DE1914989B1 - Formmasse zum Herstellen einer metallurgisch reaktionstraegen Praezisionsgiessform - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Formmasse zum Herstellen einer metallurgisch reaktionsträgen Präzisionsgießform aus mehreren Schichten, die unter Verwendung von kolloidaler, hydrolysierter Kieselsäure als Bindemittel, einem Formstoff und gegebenenfalls zusätzlichen, chemisch inaktiven Füllstoffen aufgebaut ist, wobei die grüne Gießform anschließend gebrannt wird. Aus der Formmasse hergestellte Gießformen dienen vor allem zum Gießen von Stählen oder Legierungen mit höheren Gehalten an Chrom, Titan und/oder Aluminium.

Beim Präzisionsgießen mit Hilfe verlorener Modelle wird ein Modell des herzustellenden Gußstückes mit einer aus Bindemittel und feuerfestem, feinkörnigem Material bestehenden Formmasse umkleidet und aus der so erhaltenen Gießform das Modell durch Herausschmelzen und/oder Brennen oder Herauslösen entfernt. Es werden dabei vorwiegend gebrannte Gießformen verwendet, wobei in der Formmasse zur Herstellung der Gießform vorzugsweise ein kieselsäurehaltiges Bindemittel benutzt wird, da Kieselsole sich als die besten Bindemittel erwiesen haben. Beispielsweise ist es bekannt, durch Hydrolyse eines Kieselesters — z. B. Äthylsilikat — eine kolloidale Kieselsäurelösung herzustellen und diese als Bindemittel mit feinkörnigem feuerfestem Formstoff zu mischen.

Bei der Verwendung solcher kieselsäurehaltigen Bindemittel hat es sich als nachteilig erwiesen, daß die in der fertigen Gießform enthaltene Kieselsäure beim Vergießen bestimmter Metalle oder Legierungen unerwünschte Reaktionen eingehen kann, ganz besonders bei höheren Gießtemperaturen. Um diese Gießfehler zu vermeiden, ist es notwendig, die in der Formmasse bzw. im Bindemittel enthaltene Kieselsäure vollständig stabil zu binden. Es ist daher bekannt, für die Herstellung einer Gießform dem aus einem feuerfesten Material, z. B. Korund, Mullit oder Magnesia, bestehenden Fonnstoff ein Bindemittel zuzugeben, das aus einer Mischung von Magnesium-, Aluminium- und/oder Zirkoniumoxid und einer kolloidalen Kieselsäurelösung besteht.

In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß für Stähle oder Legierungen mit sehr hohen Gehalten an Chrom, Titan und/oder Aluminium, z. B. für Legierungen auf Chrombasis, die bei relativ hohen Temperaturen von beispielsweise über 1700° C vergossen werden, die bekannten Gießformen nicht die notwendige chemische Stabilität besitzen, um die Kieselsäure stabil zu binden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die einzige Kieselsäureverbindung, die bei den hohen Gießtemperaturen gegen die erwähnten Elemente beständig ist, der Forsterit (2MgO-SiO₂) ist.

Aus dem USA.-Patent 2 812 265 ist eine Formmasse bekannt, die aus Periklas (einer chemisch stabilen, kristallinen Form von Magnesiumoxid) und Zirkonsilikat mit Kieselsäure als Bindemittel besteht und bei Temperaturen von und über 1100° C gebrannt wird. In der fertigen Form liegen neben Forsterit dabei andere Magnesiumsilikate und nicht umgesetztes Zirkonsilikat vor. Zum Gießen der vorstehend genannten Legierungen ist diese Form daher ungeeignet.

Forsterit bildet sich bei relativ niedrigen Temperaturen, z. B. unterhalb von 1000° C, in nennenswertem Maße nur aus chemisch aktivem MgO und Kieselgel. Die Zubereitung einer Tauchmasse direkt aus aktivem Magnesiumoxid und kolloidaler Kieselsäure, sei es in wässeriger oder alkoholischer Suspension, ist jedoch nicht möglich, da aktives Magnesiumoxid auf die kolloidale Kieselsäure gelierend wirkt. Eine direkt aus den beiden Bestandteilen hergestellte Tauchmasse besäße daher keine ausreichende Standzeit, um ohne Gelieren die notwendigen Schichten auf eine geeignete Form auftragen zu können.
Die Zugabe von kleineren Mengen (< 1 Gewichtsprozent) an MgO und Mg-Karbonat zu einer Formmasse aus Quarzsand und kolloidaler Kieselsäure, um die Geüerung der Kieselsäure zu beschleunigen, ist aus dem britischen Patent 594 671 bekannt. Ein Überführen der Kieselsäure in ein stabiles Mg-Silikat kann bei dieser bekannten Formmasse nicht erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Formmasse zu schaffen, bei der es sicher gelingt, die Kieselsäure vollständig als Forsterit stabil zu binden. Diese Aufgäbe wird dadurch gelöst, daß der Formstoff mindestens für die den Formhohlraum begrenzende Schicht aus pulverisiertem Magnesiumkarbonat besteht und daß das Verhältnis Magnesiumkarbonat/ Kieselsäure in der Formmasse so gewählt wird, daß das beim Brennen entstehende aktive Magnesiumoxid ausreicht, um die zugegebene Kieselsäure vollständig als Forsterit zu binden.

Der Begriff »vollständig« ist nicht als analytisch vollständig zu verstehen, sondern im Hinblick auf die Erfindungsaufgabe heißt »vollständig«: Die Kieselsäure ist in einem solchen Umfang gebunden, daß beim Gießen der erwähnten Legierungen, insbesondere einer Cr-Basis-Legierung, in vorgewärmte Formen bei Gießtemperaturen von etwa 1700° C und darüber keine makroskopisch erkennbaren Reaktionen mit und in der Form auftreten. Als Beispiel sei erwähnt, daß mindestens 99 °/o der Kieselsäure in Forsterit übergeführt sein müssen.

Vorteilhafterweise beträgt das Mengenverhältnis von Magnesiumkarbonat zur Kieselsäure in der Formmasse — bezogen auf den Siliziumoxidgehalt der Kieselsäure — etwa 10:1, während die gebrannte Form beispielsweise aus etwa 30 bis 40% Forsterit besteht; als restliche Bestandteile der Form können dann Magnesiumoxid und/oder gegebenenfalls weitere, inaktive, feuerfeste Füllstoffe vorhanden sein.

Als chemisch inaktive, feuerfeste Füllstoffe können dabei solche Füllstoffe verwendet werden, die weder beim Brennen der Form mit der Kieselsäure noch beim Gießen mit den Metallschmelzen chemisch reagieren. Als Beispiele für derartige Füllstoffe seien genannt inaktives, chemisch stabiles Magnesiumoxid, ζ. B. Periklas, und Zirkonoxid.

Als Behandlungsmittel für das Besanden der einze*nen Schichten kann vorteilhaft Siliziumkarbid (SiC) verwendet werden, da dieses chemisch indifferent ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine kleine Wärmedehnung besitzt.

Um bei den Gußstücken der genannten Art einwandfreie Oberflächen zu erhalten, ist es lediglich notwendig, daß die den Gießhohlraum begrenzende Formschicht aus der erfindungsgemäßen Formmasse hergestellt wird. Die weiteren Schichten können dann in bekannter Weise aus Zirkonsilikat, Mullit oder anderen feuerfesten Formstoffen hergestellt werden. Selbstverständlich ist es jedoch möglich, sämtliche Schichten einer Form in der erfindungsgemäßen Weise zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel I

Aus 5 kg feinkörnigem pulverisiertem Magnesiumkarbonat und 2,41 hydrolisiertem Äthylsilikat (SiO₂-Gehalt etwa 12 bis 16%) wird eine Tauchmasse gemischt. Die Standzeit einer derartigen Mischung beträgt etwa 6 Stunden.

Zum Herstellen der Gießform wird ein dem ge- ίο wünschten Gießstück entsprechendes Modell aus einem zerstörbaren Werkstoff — z. B. aus Harnstoff — in die erhaltene Formmasse getaucht, der an der Modelloberfläche hängenbleibende dünne Überzug mit rieselfähigem, gröberem, feuerfestem Material z. B. Siliziumkarbid oder Mullit, bestreut und während etwa 2 Stunden trocknen gelassen. Dieses Tauchen und Bestreuen mit anschließendem Trocknen wird etwa sieben- bis zehnmal wiederholt.

Der erhaltene schalenartige Formkörper wird dann zum Herauslösen des Harnstoffmodells in ein Wasserbad gelegt und anschließend auf übliche Weise getrocknet. Das Modell kann gänzlich mit Hilfe des durch die Poren des Formkörpers eintretenden Lösungsmittels herausgelöst werden oder auch nur teilweise, so daß der zurückbleibende Modellrest bei dem nun nachfolgenden Brennen der Gießform zerstört wird. Das Brennen erfolgt bei einer Temperatur von höchstens 1100° C, vorzugsweise bei Temperaturen von 850 bis 950° C, und benötigt ebenfalls etwa 2 Stunden. Die fertige Gießform zeichnet sich durch ausgezeichnete Oberflächengüte des Gießhohlraumes und durch sehr gute Festigkeitseigenschaften aus.

Beim Brennen dissoziiert das Magnesiumkarbonat in aktives Magnesiumoxid und Kohlendioxid, das entweicht, während das aktive Magnesiumoxid mit der vorhandenen Kieselsäure Forsterit bildet, in welchem die Kieselsäure stabil gebunden ist.

Durch die thermische Dissoziation des Magnesiumkarbonats verliert die Form beim Brennen einen Teil der mechanischen Festigkeit und ihre Abriebfestigkeit. Falls notwendig, können diese Eigenschaften durch nochmaliges Tränken der gebrannten Form in einer kolloidalen Kieselsäurelösung und ein anschließendes zweites Brennen wieder verbessert werden. In beiden Fällen kann der einzige bzw. der letzte Brennprozeß gleichzeitig als Vorwärmung der Form für das Gießen dienen.

Unmittelbar nach der Fertigstellung der Gießform wird eine Chrombasis-Legierung mit ungefähr folgender Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): 70% Chrom, 29% Kobalt, bis 0,5% Yttrium, Rest Eisen und Aluminium neben den üblichen Verunreinigungen gegossen. Die Gießtemperatur beträgt etwa ' 1750° C. Das erhaltene Gußstück zeichnet sich durch eine makellose Oberfläche aus.

Wie bereits erwähnt, kann das Modell unter Umständen auch nur mit einer Schicht aus der auf vorstehend beschriebene Weise erhaltenen Formmasse belegt und dann in eine Formmasse, mit einer der erwähnten, bekannten Zusammensetzungen getaucht werden. Es ist jedoch auch möglich, nach Auflegen von einer Schicht aus Magnesiumoxid und Forsterit mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens diese Schicht dann auf übliche Weise in einem Formkasten mit einer geeigneten zweiten Formmasse, ζ. Β. mit einer zementgebundenen Formmasse, zu hinterfüllen.

Beispiel II

1 kg pulverisiertes, chemisch reines Magnesiumkarbonat (Reinheit 95 %) wird mit I¹A 1 Bindemittel, hergestellt aus hydrolisiertem Äthylsilikat mit einem SiO₂-Gehalt von 14% gemischt; dieser Mischung wird als inaktiver Füllstoff 1 kg pulverisierter, chemisch reiner Periklas mit ebenfalls einer Reinheit von 95% beigegeben. Die so erhaltene Formmasse besitzt gleichfalls eine Standzeit von 6 Stunden.

Die weiteren Verfahrensschritte zur Herstellung der erfindungsgemäßen Form entsprechen denjenigen von Beispiel I.

Eine gebrannte Form nach Beispiel II besitzt schließlich eine Zusammensetzung von etwa 50% Periklas und 40% Forsterit, während der Rest aus einer anderen Form von Magnesiumoxid besteht.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Formmasse zum Herstellen einer metallurgisch reaktionsträgen Präzisionsgießform aus mehreren Schichten, die unter Verwendung von kolloidaler, hydrolysierter Kieselsäure als Bindemittel, einem Formstoff und gegebenenfalls zusätzlichen, chemisch inaktiven Füllstoffen aufgebaut ist, wobei die grüne Gießform anschließend gebrannt wird, dadurchgekennzeichnet, daß der Formstoff mindestens für die den Formhohlraum begrenzende Schicht aus pulverisiertem Magnesiumkarbonat besteht und daß das Verhältnis Magnesiumkarbonat/Kieselsäure in der Formmasse so gewählt wird, daß das berm Brennen entstehende aktive Magnesiumoxid ausreicht, um die zugegebene Kieselsäure vollständig als Forsterit zu binden.

2. Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis Magnesiumkarbonat/Kieselsäure etwa 10 :1 beträgt.

3. Gießform aus einer Formmasse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form zu etwa 30 bis 40 % aus Forsterit, Rest Magnesium und/oder weiteren feuerfesten inaktiven Füllstoffen besteht.