bis sie eine Temperatur von ungefähr 982⁰C erreicht hatte. Dann wurde in die Form eine Schmelze der Legierung A, deren Zusammensetzung in der Tabelle wiedergegeben ist, mit einer Temperatur von ungefähr 1538° C eingegossen. Die mit dem Metall gefüllte Form ließ man dann abkühlen, wobei das Metall erstarrte, bis die Temperatur so weit abgesunken war, daß die Form weggebrochen werden konnte. Anschließend wurden die Turbinenschaufeln von den damit verbundenen Gußzapfen und Steigern befreit. Es konnte festgestellt werden, daß das Kristallgefüge der so erhaltenen Gußstücke wesentlich feinkörniger als sonst war; der mittlere Korndurchmesser lag unter ungefähr 0,25 mm. Demnach waren die einzelnen Kristallkörnchen so klein, daß sie mit dem unbewaffneten Auge praktisch nicht mehr unterschieden werden konnten. Im Gegensatz dazu wurden bei gleichartigen Turbinenschaufeln, die gleichzeitig und unter identischen Bedingungen, aber in Formen gegossen worden waren, die kein Kobaltaluminat oder ein anderes gleichwertiges Material enthielten, Korndurchmesser bis zu ungefähr 6,5 mm beobachtet.

Bei einem anderen typischen Beispiel wurde die Formmasse mit 100 g Kobaltsilikat pro Liter versetzt. In die daraus hergestellte Form wurde, nachdem sie wie oben auf höhere Temperatur gebracht worden war, eine Schmelze der Legierung B mit einer Temperatur von ungefähr 1538° C eingegossen. Bei den nach dem Abkühlen freigelegten Gußstücken wurde in diesem Fall ein feinkörniges Kristallgefüge festgestellt, wobei der mittlere Durchmesser der Kristallkörner unter 0,8 mm betrug.

Im allgemeinen wird jedenfalls ein verhältnismäßig feinkörniges Kristallgefüge erzielt. Bei Legierung A konnte mit nur geringen Zusätzen von Kobaltaluminat oder Kobaltsilikat eine außergewöhnliche Reduktion der Korngröße erreicht werden. Eine ähnlich starke Reduktion der Korngröße konnte bei Legierung B jedoch nur bei Anwendung höherer Konzentrationen des Keimbildungskatalysators in der Formmasse erzielt werden.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit feinkörnigem Kristallgefüge aus einer Metalllegierung durch Gießen einer Schmelze dieser Legierung in eine Form, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Formhohlraums, welcher zur Herstellung des Gußstücks dient, aus einer Schicht gebildet wird, die eine Verbindung aus der Gruppe Kobaltaluminat oder Kobaltsilikat enthält, und daß die Legierung in der Form unter die Erstarrungstemperatur abgekühlt wird, wobei die Bildung von Kristallkeimen in der Legierung beim ersten Erstarren der Schmelze durch die Kobaltverbindungen katalysiert wird.

2. Metallegierung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Nickel oder Kobalt oder beide Metalle enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform vor dem Eingießen der Metallschmelze auf eine höhere Temperatur erhitzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch wirkende Verbindung auf die Oberfläche eines Modells des gewünschten Gußstücks aufgebracht, daß die auf dem Modell befindliche katalytisch wirksame Schicht zu einer Gießform verstärkt und daß das Modell aus der Form entfernt wird, wobei mindestens ein Teil der katalytisch wirksamen Verbindungen zurückbleibt und mindestens teilweise die innere Oberfläche der Gießform bildet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines verlorenen Modells des gewünschten Gußstücks mit einer Schicht überzogen wird, daß auf das beschichtete Modell zur Bildung einer Gießform eine abbindende Formmasse mit hochschmelzenden Bestandteilen aufgetragen und daß das im Innern der Form befindliche Modell entfernt wird, nachdem die Formmasse erhärtet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines schmelzbaren Modells beschichtet wird, daß auf das beschichtete Modell zur Bildung einer Gießform eine abbindende Formmasse mit hochschmelzenden Bestandteilen aufgetragen und daß das Modell nach dem Erhärten der Formmasse auf eine Temperatur erhitzt wird, die über dem Schmelzpunkt des Modellmaterials liegt, so daß eine dem Modell entsprechende Hohlform entsteht.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch wirksame Verbindung in eine abbindende Formmasse mit hochschmelzenden Bestandteilen eingearbeitet wird, daß auf ein Modell des gewünschten Gußstücks eine Schicht der so modifizierten Formmasse aufgetragen wird, worauf man die Formmasse auf dem Modell erhärten läßt, und daß anschließend das Modell aus der erhärteten Schale entfernt wird, damit sich eine Hohlform ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Modells eine dünne Schicht einer flüssigen Masse aufgetragen wird, die mindestens 10 g pro Liter der katalytisch wirksamen Verbindung enthält.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Nickel als Hauptbestandteil enthält und daß die Beschichtung des Modells mit einer flüssigen Masse vorgenommen wird, die zwischen 20 und 50 g pro Liter der katalytisch wirksamen Verbindung enthält.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung als Hauptbestandteil Kobalt enthält und daß die auf das Modell aufgetragene flüssige Masse zwischen ungefähr 20 und ungefähr 200 g pro Liter katalytisch wirksame Verbindung suspendiert enthält.

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