DE1257364B - Graphite coating for refractory molds and process for its manufacture - Google Patents
Graphite coating for refractory molds and process for its manufactureInfo
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Description
DEUTSCHES GERMAN 'MrWWi' 'MrWWi' PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Deutsche KL: 31 b1 -1/06 German KL: 31 b1 -1/06
Nummer: 1257 364Number: 1257 364
Aktenzeichen: G 43428 VI a/31 b1File number: G 43428 VI a / 31 b1
J 257 364 Anmeldetag: 23.April 1965J 257 364 filing date: April 23, 1965
Auslegetag: 28. Dezember 1967Open date: December 28, 1967
Die Erfindung betrifft einen Graphitüberzug für die Innenflächen von porösen, für Präzisionsguß, insbesondere für den Guß von Titan und seine Legierungen, geeigneten Schalengießformen sowie ein Verfahren zur Erzeugung des Graphitüberzugs.The invention relates to a graphite coating for the inner surfaces of porous, for precision casting, in particular for the casting of titanium and its alloys, suitable shell molds and a process to produce the graphite coating.
In der Gießtechnik ist die Verwendung von Graphitformen für relativ kleine, beispielsweise aus Titan, Zirkonium und Hafnium bestehende Reaktionsmetalle sowie für schwer schmelzbare Metalle und ihre Verbindungen, beispielsweise auf der Basis von Molybdän, Niob, Chrom, Wolfram, Tantal u. dgl., bekannt. Derartige Graphitformen sind aus puder- oder granulatförmigem Graphit und einem karbonisierbaren Bindemittel hergestellt, die gemeinsam in eine Form eingeformt und danach gehärtet werden. Neben gemahlenem Graphit dient auch Kienruß zur Auskleidung der Formen, der entweder auf die Formwandung aufgepudert oder in einer Suspension aufgestrichen wird. Des weiteren ist bekannt, die Gießform durch maschinelles Herausarbeiten aus Graphitblöcken oder durch Einpressen von Modellformen in den Graphit herzustellen. Zur Beschichtung der Formoberfläche mit Ruß wurde auch vorgeschlagen, Naphthalin zu verdampfen und auf die Innenfläche der Gießform niederzuschlagen.In casting technology, the use of graphite molds for relatively small, for example off Titanium, zirconium and hafnium existing reaction metals as well as for metals that are difficult to melt and their compounds, for example based on molybdenum, niobium, chromium, tungsten, tantalum and the like, known. Such graphite forms are made of powder or granular graphite and one Carbonisable binders are produced, which are molded together in a mold and then hardened will. In addition to ground graphite, carbon black is also used to line the molds, either is powdered onto the wall of the mold or painted in a suspension. It is also known the casting mold by machining out of graphite blocks or by pressing in of model shapes in the graphite. The mold surface was coated with carbon black also proposed to vaporize naphthalene and deposit it on the inner surface of the mold.
In allen diesen Fällen wird aber Graphit isotropischer Struktur verwendet, der nicht nur relativ schnell von der Formwandung erodiert, sondern auch leicht in Lösung geht und dadurch zumindest teilweise der Metallschmelze zugeführt wird. Diese Eigenschaft des isotropen Graphits macht insbesondere die Herstellung von Präzisionsgußteilen unmöglich, weil die Gießformen durch die Zerstörung des Graphitüberzugs ihre Maßhaltigkeit verlieren.In all these cases, however, graphite with an isotropic structure is used, and not only relatively quickly eroded from the mold wall, but also easily dissolves and thus at least partially is fed to the molten metal. This property of isotropic graphite makes it special the production of precision castings impossible because the casting molds by the destruction of the Graphite coating lose their dimensional accuracy.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gießform zu schaffen, deren Graphitauskleidung eine
größere Beständigkeit aufweist. Dies gelingt dadurch, daß der Graphitüberzug aus anisotropem, pyrolytischem
Graphit hergestellt wird. Kristallines, anisotropes Graphitmaterial mit hohem Orientierungsgrad, genannt pyrolytischer Graphit, weist bei hohen
Temperaturen eine ungewöhnliche Festigkeit auf und besitzt einen hohen Abtragungswiderstand sowie andere
vorzügliche thermische und elektrische Eigenschaften. Obgleich der pyrolytische Graphit und der
bei den bekannten Gießformen zur Verwendung kommende isotrope Graphit zwei dieselbe Farbe aufweisende
Kohlenstoffkonfigurationen sind, bestehen bezüglich ihrer physikalischen und mechanischen
Eigenschaften und ihrer Korn- und Kristallorientierung erhebliche Unterschiede. So kann beispielsweise
das Kornorientierungsverhältnis für gewöhnlichen Graphitüberzug für feuerfeste Gießformen und
Verfahren zu seiner HerstellungThe object of the invention is to create a casting mold whose graphite lining is more durable. This is achieved in that the graphite coating is made from anisotropic, pyrolytic graphite. Crystalline, anisotropic graphite material with a high degree of orientation, called pyrolytic graphite, has an unusual strength at high temperatures and has a high erosion resistance as well as other excellent thermal and electrical properties. Although the pyrolytic graphite and the isotropic graphite used in the known casting molds are two carbon configurations of the same color, there are considerable differences in their physical and mechanical properties and their grain and crystal orientation. For example, the grain orientation ratio for ordinary graphite coating for refractory molds and
Process for its manufacture
Anmelder:Applicant:
General Electric Company,
Schenectady, Ν. Υ. (V. St. A.)General Electric Company,
Schenectady, Ν. Υ. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. Μ. Licht, Dr. R. Schmidt,
Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. Hansmann
und Dipl.-Phys. S. Herrmann, Patentanwälte,
München 2, Theresienstr. 33Dipl.-Ing. Μ. Light, dr. R. Schmidt,
Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. Hansmann
and Dipl.-Phys. S. Herrmann, patent attorneys,
Munich 2, Theresienstr. 33
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Wilbur Horace Schweikert, Cincinnati, Ohio
(V. St. A.)Wilbur Horace Schweikert, Cincinnati, Ohio
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. v. Amerika vom 6. Mai 1964 (365 255)V. St. v. America May 6, 1964 (365 255)
handelsüblichen, isotropen Graphit 3:1 betragen. Der anisotrope, pyrolytische Graphit jedoch besitzt ein Orientierungsverhältnis zwischen 100:1 und 2000 und mehr zu 1. Daher hat der pyrolytische Graphit strangartige Kristalle, die im allgemeinen frei von Rissen sind und in einer einzigen Ebene orientiert sind. Dieser Graphit wird durch Dissoziation eines Kohlenwasserstoffgases bei sehr niedrigen Drücken — weniger als 1 atm — und bei Temperaturen bis zu etwa 2500° C hergestellt. Die Niederschlagsgeschwindigkeit hängt von dem Kohlenwasserstofftyp, der Temperatur und der Höhe des vorhandenen Vakuums ab. Der sich daraus auf einer Oberfläche ergebende Niederschlag besteht aus einer Reihe von Nadellamellen, die im wesenthchen parallel zu der Fläche liegen, auf der sie sich ablagern.commercial, isotropic graphite 3: 1. The anisotropic, pyrolytic graphite, however, possesses an orientation ratio between 100: 1 and 2000 and more to 1. Therefore, the pyrolytic Graphite strand-like crystals that are generally free from cracks and oriented in a single plane are. This graphite is made by dissociation of a hydrocarbon gas at very low Pressures - less than 1 atm - and produced at temperatures up to about 2500 ° C. The rate of precipitation depends on the type of hydrocarbon, the temperature and the level of vacuum present. The result of it on a surface The resulting precipitate consists of a series of needle lamellas that are essentially parallel to the surface on which they are deposited.
Ihre besondere Orientierung hat zur Folge, daß sich die Wärme entlang den Schichten oder Lamellen viele hundertmal schneller bewegt als durch die Schichten hindurch. Demzufolge hat der pyrolytische Graphit in der einen Richtung eine gute Wärmeleitfähigkeit, während er in der anderen wie ein Isolator wirkt. Die Kristalle des gewöhnlichen isotropen Graphits sind z. B. durch Druckeinwirkung oder durch ein Bindemittel willkürlich angeordnet, so daß die Wärmeleitfähigkeit eine Funktion der Materialdicke ist. Pyrolytischer Graphit ist beträchtlich härter undTheir special orientation means that the heat is spread along the layers or lamellas moved many hundreds of times faster than through the layers. As a result, the pyrolytic Graphite has good thermal conductivity in one direction, while acting as an insulator in the other works. The crystals of ordinary isotropic graphite are e.g. B. by pressure or by a binder randomly placed so that thermal conductivity is a function of material thickness is. Pyrolytic graphite is considerably harder and
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setzt der Korrosion und der Abtragung einen größeren Widerstand entgegen als gewöhnlicher Graphit. Diese und andere Unterschiede zwischen pyrolytischem Graphit und gewöhnlichem Graphit sind in der Literatur ausführlich beschrieben worden.offers greater resistance to corrosion and erosion than ordinary graphite. These and other differences between pyrolytic graphite and ordinary graphite are in the Literature has been described in detail.
Präzisionsgießformen hoher Qualität aus feuerfesten Materialien werden seit langem mit Hilfe der bekannten Wachs- oder Preßgußtechnik hergestellt. Man hielt es deshalb für wünschenswert, während der Ausführung dieser Gießverfahren die Formfläche mit ganz feinem Graphitpulver zu bedecken, in der Meinung, daß nach dem Brennen der Form eine ausreichende Graphitmenge zurückbleibt, die für das geschmolzene Titan oder andere reagierende Metalle, die in die Form gegossen werden, eine nicht reagierende Oberfläche bildet. Bei dieser Präzisionsgießtechnik wird jedoch gewöhnlich so gearbeitet, daß die rohe Form in einer Flamme hoher Temperatur an Luft, z. B. bei 982° C, gebrannt wird, um sicherzugehen, daß das ganze kohlenstoffhaltige Material von dem Wachsmodell abgebrannt ist. Unter diesen Bedingungen würde der Graphit auf der Oberfläche der nassen Form genauso gut oxydiert werden. Deshalb ermöglicht die Erfindung, die der Erzeugung eines pyrolytischen Graphitmantels auf der Innenseite einer Präzisionsgießform dient, daß reagierende oder schwer schmelzbare Metalle in einer praktischen, wirkungsvollen und wirtschaftlichen Weise vergossen werden können. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß der pyrolytische Graphit im Vergleich zu dem gewöhnlichen isotropen Graphit vom geschmolzenen Metall weniger angegriffen wird. In der Tat wurde durch die Verwendung der bekannten isotropen Graphitformen beim Gießen von Gegenständen aus Titan eine starke Kohlenstoffverschmutzung festgestellt. Es ergab sich nun, was für das Gußteil wichtig ist, daß durch die Verwendung von pyrolytischem Graphit durch die in die Form gegossene Metallverbindung nur eine relativ geringe Menge Kohlenstoff aufgenommen wird.High quality precision casting molds made from refractory materials have long been used with the help of known wax or pressure casting technology. It was therefore considered desirable while the execution of this casting process to cover the mold surface with very fine graphite powder, in the Opinion that after the mold is fired, there will be enough graphite left for the molten titanium or other reactive metals poured into the mold, a non-reactive one Surface forms. In this precision casting technique, however, it is usually worked so that the raw form in a high temperature flame in air, e.g. B. at 982 ° C, is fired to ensure that all of the carbonaceous material has burned off the wax model. Under these Conditions, the graphite on the surface of the wet mold would be oxidized as well. That's why The invention enables the creation of a pyrolytic graphite shell on the inside a precision casting mold that reacts or difficult to melt metals in a practical, can be shed in an effective and economical way. It also has showed that the pyrolytic graphite compared to the ordinary isotropic graphite from the fused Metal is less attacked. Indeed, through the use of the known wasotropic Graphite molds when casting titanium objects cause severe carbon pollution established. It now emerged, what is important for the casting, that through the use of pyrolytic Graphite only a relatively small amount due to the metal compound poured into the mold Carbon is absorbed.
Es wurde gefunden, daß die Ablagerung von pyrolytischem Graphit auf den inneren Flächen der Präzisionsgießformen, die beispielsweise durch das Wachsausschmelzverfahren hergestellt wurden, sich leicht mit Hilfe bekannter, in der Erfindung benutzter Einrichtungen erreichen läßt, und zwar bei Drücken zwischen 1 mm Hg und weniger als 1 atm und bei Temperaturen zwischen 704 und 1204° C. Die Druck- und Temperaturwerte hängen dabei von der Dissoziationstemperatur und der Ablagerungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffs und außerdem von dem Schwächungspunkt oder dem nutzbaren Festigkeitsbereich des Formenbindemittels ab. In der Zeichnung ist eine Apparateart, die relativ einfach ist und mit Erfolg verwendet wurde, schematisch im Teilschnitt gezeigt. Eine Form 10, die aus einer herkömmlichen schalenförmigen Keramikform besteht und einen normalen Wachskörper umgibt, steht auf einer Graphitgrundplatte 12. Die Haube 14 der Form ist zur Erzeugung eines guten Kontakts mit der Grundplatte flach geschliffen. Ein kittähnliches Material, wie man es aus einer Mischung aus Graphit und einem Harzbinder herstellt, ist bei 16 als Dichtung rund um die Außenseite der Haube gespachtelt, wodurch sich ein gasdichter Sitz ergibt, so daß das durch den Einlaß 18 eingeleitete Gas nicht aus der Haube entweichen und um die Außenseite der Form strömen kann.It has been found that the deposition of pyrolytic graphite on the inner surfaces of precision casting molds made, for example, by the lost wax process, can easily be achieved by means of known devices used in the invention, at pressures between 1 mm Hg and less than 1 atm and at temperatures between 704 and 1204 ° C. The pressure and temperature values depend on the dissociation temperature and the deposition rate of the hydrocarbon and also on the weakening point or the usable strength range of the mold binder. In the drawing, a type of apparatus which is relatively simple and has been used with success is shown schematically in partial section. A mold 10, which consists of a conventional bowl-shaped ceramic mold and surrounds a normal body of wax, stands on a graphite base plate 12. The cover 14 of the mold is ground flat to produce good contact with the base plate. A putty-like material, such as one made from a mixture of graphite and a resin binder, is puttied at 16 as a seal around the outside of the hood, creating a gas-tight fit so that the gas introduced through inlet 18 does not escape from the hood can escape and flow around the outside of the mold.
Die Form wird von einem Graphitträger 20 umgeben, der die Form vollständig einschließt. Der Träger 20 befindet sich innerhalb einer Induktionsspule 22, und beide bilden eine Vorrichtung, die dazu dient, die Form und das Gas durch Wärmestrahlung zu erwärmen. Über der Form sind ein Graphitdeckel 24 und eine Auslaßöffnung 26 angeordnet. Die ganze Anordnung befindet sich in einer Vakuumkammer, die nicht gezeigt ist und die an eine Vakuumpumpe ίο angeschlossen ist. Die Form 10, die zur Herstellung eines gestrichelt gezeichneten Gegenstandes 28 dient, besitzt Kanäle, die sich zur Haube 14 zu öffnen und Entlüftungsstutzen 30 bilden.The mold is surrounded by a graphite support 20 which completely encloses the mold. The carrier 20 is located within an induction coil 22, and both form a device which serves to heat the mold and the gas by thermal radiation. A graphite cover 24 and an outlet opening 26 are arranged over the mold. The whole arrangement is located in a vacuum chamber, which is not shown and which is connected to a vacuum pump ίο . The mold 10, which is used to produce an object 28 shown in dashed lines, has channels which open towards the hood 14 and which form ventilation nozzles 30 .
Im Anwendungsfall strömt ein Kohlenwasserstoffgas durch die Einlaßöffnung 18 der Haube 14 in die Form ein und steigt durch den Eingußtrichter 32 der Form nach oben. Vom Eingußtrichter kann das Gas frei in den Formraum einströmen und, bevor es durch die Entlüftungsöffnungen 30 wieder austritt, auf der ganzen Formoberfläche pyrolytischen Graphit ablagern. Nicht gebrauchtes Gas strömt dann rund um die Außenseite der Form und durch die obere Entlüftung 26 in die Vakuumkammer zurück.In use, a hydrocarbon gas flows into the mold through the inlet opening 18 of the hood 14 and rises through the sprue 32 of the mold. From the pouring funnel, the gas can flow freely into the mold space and, before it exits again through the ventilation openings 30 , pyrolytic graphite is deposited on the entire surface of the mold. Unused gas then flows around the outside of the mold and back through the top vent 26 into the vacuum chamber.
Die gezeigte Schalenform 10 wurde mit Hilfe des Wachsverfahrens aus einem im Handel erhältlichen Formmaterial für keramische Schalen hergestellt, das aus Siliziumpulver, Siliziumsand und einem Bindemittel aus Natriumsilikat bestand. Solche Formmaterialien sind im Handel erhältlich. Häufig werden auch andere Bindemittel, z. B. Alginate oder andere Silikate, z. B. Äthylsilikat, verwendet. Auch andere Schalenformen des keramischen Typs, z. B. solche auf der Basis Aluminium- oder Zirkoniumoxyd, sind erhältlich und werden im allgemeinen im Preßgußverfahren verwendet.The shell mold 10 shown was made by the wax process from a commercially available ceramic shell molding material, which consisted of silicon powder, silicon sand and a binder of sodium silicate. Such molding materials are commercially available. Often other binders, e.g. B. alginates or other silicates, e.g. B. ethyl silicate used. Other bowl shapes of the ceramic type, e.g. B. those based on aluminum or zirconium oxide are available and are generally used in the die casting process.
Bei diesem speziellen Beispiel wurde die Schalenform, die unter Verwendung von gewöhnlichem, im Handel erhältlichen Modellwachs angefertigt worden war, entwachst und bei 871 bis 982° C über 1 Stunde getrocknet. Ursprünglich waren die Teile der Form, die in der Zeichnung als Entlüftungsöffnungen 30 gezeigt sind, an die Haube 14 angefügt. In this particular example, the shell shape, made using common, commercially available model wax, was dewaxed and dried at 871 to 982 ° C for 1 hour. Originally, the parts of the mold shown in the drawing as vents 30 were attached to the hood 14.
Um jedoch eine Entlüftung für das Kohlenwasserstoffgas zu schaffen, das später durch die Form während der Pyrolyse gepumpt werden sollte, wurde dieser Teil der Form von seiner Berührungsstelle mit der Haube getrennt. Daraufhin wurde die Haube 14 mit dem üblichen Formentauchmantel abgedichtet. Auf diese Weise ergaben sich die gezeigten Entlüftungen 30 in der Form.However, in order to provide a vent for the hydrocarbon gas that was later to be pumped through the mold during pyrolysis, this part of the mold was separated from its point of contact with the hood. The hood 14 was then sealed with the usual mold dipping jacket. In this way, the shown vents 30 resulted in the mold.
Die vollständige Schalenform wurde dann in dem gezeigten Vakuum-Brennapparat angeordnet und nach der Spülung der Kammer mit Argon ein Vakuum von 0,4 mm Hg erzeugt. Die Form wurde darauf auf etwa 1038° C erhitzt, wonach Acetylengas durch die Einlaßöffnung 18 eingeleitet wurde, das durch die Form hindurchströmte und diese durch die Entlüftungsöffnungen 30 wieder verließ, um durch die Auslaßöffnung 26 in die Vakuumkammer abgesaugt zu werden. Die durchströmende Acetylengasmenge lag bei etwa 1 cbm/Std. bei einem Druck von 3 mmHg. Nachdem diese Bedingungen etwa 1 Stunde lang aufrechterhalten worden waren, hatte sich ein pyrolytischer Graphitmantel von einer Dicke zwischen 0,05 und 0,1 mm einheitlich auf der Innenwand der Form abgelagert.The complete shell mold was then placed in the vacuum furnace shown and a vacuum of 0.4 mm Hg was created after the chamber had been flushed with argon. The mold was then heated to about 1038 ° C., after which acetylene gas was introduced through the inlet opening 18 , which flowed through the mold and left it again through the vent openings 30 to be sucked through the outlet opening 26 into the vacuum chamber. The amount of acetylene gas flowing through was about 1 cbm / hour. at a pressure of 3 mmHg. After maintaining these conditions for about 1 hour, a pyrolytic graphite coating between 0.05 and 0.1 mm thick had uniformly deposited on the inner wall of the mold.
Claims (2)
Deutsche Patentschrift Nr. 641 029;
schweizerische Patentschrift Nr. 71 367;
britische Patentschrift Nr. 673 320;
Römpp: »Chemie-Lexikon«, 1962, Bd. II,
L 1987.Considered publications:
German Patent No. 641 029;
Swiss Patent No. 71 367;
British Patent No. 673,320;
Römpp: »Chemistry Lexicon«, 1962, Vol. II,
L 1987.
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