DE1920724B1 - Praezisionsgiessform und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Gießform, im besonderen eine Präzisionsgießform mit mehrschichtiger Wandung, die bei Metallgießverfahren Verwendung findet, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.

Es ist bekannt, daß bei Gußstücken bestimmter eisenhaltiger Metalle, beispielsweise unlegierter Kohlenstoffstähle, niederlegierter Stähle und vieler ferritischer und martensitischer rostfreier Stähle, wie sie nach normalen Gießverfahren an der Luft in heißen Auskleidungsformen erhalten werden, Ober- to ilächenschäden, wie z. B. »Narbenbildung« und Entkohlung auftreten können. Es wird angenommen, daß derartige Schäden durch den atmosphärischen Sauerstoff verursacht werden, der normalerweise durch die Poren der üblichen keramischen Formen Zutritt zu der Metalloberfläche erhält. Es wird ferner angenommen, daß der Sauerstoff bei der Wechselwirkung zwischen Metall und Form, die beim Gießen von reaktionsfähigen Metallen, wie Aluminium und Aluminiumlegierungen, in keramischen Formen beobachtet werden, eine Rolle spielt. Diese Ein- bzw. Wechselwirkung hat zur Folge, daß es oftmals unmöglich ist, das Gußstück nach dem Abkühlen sauber von der Form zu trennen, so daß eine anschließende Spezialbehandlung des Gußstückes zur Entfernung anhaftenden Formmaterials erforderlich ist.

Es wurden bisher verschiedene Gießformen vorgeschlagen, bei welchen die oxydierende Atmosphäre aus der unmittelbaren Nachbarschaft des Formhohlraums, unter Beibehaltung der Bequemlichkeit des Gießens an der Luft verdrängt wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 221767 ist eine Form aus feuerfestem Material mit einer Überzugsschicht eines Desoxydationsmittels bekannt. Die Form wird nach Ausbrennen auf etwa Raumtemperatur abgekühlt und der Überzug durch Eintauchen der Form in eine geeignete Aufschlämmung und darauffolgendes Bewerfen des Überzuges in noch feuchtem Zustand mit Teilchen von grobem Desoxydationsmittel bewerkstelligt. Anschließend muß der Überzug getrocknet und danach in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt werden, bevor die Form für den Metallguß einsatzbereit ist. Somit wird vom Zeitpunkt der Entfernung der gebrannten Form aus dem Ofen nach dem Ausbrennen des Modellmaterials bis zur eigentlichen Durchführung des Metallgusses ein Zeitraum für die Herstellung der Form benötigt, der mindestens 3 Stunden, wenn nicht noch länger, beträgt.

In der französischen Patentschrift 1476 352 wird eine Form mit einem organischen Harz imprägniert und dieses anschließend thermisch zersetzt, wodurch in den Poren der Form und insbesondere im Bereich der unmittelbaren Nachbarschaft zur Formhöhlung inerter Kohlenstoff abgelagert werden soll. Die thermische Zersetzung des Harzes wird in einer inerten Atmosphäre durchgeführt, wobei die Erhitzungsdauer 15 bis 30 Minuten oder länger beträgt. Die Form muß nach der Imprägnierung bis zu 12 Stunden lang getrocknet werden.

Die in dem Verfahren der französischen Patentschrift 1507 960 eingesetzte Form muß durch wiederholtes Aufbringen von Überzügen nach dem Eintauch- und Stuck-Verfahren armiert werden, um den Guß zu ermöglichen. Hierbei wird als desoxydierendes Material eine körnige aktivierte Kohle verwendet, die nicht zur Festigkeit und zur Verstärkung des Gefüges der Form selbst beiträgt.

Die Präzisionsgießform der vorliegenden Erfindung ist nun besonders einfach, schnell und wirtschaftlich herzustellen und sie ermöglicht es, mit einer geringeren Anzahl von Schichten auszukommen, da die harzgebundenen, schwer schmelzbaren Schichten ein integrierender Teil des Formgefüges werden. Die erfindungsgemäße Präzisionsgießform zeichnet sich dadurch aus, daß die den Formhohlraum begrenzende Schicht aus einer an sich bekannten keramischen Schalenform besteht, an die sich — damit fest verbunden — eine teilchenförmiges, feuerfestes und kohlenstoffhaltiges Material enthaltende Schicht und — hiermit wiederum fest verbunden — eine teilchenförmiges, durch hitzegehärtetes Harz gebundenes, feuerfestes Material enthaltende Schicht anschließen.

Mittels dieser Präzisionsgießform der vorliegenden Erfindung wird ein Metallgußstück dadurch hergestellt, daß man eine gebrannte keramische Form mit einer Masse von teilchenförmigen!, feuerfestem Material, das vorausgehend mit einem hitzehärtbaren, brennbaren Harz beschichtet wurde, umgibt, Metall unter Luftzutritt in die Form gießt, und das Gußstück abkühlen läßt, während das Harz verbrennt.

Die Präzisionsgießform der vorliegenden Erfindung hat somit ein geschichtetes Wandgefüge aus einer inneren, einer Zwischen- und einer äußeren Schicht. Die innere Schicht, die den Hohlraum der Form bestimmt bzw. begrenzt, ist eine gebrannte, keramische Masse, die aus einem partikelförmigen, feuerfesten, durch ein feuerfestes Bindemittel gebundenen Material besteht. Die Zwischenschicht enthält ein teilchenförmiges, feuerfestes Material zusammen mit kohlenstoffhaltigem Material, das aus der Verbrennung eines hitzehärtenden Harzes herrührt, und die äußere Schicht besteht aus einem teilchenförmigen, durch ein hitzehärtbares Harz gebundenen feuerfesten Material. Im allgemeinen kann die Präzisionsgießform als eine herkömmliche gebrannte keramische Form angesehen werden, die von außen her durch Zwischen- und äußere Schichten, wie oben angegeben, geschichtet ist. Während zwischen der inneren, feuerfest-gebundenen Schicht und der Zwischenschicht eine erkennbare Trennung besteht, ist von der Zwischen- zur äußeren Schicht gewöhnlich kein scharfer Übergang vorhanden.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Präzisionsgießform wird gewöhnlich ein Verkohlen oder Verglimmen des Harzes beobachtet, jedoch ändert sich dies je nach der angewandten Temperatur und Atmosphäre.

Die erfindungsgemäßen Präzisionsgießformen eignen sich besonders gut zur Herstelung von Gußstücken, wenn sie als keramische Schalenform ausgeführt sind und vor allem für die Herstellung von Gußstücken aus den oben angegebenen Metallen. Man kann diese Präzisionsgießformen ebenso vorteilhaft auch dann verwenden, wenn das Metall eine Legierung auf Kupferbasis, beispielsweise Bronze, ist.

Bei der Herstellung von Gußstücken in der erfindungsgemäßen Präzisionsgießform beginnt die Verbrennung des Harzes, wenn das heiße Metall in die Form gegossen wird. Man kann jedoch auch die Form selbst auf einer ausreichend hohen Temperatur halten, wenn sie mit dem teilchenförmigen feuerfesten Material zur Einleitung der Verbrennung des Harzes in Kontakt gebracht wird, wobei das Metall eingegossen, und das Gußstück zur Abkühlung ge-

bracht wird, während die Verbrennung des Harzes fortdauert.

Die Herstellung der Präzisionsgießform wird besonders vorteilhaft so durchgeführt, daß man die in an sich bekannter Weise zunächst hergestellte keramische Form mit einem, mit hitzehärtbarem, brennbarem Harz beschichteten teilchenförmigen, feuerfesten Material umgibt und die keramische Form hierbei eine zur Verbrennung des Harzes ausreichend hohe Temperatur im Bereich von 300 bis 850° C aufweist.

Das Arbeitsverfahren des Umgebens der gebrannten keramischen Form mit dem vorbeschichteten, teilchenförmigen, feuerfesten Material wird am besten dadurch bewirkt, daß man die keramische Form in ein Wirbelschichtbett aus mit dem hitzehärtbaren brennbaren Harz beschichteten, teilchenförmigen, feuerfesten Material eintaucht. Hierbei hält man die Form auf einer Temperatur, die wenigstens ausreicht, das Harz zu härten, wodurch eine Schicht von harzgebundenem feuerfestem Material rund um die Form gebildet wird. Wenn die Form nicht heiß genug ist, das Harz zu entzünden, wird sich eine derartige Schicht bei Berührung mit der Form-Oberfläche bilden und in dem Bereich rund um die Form aufgebaut, in welchem die Temperatur hoch genug ist, um das Harz zu härten. Dort wo die Form eine ausreichend hohe Temperatur zur Einleitung der Verbrennung bei den Teilchen die mit ihrer Oberfläche in Kontakt kommen aufweist, wird der Bereich rund um die Form, wo der Temperaturbereich eine solche Höhe hat, daß das Harz sich unter Bildung einer Schicht von harzgebundenem, feuerfestem Material ohne Verbrennung härtet, von der Form selbst durch eine Zwischenschicht aus teilchenförmigem, feuerfestem Material in Verbindung mit dem verbrennenden Harz und mit den kohlenstoffhaltigen Verbrennungsprodukten, getrennt.

Die Temperatur, bei welcher eine keramische Form gebrannt wird, liegt gewöhnlich im Bereich von 750 bis 1250° C. Bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Präzisionsgießform läßt man die Form, soweit notwendig, nach dem Brennen auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 850° C abkühlen, bevor sie mit dem harzbeschichteten, feuerfesten Material umgeben wird. Falls es gewünscht wird, eine Schicht harzgebundenes, feuerfestes Material rund um die Form auszubilden, ohne daß das Harz während der Beschichtungsstufe einer Verbrennung unterliegt, läßt man die Form auf eine Temperatur im Bereich von 75 bis 150° C abkühlen.

Die optimale Schichtdicke, die optimale Formtemperatur und die Dauer des Eintauchens in das Wirbelschichtbett wird durch eine Kombination vieler Faktoren bestimmt, jedoch können zufriedenstellende Bereiche relativ einfach festgelegt werden. Die einfach zu erfüllende Forderung besteht darin, daß das Harz in ausreichender Menge vorhanden sein sollte, um eine Verbrennung während des gesamten Zeitraumes, in welchem die Temperatur des Gußstückes so hoch ist, daß ein Kontakt mit Sauerstoff eine nachteilige Wirkung haben würde, in Gang zu halten.

Wenn die Temperatur der Form nach dem Beschichten für ein optimales Gießen zu niedrig ist, kann sie vor dem Gießvorgang erneut gebrannt werden, vorausgesetzt, daß man das Abbrennen einer übermäßigen Harzmenge vermeidet. Beispielsweise ist dann eine dickere Schicht als sonst erforderlich, des harzgebundenen, feuerfesten Materials aufzubringen, oder das erneute Brennen ist in einem Ofen durchzuführen, der eine nicht oxydierende Atmosphäre aufweist. Es wird gewöhnlich vorgezogen, die Form aus dem Wirbelschichtbett zu entfernen, wenn eine Schicht von ausreichender Stärke rund um die Form aufgebaut ist und bevor das Metall eingegossen wird. Dies ist jedoch dann nicht erforderlich, wenn eine langsamere Kühlgeschwindigkeit des Gußstückes toleriert werden kann. In solchen Fällen sollte das Auftragen von harzbeschichtetem, feuerfestem Material im Wirbelschichtbett vor dem Gießvorgang unterbrochen werden.

Nach der oben beschriebenen, bevorzugten Herstellungsweise kann das Metall in vielen Fällen eingegossen werden, sobald eine Schicht Harz feuerfestes Material von ausreichender Stärke aufgebaut ist. Jedoch werden in manchen Fällen bessere Ergebnisse erhalten, wenn man das Harz vor dem Metallguß eine kurze Zeitdauer, beispielsweise 10 bis 30 Sekunden, eine Verbrennung eingehen läßt.

Teilchenförmige, mit hitzehärtbaren Harzen beschichtete, feuerfeste Materialien, die zur Formherstellung nach dem Croning-Verfahren verwendet werden, sind in der Gießereitechnik bekannt. Das feuerfeste Material kann beispielsweise eine Klassierung von Quarzsand, Zirkonsand (Zirkonsilikat), Chromit- oder Olivinsand mit einer derartigen Partikelgrößen-Verteilung sein, daß der Hauptanteil der Teilchen eine Größe zwischen 251 und 152 μαο. aufweist, und zwar ohne einen wesentlichen Anteil in den Bereichen über 500 und unter 76 μτη.

Das verwendete Harz ist gewöhnlich ein Phenolformaldehyd-Harz, wobei es aber ebenso beispielsweise ein Harnstoff-Formaldehyd-, Melaminformaldehyd- oder ein ungesättigtes Polyesterharz sein kann. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung enthält das Harz vorzugsweise wenigstens 50 Gewichtsprozent chemisch gebundenen Kohlenstoff. Vorzugsweise wird dem Harz ein Aktivator oder ein Vernetzungsmittel, beispielsweise Hexamethylentetramin, inkorporiert, sofern das Harz ein Phenolformaldehydharz ist.

Die harzbeschichteten, feuerfesten Materialien werden üblicherweise dadurch hergestellt, daß man ein Gemisch feuerfesten Materials und eine Lösung des Harzes bildet und so lange kontinuierlich mischt, bis das Lösungsmittel verdampft ist und irgendwelche, in einer Zwischenstufe gebildeten Aggregate zerschlagen sind. Die Harzmenge kann beispielsweise im Bereich von 1,5 bis 7 Gewichtsprozent liegen und sie wird gewöhnlich von 3 bis 4 %, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Materials, betragen.

Im allgemeinen wird die zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene keramische Form nach solchen herkömmlichen Verfahren hergestellt sein, nach denen man ein keramisches Produkt erhält, das einen Gehalt an teilchenförmigen!, feuerfestem, mit einem feuerfesten Bindemittel gebundenen Material aufweist. Bei dem normalen Herstellungsverfahren einer keramischen Schalenform wird zunächst ein Modell in Wachs oder einem anderen entfernbaren Material hergestellt. Dann wird rund um das Modell eine Hülle aus feuerfestem Material aufgebaut, wobei man eine Anzahl von Schichten einer Schlämme, die aus pulverisiertem, feuerfestem Material in einem flüssigen Bindemittel besteht (beispielsweise aus einem Silikasol oder

einem hydrolysierten Äthylsilikat, das Siliciumdioxid als feuerfestes Bindemittel in dem keramischen Endmaterial ergibt), gewöhnlich mit stuckatierten Zwischenbeschichtungen aus etwas gröberem feuerfestem Material aufbringt und das getrocknete Gebilde einem Verfahren unterwirft, bei welchem das Modell, beispielsweise durch Ausschmelzen, entfernt wird. Die Hülle wird dann gebrannt.

Zur Herstellung von Block- und Stückformen können ebenfalls übliche Verfahren zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung benutzt werden.

Die Erfindung wird weiterhin durch die folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert eine erfindungsgemäße Präzisionsgießform bzw. deren Herstellung und ihr Verhalten beim Stahlguß,

Eine keramische Schalenform wurde durch nacheinander erfolgende Beschichtungen auf ein Gefüge von Wachsmodellen hergestellt. Die Beschichtung erfolgte mit einer Schlämme aus Sillimanit einer niedrigeren Partikelgröße als 76 μ.πι in hydrolysierter Äthylsilikatlösung und einem Stück von Sillimanit einer Partikelgröße von 390 bis 195 μπι, wobei man jeweils vor dem Aufbringen der nächsten Schicht v/artete, bis die vorhergehende ausgehärtet war. Es wurde eine Gesamtanzahl von sechs Schlämmbeschichtungen aufgebracht, und nach dem Härten der letzten Beschichtung wurde das Gebilde in einem warmen Luftstrom getrocknet, um überschüssigen Alkohol und überschüssiges Wasser zu entfernen.

Das Wachsgebilde wurde dann durch Behandern in einem Dampfautoklaven aus der Form entfernt, wonach die Form in üblicher Weise durch einstündiges Brennen in einem Ofen bei 1050° C zum Gießen vorbereitet wurde.

Die heiße Form wurde dann aus dem Brennofen entfernt und nach Kühlen auf ungefähr 800° C 7 Sekunden in ein Wirbelschichtbett aus Quarzsand, der mit Phenolformaldehyd-Harz, das Hexamethylentetramin als Härtungsmittel enthielt, vorbeschichtet war, getaucht. Die beschichtete Form wurde dann dem Wirbelschichtbett entnommen und wenige Sekunden später wurde die geschmolzene Legierung in die Form gegossen. Nach dem Abkühlen von Gußstück und Form wurde die Schale in der üblichen Weise zerschlagen. Es wurde gefunden, daß sich das Gußstück außergewöhnlich sauber auslöste, wobei das Metall eine ausgezeichnete, von Narben und Entkohlung freie Oberfläche aufwies.

Die Prüfung der Formbruchstücke zeigten eine im Querschnitt geschichtete Struktur, wobei eine innere Schicht aus dem Material der ursprünglichen keramischen Hüllenform stammte, die eine geringe Schwärzung der äußeren Teile aufwies. Eine Zwischenschicht bestand aus schwarzen Teilchen von mit verkohltem Harz überzogenen Quarzsand und diese Zwischenschicht war allmählich mit einer äußeren Haut von braunen Teilchen aus Quarzsand, der mit Phenolformaldehyd-Harz gebunden ist, verschmolzen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel erläutert eine erfindungsgemäße Präzisionsgießform bzw. deren Herstellung sowie deren Verhalten beim Gießen einer Aluminiumlegierung.

Es wurde eine keramische Schalenform durch Aufbringen aufeinanderfolgender Tauch- und Stuckbeschichtungen auf ein Gebilde von Wachsmodellen aufgebaut und das Wachs anschließend wie in Beispiel 1 geschmolzen. Die so erhaltene grüne Form wurde in einem gewöhnlichen Glühofen 1 Stunde bei 800° C gebrannt. Die heiße Form wurde dem Ofen entnommen und einige Sekunden in ein Wirbelschichtbett von mit Phenolformaldehyd-Harz, das Hexamethylentetramin-Härtungsmittel enthielt, vorbeschichtetem Quarzsand eingetaucht, wodurch eine Beschichtung von harzgebundenem Sand rund um die Außenseite der Schalenform ausgebildet wurde. Die beschichtete Form wurde dann in dem Ofen erneut 3 Minuten bei 800° C gebrannt.

Kurz nach der Entnahme der beschichteten Form aus dem Ofen wurde in diese eine geschmolzene Aluminiumlegierung gegossen. Man ließ das Gußstück abkühlen. Nach Zerschlagen war die abgetrennte Form extrem sauber, und es wurden keine Anzeichen von anhaftendem Formmaterial gefunden, wie dies sonst gewöhnlich bei Aluminiumlegierungsgußstücken, die in keramischen Formen hergestellt wurden der Fall ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Präzisionsgießform mit mehrschichtiger Wandung, dadurch gekennzeichnet, daß die den Formhohlraum begrenzende Schicht aus einer an sich bekannten keramischen Schalenform besteht, an die sich — damit fest verbunden — eine teilchenförmiges, feuerfestes und kohlenstoffhaltiges Material enthaltende Schicht und—hiermit wiederum fest verbunden — eine teilchenförmiges, durch hitzegehärtetes Harz gebundenes, feuerfestes Material enthaltende Schicht anschließen.

2. Verfahren zur Herstellung der Präzisionsgießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannter Weise zunächst hergestellte keramische Form mit einem, mit hitzehärtbarem, brennbarem Harz beschichteten teilchenförmigen, feuerfesten Material umgeben wird und die keramische Form hierbei eine zur Verbrennung des Harzes ausreichend hohe Temperatur im Bereich von 300 bis 850° C aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung der Präzisionsgießform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Form in ein Wirbelschichtbett aus mit dem hitzehärtbaren brennbaren Harz beschichteten, teilchenförmigen, feuerfesten Material eingetaucht wird.