DE2230516C3 - Mehrschichtiger Kern zur Herstellung von Gegenständen durch Plasmaspritzen von Metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einer, mehrschichtigen Kern, bestehend aus einer Kernseele aus Stahl oder einem anderen hochscr.melzenden Material, einer darauf angeordneten niedrigschmelzenden Legierungssehicht und einer abschließenden Schutzschicht.

Bekannte Kerne dieser Art (z. B. DT-PS 97 048, FR-PS 8 88 139, US-PS 17 75 576) werden insbesondere zur Herstellung von hohlen Gußstücken, insbesondere mit Hinterschneidungen, verwendet. Die auf der Kernseele angeordnete niedrigschmelzende Zwischenschicht, deren Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes der Kernseele und des herzustellenden Gußstückes liegt, wird nach dem Gießvorgang durch Wärmeeinwirkung entfernt, so daß die Kernseele und das Gußstück leicht getrennt werden können. Die Kernseele kann dann wieder verwendet werden. Die Schutzschicht, die bei den bekannten Kernen insbesondere aus Lehm oder Leim besteht, soll im wesentlichen unerwünschte Reaktionen zwischen dem Material der Zwischenschicht und dem Gußmaterial verhindern. Darüber hinaus soll sie auch ein direktes Schmelzen der Zwischenschicht während des Gießvorganges vor Erstarren des Gußstückes verhindern. Außerdem darf die Schutzschicht selbst natürlich nicht mit dem Gußmaterial reagieren und muß leicht von dem fertigen Gußstück entfernbar sein.

Es ist außerdem bekannt, Gegenstände durch Plasmaspritzen von Metall auf Kerne herzustellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mehrschichtigen Kern der eingangs genannten Art zu schaffen, der insbesondere zur Herstellung von Gegenständen mit Hinterschneidungen durch Plasmaspritzen von Metall geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als äußere Schutzschicht ein Überzug aus Polyimid aufgebracht ist. Polyimide sind erst vor relativ kurzer Zeit entwickelte Polymere mit besonders guter Widerstandskraft gegen Hitzeverschlechterung. Ein ίο typisches Beispiel für ein Polyimid wird von Pyromellitsäuredianhydrid und einem aromatischen Diamin hergeleitet und weist die folgende Grundstruktureinheit auf:

[-(CO)2CbH2(CO)2NCbH4OCbH4-]n.

Das tatsächliche Polymer hat jedoch auf Grund der Vernetzung eine kompliziertere Struktur. Die erfindungsgemäße, aus Polyimid bestehende Schutzschicht, die einen höheren Schmelzpunkt als die Legierungsschicht aufweisen muß. braucht nur auf den Teil des beschichteten Kernes aufgebracht zu werden, der mit dem herzustellenden Gegenstand in Kontakt kommt, da Hauptzweck dieser Schutzschicht ja die Verhinderung von Reaktionen zwischen der Legierungsschicht und dem herzustellenden Gegenstand ist. Die erfindungsgemäße Poiyimidschicht zeigt keinerlei Reaktionen mit dem aufgespritzten Metall und läßt sich leicht von dem durch Plasmaspritzen hergestellten Gegenstand entfernen. Die genaue Dicke der Polyimidschicht ist nicht

kritisch. In den meisten Fällen wird ein Überzug zwischen ungefähr 0,05 und 0,25 mm als ausreichend angesehen.

Ein Ausführungsbeispiel eines mehrschichtigen Kerns gemäß der Erfindung ist in der Figur gezeigt.

Die Kernseele kann gegossen oder auf eine andere Art hergestellt werden, wobei ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt verwendet wird. z. B. Aluminium, Messing, Stahl, Kupfer oder zwei oder mehrere dieser Stoffe. Das Material, das einen höheren Schmelzpunkt aufweisen muß als die metallische Legierung, die darauf aufgeschichtet werden soll, sollte eine ausreichende Festigkeit haben, so daß es wiederverwendbar ist, und jeweils mit der ausgewählten Legierung nicht reagieren. Die metallische Legierung muß einen niedrigen Schmelzpunkt in bezug auf den herzustellenden Gegenstand aufweisen. Die Dicke dieser metallischen Legierungssehicht ist veränderlich und hängt von der Konfiguration, vom Material und von der Größe des herzustellenden Gegenstandes ab. Im allgemeinen ist eine Dicke zwischen ungefähr 1,6 mm und ungefähr 25 mm ausreichend, wobei eine Dicke von ungefähr 3,2 mm für die allgemeine Anwendung vorzuziehen ist. Die Legierungssehicht muß jedenfalls ausreichend dick sein, so daß, nachdem ein Gegenstand aufgespritzt ist, die Anordnung bis zum Schmelzpunkt der Legierung erhitzt werden kann, so daß diese in der flüssigen Phase entfernt werden kann, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Gegenstand und der Kernseele verbleibt, der ausreicht, um die Kernscele leicht zu entfernen.

Metallische Legierungen mit einem Schmelzpunkt unter 300° C sind im allgemeinen für diese Anwendung geeignet. |edoch bestimmen das ausgewählte Material für die Kernseele und das Material des herzustellenden Gegenstandes die Grenzen der Eigenschaften, die für die metallische Legierungsse'hieht gefordert werden. Metallische Legierungen, wie z. B. Wismut, Blei, Zinn, Cadmium, Indium und Antimon und irgendwelche Mischungen davon, si'id für die vorliegende Verwcn-

dung geeignet.

Bei der Herstellung des mehrschichtigen Kerns gemäß der Erfindung wird zunächst d^e Kernseele aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, z. B.Aluminium, hergestellt. Die Abmessungen einer männlichen oder weiblichen Kernseele müssen zusätzlich dazu, daß sie im wesentlichen der Konfiguration des gewünschten Gegenstandes entsprechen, in radialer Richtung kleiner bzw. größer als der Gegenstand sein, um so den Aufbau der Legierungsschicht und der Schutzschicht zu "> ermöglichen. Im allgemeinen ist eine Abweichung von 0.6 bis 1,2 cm für diesen Zweck ausreichend.

Anschließend wird eine Legierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb von ungefähr 700⁰C, vorzugsweise ungefähr 250°C, auf die Kernseele mittels irgendeines geeigneten Verfahrens aufgebracht, wie z. B. Aufsprühen, Aufbürsten, Aufgießen, Aufstreichen u.dgl. Um eine gute Festlegung der metallischen Legierungsschichi auf der Kernseele zu erreichen, können Verriegelungsvorsprünge (vgl. Figur), z. B. mindestens eine verschlußartige Nut oder Nase, in der Kernseele vorgesehen sein, um so zu verhindern, daß die Kernseele aus der aufgebrachten metallischen Legierungsschicht herausgleitet oder auf andere Weise entfernt wird, bevor die metallische Legierung in der flüssigen Phase entfernt wird. Wenn diese Sicherungseinrichtung angewendet wird, ist es gewöhnlich erforderlich, daß die metallische Legierungsschicht einer Bearbeitungsoperation unterworfen wird, um ihre Oberfläche der Kontur des herzustellenden Gegenstandes anzupassen. Hierdurch können komplizierte kurvenförmige Gegenstände hergestellt werden.

Dann wird eine Schutzschient aus Polvimid aufgebracht. Zum Beispiel würde eine 0,13 mm dicke Schicht aus einem handelsüblichen Material (15,2% gravimetrisehe Feststoffe, eine Viskosität von 50 bis 70 Poise) ausreichend sein, um eine chemische und/oder physikalische Wechselwirkung zwischen einer handelsüblichen Legierung, wie z. B. 4% Wismut, 55,5%Blei, 40.5% Zinn, und einem aus Plasma abgelagerten Material, wie z. B. Beryllium, zu verhindern. Um die Haftung des aus Plasma abgelagerten Materials auf der Poiyimidschicht zu verbessern, kann der ausgehärteten Poiyimidschicht eine mäßige Sandbestrahlung erteilt werden, um die Oberfläche aufzurauhen. Eine mäßige Aufrauhung der Oberfläche weist eine mittlere Oberflächenrauhheit von 3 bis 5 Mikrometer auf.

Der völlig ausgehärtete, doppelbeschichtete Kern kann dann zur Herstellung von Gegenständen durch Plasmaspritzen eingesetzt werden. Nachdem das ausgewählte Material auf dem Kern mittels herkömmlicher Verfahren abgelagert ist, um den gewünschten Gegenstand herzustellen, wird die Einheit in eine heiße Umgebung gebracht, in der die Temperatur über den Schmelzpunkt der Legierungsschicht gesteigert wird. Die Legierung fließt dann in flüssigem Zustand von der Einheit ab. Auf Grund des entstehenden Zwischenraumes zwischen der Kernseele und dem Gegenstand kann die Ke^rnseele leicht herausgezogen werden. Der neutrale Polyimidfilm kann dann von dem Gegenstand abgezogen werden, wodurch ein frei stehender Gegenstand erhalten wird.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Eieschreibiing von Beispielen:

Beispiel I
Eine Kernseele aus Aluminium, wie in der Zeichnung gezeigt, wurde mit einer Legierung beschichtet. Die Legierung bestand aus 4% Wismut, 55,5% Blei, 40,5% Zinn und besaß einen Schmelzpunktbereich von 170 bis 198°C. Der beschichtete Kern erhielt eine Maschinenbearbeitung, wodurch eine glatte Legierungsschicht von ungefähr 0,6 mm Dicke auf der Aluminiumbasis zurückblieb. Die Oberfläche des beschichteten Kernes wurde dann mit einer Polyimidvorbereitungslösung überzogen, die aus 15,2% gravimetrischen Feststoffen bestand und eine Viskosität von 50 bis 70 Poise aufwies. Dabei wurde eine Luftbürstensprühtechnik angewendet. Eine Schicht von ungefähr 0,025 mm Dicke wurde aufgebracht und dann die N-Methylpyrrolidon- und Xylen-Lösungsmittel in der Beschichtung durch Ofenheizung extrahiert, wobei der beschichtete Kern 15 Minuten lang auf ungefähr 125°C gebracht wurde. Dieses Verfahren wurde wiederholt, bis eine Schicht von 0,1 mm Dicke aufgebaut war, woraufhin der beschichtete Kern bei einer erhöhten Temperatur von 150⁰C 16 Stunden lang ausgehärtet wurde.

Der beschichtete ausgehärtete Kern wurde dann einer leichten Sandstrahlung mittels Aluminiumoxyd ausgesetzt, um die Oberfläche aufzurauhen und eine besser haftende Oberfläche für die Plasmaablagerung von Beryllium zu schaffen.

Der beschichtete und mit einer rauhen Oberfläche versehene Kern, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, wurde dann mit Berylliumplasma besprüht, wobei das folgende verwendet wurde:

Pulver-Lot
Pulvergröße
Elektrodengas
Pulverträgergas

Abschirmung

Strom

Spannung

Bogendruck

Ausgabedruck

Beschichtungszeit

Beschichtungsdicke

Flammenabstand

Pulverzuführungsrate

Beryllium

0,044 mm und feiner

1.68mVStd. Argon

2,24 mVStd. Argon und

1,12 mVStd. Argon

+ 15% Wasserstoff

nicht verwendet

195 A

58 V

2,18 atü

2,53 atü

9 Minuten

0,89 bis 1,14 mm

2,5 bis 3,1 cm

13 g/Min.

Nach der Plasmaablagerung von Beryllium wurde der beschichtete Kern in einen Ofen gestellt und auf 210^cC erhitzt, woraufhin die Legierung schmolz und von der Kernseele und dem polyimidfilmbeschichteten Berylliumgegenstand wegfloß und einen Zwischenraum übrigließ, der die leichte Entfernung der Kernseele ermöglichte. Der Polyimidfilm wurde dann von dem Gegenstand abgeschält, wodurch sich ein frei stehender Berylliumgegenstand ergab, der eine Kontur aufwies, die identisch war mit dem in der Zeichnung gezeigten Kern.

Beispiel Il

Eine mit Gewinde versehene Stange mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Länge von 610 mm wurde mit einer 25 mm dicken Schicht der Legierung nach Beispiel I beschichtet, und zwar auf eine Länge von 480 mm. Die Oberfläche der Legierungsschicht wurde bearbeitet, um eine glatte Oberfläche zu erhalten, wodurch sich ein endgültiger Stangendurchmesser von

48.8 mm ergab. Die glatte Oberfläche wurde dann mit einem mehrschichtigen Überzug von 0,13 mm versehen, und zwar mit einer Vorbehandlungslösung aus Polyimid, wie im Beispiel I beschrieben, danach gefolgt von einer leichten Sandstrahlbehandlung mittels Aluminiumoxyd, um die Oberfläche so aufzurauhen, daß die Oberfläche haftend wird für eine Plasmaablagerung von Beryllium.

Die polyimidbeschichtete Oberfläche wurde mittels Berylliumplasma besprüht, wobei das folgende verwendet wurde:

Pulver-Lot

Pulvergröße
Lichtbogen
Elektrodengas
Pulverträgergas

Abschirmung

Berylliumpulver (im Handel erhältlich als Brush-V-2484)

0,044 mm oder feiner
AT9-Modell der UCC
1,68 mVStd. Argon
2,24 mVStd. Argon und
1,12mVStd. Argon
+ 15% Wasserstoff
nicht verwendet

Strom

Spannung

Flammendruck

Ausgeberdruck

Beschichtungszeit

Beschichtungsdicke

Flammenabstand

Pulverzuführungsrate

180 bis 200 A
58 bis 62 V
2,25 bis 2,46 atü
2,60 bis 2,74 atü
60 Minuten
4,55 mm
3,1 mm
12,8 g/Min.

Nach der Plasmaablagerung von Beryllium wurde der beschichtete Kern in einen Ofen gestellt und auf 210⁰C erhitzt, woraufhin die Kern-Legierung schmolz und zwischen der Kernseele und dem polyimidfilmbeschichteten Berylliumgegenstand wegfloß und einen Zwischenraum zurückließ, der die leichte Entfernung der Kernseele ermöglichte. Der Polyimidfilm wurde dann von dem Gegenstand abgezogen, woraufhin ein freistehender Berylliumgegenstand zurückblieb, dcsser Kontur identisch war zu dem bearbeiteten legierungs beschichteten Kern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mehrschichtiger Kern, bestehend aus einer Kernseele aus Stahl oder einem anderen hochschmelzenden Material, einer darauf angeordneten niedrigschmelzenden Legierungsschicht und einer abschließenden Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Gegenständen durch Plasmaspritzen von Metall als äußere Schutzschicht ein Überzug aus Polyimid aufgebracht ist.

2. Mehrschichtiger Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernseele aus Aluminium, Messing, Stahl, Kupfer oder zwei oder mehreren dieser Stoffe und die Legierungsschicht aus einer Legierung von Wismut, Blei, Zinn, Cadmium, Indium, Antimon oder von zwei oder mehreren dieser Metalle besteht.

3. Mehrschichtiger Kern nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsschicht einen Schmelzpunkt von etwa 700⁰C und eine Dicke von 1,6 bis 25 mm hat.

4. Mehrschichtiger Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyimidschicht eine Dicke von 0,05 bis 0,25 mm hat.

5. Mehrschichtiger Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernseele einen Schmelzpunk· über 650°C hat.

6. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Kerns nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungsschicht vor dem Aufbringen der Polyimidschicht mechanisch zur Anpassung an die Form des herzustellenden Gegenstandes bearbeitet.