DE2407709A1 - Feuerfester schichtstoff von verbesserter festigkeit in ungebranntem zustand und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Description

E.I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY 10th and Market Streets, Wilmington, Delaware 19 998, V.St.A.

. Feuerfester Schichtstoff von verbesserter Festigkeit

in ungebranntem Zustand und Verfahren zur Herstellung desselben

Zur Herstellung von feuerfesten Hohlformen für den Präzisionsformguss sind, bereits verschiedene Methoden bekannt. Im allgemeinen wird ein verbrauchbares Modell, das gewöhnlich aus Wachs oder Kunststoff besteht, in eine Aufschlämmung aus feuerfesten Stoffen getaucht, die aus einer Suspension von feinkörnigem Feuerfestmaterial in einem flüssigen Bindemittel besteht. Nach dein Tauchen lässt man die überschüssige Aufschlämmung von dem beschichteten Modell ablaufen und beschichtet den Überzug, solange er noch nass ist, mit groben feuerfesten Teilchen (Grobsand). Dann ist das Bindemittel im allgemeinen imstande, durch Trocknen bei Raumtemperatur zu erhärten. Der Vorgang des Tauchens, der Grobsandbesehichtung und des Trocknens zwischen dem Aufbringen der einzelnen Überzüge wird wiederholt, bis sich um das Modell herum eine Hohlform von solcher Dicke aufgebaut hat, dass sie die Spannungen, die beim darauffolgenden Giessen auftreten, aushalten kann. Das verbrauchbare Modell wird dann gewöhnlich im Wachsschmelzofen,

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in einem siedenden Lösungsmittelbad oder vorzugsweise im Wasserdampfautoklaven aus der feuerfesten Hohlform ausgeschmolzen. Die feuerfeste Hohlform wird dann gebrannt, um sie für das Giessen von BTetall vorzubereiten.

Bei diesen bekannten Methoden können zwischen dem. Auftragen der einzelnen Überzüge je nach der ^temperatur, der luftfeuchtigkeit, der Luftströmung und der Kompliziertheit des Modells Troeknungszeiten von 30 Minuten bis 4 Stunden oder langer erforderlich sein. Infolgedessen ist diese Art der Formherstellung mit einem grossen Aufwand an Zeit und Kosten verbunden.

Um die Zeit für die Herstellung* von Hohlformen zu verkürzen, sind chemische Methoden zum schnellen Erstarrenlassen der . Bindemittelüberzüge entwickelt worden. Eine solche Methode macht von einem gasförmigen Reaktionsteilnehmer Gebrauch, um das Bindemittel zum Erstarren zu bringen. In der USA-Patentschrift 2 829 060 ist die Yerwendung von Kohlendioxid zum Erstarrenlassen von mit Hatriumsilicat gebundenen Überzügen beschrieben, die Ammoniak enthalten. Die USA-Patentschrift 3 455 368 beschreibt die Yerwendung von gasförmigem Ammoniak zum Erstarrenlassen von mit hydrolysiertem Äthylsilicat oder mit angesäuerter wässriger kolloidaler Kieselsäure gebundenen Überzügen. In der USA-Patentschrift- 3 396 775 ist die Verwendung von flüchtigen organischen Basen zum Erstarrenlassen von Überzügen beschrieben, die mit hydrolysierten Ithylsilieaten gebunden sind.

Eine andere Methode ist die Yerwendung von angesäuerter wässriger kolloidaler Kieselsäure, um eine basische kolloidale Kieselsäure zum Grelleren zu bringen, und umgekehrt. Bei dieser Methode sind beide Bindemittel negativ geladen, und die Gelierung beruht auf pH-Änderungen. Diese Methode ist in einer YerÖffentlichung von Shipstone, Rothwell und Perry, betitelt "Drying Ceramic-Shell Moulds", British Investment Casters' Technical Association* 9th Annual Conference, be-

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schrieben. Auf der Gelierung infolge von pH-Änderungen "beruhende Methoden haben aber keine weite Verbreitung gefunden, weil die Gelierung langsam vor sich geht und die* sich dabei bildenden Gele schwach sind. Dies führt zum Ablösen der früheren überzüge beim nachfolgenden Tauchen und damit zur Verunreinigung und Gelierung der Tauchbäder oder Aufschlämmungen.

Eine dritte bekannte Schnellerstarrungsmethode macht von Natriumsilieat als Bindemittel mit Monoammoniumphosphat und Magnesiumoxid in der Grobsandbeschichtung als Gelierungsmittel Gebrauch. Diese Methode ist in einer Arbeit von Dootz, Craig und Peyton, betitelt "Simplification of the Chrome-Cobalt Partial Denture Casting Procedure", veröffentlicht in Journal of. Prosthetic Dentistry, Band 17, Nr. 5, 1967, Seite 464-471, beschrieben.

Eine vierte Methode verwendet einen Tauchüberzug aus Ithylsilicat, der mit ammoniakhaltiger wässriger kolloidaler Kieselsäure zum Erstarren gebracht wird. Dies ist in einer Arbeit von Shepherd, betitelt "Adaptation of the Ceramic Shell Mould to Meet Mass Production Requirements", veröffentlicht •von der British Investment Casters¹ Technical Association, beschrieben.

Eine fünfte Methode besteht darin, ein flüchtiges organisches Lösungsmittel zu einem Kieselsäuresol zuzusetzen. Man erzielt dann ein verhältnisinässig schnelles Gelieren, wenn man das Lösungsmittel (gewöhnlich einen Alkohol) verdampfen lässt. Bei einer einfachen Giessform mag die zum Verdampfen erforderliche Zeit nur wenige Minuten betragen} bei komplizierten Giessformen kann das Verdampfen jedoch mehrere Stunden in Anspruch nehmen, weil die Diffusion von Lösungsmittel aus tief einspringenden bzw. hinterschnittenen Räumen oder blinden Kernbereichen ein langsamer Vorgang ist.

Ausserdem bringen flüchtige Lösungsmittel und gasförmiges Ammoniak für die Giesserei Schwierigkeiten hinsichtlich der Ent-

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flammbarkeit, der Giftigkeit und der Luftverschmutzung mit sich. Diese Probleme haben dazu geführt, dass sich die bisher bekannten Schnellerstarrungsverfahren nur langsam einführen.

Bei allen oben erörterten bekannten Verfahren ist es schwierig, das verbrauehbare Modell gleichmässig zu beschichten, wenn es kompliziert geformte Teile aufweist, die tiefe Hinterschneidungen oder blinde Kerne enthalten. Blinde Kerne lassen sich besonders schwer richtig beschichten. Zähflüssige Aufschlämmungen dringen langsam ein, schliessen- Luft ein und versperren leicht der Aufschlämmung den Zugang zu den Ecken. Dies führt zu fehlerhaften Abgüssen und einer hohen Abfallrate. Bei den bekannten Schnellerstarrungs-Überzugsverfahren wird das Problem noch dadurch erschwert, dass sowohl das Erstarrungsmittel als auch die Aufschlämmung selbst in die Hinterschnei düngen und die blinden Kerne eingebracht und auch wieder aus diesen ausgebracht werden müssen. Wenn der überschuss an Erstarrungsmittel nicht entfernt wird, verunreinigt er das Aufsehlämmungsbad und verkürzt dessen Lebensdauer. Diefj Erscheinung tritt nicht etwa plötzlich ein, sondern äussert sich in einer allmählichen Verschlechterung der Haltbarkeit und der Güte der aus der Aufschlämmung hergestellten Formen.

Alle bisher aufgetretenen Schwierigkeiten wurden anscheinend durch ein ganz besonderes Verfahren behoben, bei dem das rasche Erstarren der einzelnen Schichten durch Auftragen abwechselnder Schichten aus Solen von entgegengesetzt geladenen kolloidalen Teilchen erzielt wird, in denen hochgradig feuerfeste Pulver suspendiert sind. Mit anderen ¥orten: Die Oberfläche, auf der der Schichtstoff aufgebaut wird, wird in eine Aufschlämmung getaucht, die positiv oder negativ geladene kolloidale Teilchen enthält, und der nächste Tauchvorgang wird mit einer Aufschlämmung durchgeführt, die kolloidale Teilchen enthält, deren Ladung der Ladung der kolloidalen Teilchen in der unmittelbar vorhergehenden Schicht entgegenge-

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setzt ist. Jedoch ist die Festigkeit dieser feuerfesten Schichtstoffe in ungebranntem Zustand weit geringer als die Festigkeit derjenigen feuerfesten Schichtstoffe, die nach dem Verfahren des Trocknens zwischen dem Auftragen der einzelnen Überzüge hergestellt worden sind. Infolgedessen neigen diese Schichtstoffe zum Rissigwerden, wenn das ¥achs im Wasserdampfautoklaven ausgeschmolzen wird.

Es wurde nun gefunden, dass man einen feuerfesten Schichtstoff Ton verbesserter Festigkeit in ungebranntem Zustand auf der Oberfläche eines Trägers aufbauen kann, indem man den Träger abwechselnd in beliebiger Reihenfolge in (A) eine Aufschlämmung von pulverförmigem Feuerfestmaterial in einem Sol von negativ geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs und (B) eine Aufschlämmung von pulverförmigem leuerfestmaterial in einem Sol von positiv geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs eintaucht, wobei die erfindungsgemässe Verbesserung darin besteht, dass man die Aufs chi änmiung (A), wenn der erste Tauchvorgang in (A)) erfolgt, beim dritten oder fünften Tauchvorgangj und wenn der erste Tauehvorg'ang in (B) erfolgt, beim vierten Tauchvorgang durch (G) eine Aufschlämmung von Zirkon, Aluminiumoxid oder einem Aluminosilicat in einer Lösung eines ionogenen Alkalisilicate ersetzt und die Tauchvorgänge (C) und (B) wiederholt, bis auf dem Träger ein Schichtstoff der gewünschten Dicke aufgebaut worden ist. ·

Dabei führt die Wechselwirkung zwischen den negativ geladenen kolloidalen Teilchen und dem ionogenen Alkalisilicat mit den positiv geladenen kolloidalen Teilchen zu einem Erstarren, wodurch die Überzüge, sobald sie aufgetragen worden sind, unbeweglich werden und das Trocknen zwischen den einzelnen Beschichtungen entbehrlich wird.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform kann das überzogene Modell zwischen den einzelnen Tauchvorgängen mit einem grobkörnigen. Feuerfestmaterial (G-robsand) beschichtet werden.

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Obwohl man für die Herstellung einer Aufschlämmung aus dem Sol von positiv und/oder negativ geladenen Teilchen jedes beliebige feinkörnige Feuerfestmaterial, auch Quarzsand, verwenden kann,, soll der letztere zur Herstellung einer Aufschlämmung in der Lösung des ionogenen Alkalisilicats nicht verwendet werden. Die hohe Alkalinität der Silicatlösung verleiht nämlich den kolloidalen Siliciumdioxidteilchen in der Suspension eine negative Ladung. Infolgedessen wird die sich bildende Aufschlämmung hochgradig thixotrop und lässt sich praktisch nicht mehr hantieren, ferner greift die stark alkalische Reaktion das Siliciumdioxid an und löst es auf_} so dass die Tiscosität zunimmt und es schliesslich zur Gelierung der Aufschlämmung kommt. Da es wichtig ist, dass die Yiscosität der Aufschlämmung so niedrig bleibt, dass die Aufschlämmung leicht in Spalte hineinfliessen und leicht von dem Modell ablaufen kann, ist dieses Ergebnis äusserst ungünstig. Bine noch wichtigere Schwierigkeit, die sich aus der Verwendung von Quarzsand in der Lösung des ionogenen Alkalisilieats ergibt, ist die, dass die fertige Form dadurch schlechte Feuerfesteigenschaften erhält. Vorzugsweise verwendet man in der ionogenen Alkalisilicatlösung Zirkon oder ein Aluminosilicat. Siliciumdioxid kann jedoch als Grobsandbelag verwendet werden, falls nicht gerade eine äusserst hohe Feuerfestigkeit der Form verlangt wird, in welchem Falle Zirkon, Aluminiumoxid oder ein Aluminosilicat als Grobsand verwendet werden soll, d.h. Siliciumdioxid soll in diesem Falle nicht verwendet werden.

Erfindungsgemäss wird es bevorzugt, dass die positiv geladenen kolloidalen Teilchen aus einem Siliciumdioxidkern bestehen, der mit einer Sauerstoffverbindung eines mehrwertigen Metalls überzogen ist. Eine besonders bevorzugte Form der positiv geladenen Teilchen besteht aus kolloidalem Siliciumdioxid, das mit Aluminiumoxid überzogen ist.

Bei der Herstellung von verbrauchbaren keramischen Hohlformen für den Präzisionsformguss von Metallen nach dem Verfahren ge-,

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näss der Erfindung wird ein verbrauchbares Modell des Metallabgusses, wie oben beschrieben, abwechselnd in verschiedene Aufschlämmungen getaucht. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zunächst eine Aufschlämmung in einem negativen Sol, dann eine Aufschlämmung in einem positiven Sol, hierauf eine Aufschlämmung in einer Lösung eines ionogenen Alkalisilicate und dann eine Aufschlämmung in einem positiven Sol aufgebracht, und die beiden letzten Tauchvorgänge werden wiederholt. Andererseits kann man die Aufschlämmung in der Lösung des ionogenen Alkalisilicats auch zum erstenmal in der fünften statt in der dritten Beschichtung aufbringen. Die für ' den ersten Überzug (Grundüberzug) verwendete Aufschlämmung enthält verhältnismässig feinkörniges Feuerfestmaterial; die für den zweiten Überzug verwendete Aufschlämmung kann feinkörniges Eeuerfestraaterial (wie für den Grundüberzug) oder gröberes Feuerfestmaterial (Hinterfüllmasse) enthalten; die für alle nachfolgenden Beschichtungen verwendeten Aufschlämmungen können grobkörnigeres Feuerfestraaterial (Hinterfüllmasse) enthalten. Zwischen den einzelnen Tauchvorgängen lässt man das mit den Überzügen versehene Modell ablaufen und beschichtet es ausserdem vorzugsweise mit einem verhältnismässig grobkörnigen Feuerfestmaterial (Grobsand).

Gemäss einer anderen Ausführungsform wird der Grundüberzug aus einer Aufschlämmung eines positiven Sols und der nächste Überzug aus einer Aufschlämmung einer Grundüberzugsmasse oder einer Hinterfüllmasse in einem negativen Sol aufgetragen, worauf man dann eine Aufschlämmung einer Hinterfüllmasse in einem positiven Sol und hierauf eine Aufschlämmung einer Hinterfüllmasse in einer Lösung eines ionogenen Alkalisilicats aufträgt und. die letzten beiden Beschichtungsvorgänge einmal oder mehrmals wiederholt.

Ungeachtet dessen, ob für den ersten Überzug eine Aufschlämmung in einem positiven oder in einem negativen Sol verwendet wird, muss der letzte Überzug aus einer Aufschlämmung in

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einem positiven Sol und nicht etwa in einer Lösung des ionogenen Alkalisilicate bestehen. Wenn man zur Herstellung des letzten Überzuges einer Aufschlämmung in einer lösung des ionogenen Alkalisilicate verwendet, bilden sieh in der Form beim Trocknen Oberflächenrisse aus, und die Schicht blättert ab.

Die Erfindung umfasst ferner feuerfeste Schichtstoffe und SchichtstofferZeugnisse, wie Hohlformen, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt sind. Die Schichtetoffe bestehen aus in beliebiger Reihenfolge abwechselnden Schichten von (A) einem Gel aus negativ geladenen kolloidalen SiIieiumdioxidteilchen und (B) einem Gel aus positiv geladenen kolloidalen Teilchen, wobei (A), wenn die erste Schicht aus (A) besteht, in der dritten oder fünften Schicht, und wenn die erste Schicht aus (B) besteht, in der vierten Schicht durch (C) ein Gel eines ionogenen Alkalisilicate ersetzt ist, sowie aus weiteren Schichten (C) und (B), bis die gewünschte Dicke erreicht ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die negativ geladenen kolloidalen Teilchen kolloidale Siliciumdioxidteilchen, die positiv geladenen kolloidalen Teilchen sind mit Aluminiumoxid überzogene Siliciumdioxidteilchen, und die Gelschichten enthalten pulverförmiges Feuerfestmaterial oder anorganische Verbindungen und/oder sind durch solche Stoffe enthaltende Zwischenschichten voneinander getrennt.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung darf die erste Schicht auf das Modell nicht aus einer Lösung eines ionogenen Alkalisilicats aufgetragen werden, sondern sie muss aus einem Sol aus negativ oder positiv geladenen kolloidalen Teilchen aufgetragen werden. Dieses Erfordernis beruht darauf, dass das zu giessende Metall mit der Pormwandung reagieren würde, wenn die an das Metall unmittelbar angrenzende Schicht der Giessform aus einem Gel eines ionogenen Alkalisilicats beste-

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hen würde. Ferner haben ionogene Alkalisilicate eine unzureichende Feuerfestigkeit, und wenn sie beim Giessen an das geschmolzene Metall unmittelbar angrenzen, kann das Metall eine schlechte Oberfläche erhalten, und die Präzision hinsichtlich der Abmessungen des Gussstückes kann unzureichend sein. Um den höchsten Festigkeitsgrad mit einer möglichst geringen Anzahl von Überzügen zu erreichen, wird die lösung des ionoge- nen Alkalisilicate zum erstenmal als dritter Überzug aufgetragen. Man kann das ionogene Alkalisilicat aber auch zum erstenmal als vierten oder fünften Überzug auftragen, was von der beim Aufbau angewandten Reihenfolge abhängt. Vorzugsweise wird jedoch das ionogene Alkalisilicat zum erstenmal im dritten überzug aufgetragen, weil sich auf diese V/eise 6-schichtige Schichtstoffe herstellen lassen, die ebenso schnell trocknen, aber drei- bis fünfmal so fest sind wie ein 8-schichtiger Schichtstoff, der aus abwechselnden Schichten von Solen entgegengesetzt geladener Teilchen hergestellt worden ist.

Für die Herstellung der gewünschten Schichtstoffe kann jede beliebige Anzahl von Überzügen aufgetragen werden. Gewöhnlich genügen jedoch sechs oder acht Überzüge. Die Ursache, auf der die überraschende Zunahme der Festigkeit in ungebranntem Zustand beruht, ist noch nicht aufgeklärt} gelierte Schichten aus Alkalisilicaten sind ja nicht gerade als besonders fest bekannt. Es wurde jedoch bestimmt, dass die Schicht aus positiv geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs, die normalerweise, besonders im Vergleich mit der Schicht aus negativ geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs, schwach und weich ist, durch Viechs el wirkung mit dem ionogenen Alkalisilicat äusserst fest wird. Es ist zwar bekannt, dass ionogene Alkalisilicate beim Trocknen harte, glasige Schichten bilden; bei der Durchführung der Erfindung wird jedoch das Silicat auf chemischem ¥ege geliert und erst dann getrocknet. Die sich dabei bildende Silicatschicht ist verhältnismässig schwach und kreidig, während die an sie angrenzende Schicht aus positiv geladenen Teilchen äusserst fest

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wird. Im Endergebnis erhält man einen Überzug, dessen Festigkeit in ungebranntem Zustand doppelt bis fünfmal so hoch ist wie diejenige von Schichtstoffen, die durch Gelierung auf Grund der Wechselwirkung zwischen Schichten aus entgegengesetzt geladenen Teilchen erzeugt worden sind.

Die praktische Bedeutung dieser mehrfachen Erhöhung der Festigkeit in ungebranntem Zustand liegt darin, dass die aus den Überzügen aufgebaute Form nunmehr fest genug ist, um das Wachs im Dampfautoklaven ausschmelzen zu können, ohne dass die Form dabei rissig wird. Ein weiteres wichtiges Ergebnis liegt darin, dass man mit einigen Überzugszusammensetzungen gemäss der Erfindung dünnere Formen herstellen kann, nämlich aus sechs statt aus acht überzügen. Die dünnere Form lässt sich weniger kostspielig herstellen und erfordert weniger Rohmaterial sowie eine kürzere Herstellungs- und Trockenzeit, was von grosser technischer Bedeutung ist.

Abgesehen von der überraschenden Erhöhung der Festigkeit in ungebranntem Zustand, die die Verwendung dünnerer Giessformen erlaubt, bietet die Erfindung auch noch eine Anzahl anderer Torteile gegenüber den bisher bekannten Verfahren. Das Verfahren arbeitet schnell, weil es nicht erforderlich ist, zwischen den Beschichtungen zu trocknen. Sobald eine Schicht aufgebracht und gegebenenfalls mit Grobsand.beschichtet worden ist, kann das überzogene Modell bereits in das nächste Bad getaucht werden. Wenn dies praktisch sofort geschieht, koaguliert der zuvor aufgetragene Überzug. Ein Tauchvorgang von 5 Sekunden Dauer genügt zum Erstarren des vorhergehenden Überzuges und zum Aufbau einer zusätzlichen Schlammschicht. Für praktische Zwecke sind 15 Sekunden bis 1 Minute erforderlich, um einen vollständigen Überzug einschliesslich Tauchen, 'Ablaufenlassen und Beschichten mit Grobsand aufzubringen. Daher lässt sich eine Hohlform aus sechs Überzügen leicht in weniger als 10 Minuten herstellen. Selbst diese kurze Zeit lässt sich gewüns clitenf alls noch verkürzen.

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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung ist der, dass die erzeugten Schichten ungeachtet der Form des Modells ungewöhnlich glatt und gleichmässig in ihrer Dicke sind. Es ist anzunehmen, dass dies (zum Teil, wenn nicht ausschliesslich) darauf beruht, dass die einzelnen Schlammtiberzüge oder -schichten auf den vorherigen Überzug aufgeliert und nicht einfach durch Nassaufnahme hinzugefügt werden. Ferner lässt sich das Verfahren mit Aufschlämmungen von niedrigeren Viscositäten durchführen, als sie die gewöhnlichen Schlämme aufweisen, wodurch der Durchgang durch verengte Öffnungen erleichtert wird.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung gegenüber den bisher bekannten Sehneliverfahren liegt darin, dass man zwischen den einzelnen Tauchvorgängen nicht zu warten braucht bis ein chemisches Erstarrungsmittel oder ein flüchtiges lösungsmittel abgelaufen oder aus hinterschnittenen Räumen und/oder blinden Kernräumen hinausdiffundiert ist, weil jede Aufschlämmung praktisch sofort als Erstarrungsmittel für den vorhergehenden Überzug wirkt. Da kein chemisches Erstarrungsmittel erforderlich ist, weisen die Abgüsse keine Fehler auf, die darauf zurückzuführen sind, dass das Erstarrungsmittel nicht ausreichend aus hinterschnittenen Räumen und blinden Kernen entfernt worden ist, und es kommt nicht zur Verunreinigung der Schlammbäder durch ungenügendes Entfernen eines Erstarrungsmittels.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Dicke der aufgetragenen Schichten nicht ausschliesslich von der Viscosität der Aufschlämmung abhängt. Dies wiederum dürfte darauf zurückzuführen sein, dass die Schlammschichten auf die vorherigen Schichten aufgeliert und nicht bloss durch Nassaufnahme und viscositätsgesteuertes Ablaufen darauf zurückgehalten werden. Infolge dieses Merkmals ist es möglieh, Aufschlämmungen von niedriger Viscosität zu verwenden und trotzdem Überzüge von ausreichender Dicke zu erhalten.

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Dies bedeutet einen Vorteil, weil an.tief hinterschnittenen Stellen und blinden Kernen eingeschlossene luft den Durchgang für einen zähflüssigen Schlamm leicht versperren kann, wodurch Abgüsse mit "zusätzlichem" Metall entstehen. Bei den bisher bekannten Verfahren ist es nicht praktisch, Aufschlämmungen von niedriger Yiscosität zu verwenden, weil sie zu schnell ablaufen und sehr dünne Schichten hinterlassen. Um eine Form von der gewünschten Dicke mit Aufschlämmung en von geringer Viscosität nach den bisher bekannten Verfahren aufzubauen, ist eine sehr grosse Anzahl von Tauchvorgängen notwendig, wodurch die Kosten untragbar werden.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Herstellung von verbrauchbaren, feuerfesten Hohlformen für den Präzisionsformguss von Metallen beschrieben.

Negative Sole

Zu den negativen Solen, die erfindungsgemäss verwendet werden können, gehören Kieselsäuresole, die im wesentlichen aus in einem geeigneten flüssigen Medium dispergierten dichten, nicht-agglomerierten, negativ geladenen, kolloidalen Einzelteilchen aus Siliciumdioxid bestehen. Die Konzentration des Siliciumdioxids in dem Sol braucht nur 5, kann aber auch 60 Gewichtsprozent betragen. Vorzugsweise beträgt der Siliciumdioxidgehalt wenigstens 25 Gewichtsprozent. Für die Zwecke der Erfindung wird eine Siliciumdioxidkonzentration zwischen 25 und 40 Gewichtsprozent besonders bevorzugt.

Der mittlere Durchmesser der Siliciumdioxidteilchen soll zwischen etwa 1 und 150 ιημ liegen. Vorzugsweise beträgt der mittlere Durchmesser der Siliciumdioxidteilchen 5 bis 50 ΐημ, insbesondere 5 bis 16 ιημ.

Der pH-Wert des Kieselsäuresole kann zur Erzielung zufriedenstellender Ergebnisse im Bereich von 10,5 bis 7»5 oder noch niedriger liegen. pH-Werte zwischen 8,5 und 10, wie sie die

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im Handel erhältliehen kolloidalen Kieselsäuresole ("Ludox") aufweisen, werden bevorzugt. Es ist jedoch nicht nötig, dass das Kieselsäuresol stark alkalisch reagiert, da die Erstarrungswirkung bei dem Verfahren gemäss der Erfindung auf der Wechselwirkung zwischen negativ und positiv geladenen Teil- . chen und nicht auf pH-Änderungen beruht. Daher ist es nur erforderlich, dass die Teilchen negativ geladen sind.

Positiv geladene, stabilisierende Gegenionen für die kolloidalen Siliciumdioxidteilchen in den Solen sind Na , wie bei »Ludox» ES, HS, SM und AM, KH₄ ⁺, wie bei "ludox AS», K⁺, Li⁺ und CLuartäres Ammonium. Kieselsäuresole, deren Teilchenober- ■ flächen durch Metalloxide modifiziert worden sind, um ihren negativen Charakter zu verstärken, wie "ludox AM" mit durch Aluminat modifiziertem Siliciumdioxid, können ebenfalls verwendet werden.

Anstelle von Kieselsäuresolen können auch andere negative Sole verwendet werden. Beispiele hierfür sind Sole von natürlichen Tonen, wie Bentonit, Attapulgit und Kaolinit.

Das flüssige Medium zum Suspendieren der kolloidalen Teilchen kann Wasser für sich allein oder im Gemisch init mit Wasser mischbaren Alkoholen von niedrigem Molekulargewicht, wie Methanol und Isopropanol, oder mit anderen polaren organischen Flüssigkeiten sein, oder es kann aus einer oder mehreren dieser organischen flüssigkeiten ohne Wasser bestehen. Das im Sinne der Erfindung bevorzugte Medium ist Wasser.

Ionogene Alkalisilicate

Verschiedene Arten von ionogenen Alkalisilicaten haben sich als geeignet für das erfindungsgemässe Verfahren erwiesen. So kann man Alkalisilicate als wässrige lösungen verwenden. Geeignete. Konzentrationen von Silicatfeststoffen, ausgedrückt als SiOp» liegen im Bereich von 15 bis 30 $ oder mehrj die obere Konzentrationsgrenze ist durch eine übermässig hohe Vis-

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cosität gegeben. Für die Zwecke der Erfindung werden Si0₂-Konzentrationen von 18 bis 2Q 'f bevorzugt.

Zu den verwendbaren Älkalisilicaten gehören Natrium-, Kalium- und Lithiumsilicat. Im Falle von Natrium- und Kaliumsilicat können die Molverhältnisse Si0₂:Na₂0 und SiO₂:K₂0 einen Wert von 2:1 oder weniger bis 4:1 oder mehr haben; die bevorzugten Molverhältnisse liegen zwischen 2,5:1 und 3»5:1. Im lalle von LithiumsiIicaten kann das Molverhältnis SiOp:EinO von 3»5ί1 oder weniger bis zu sehr hohen Werten reichen, bei denen die Moleküle bereits kolloidale Grosse haben.

Ausser Älkalisilicaten kann man auch quartäre Ammoniumsilicate verwenden. Ebenso können Gemische aus ionogenen Älkalisilicaten und kolloidalen Kieselsäuren verwendet werden. ·

Positive Sole

Vorzugsweise bestehen die positiv geladenen kolloidalen Teilchen aus einem Siliciumdioxidkern mit einem Überzug aus einer Sauerstoffverbindung eines mehrwertigen Metalls. Sole dieser Art sind in der USA-Patentschrift 3 007 878 beschrieben. Wie in der genannten Patentschrift ausgeführt wird, kann man als Metall-Sauerstoffverbindung, die verwendet werden "kann, um den kolloidalen Siliciumdioxidteilchen eine positive Oberflächenladung zu erteilen, jede Verbindung aus der Gruppe der Metalloxide, Metallhydroxide und hydratisierten Metalloxide von dreiwertigem Aluminium, Chrom, Gallium, .Indium und Thallium oder vierwertigem Titan, Germanium, Zirkonium, Zinn, Ger, Hafnium und Thorium verwenden. Aus Kostengründen ist das positive Sol vorzugsweise eine wässrige Dispersion von mit Aluminiumoxid überzogenen kolloidalen Siliciumdioxidteilchen, wie sie in Fig. 1 der USA-Patentschrift 3 007 878 dargestellt sind.

Ein Beispiel für ein Sol aus geladenen, mit Aluminiumoxid überzogenen Siliciumdioxidteilchen, das sich für die Zwecke

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der Erfindung besonders eignet, ist ein solches, bei dem 1 Mol Aluminium je Mol Oberfläehensiliciumdioxid vorhanden ist, und das folgendermassen hergestellt wird:

119,75 kg kolloidale Kieselsäure ("Ludox HS")» die 40 Gewichtsprozent SiOp enthält, und bei der die Siliciumdioxidteilchen eine mittlere Grosse von 12 bis 15 ταμ und eine spezifische Oberfläche von 215 m /g SiO₂ aufweisen, werden mit 821 g eines Gemisches aus gleichen Teilen konzentrierter Salzsäure und Wasser auf einen pH-Wert von 7,50 eingestellt. Das Sol wird mit 28,5 kg ·50-prozentigem Chlorhydrol (Al₂(OH)₅Cl) und 28,0 kg V/asser gemischt, indem es mit einer Geschwindigkeit von 11,34 kg/min in eine Zentrifugalpumpe eingeleitet wird, die die basische Aluminiumchloridlösung umlaufen lässt. Das klare flüssige Zwischenprodukt wird im Verlaufe einer halben Stunde auf 60° C erhitzt, 2 Stunden auf 60° C gehalten, dann auf 20° C gekühlt und mit einem Schnellmischer gerührt und gleichzeitig mit der Pumpe umlaufen gelassen, wobei man eine Dispersion von 600 g Magnesiumhydroxid in 1800 g Wasser im Verlaufe von 5 Minuten einführt, um den pH-Wert auf 5,65 einzustellen. Das Rühren und Umlaufenlas'sen wird noch 2 Stunden fortgesetzt?. Das klare beständige Produkt enthält 26,4 f* SiOp, 4,2 fa Al₂Ov, 1»0 $ Cl und 0,23 # MgO. Das Molverhältnis von Aluminium zu Oberflächen-SiO₂ beträgt 1:1. Jiach mehrwöchiger Lagerung beträgt der pH-Wert des Produkts 4,60, die Viscosität 15 cP und das spezifische Gewicht bei 25° C 1,23. Das Produkt (das nachstehend als "Ludox I3OM" bezeichnet wird) ist das in den nachstehenden Beispielen verwendete positive Sol.

Positive Sole der bevorzugten Art weisen zwei besondere chemische Eigenschaften auf, die sie für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet machen:

(1) Bei pH-Werten von mehr als etwa 6,0 polymerisiert der geladene Aluminiumoxidüberzug Weiter, wodurch es zu einem

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schnellen Zusammenballen der kolloidalen Teilehen unter Bildung eines steifen Gels kommt. "

(2) Die Affinität der geladenen kolloidalen Teilchen für negative Stoffe, wie kolloidale Kieselsäure und Silicate, ist sehr stark. . .

Diese beiden Wirkungen zusammen führen zur Bildung fester, zäher, gelförmiger Polymerisate. Die Möglichkeit, Giessformen schnell ohne zwischenzeitliches Trocknen herzustellen, beruht auf der Unversehrtheit (dem guten Zusammenhängen) dieser Gele.

"Ludox 130M" wird durch Chlorionen stabilisiert. Anstelle der Chlorionen kann man, wie in der USA-Patentschrift 3 007 878 beschrieben, auch andere Anionen, wie Formiat, Acetat, Lactat, Ritrat, Bromid, Perehlorat, Bromat und Trichloracetat, verwenden. '

Anstelle der aus den mit Sauerstoffverbindungen mehrwertiger Metalle beschichteten kolloidalen Si^iciumdioxidteilchen zusammengesetzten Sole kann man im Rahmen der Erfindung auch andere positive Sole verwenden. Insbesondere kann man Sole aus einer Anzahl von im Handel erhältlichen dispergierbaren kolloidalen Aluminiumoxidsorten verwenden, wie "Dispal" (Continental Oil Co.), "Alon G" (Cabot Corporation) und "Super-Ox^M (Merkl Research Co.).

Feuerfestmaterial

Zum Aufbau der Formen gemäss der Erfindung kann man jedes feinteilige Feuerfestmaterial verwenden, sofern es mit den Bindemitteln nicht reagiert, und mit der Massgabe, dass Siliciumdioxid nicht zusammen mit dem ionogenen Alkalisilicat verwendet werden darf. Geeignete Feuerfestmaterialien sind Zirkon, Molochit, Quarzsand, Sillimanit, Mullit und Aluminiumoxid. Um Abgüsse mit einer glatten Oberfläche zu erhalten,

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soll alles Feuerfestmaterial in der Aufschlämmung für den ersten Überzug durch ein Sieb mit 0,149 mm Maschenweite hindurchgehen, und vorzugsweise soll das Material zu 85 fi durch ein Sieb mit 0,074 mm Maschenweite hindurchgehen. Zur Erzielung besserer Oberflächen kann man auch noch feinkörnigeres Feuerfestmaterial verwenden, und dieses wird in den meisten Fällen sogar bevorzugt. Bei den nachfolgenden Überzügen kann das Feuerfestmaterial viel gröber sein; vorzugsweise hat aber sämtliches Material eine solche Korngrösse, dass es durch ein Sieb mit 0,297 mm Maschenweite hindurchgeht..

Das für den Grobsandbelag verwendete feuerfestmaterial ist vorzugsweise grobkörniger als das für die Aufschlämmung verwendete Material und besteht aus dem gleichen Werkstoff. Y/enn z.B. das !euerfestmaterial in der Aufschlämmung für den ersten Überzug Zirkon ist, der zu etwa 75 i* durch ein Sieb mit 0,044 mm Maschenweite hindurchgeht, kann man für den Grobsandbelag Zirkon mit £eilchengrössen von 0,105 bis 0,42 mm verwenden. Es ist jedoch nicht wesentlich, dass man für die Aufschlämmung und für den Grobsandbelag den gleichen Werkstoff verwendet. Beispiele für Peuerfestmaterialien, die sich für den Grobsandbelag eignen, sind Zirkon, Zirkoniumoxid, Sillimanit, Mullit, Quarzsand, Aluminiumoxid und gemahlene Schamotte.

Schlämme (Aufschlämmungen)

Die Anzahl und Art der erfindungsgemäss verwendeten Überzugsschlämme richtet sich danach, welche von den beiden möglichen Hauptaufbaumethoden man auswählt. Der Hauptunterschied zwischen diesen Möglichkeiten ist die Art des Bindemittelsols, die für die zur Herstellung des ersten Überzuges dienende Aufschlämmung verwendet wird, wie in labeile I angegeben.

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Tabelle

Pormaufbau	A
Überzug Hr.
1	negatives Sol ρ*
2	positives Sol b*
3	Alkalisilicat b
4	positives Sol b
5	Alkalisilicat b
6	positives Sol b
7	' Alkalisilicat b
8	positives Sol b

positives S.ol ρ negatives Sol b positives Sol b Alkalisilicat b positives Sol Alkalisilicat b positives Sol

* ρ = Grundüberzug;

b = Hinterfüllmasse.

Die Form mit dem Aufbau A benötigt mindestens drei verschiedene Aufschlämmungen in der folgenden Reihenfolge:

1. Aufschlämmung für den Grundüberzug in negativem Kieselsäuresol.

2. Aufschlämmung für die Hinterfüllmasse in positivem Kieselsäuresol.

3. Aufschlämmung für die Hinterfüllmasse in Alka^isilicatlösung.

Die Form mit dem Aufbau B erfordert mindestens vier Aufschlämmungen in der folgenden Reihenfolget

1. Aufschlämmung für den Grundüberzug in positivem Kieselsäuresol.

2. Aufschlämmung für die Hinterfüllmasse in negativem Kieselsäuresol.

3. Aufschlämmung für die Hinterfüllmasse in positivem Kieselsäuresol. . -

4. Aufschlämmung für die Hinterfüllmasse in Alkalisilicatlösung.

- 18 -

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Die Aufschlämmungen für den Grundiiberzug unterscheiden sich von den Aufschlämmungen für die Hinterfüllmasse hauptsächlich in der leilchengrösse des in den flüssigen Bindemitteln suspendierten feuerfesten Pulvers. Die in den Aufschlämmungen für den Grundüberzug verwendeten feuerfesten Pulver haben söhr kleine (Deilchendurchmesser; 99 Gewichtsprozent gehen durch ein Sieb mit 0,044 mm Maschenweite hindurch, um dem Metallabguss eine möglichst glatte Oberfläche zu verleihen und die feinsten Einzelheiten des Modells zu reproduzieren. Die feuerfesten Pulver in den Aufschlämmungen für die Hinterfüllmasse haben im allgemeinen grössere Teilchen} 99 Gewichtsprozent werden auf einem Sieb mit 0,044 mm Maschenweite zurückgehalten, und vielleicht 90 ?& gehen durch ein Sieb mit 0,297 mm Maschenweite hindurch, um die äusseren Schichten der auf dem Modell durch Tauchen entstehenden Schale schnell mit der höchstmöglichen luftdurchlässigkeit aufzubauen, die mit einer ausreichenden Festigkeit der Form in ungebranntem Zustand vereinbar ist.

Die Aufschlämmungen gemäss der Erfindung können aus allen geeigneten feuerfesten Pulvern nach beliebigen Methoden hergestellt werden. Das feuerfeste Mehl kann z.B. zu dem Sol oder der lösung unter Rühren mit einem Flügelrührer zugesetzt werden, und gegebenenfalls kann man ein Netzmittel hinzufügen, um das Netzvermögen des Schlammes für das Modell zu verbessern. Netzmittel, wie "IJltrawet 60L" (Atlantic Refining Comp.) sollen in den niedrigsten wirksamen Konzentrationen angewandt werden, um die Schaumbildung auf einem Minimum zu halten. Weitere Einzelheiten über geeignete Bestandteile und Verfahren, die zur Herstellung der Aufschlämmungen gemäss der Erfindung angewandt werden können, finden sich in der USA-Patentanmeldung Serial No. 148 956. . -

Modellwerkstoffe und Reinigung

Ton dem in Metall zu reproduzierenden Gegenstand werden herkömmliehe verbrauchbare Modelle aus Wachs oder Kunststoff her-

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gestellt. Diese Modelle werden dann an einem G-iess- und Lauftrichtersystem in Form der üblichen Traube befestigt, die zur vielfältigen Herstellung der Modelle erforderlich ist. Die Modelltraube wird mit einem geeigneten Lösungsmittel, wie Methyläthylketon, Trichloräthylen oder Alkoholgemischen, gereinigt, um Schmutz und bei der Herstellung verwendete Ablösemittel zu entfernen. Die durch Lösungsmittel gereinigte Traube wird getrocknet und kann dann in die Aufschlämmung für den Grundüberzug getaucht werden. Wenn im Falle der Verwendung von kolloidaler Kieselsäure in der Aufschlämmung für den Grundüberzug Schwierigkeiten hinsichtlich der Benetzbarkeit auftreten, erzielt man mit einer 1- bis 2-prozentigen Lösung von "Cab-O-Sil M-5" (Gabot Corporation) in Isopropanol einen dünnen hydrophilen Film, der die Benetzbarkeit bedeutend verbessert. Dieser "Cab-O-Sil"-Überzug muss aber vor dem Eintauchen der Modelltraube in die Aufschlämmung getrocknet werden. "Cab-O-Sil" ist ein durch Flammenhydrolyse von Siliciumtetrachlorid hergestelltes Siliciumdioxid-Aerogel.

Obwohl Wachs und Kunststoffe die bevorzugten Werkstoffe für das verbrauchbare Modell sind, kann man auch andere Werkstoffe, wie niedrigschmelzende Zinn-Wismut-Legierungen, verwenden.

Das Tauchen

Zur Herstellung der Giessform wird die mit Lösungsmittel gereinigte, verbrauchbare Modelltraube, z.B. aus Wachs, in eine Grundüberzugsaufschlämimmg aus kolloidaler Kieselsäure und feuerfestem Mehl oder in eine Grundüberzugsaufschlämmung aus einem positiven Sol und feuerfestem Mehl getaucht. Die Modelltraube wird gründlich mit der Grundüberzugsaufsclilämmung benetzt, herausgezogen, ablaufen gelassen und gedreht, um die vollständige Bedeckung in allen Hinterscheidungsstellen und -blinden Kernen zu gewährleisten. Nach dem Tauchvorgang erfolgt die Beschichtung der nassen Modelltraube mit Grobsand, wofür gewöhnlich ein etwas grobkörnigeres Pulver aus dem glei-

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-Zv

chen Feuerfeststoff wie in der vorhergehenden Aufschlämmung verwendet wird. Nach Beendigung des Tauchvorganges wird ein zweiter überzug aufgetragen und mit Grobsand beschichtet, und das Tauchverfahren wird, wie in Tabelle I angegeben, fortgesetzt, wobei nach jedem Tauchvorgang eine Beschichtung mit Grobsand erfolgt, der vorzugsweise eine etwas gröbere Korngrösse aufweist als der Grobsandbelag auf dem Grundüberzug. Man kann jedoch in der Aufschlämmung für den Grundüberzug, .in der Aufschlämmung für die Hinterfüllmasse sowie für den Grobsand auch ein und dieselbe Korngrösse verwenden.

Gegebenenfalls kann man zwei Grundüberzüge, einen aus der Aufschlämmung in dem negativen kolloidalen Kieselsäuresol und den anderen aus der Aufschlämmung in dem positiven Sol, wenn auch nicht notwendig in dieser Reihenfolge, auftragen, um einen ausgezeichneten Grundüberzug für den Metallguss zu er- ■ halten. Vorzugsweise werden diese Modelle dann in vier oder fünf Überzügen mit Hinterfüllmasse beschichtet, so dass man im ganzen sechs oder sieben Überzüge erhält. Man kann die Form jedoch je nach der Wachsmodelltraube, der ,Modellgrösse und der räumlichen Ausbildung aus dreissig oder noch mehr Überzügen aufbauen. Eine grössere Anzahl von Überzügen wird im allgemeinen zur Herstellung von Giessformen für massive Ab-'güsse angewandt, die gewöhnlich nicht'durch Präzisionsformguss angefertigt werden.

Die Tauchdauer ist nicht ausschlaggebend; bei Tauchzeiten von 5, 10, 20 und 90 Sekunden erhält man ausgezeichnete Giessformen. Die erforderliche Tauchzeit ist eine ühmktion der Kompliziertheit der Modelltraube; eine typische Tauchzeit betrage jedoch 10 bis 60 Sekunden. Die Zeit zur Herstellung einer Giessform aus 8 bis 10 Überzügen beträgt ungefähr 10 bis 15 Minuten, wobei die Zeit zum Ablaufenlassen und zur Grobsandbeschichtung eingerechnet ist. !Formen, die aus dreissig Überzügen aufgebaut werden, können gut in 1 1/2 Stunden hergestellt werden.

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Das Trocknen

Fach dem letzten Tauchvorgang ist die Formtraube für das Trocknen bereit. 18- bis 24-stündiges Trocknen bei Raumtemperatur genügt, um die Hauptmenge des Wassers zum Verdunsten zu bringen. Unter gesteuerten Bedingungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit, nämlich bei 24° C und 40 $ relativer Feuchte, sind 85 bis 90 $ des V/assers aus einer aus sechs Überzügen aufgebauten Form nach 24 Stunden und aus einer aus acht Überzügen aufgebauten Form nach 48 Stunden verdunstet.

5-stündiges Trocknen im Luftzug bei 43° C genügt, um eine vergleichbare Wassermenge zum Verdampfen zu bringen.

Das Entwachsen

Das Entwachsen der Formen kann nach den herkömmlichen Verfallren durchgeführt werden, also durch Ausschmelzen im Ofen bei 925 bis 1040° C, durch Ausschmelzen im Wasserdampfautoklaven oder durch Herauslösen des Wachses mit Lösungsmitteldämpfen.

Das Ausschmelzen im Ofen erfolgt, indem man die Formtraube in einen zuvor auf 925 bis 1040 G erhitzten Ofen einbringt. Bei diesen Temperaturen dehnt sich das Wachs beim Erhitzen aus und übt einen inneren Druck aiif das G-efüge der Form aus. Dieser Druck wird dadurch entspannt, dass das Wachs schmilzt und aus dem G-iessbecher in der Formtraube ausläuft, sowie zu einem geringeren Grade dadurch, dass das Wachs in die Poren der Form eindringt. Die Formtrauben gemäss der. Erfindung haben eine verbesserte Festigkeit in ungebranntem Zustand und bekommen beim Wachsausschmelzen keine" Sprünge oder Blasen, obwohl sich das Wachs beim Ausschmelzen ausdehnt.

Das Wachsausschraelzen im Wasserdampfautoklaven beruht, ebenso wie das Ausschmelzen im Ofen, auf dem raschen Erhitzen des Wachses und dem Schmelzen desselben unter Entlastung des inneren Druckes, der auf die Forratraube ausgeübt wird. Daher wird nach dem Beschicken des Autoklaven mit den Formtrauben

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der WasSerdampfdruck so schnell wie möglich erhöht, um das rasche Erhitzen des Wachses zu begünstigen. Im Wasserdampfautoklaven von Wachs befreite Formtrauben haben riss- und blasenfreie Oberflächen, die sich zum Metallguss eignen.

Das Herauslösen des Wachses aus Giessformtrauben mit Hilfe von Lösungsmitteldämpfen wird mit Trichioräthylendampf durchgeführt. Das Lösungsmittel siedet im unteren Teil eines Entfettungsbehälters, und die Dämpfe durchdringen die Poren der feuerfesten Formtraube und lösen sofort die an die feuerfesten Formen angrenzenden Wachsflächen auf, bevor das Wachs sich infolge der Wärme der Lösungsmitteldämpfe.ausdehnt. Die Hauptmasse des Wachsmödells schmilzt erst dann, wenn der auf die Formtraube ausgeübte innere Druck aufgehoben worden ist. Formtrauben, aus denen das Wachs nach der Lösungsmitteldaiapfmethode entfernt worden ist, bestehen aus für den Metallguss geeigneten riss- und blasenfreien Formen.

Funktionsweise und Vorteile

Die Funktionsweise, auf der die Gelierung der Schichten beruht, ist zwar noch nicht vollständig aufgeklärt; es ist je'-, doch anzunehmen, dass, nachdem die mit Grobsand beschichtete, aber negativ geladene Schicht auf dem überzogenen Modell in die PuIveraufschlämmung in dem positiven Sol getaucht worden ist, die positiv geladenen Teilchen zu dem negativ geladenen kolloidalen Kieselsäureüberzug wandern oder von ihm angezogen werden, wodurch es zur sofortigen Koagulation an der Grenzfläche zwischen beiden kommt. Gleichzeitig (aber mit geringerer Geschwindigkeit) diffundiert Alkali aus der kolloidalen Kieselsäureschicht in den positiven Solüberzug, neutralisiert die Säure und polymerisiert die basischen Aluminiumionen an der Oberfläche der bevorzugten positiven Solteilchen weiter. Die gleiche Polymerisation findet zwischen dem ionogenen Alkalisilieat und dem positiven Sol statt, wodurch sich ein zusammenhängendes Gelnetz um die nasse Schale herum ausbildet, das zwei wichtige Aufgaben erfüllt: '

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1. Es wirkt als Klebstoff, der den nassen Überzug zusammenhält und ihm die nötige Festigkeit verleiht, damit er den nächsten Tauchvorgang aushält, und

2. es wirkt wie eine semipermeable Membran, die Wässer, aber kein Alkali durchtreten lässt. Die geringe Menge Alkali, die trotzdem in die positive Solschicht eindringt, wird neutralisiert und wird zu einem Teil der unbeweglich gewordenen Schicht. Infolgedessen führt die überschüssige positive Solaufschlämmung, die in das Bad zurückläuft, dem Bad kaum Alkali zu. Hierauf beruht die ungewöhnliche Beständigkeit der Aufschlämmung^ in positiven Solen.

Die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung aufgetragenen Überzüge haben eine hohe ÜTassgelfestigkeit. Die Fassgelfestigkeit ist die !Festigkeit des nassen Überzuges unmittelbar vor dem Eintauchen in die nächste Aufschlämmung. Wenn diese Festigkeit gering ist, löst sich der zuvor aufgetragene Überzug beim nächsten Tauchvorgang ab, Gele, die sich nur aus wässrigen kolloidalen Kieselsäuresolen gebildet haben, sind schwach und erfordern gewöhnlich ein gewisses Trocknen zwischen dem Aufbringen mehrerer Überzüge, selbst wenn man chemische Erstarrungsmittel verwendet. Die bevorzugten, aus positivem Sol und negativem Sol aufgebauten Überzüge gemäss der Erfindung weisen infolge der Polymerisation der Oberfläehenaluminiumatorae auf den positiven Solteilchen ungewöhnlich hohe Hassgelfestigkeiten auf, so dass sich eine Reihe von nassen Überzügen bildet, die ohne weiteres wiederholte (abwechselnde) Tauchvorgänge aushalten, ohne sich abzulösen.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass keine besonderen Steuerungsmassnahmen erforderlich sind, um die Zusammensetzung der Aufschlämmungen konstant zu halten. Bei den bisher bekannten Verfahren, bei denen zwischen je zwei Tauchvorgänge eine Trocknung zwischengeschaltet ist, werden die als Bindemittel wirkende kolloidale Kieselsäure, das Wasser und das feuerfeste Pulver in unterschiedlichen Mengenverhält-

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2Α077Ό9

nissen verbraucht. Infolgedessen ändert sich die Zusammensetzung der Aufschlämmung dauernd. Die Güte der Giessform ist aber sehr empfindlich gegen die Zusammensetzung der Aufschlämmung. Änderungen in den Verhältnissen können viele Schwierigkeiten verursachen, wie die Bildung von schwachen Giessformen (Springen), hohe Yiscosität (schlechte Bedeckung der Modelle), Einschlüsse, "überschüssiges" Metall und andere.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden die Bestandteile beider Aufschlämmungen in praktisch den gleichen Mengenverhältnissen verbraucht, in denen sie in den Aufsehlämmungen vorliegen. Daher ist keine besondere Methode erforderlieh, um die Zusammensetzung der Aufsehlämmungen unter Kontrolle zu halten. Änderungen in der Yiscosität, die sich aus der Verdampfung ergeben, können durch einfachen zeitweiligen Wasserzusatz ausgeglichen werden. In Anlagen von grossem Volumen können die Tauchbehälter aus grossen Vorratsansätzen gespeist und die Aufschlämmungen mit Wasser auf die gewünschte Viscositat verdünnt werden.

Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugten Überzüge liefern feuerfeste Giessformen, die um 15 bis 25 $> poröser sind als die nach herkömmlichen Verfahren aus Aufschlämmungen in wässriger kolloidaler Kieselsäure hergestellten G-iessformen. Infolge der hohen Porosität kann das Wasser beim Trocknen und Brennen leicht entweichen. Es ist auch erforderlich, die eingeschlossene Luft beim Giessen von Metallen entweichen zu lassen. Die Fähigkeit der Erzeugung von Giessformen von hoher Porosität ist daher ein anderer wertvoller Vorteil der Erfindung.

In den folgenden Beispielen beziehen sich Teile und Prozentwerte, falls nichts anderes angegeben ist, auf das Gewicht.

- 25,-09-85 1/06 5 3-

Beispiel 1

Eine Hohlform für den Präzisionsguss von Metallen wird nach dem Verfahren gemäss der Erfindung folgendermassen hergestellt:

Zwei Grundüberzugsaufschlämmungen werden hergestellt, indem man Zirkonpulver mit Teilchengrössen unterhalb 0,044 mm (Mehl ITr. 3 des Casting Supply House) mit "Ludox 130Mⁿ einer sauren, wässrigen Dispersion von positiv geladenen kolloidalen !Teilchen, bzw. mit "Ludox SM-30.", einem alkalischen wässrigen Kieselsäuresol, mischt und ,jedes der beiden Gemische vor der Verwendung 24 Stunden rührt. Die Zusammensetzungen, bei denen das Verhältnis von Bindemittelfeststoffen zu Zirkon 0,09 beträgt, sind die folgenden:

Grundüberzugsaufschlämmung A Gewichtsteile

Zirkonmehl, <44 μ 77,0

130M" (30 $> SiO₉-Al₉O,) 23,0

Grundübe r zug sauf s chlämmti ng B

Zirkonmehl, <44 μ 77,0

"Ludox SM-30» (30 fo SiO₂) 23,0

In der gleichen Weise wird eine Hinterfüllmassenaufschlämmung hergestellt, indem man Molochitpulver mit Teilchengrössen unterhalb 0,074 mm (Mehl Ur. 6 des Casting Supply House) mit "Ludox 130M" mischt und 24 Stunden vor der Verwendung rührt. Eine zweite Hinterfüllmassenaufschlämmung wird hergestellt, indem man Molochitpulver mit Teilchengrössen unterhalb 0,074 mm mit einer Lösung von ^uF^ff-Wasserglas (Du Pont Company) mischt, die.15 ^ SiO₂ enthält, und 24 Stunden vor der Verwendung rührt.

Die Zusammensetzungen, bei denen das Gewichtsverhältnis von Bindemittelfeststoffen zu Molochit für die Aufschlämmung C 0,165 und für die Aufschlämmung D 0,075 beträgt, sind die

folgenden:

-.26 ~

4 0 9 8 51/06B3

Hinterfüllmassenaufschlämmung 0 Gewichts teile

Molochitmehl, <74 μ 64,5

"Ludox 13OM» (30 $ SiO₂-Al₂O₅) 35,5

Hinterfüllmassenaufschläromung D

Molochitmehl, <74 μ "66,7

Wasserglas 33,3

Ein Wachsmodell wird in Methyläthylketon gereinigt, an der Luft getrocknet und in die Grundüberzugsaufschlämmung A getaucht, Ms es vollständig befeuchtet ist. Ein Netzmittel ist in der Aufschlämmung A nicht erforderlich, weil das positiv geladene Kolloid diese Aufgate übernimmt. Das Modell wird herausgezogen, die überschüssige Aufschlämmung ablaufen gelassen, und das Modell wird dann noch nass in eine Wirbelschicht aus Zirkon-Grobsand (Nr. 1, Teilchengrössen 0,105-0,177 mm, Casting Supply House) eingebracht. Die Grobsandbeschichtung hat den Zweck, den Aufbau der Form bis zu der gewünschten Dicke zu unterstützen, die für den Metallguss erforderliche Durchlässigkeit zu erzielen, und dem Überzug eine aufgerauhte Oberfläche zu verleihen, damit der nächste Schlammüberzug besser anhaftet. . -

Das Modell wird dann sofort ohne Trocknen in die GrundÜberzugs auf se hl ämmung B getaucht, gründlich befeuchtet, herausgezogen, durch Ablaufenlassen von überflüssigem Schlamm befreit und in die Zirkon-Grobsandwirbelschicht eingebracht. Dann werden sechs Hinterfüllmassenüberzüge aufgetragen, wobei man mit der Aufschlämmung Ö beginnt und diese abwechselnd mit der Aufschlämmung D verwendet, wobei jedesmal eine Grobsandschicht aus Molochitpulver mit Teilchengrössen von 0,25-0,59 mm aufgebracht wird.

Die Hinterfüllmassenschichten erstarren sehr schnell infolge der chemischen Wechselwirkung zwischen dem sauren positiven Kolloid und dem alkalischen Silicat.

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vtl·

Der Aufbau der Form nach dieser Methode der abwechselnden Aufschlämmungen dauert 17 Minuten.

Die an der Luft getrocknete, von.Wachs befreite und gebrannte Form hat keinerlei Risse oder sonstige Fehler und eignet sich zum Metallguss. An den Formen dieses Beispiels bestimmte Festigkeit swer te zeigen einen starken und überraschenden Anstieg der Festigkeit in ungebranntem Zustand, wenn man das negative kolloidale Kieselsäuresol als flüssiges Bindemittel durch die Alkalisilicatesung ersetzt.

Beispiel 2

Dieses Beispiel hat den Zweck, die hervorragende Beschaffenheit der erfindungsgemäss hergestellten Giessformen und die ausschlaggebende Bedeutung des Kieselsäuregehalts des Alkalisilicatbindemittels der Formen aufzuzeigen.

Aufsehlämmungen mit den in Tabelle II angegebenen Zusammensetzungen werden durch langsamen Zusatz der feuerfesten Pulver zu den flüssigen Bindemitteln unter gutem Rühren hergestellt. Das Rühren wird mindestens 24 Stunden vor der Verwendung dieser Aufsehlämmungen fortgesetzt, damit eingeschlossene luft entweichen kann. Bei der Verwendung zur Herstellung der Versuchsformteile dieses Beispiels haben die Aufsehlämmungen die in Tabelle II angegebenen Viscositäten, Dichten und pH-Werte. Diese Eigenschaften ändern sich nicht wesentlich im Verlaufe des Zeitraums von mehreren Wochen, in dem die Aufsehlämmungen verwendet werden, d_oh. die Aufsehlämmungen haben eine gute Arbeitsbeständigkeit.

Die Alkalisilicataufschlämmung D (Tabelle II) ist sehr thixotrop und eignet sich wegen ihres schlechten Fliessvermögens nicht für das technische Tauchverfahren. Sie wird nur verwendet, um die Bedeutung der Siliciumdioxidkonzentration des Alkalisilicatbindemittels aufzuzeigen.

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Es werden vier verschiedene Versuchsformen aufgebaut, wobei
die in Tabelle II angegebenen Aufsehlämmungen und die in Tabelle III angegebenen Grobsandbesehichtungen aus Quarzsand
verwendet werden.. Der erste und der zweite Überzug sowie die Grobsandbesehiclitungen sind bei allen vier Giessformen die
gleichen. Der Hauptunterschied zwischen diesen Formen besteht in der Aufschlämmung, die für den dritten, fünften und siebenten Überzug verwendet wird: Für die Giessform Nr. 1 wird eine Aufschlämmung in einem negativ geladenen kolloidalen Kieselsäuresol als flüssigem Bindemittel verwendet, während für die Giessformen Nr. 2, 3 und 4 Alkalisilicatesungen mit Siliciumdioxidkonzentrationen von 9 »85 ?£, 18 fo bzw. 20 f& als flüssiges Bindemittel verwendet werden.

Die Yersuchsformen werden in Form von Bruchprüfungsstäben
(ungefähr 0,64 cm χ 2,5 cm χ 15 cm) und in Form eines Wachsmodells hergestellt, das für viele Metallteile, die durch
Präzisionsformguss hergestellt v/erden, typisch ist. Das letztgenannte Modell wird nachstehend als "Zubehör"-modell bezeichnet.

Die Formen werden nach dem abwechselnden Tauchverfahren gemäss der Erfindung hergestellt, bei dem das Modell in die Aufschlämmung A. getaucht, herausgezogen, bis zur Bildung eines
gleichmässigen nassen Überzuges ablaufen gelassen, mit Grobsand beschichtet wird, dessen Überschuss man beim Drehen des Modells an der luft abfallen lässt, worauf das Modell ohne
zwischenzeitliches Trocknen in die Aufschlämmung B getaucht, herausgezogen, ablaufen gelassen, mit Grobsand beschichtet
und weiter gemäss Tabelle III behandelt wird. Bei allen vier Formen besteht der letzte Aufschlämmungsüberzug aus der Aufschlämmung B (Tabelle II). Auf den letzten Überzug wird kein Grobsand aufgebracht.

Man lässt die Formen 48 Stunden an der Luft trocknen, wobei
man sie mit 100 Frequenzen pro Minute bei 21-22° C Troeken-

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thermometertemperatur und 15,5 "bis 16,5° C Fassthermometertemperatur hin und herbewegt.

Die in Form von Bruehprüfungsstäben hergestellten Erzeugnisse werden zur Bestimmung der Festigkeit in luftgetrocknetem, ungebranntem Zustande sowie nach 45 Minuten langem Brennen bei 955 C und Abkühlen verwendet. Die Messungen in ungebranntem Zustande sind am wichtigsten, da die Form sich in diesem Zustande befindet, wenn sie der Einwirkung der Kraft des sich ausdehnenden Wachsmodells beim Wachsausschmelzen im Wasserdampf autoklaven oder im gasbeheizten oder elektrisch beheizten Ofen ausgesetzt wird.

Die Bruchprüfungen werden an sechs Reproduktionen einer jeden Form nach der ASTM-Prüfnorm C 328-56 durchgeführt. Die Mittelwerte der Ergebnisse dieser Festigkeitsprüfungen sind in Tabelle IT angegeben.

Diese Werte zeigen den starken und überraschenden Anstieg der Festigkeit der Formen in ungebranntem "Zustand, der durch Verwendung von Alkalisilicat als Bindemittel in den Hinterfüllmassenüberzügen der Form anstelle des negativen kolloidalen Kieselsäuresols erzielt werden kann. Man beobachtet eine vierfache Zunahme des Bruchmoduls in ungebranntem Zustand. Ferner zeigen die Werte die Bedeutung der SiOg-Konzentration des flüssigen Alkalisilicatbindemittels für die Festigkeit der Form in ungebranntem Zustande; die Siliciumdioxidkonzentration muss, um wirksam zu sein, mehr als 10 $> betragen und liegt vorzugsweise über 15 °[°\ besonders bevorzugt v/erden Siliciumdioxidkonzentrationen im Bereich von 18 bis 20 fo.

Die Werte der Tabelle IY zeigen auch noch einen anderen wichtigen Yorteil, den die Erfindung bietet; die aus sechs Überzügen aufgebaute Form Ur. 4, die mit einer Älkalisilicatlösung mit einem SiOp-Gehalt von 20 fo als flüssigem Bindemittel hergestellt worden ist, hat eine Bruchfestigkeit in ungebranntem Zustande von 1,59 kg? während die aus acht Überzügen aufgebau-

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te Form Fr. 1, die mit einem negativen Kieselsäuresol als Bindemittel hergestellt ist, eine Bruchfestigkeit in ungebranntem Zustande von nur 0,64 kg aufweist. Die e'rfindungsgemäss hergestellte Form ist fester und dünner, hat einen geringeren Materialbedarf und benötigt eine kürzere Zeit für ihren Aufbau und zum Trocknen. Die erfindungsgemäss hergestellten Giessformen stellen also einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiete der Herstellung von Präzisionsgiessformen sowohl vom technischen als auch vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus dar.

Die praktische Bedeutung der Erhöhung der Festigkeit der erfindungsgemäss mit Alkalisilicat anstelle eines negativen Kieselsäuresole als flüssigem Bindemittel hergestellten Giessformen in ungebranntem Zustand geht aus den Ergebnissen hervor, die man erhält, wenn die vier Formen dieses Beispiels, die auf dem "Zubehör"-modell hergestellt werden, im Wasserdampf autoklaven 15 Minuten bei einem Wasserdampfdruck von 7>7 kg/cm von Wachs befreit werden.

Giessform

Nr. Aussehen nach dem Wachsausschmelzen im Autoklaven ·

1 rissig, ungeeignet für den Metallguss.

2 rissig, ungeeignet für den Metallguss.

3 keine Risse. Gute Giessform.

4 keine Risse. Gute Giessform.

Formen, die mit dem "Zubehör"-modell und anderen Wachsraodellen in dem Aufbau der Formen Nr. 3 "und 4 gemäss Tabelle III hergestellt worden sind, werden im Dampfautoklaven von Wachs befreit, ohne rissig zu werden, 45 Minuten bis 1 Stunde bei 925 bis 1040° C gebrannt und dann zum Giessen verschiedener Stahlsorten verwendet. Die Abgüsse sind in allen Hinsichten, die von Präzisionsgüssen zu erwarten sind, von hohem Gütegrad.

Auf den gleichen Modellen nach dem Aufbau der Giessformen Nr. 1 und 2 gemäss Tabelle III hergestellte Formen lassen sich

• - - 31 - "

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im Dainpfautoklaven nicht von Wachs "befreien, ohne rissig zu werden, und eignen sich daher nicht zum Metallguss. Aus diesen Formen muss das Wachs im gasbeheizten oder elektrischen Ofen ausgeschmolzen werden, um G-iessforinen zu erhalten, die hinreichend rissfrei sind, um sich für den Metallguss zu eignen

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Tabelle

II

	Zusammensetzung	Teile	der Aufschlämmungen	C	D	E	P	M Ω	t
	Bezeichnung der Aufschlämmungen A	26,3	B	" Teile	Teile	Teile	Teile	I σ\
			Teile	37,0
	»Ludox HS" (40 ?6 SiO2)
	"Ludox 130M" (30 fi SiO2T1 '	8,1	; 48,0		8,62	16,67	20,2
	Natriumsilicat Nr. 9			7,0	16,75	10,05	9,1
	Wasser
	Hydroxyessigsäure	0,02	0,96
σ	(70-prozentige Lösung)	70,0						to
co CO	"Antarox BL240"^			50,0
cn	Quarzsand (<44 μ)		50,0	25,0				CD
	' » " (<125 μ)(4)	30,0	25,0	25,0				cn
CD J CD	S " " (149-297 μ)^		25,0		100,0	50,0	50,0	CO
cn	> Zirkon (<44 μ Γ ^					25,0	25,0
ω	" (<105 μ)^5^ .					25,0	25,0
	" (100-250 μ)^6^
	Aufschlämmung	45
	■ Yiscosität, Zahn-Becher	2,0		27	-	12	11
	Nr. 4, see '	9,6	10	1,8	2,8	2,9	2;9
	Dichte, g/cm	1,7	9,5	11,2	11,4	11,5
	pH	3,9

- Anmerkungen zur Tabelle siehe Seite 34 -

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Anmerkungen zur Tabelle II: Aufschlämmungen in

A negativem Sol für Grunduberzug B positivem Sol für Hinterfüllmasse C negativem Sol für Hinterfüllmasse

(9)

D Alkalisilicatlösung für Hinterfüllmasse, 9,85 ft SiO₂^ ^J

E Alkalisilicatlösung für Hinterfüllmasse, 18 j£ SiO₀'²'

( o\ F Alkalisilicatlösung für Hinterfüllmasse, 20 Jt

^ 'Positiv geladenes Sol, früher bezeichnet als "Positives Sol 130M"; E.I. du Pont de Heinours and Company.

^K 'i> SiO₂ in dem flüssigen Bindemittelteil der Aufschlämmung, "bezogen auf 29 f° SiO₂ in dem Natriumsilicat Nr. 9<

^K 'Nieht-ionogenes, schaumarmes Netzmittel; GAF Corporation. ^ 'Tennessee Electro-Minerals Corp., Greenville, Tennessee.

'Metal & Thermit Corporation, New York. ^ 'Flofida-T-Zirkon; E.I. du Pont de Nemours and Company.

- 34 409851/0653

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Tabelle

III

	•	Grobsand*	Formaufbau	2	3	Überzug	Nr.	S"	2	8
Form Nr.				S1	S"	4_	5	B	s»	0
			1_	B	C	S!f	S"	B	C	B
		S«	B	D	B	C	B	D	B
1		A	■B	E	B	D	B	E	B
2	A	B	F	B	E
3	A			B	F
4	A

Bezeichnung der Aufschlämmungen siehe Tabelle II.

* Grobsande: Quarzsand der Tennessee Electro-Minerals Corp.

S' =	149-297 μ	Form Nr. '	O1	Grobsand	•	2	•	(4)	1	3	4
su =	297-590 μ	Anzahl der Überzüge	O1	bell	e IV	8	9,85			8	6
O	ohne	fo- SiO2 im Silicat	Yc		der Versuchsforaien			"2,
	T a	(Bindemittel)^2'			1	O,.953		0,	8	20
Festigkeit	Ungebrannt	2,	8	0,737	40
W, kg	O1		11,25		631	1,588
d, cm	-		3,	66	0,432
p M, kg/cm		1,361 ·	0,	,77	56,24
Gebranntv J'	,635	0,737	52
W, kg	,584	17,93		901	1,814
d, cm	2,65			686	0,432
M, kg/cm				,02	60,46
	,631
	,559
	54,23

- Anmerkungen zur Tabelle siehe Seite 36 -

— 35 —

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Anmerkungen zur Tabelle ITt *

(^ Tabelle III. Tabelle II.

45 min bei 955° C gebrannt, dann gekühlt und auf Bruch festigkeit untersucht.

aemäss ASTM. O 328-56. Hierin bedeuten: W = kg Kraft, die zum Brechen des Tersuchsstabes erfor derlieh ist.

ά = Dicke des Yersuchsstabes, cm.

2 M = Bruchmodul, kg/cm .

Ii = Bruchlänge, 10,16 cm

b = Breite des Yersuchsstabes, cm.

Beispiel 3

Nach dem Verfahren der Erfindung werden zwei Formen hergestellt, um die Erhöhung der Festigkeit in ungebranntem Zustand durch Verwendung von Alkalisilicatlösung anstelle eines negativen Kiese!säuresols als flüssiges Bindemittel mit Zirkon als feuerfestem Pulver in der Aufschlämmung aufzuzeigen.

Die in Tabelle V beschriebenen vier Aufschlämmungen werden nach Beispiel 1 hergestellt.

Aus den in Tabelle V angegebenen Aufschlämmungen werden nach Beispiel 1 Versuchsformen mit den in Tabelle VI angegebenen Aufbauarten hergestellt.

- 36 409851/0653

- Anmerkungen zur !Tabelle siehe Seite 38 -

- 37 -40985 1/0653

2407703

IC-6107 ,η

Tabelle T

Zusammensetzung der Aufschlämmungen

Bezeichnung /γ\

der Aufs chläminungen G B^ ' H I

Teile Teile Teile Teile

"Ludox HS» (40 $> SiO₂) 32,2 13,92

"Iiudox 130M« (30 fi SiO₂)^¹ ^ ' 48,0

Natriumsilicat Ur. 9 33,15

(20 $> SiO₂)

Wasser 8,95 7,42

Hydroxyessigsäure

(70-prozentige Lösung) 0,96

"Antarox BL240»vw -	0,02	50,0	50,0	50,0
Quarzsand (<44 μ)	80,0	25,0	25,0	25,0
" » (<125 μ)^		25,0	25,0	25,0
11 " (149-297 μ) ^^
Zirkon (<44. μ)^	20,0
" (;<105 μ)^4^			10	10
■■" (100-250 μ)^5)
Aufschlämmung '			2	3
Viscosität, Zahn-Becher		10
Ur. 4» sec	25		350 cP	5000 cP
Brookfield-Viscosität		2	350 cP	2600 cP
LYT^6'), Spindel lir.	2		350 cP	1600 cP
Spindelgeschvrindigkeit		300 cP	300 cP	86Q; cP
3 U/min	30Q cP	325 cP	290 cP	600 cP
6 U/min	325 cP	275 cP	.3,06	2,78
12 IT/min	325 cP.	230 cP	9,7	11,7
30 U/min	300 cP	210 cP
60 U/min	305 cP	1,75
Dichte, g/cm	1,88	3,5
pH	10,0

10-6107

•J«·

Anmerkungen zur Tabelle V: Aufschlämmungen in

G negativem Sol für Grundüberzug

B positivem Sol für Hinterfüllmasse

H negativem Sol für Hinterfüllmasse

I Alkalisilicatlösung für Hinterfüllmasse

^ 'siehe Tabelle II, Anmerkung t.

^v 'siehe Tabelle II·, Anmerkung 3.

^ 'siehe Tabelle II, Anmerkung 4.

Tabelle II, Anmerkung 5. siehe
^ '

^v 'siehe Tabelle II, Anmerkung 6.

'Yiscosität in cP bei variierender Scherungsrate, bestimmt mit dem "Synchro-Electro Viscometer" der Brookfield

Engineering Laboratories, Modell LVT.

^K 'Gleiche Aufschlämmung wie B in Tabelle

Tabelle YI

	Grobsand*	Formaufbau	2	Überzug	ITr.	6	7	8
Form Dir.			S1	1 ί	5	S"	S«	0
		1	B	Su S"	S»	B	H	B
	S'	B	H B	H	B	I	B
5	G	I B	I
6	G

Bezeichnung der Aufschlämmungen siehe Tabelle T. * Ebenso wie in Tabelle III.

Yersuchsstäbe gemäss Beispiel 1 hergestellt und geprüft; die Festigkeiten sind die folgenden:

- 38 0 9 8 51/0653

IC-6107 _>α

E a b e 1 1 e ' ■ YII

!Festigkeit der Yersuchsformen^ ^

8	8
keines	. 20
0,68	2,0
0,584	0,635
13,50	31,21
2,13	3,22
0,559	0,660
43,16	46,33

Anzahl der Überzüge

# SiO₂ im Silicat (Bindemittel)^²^

Ungebrannt W, kg d, cm M, kg/cm

Gebrannt*· ^ W, kg d, cm

M, kg/cm

Anmerkungen; Tabelle VI. Tabelle V.

'Siehe Tabelle IV, Anmerkung 3. Siehe Tabelle IY, Anmerkung 4.

Die Werte der Tabelle YII zeigen eine 100-prozentige Zunahme der Festigkeit in ungebranntem Zustande für die mit Alkalisilicat hergestellte -Form Hr. 6 gegenüber der mit einem negativen Kieselsäuresol als flüssigem Bindemittel in der Hälfte der Hin te r füllmas s enauf schlämmung en hergestellten Form ITr. 5·

Wenn aus den mit dem "Zubehör"-modell hergestellten Formen dieser beiden Aufbauarten das Wachs im Verläufe von 15 Minuten bei 7,7 kg/cm im Wasserdampfautoklaven ausgeschmolzen wird, "bekommt die Form Nr. 5 bei diesem Verfahren starke Risse, während die Form Nr. 6 rissfrei bleibt. Nach 45 Minuten langem Brennen bei 955° 0 ist die Form Nr. 6 heil, rissfrei und für den Metallguss geeignet, während die Form Nr. 5 für den Metallguss ungeeignet ist.

- 39 -4 09851/0653

2407703

IC-61Q7
Beispiel 4

Nach dem Verfahren der Erfindung werden zwei Formen herge stellt, um die Erhöhung der Festigkeit in ungebranntem Zustan de durch Verwendung von Alkalisilicatlösungen anstelle eines negativen Kieselsäuresols als flüssiges Bindemittel mit "Calamo"-Aluminosilicat als feuerfestem Pulver in der Aufschlämmung aufzuzeigen.

"Calamo" ist eine Tonerdeschamotte, die von der Firma Harbison-Walker Refractories Co. zur Verwendung in Formmisehungen zum Giessen praktisch sämtlicher hochschmelzender Metalle in den Handel gebracht wird. Diese Schamotte hat die folgende typische chemische Zusammensetzung:

Siliciumdioxid (SiO₂) 52,8 #

Aluminiumoxid (Al₂O₅) 41,6 & · '

Titandioxid (TiO₂) 2,3 #

Eisenoxid (Fe₂O,) 1»5#

Alkali 1,2 ?δ

3 Spezifisches Gewicht 2,4-7 g/cm

Seger-Kegel-Fallpunkt 1752° C

Schmelzpunkt von reinem Quarzsand ....... 1723° C.

Die Aufsehlämmungen J und E gemäss Tabelle VIII werden nach Beispiel 1 hergestellt. Die Thixotropie der Aufschlämmung der "Galamo"-Schamotte in der Alkalisilicatesung ergibt sich aus den Brookfield-Viscositätswerten für die Aufschlämmung K im Gegensatz zu der nahezu Fewtonschen Viscosität der mit dem negativen Kieselsäuresol hergestellten Aufschlämmung Jo

- 4-0 -

409851/0653

Iatelle YIII

Zusamm ens e t zung	der Aufschlämmungen	K	L	M
Bezeichnung der Aufschlämmungen	J	Teile	Teile	Teile
	Teile		24,15
»Iiudox HS" (40 <fo SiO2)	27,85	58,8		.58,8
Natriumsilieat Nr. 9 (20 i» SiO2)			12,9
¥asser	14,85	50,0
"Calamo" 200 Alumino- ιΛ\ silicat1·''	50,0	• 25,0
it 100 " "	25,0	25,0
it 85 " "	25,0		50,0	50,0
Mullit · 200 Alumino- (Λ ν silicatu;			25,0	25,0
it 100 " M			25,0	25,0
« 5020 " «
Aufschlämmung		15	11	9
Yiscosität, Zahn-Becher Nr. 4, see'	14	3	2	2
Brookfield-Viscosität ΙιΥΤ(6), Spindel Nr0	2
Spindelgeschwindigkeit		3600 cP	500 cP	2300 cP
3 U/min	450 cP	2300 cP	300 cP	1375 cP
6 U/min	325 cP	1450 cP	250 cP	850 eP
12 U/min	312 cP	800 cP	220 cP	500 cP
30 U/min	290 cP	530 cP	222 cP	330 cP
60 U/min	275 cP	1,9	2,2	2,0
Dichte, g/cm	2,0	11,6	10,0	11,7
pH	10,0

- Anmerkungen zur Tabelle siehe Seite 42 -

- 41 409851/0653

IC-6107

Anmerkungen zur Tabelle YIIIt Aufschläromungen in

J negativem Sol für Grundüberzug

K Alkalisilicatlösung für Hinterfüllmasse

Ii negativem Sol für Hinterfüllmasse

M Alkalisilicatlösung für Hinterfüllmasse

'Harbison-Walker Refractories Company.

siehe !Tabelle Y, Anmerkung 6.

Gemäss Beispiel 1 werden aus den Aufschiämmungen G und B der Tabelle Y und aus den Aufschlämmungen J und K der Tabelle YIII Versuchsformen der folgenden Aufbauweisen hergestellt:

Tabelle IX

	Grobsand*	Pormaufbau	2	3	Überzug	Hr.	6	7	8
Form ITr.			* S'	G	■" i	5	C	0	O
		1	B	J	C	C	B	J	B
	S'	B	K	B	3	B	K	B
7	G			B	K
8	G

* S¹ Quarzsand, 14-9-297 μ (Tennessee Electro-Minerals Co.) G "Calamo" 22 Aluminosilicat, 297-1190 μ (H-N Refractories)

Bezeichnung der Aufschiämmungen siehe Tabellen Y und YIII.

Versuchsstäbe werden gemäss Beispiel 1 hergestellt und geprüft; die Festigkeiten sind die folgenden:

- 42 409 85 1/06 53

2A077Q9

IC-6107

Tabelle X Pestigkeit der Versuchsformen^ ' Porm Nr.^ " 7 8

8	8
keines	20
0,953	3,175
0,737	0,711
12,16	41,48
2,404	3,175
0,737	0,686
30,58	• 42,18

Anzahl der Überzüge

$ SiO₂ im Silicat (Bindemittel)^

Ungebrannt W, kg d, cm

Mi, kg/cm

Gebrannt^ ' W, kg d, cm M, kg/cm

Anmerkungen;

'¹ ' siehe Tabelle UL.

siehe Tabelle VIII.

siehe Tabelle.IV, Anmerkung 3.

^' siehe Tabelle IV, Anmerkung 4.

Die Werte der Tabelle X zeigen eine 340-prozentige Zunahme der Pestigkeit in ungebranntem Zustand für die mit Alkalisilicat hergestellte Porm Nr. 8 gegenüber der mit einem negativen Kieselsäuresol als flüssigem Bindemittel in der Hälfte der Hinterfüllmassenaufschlämmungen hergestellten Porm Nr. 7.

Wenn auf einem typischen Präzisionsformguss-Wachsmodell hergestellte Pormen dieser beiden Aufbauarten (Tabelle IX) erzeugt und getrocknet werden,und wenn das Wachs im Verlaufe

von 15 Minuten bei 7,7 kg/cm im Wasserdampfautoklaven ausgeschmolzen wird, bekommt die Porm Nr. 7 bei diesem Verfahren starke Risse, während die Porm Nr. 8 beim Wachsausschmelzen rissfrei bleibt. Nach 45 Minuten langem Brennen bei 955 C

- 43 409851/0653

IC-6107

ist die Form Nr. 8 heil, rissfrei und für den Metallguss geeignet, während die Form Nr. 7 für den Metallguss ungeeignet ist. .

Beispiel 5

Nach dem Verfahren der Erfindung werden zwei Formen hergestellt, um die Erhöhung der Festigkeit in ungebranntem Zustand durch Verwendung von Alkalisilicatlösung anstelle eines negativen Kieselsäuresole als flüssiges Bindemittel mit Mullit als feuerfestem Pulver in der Aufschlämmung aufzuzeigen.

Der in diesem Beispiel verwendete Mullit wird von.der Firma Harbison-V/alker Refractory Go. für die Verwendung bei der Herstellung von Formen für den Präzisionsformguss von Metallen in den Handel gebracht. Der Mullit hat die folgende typische chemische Zusammensetzung:

Siliciumdioxid (SiO₂) 22,4- #

Aluminiumoxid (Al₂O^) 75,5 &

Titandioxid (TiO₂) 3,2 $

Eisenoxid (Fe₂O₅) 0,9 #

Spezifisches Gewicht 2,79 g/cm

Seger-Kegel-Fallpunkt 1821° C

Schmelzpunkt von Quarzsand .; 1723 C.

Die Aufschlämmungen L und M der Tabelle VIII werden nach Beispiel 1 hergestellt. Die Thixotropie der Mullitaufschlämmung in der Alkalisilicatlösung ergibt sich aus den Brookfield-Viscositätswerten der Aufschlämmung K im Gegensatz zu der nahezu Newtonschen Viscosität der Aufschlämmung L, die mit dem negativen Kieselsäuresol hergestellt worden ist.

Gemäss Beispiel 1 werden aus den Aufschlämmungen G und B der Tabelle V und aus den Aufschlämmungen L und M der Tabelle VIII Versuchsformen der folgenden Aufbauarten hergestellt:

- 44 409851/0653

IC-6107	2407709	•	1 2	M	XI	Nr.	6	ι	8
	T a b e 1 1 ι	Grobsand* S1 S*	L		ι	M	M	O
		GB	M	Überzug	μ·	B	L	B
Form Hr.	a	GB		4	L	B	L	B
	Formaufbau		M	L
		■ B
9	• B
10 ·

Bezeichnung der Aufschlämmungen siehe Tabellen V und VIII.

* S^f Quarzsand, 149-297 μ (Tennessee Electro-Minerals Go.) M Mullit 3014, .105-590 μ (Harbison-Walker Refractories Co.)

Es werden lormteile, wie in Beispiel 1 besehrieben, in 3?orm von Yersuchsstäben und auf dem "Zubehör"-wachsmodell hergestellt. Die Ergebnisse sind die folgenden:

Tabelle XII !Festigkeit der Yersuchsforraen

(4)

Form Hr.

(D

Anzahl der Überzüge $ SiO₀ im Silicat (Bindemittel)

C.

Ungebrannt W, kg

d, cm

ο M, kg/cm

Gebrannt^ ' ¥, kg
d, cm
M, kg/em

10

8	8
keines	20
1,033	1,903
0,559	0,533
16,66	35,43
2,935	2,446
0,584	0,533
45,84	44,22

- Anmerkungen zur Tabelle siehe Seite 46

' - 45 -

40985 1/06 53

IC-6107

Anmerkungen zur Tabelle XII: Tabelle XI.

Tabelle YIII. ^'siehe Tabelle IV, Anmerkung 3 ^ 'siehe Tabelle IT, Anmerkung 4

Die Werte der Tabelle XII zeigen eine 100-prozentige Zunahme der' Festigkeit in ungebranntem Zustand, bestimmt an Hand des Bruchmoduls, für die mit Alkalisilicat hergestellte Form Hr. 10 gegenüber der mit dem negativen Kieselsäuresol als flüssigem Bindemittel in der Hälfte der Hinterfüllmassenaufsehlämmungen hergestellten Form Hr. 9·

Wenn aus den mit dem "Zubehör"-modell hergestellten Formen ITr. 9 und 10 gemäss Tabelle XI das Wachs im Verlaufe von

15 Minuten bei 7» 7 kg/cm im Wasserdampf autoklav en ausgeschmolzen wird, bekommt die Form Hr. 9 bei, diesem Verfahren starke Risse, während die Form Hr. 10 rissfrei bleibt. Nach 45 Minuten langem Brennen bei 955° C ist die Form Hr. 10 heil, rissfrei und für den Metallguss geeignet, während die Form Hr. 9 für den Metallguss ungeeignet ist.

In den obigen Beispielen können beliebige Bestandteile und Arbeitsbedingungen, die als geeignet im Sinne der Erfindung beschrieben worden sind, gegen entsprechende Bestandteile bzw. Arbeitsbedingungen in anderen Beispielen ausgetauscht werden.

- 46 -

40985 1/06 53

Claims (4)

1. Patentansprüche

   .j Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Schichtstoffen auf der Oberfläche von Trägern durch abwechselndes Eintauchen des betreffenden Trägers in beliebiger Reihenfolge in (A) eine Aufschlämmung von pulverförmigem Feuerfestmaterial in einem Sol von negativ geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs und (B) eine Aufschlämmung von pulverförmigem 3?euerfestmaterial in einem Sol von positiv geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs, dadurch gekennzeichnet, dass man die Aufschlämmung (A), wenn der erste Tauchvorgang in (A) erfolgt, beim dritten oder fünften Tauchvorgang, und wenn der erste Tauchvorgang in"(B) erfolgt, beim vierten Tauchvorgang durch (C) eine Aufschlämmung von Zirkon, Aluminiumoxid oder einem Aluminosilicat in einer Lösung eines ionogenen Alkalisilicate ersetzt und die Tauchvorgänge (G) und (B) wiederholt, bis auf dem Träger ein Schichtstoff der gewünschten Dicke aufgebaut worden ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den ersten Tauchvorgang in (A), den dritten Tauchvorgang in (C) durchführt und einen Schichtstoff aus sechs Schichten aufbaut.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man nach jedem Tauchvorgang Grobsand aufträgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man beim Tauchvorgang in (B) eine Aufschlämmung von pulverförmigem Peuerfestmaterial in einem Sol von kollo-

   - 47 -

   409851/0653

   IC-6107

   idalen Silieiumdioxidteilchen verwendet, die mit Aluminiumoxid überzogen sind.

   Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von verbrauehbaren feuerfesten Hohlformen durch abwechselndes Eintauchen eines verbrauchbaren Modells in "beliebiger Reihenfolge in (A) eine Aufschlämmung von pulverförmigem Feuerfestmaterial in einem Sol von negativ geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs und (B) eine Aufschlämmung von pulverförmigem Peuerfestmaterial in einem Sol von positiv geladenen kolloidalen Teilchen eines anorganischen Stoffs, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung von Hohlformen von verbesserter festigkeit in ungebranntem Zustand die Aufschlämmung (A), wenn der erste Tauchvorgang in (A) erfolgt, beim dritten oder fünften Tauchvorgang, und wenn der erste Tauchvorgang in (B) erfolgt, beim vierten Tauchvorgang durch (G) eine Aufschlämmung von Zirkon, Aluminiumoxid oder einem Aluminosilicat in einer Lösung eines ionogenen Alkalisilicats ersetzt und die Tauchvorgänge (C) iind (B) wiederholt, bis auf dem Träger ein Schichtstoff der gewünschten Dicke aufgebaut worden ist.

   Feuerfester Schichtstoff von verbesserter Festigkeit in ungebranntem Zustand, dadurch gekennzeichnet, dass er aus in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfolgenden Schichten von (A) einem Gel von negativ geladenen kolloidalen SiIiciuadioxidteilchen und (B) einem Gel von positiv geladenen kolloidalen Teilchen aufgebaut ist, wobei (A), wenn die erste Schicht aus (A) besteht, in der dritten oder fünften Schicht, und wenn die erste Schicht aus (B) besteht, in der vierten Schicht durch (C) ein Gel eines ionogenen Alkalisilicats ersetzt ist und sich weitere Schichten (C) und (B) anschliessen, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.

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