DE2451744B1 - Keramische dauerform fuer gusserzeugnisse - Google Patents

Description

• Das Wärmediffusionsvermögen der Formfertigteile muß bei Gießmetallen mit niedrigem latenten Wärmeinhalt durch die Auswahl des Kornaufbaus der Feuerfeststoffe und der gegebenenfalls an der Metallberührungsfläche aufgetragene Schlichte, einschließlich deren Schichtdicke, so gering wie möglich eingestellt werden, um ein Flüssighalten eines Gießmetalls während des Füllvorgangs auch bei geringen Erstarrungsquerschnitten und langen Fließwegen zu gewährleisten.
• Im folgenden werden an Hand von zwei Beispielen die erfindungsgemäßen Eigenschaften der keramischen Dauerform dargestellt.
• Beispiel 1 Zusammensetzung 190/, plastischer Ton mit 35 bis 38% Al203, 2% Phosphorsäure (thermisch) mit 80 ó H3PO4-Gehalt, 79% südafrikanische bzw. israelische Flintschamotte, hochgebrannt mit 54 % Al203, in der Körnungsabstufung 25 bis 30% kleiner 0,4mm, 20 bis 30% 0,4 bis 3 mm und 20 bis 30% 3 bis 6 mm.
• Dieses Gemisch wird unter weiterem Zusetzen von 5% Wassergehalt in einem Zwangsmischer zu einer krümelartigen Masse verarbeitet. Diese kiümelartige Masse wird in schweren Holzformen, die innen mit einem 1 mm starken Stahlblech ausgekleidet sind, mittels Preßluftstampfer zu den gewünschten Formaten verdichtet und geformt. Nach erfolgter Formgebung werden die Formlinge ausgeschalt und in einem Trockenofen auf 110° C getrocknet. Anschließend erfolgt ein Brennen der Formlinge bei einer Temperatur von beispielsweise 1100°C.
• Aus so hergestellten Formlingen wird unter Verwendung eines Klebemörtels eine Dauerform in beliebiger Größe zusammengesetzt, welche außen in einem Rahmen gehalten wird. Vor dem Abgießen wird die Innenseite einer so hergestellten Dauerform mit einer Schlichte versehen, um kleinere Unebenheiten in der Formwand auszugleichen.
• Die auf 11000C vorgebrannten Formlinge, aus denen die Dauerform besteht, weisen nach erfolgtem Brennen die folgenden Eigenschaftswerte auf: Thermische Werte Gebrauchstemperatur............. bis 1500°C Maximale Anwendungstemperatur.....1550°C Schmelzpunkt, SK 36.......................... 1805°C Wärmeleitfähigkeit in W/mK bei 1000°C ............................. 0,87 Ausdehnungskoeffizient, 0,53 % .... bei 10000 C Chemische Werte Al2O3...........................52% SiO2............................42% Fe2O3...........................1% TiO2............................2,2% CaO.............................0,1% MgO.............................0,2% Na2O...........................0,1% K2O............................0,3% SO3.............................0,9% P2O5...........................0,7% Körnung........................0 bis 6 mm Physikalische Werte Materialbedarf ...... 2,23 t/m3 Rohdichte nach 1100°C... 2,22 kg/dm³ Porosität nach 1100°C ... 20% Verfestigungsart .........keramisch-anorga nisch-chemisch Temperatur Gesamt- Biegefestigkeit Kaltdruckschwindung nach Brand festigkeit °C % N/cm2 N/cm2 400 0 689 2060 1120 0,20 758 3198 1300 0,20 965 3433 1500 +0,30 1103 3433 Beispiel 2 Für höhere Gießtemperaturen hat sich eine Masse mit einem noch höheren Al2O3-Gehalt bestens bewährt. Die Zusammensetzung dieser Masse ist wie folgt: 17% Ton mit 35 bis 38% Al2O8-Gehalt, 2 bis 2,5% Phosphorsäure (thermisch) mit etwa 80% H3PO4-Gehalt, 80,5% synthetischer Mullit mit etwa 70% Al2O3-Gehalt, hochgesintert. Der Mullit wird in den gleichen Kornfraktionen zugesetzt wie im Beispiel 1 angegeben ist.
• Dieses Gemisch wird mit etwa 4% Wasserzusatz in einen Zwangsmischer gegeben und zu einer homogenen, krümeligen Masse vermischt. Weiterverarbeitung der Masse sowie Trocknen und Brennen wie bei Beispiel 1. Auch die Verwendung derartig hergestellter Formlinge zur Erstellung einer Dauerform ähnlich wie Beispiel 1.
• Die einzelnen Formlinge haben nach erfolgtem Brand bei 1100°C die folgenden Eigenschaftswerte: Thermische Werte Gebrauchstemperatur .. bis bis 1550°C Maximale Anwendungstempesatur . . 1600°C Schmelzpunkt, SK 37 ................ 18300C Wärmeleitfähigkeit in W/mK bei 10000 C 0,98 Ausdehnungskoeffizient, 0,60% .... bei 1000°C Chemische Werte Al2O3...................61% SiO2....................32% Fe2O3....................... 1% TiO2........................... 2,1% CaO............................ 0,03% MgO...........................-Na2O........................... 0,1% K2O............................ 0,5% SO3............................ 0,9% P2O5............................ 0,7% Körnung........................ 0 bis 6 mm Physikalische Werte Materialbedarf ...... 2,60 t/m3 Rohdichte nach 1100°C .. 2,45 kg/dm3 Porosität nach 1100°C ... 18% Porosität nach 1320°C ... 19,4% Verfestigungsart ......... keramisch - anorganisch-chemisch Temperatur Schwindung Biegefestigkeit Kaltdrucknach Brand festigkeit °C % N/cm2 N/cm2 400 0 655 2159 1100 0,3 827 4395 1300 0,2 1241 4830 1500 +0,30 1310 6376 Die gebrannten Teile zur Herstellung von Dauerformen nach den beiden beschriebenen Beispielen haben eine sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit; bei der Prüfung nach DIN 10jS werden bis zur Zerstörung der Probekörper mehr als 50 Abschrekkungen benötigt. Die Heißdruckfestigkeit liegt bei einer Temperatur von 1450"C größer als 50 N/cm2.
• Die Druckerweichung to,s liegt bei 1300"C, t3 bei etwa 15000 C.
• Zum Nachweis des Vorteils der erfindungsgemäßen Massen sind die physikalischen Eigenschaften der Masse Beispiel 2 denen einer graphit-keramischen Masse B nach Gießerei-Rundschau, März 1973, S. 19 ff. in der Tabelle gegenübergestellt.
• Die Herstellung der Formteile erfolgt aus feuerfesten Baumassen, die tonerdereichen Feuerfeststoffe mit einem Al2O3-Anteil größer 40% enthalten und keinen Graphitanteil besitzen. Die Bindung der augewählten Kornfraktion erfolgt als Doppelbindung mit keramischen und anorganisch-chemischen Bindern.
• Um eine hohe Formstandzeit zu erzielen, muß das keramische Formfertigteil eine möglichst geringe Wärmeausdehnung und eine hohe Heißdruckfestigkeit, Druckfeuerbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit besitzen.
• Die hohe Wärmeleitfähigkeit vermindert den Temperaturgradienten in der Form, hat jedoch den Nachteil eines raschen Wärmentzugs der latenten Gießwärme.
• Um eine funktionsfähige keramische Dauerform zu entwickeln, müssen die vorgenannten Eigenschaften zu einem Mittel optimiert werden.
• Dieses gelang durch die Angabe einer Kornfraktion mit einer in Anspruch 1 gekennzeichneten Porosität, durch die das Wärmediffusionsvermögen und das Wärmeausdehnungsvolumen vermindert wird.
• Gleichzeitig wurde durch die Angabe einer Baumasse mit tonerdereichen Feuerfeststoffen und einer Kombination von keramischen und anorganisch-chemischen Bindemitteln eine hohe Heißdruckfestigkeit und Druckfeuerbeständigkeit, in Anspruch 1 gekennzeichnet, eingestellt.
• Die hohe Temperaturwechselbeständigkeit ergibt sich aus der geringen Wärmeausdehnung der Formfertigteile, der hohen Heißdruckfestigkeit und dem Zähigkeitsverhalten des Formstoffs infolge der Binderkombination und gegebenenfalls dem isolierenden Schlichteauftrag, der die Thermoschockbeanspruchung der Formstoffschicht an der Metallberührungsfläche mildert. Der Schlichteauftrag vermindert außerdem die Benetzbarkeit des Formstoffs.
• Die gegenüber verlorenen Sandformen relativ hohe Heißdruckfestigkeit des keramischen Formfertigteils von >50 N/cm2 führt zu einer großen Schwindungsbehinderung des abkühlenden Gußstückes.
• Entsprechend werden vorwiegend ebene oder konkave Formteile, von dem das Gußstück bei der Abkühlung abschwindet, vollständig aus keramischen Formfertigteilen hergestellt.
• Für das Abt normen von konkaven Gußstückkonturen besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, die konvexe Formhälfte als verlorene Sandform mit dem konkaven keramischen Formteil zu kombinieren oder in Ausnehmungen der keramischen Form Sandformteile oder -kerne einzusetzen.
• Desgleichen ist die Möglichkeit gegeben, schwindungsbehindernde Gieß-, Anschnitt- und Speisungssysteme in losen Formteilen auszubilden, um die Schrumpfungsbehinderung des Gußstückes in Grenzen zu halten sowie ein Ablösen des Gußstückes von der Form beim Ausleeren ohne Beschädigung der keramischen Formfertigteile sicherzustellen.
• Vergleichswerte der Mischung B nach Gießerei-Rundschau, März 1973, S. 21 und der erfindungsgemäßen Masse Beispiel 2 Mischung B Masse Beispiel 2 Raumgewicht in t/m3 nach 1320"C 2,31 2,18 (nach 170"C, eigener Versuch) KDF nach ... "C in N/cm2 957 2800 (5800 C nach Literatur) (nach 400"C) 785 (170"C eigener Versuch) KDF nach 13200C in N/cm2 17,5 4830 (eigener Versuch) Biegefestigkeit nach 1320"C in N/cm2 70 1250 Spaltfestigkeit in N/cm2 195 415 (nach 580"C nach Literatur) (nach 400"C) 157 (nach 400"C eigener Versuch) Heißdruckfestigkeit bei 1450"C, kein Ergebnis, bei Temperatur 0,63 Auflast 50 N/cm2, Stauchung > 600"C keine Druckfestigkeit mehr absolut %/min (ohne Bruch) DE to 5 in "C nach 1300"C desgl. 1335 t3 2 kp/cm2 Belastung desgl. 1500 Temperaturleitfähigkeit in m2/h bei .. " C 0,009 0,0006243 (Literatur-Wert) (1000°C, gerechnet aus dem gemessenen A-Wert) Wärmeleitfähigkeit in W/mK bei ... "C 18 0,98 (1000°C gemessener Wert)

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Keramische Dauerform für die Fertigung von Formgußstücken mit Formfertigteilen, die aus tonerdereichen, feuerfesten Baumassen unter Verwendung von Bindern geformt, getrocknet und gebrannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kornaufbau und die Bindung der Baumassen mit einem Al203-Anteil größer 40% enthaltenden, graphitfreien und mit keramischen und anorganisch chemischen Bindern gebundenen Formfertigteile so eingestellt sind, daß die Fertigteile eine Porosität von etwa 20 bis 30 %, eine Heißdruckfestigkeit nach DIN 51064 bei einer Temperatur von 1450"C größer 50 N/cm2, eine Druckerweichung (DE) nach DIN 51053, Blatt lt0,5 von größer 1300"C bzw. t2 von etwa 1500"C und eine Temperaturwechselbeständigkeit nach DIN 1068 von minimal 50 Abschreckungen aufweisen.
2. 2. Dauerform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Metallberührungsfläche eine Schlichte aufgetragen ist, die eine Feuerfestigkeit nach DIN 51063 von 1520 bis 1605"C und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,232 bis 1,16 W/mK besitzt.
3. 3. Dauerform nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlichteauftrag eine Dicke von 0,5 bis 5 mm besitzt.
4. 4. Dauerform nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlichteauftrag eine Dicke von 1,5 bis 3 mm besitzt.
5. 5. Dauerform nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Formaußenteil aus Sand geformt ist.
6. 6. Dauerform nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Formaußenteile mit konkaven Metallberührungsflächen aus Sand geformt sind.

   Die Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung von keramischen Dauerformen insbesondere in Kombination mit Sandformen und -kernen für ein mehrfaches Abgießen von Gußerzeugnissen aus metallischen Werkstoffen.

   Es ist bekannt, Gußerzeugnisse als Kokillenguß, einschließlich des Druck- und Schleudergießverfahrens, herzustellen. Hiernach werden Formgußstücke in einteiligen oder geteilten Dauerformen gefertigt, wobei der Kokillenwerkstoff aus Gußeisen, Formstahl, Gußmessing bzw. bei thermisch hochbeanspruchten Formteilen aus Molybdänlegierungen oder Wolframschwermetallen oder aus Graphit besteht. Gegebenenfalls wird der flüssige Gießwerkstoff unter Druck eingepreßt.

   Hauptanwendungsgebiete sind der Leicht- und Schwermetallkokillenguß für Seriengußstücke. Außerdem wird auch Gußeisen in Kokille gegossen, wogegen Stahlkokillenguß vorwiegend nur als Schleuderguß oder in Graphitdauerform hergestellt wird. Nach diesem Formverfahren können Gußerzeugnisse wiederholt und kontinuierlich aus einer Form gefertigt werden.

   Das hohe Wärmediffusionsvermögen der Kokillen- werkstoffe verursacht eine gegenüber mineralischen Formstoffen rasche Abfuhr der Überhitzungs- und Erstarrungswärme des Gießmetalls.

   Entsprechend ist das Kokillengußverfahren auf Gießwerkstoffe mit einer hohen, für den Gießvorgang ausreichenden Wärmekapazität im flüssigen Bereich bzw. auf solche, deren Gefügezusammensetzung nicht wesentlich von der Abkühlungsgeschwindigkeit beeinflußt wird sowie auf Gußerzeugnisse mit einer bestimmten Mindestwandstärke in Zusammenhang mit der Gießtemperatur und der maximalen Fließlänge beim Gießvorgang begrenzt.

   Außerdem führt das Kokillengießen bei Werkstoffen mit relativ großer Schwindung bei der Abkühlung, z. B. Stahl bei starker Schwindungsbehinderung durch die metallische Form zu Warmrissen und Maßverzug durch Eigenspannungen.

   Mineralische Formstoffmischungen, die bisher in der Literatur angegeben wurden, ermöglichen infolge Rißbildungen, Abplatzungen und Reaktionen mit dem Gießmetall nur eine unwirtschaftliche begrenzte Anzahl von Abgüssen. Auch die Entwicklung von graphitkeramischen Dauerformen, deren Graphitanteil die Wärmeleitfähigkeit der Form erhöht und dadurch die Formspitzentemperatur und den Wärmestau vermindert, hat zu keinem nutzbaren Erfolg geführt. Die mechanischen Eigenschaften dieser Form, insbesondere die Heißdruckfestigkeit und die Temperaturwechselbeständigkeit, werden durch den Graphitanteil, der nicht nur bei hohen Temperaturen oxydiert, sondern auch infolge Kerbwirkung in der Kornfraktion sowie mangelnder keramischer Bindungsreaktion bei hohen Temperaturen die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften herabsetzt, wesentlich begrenzt.

   Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, zur Vermeidung der Nachteile eine Form anzugeben, die es ermöglicht, Gießwerkstoffe insbesondere mit einem geringen latenten Wärmeinhalt sowie einer hohen temperaturabhängigen Volumenverminderung bei der Abkühlung z. B. Stahl oder Gußeisen u. a. auch bei dünnen Wanddicken des Gußkörpers wiederholt abzugießen.

   Diese Aufgabe wird mit den folgenden kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

   Voraussetzung für die Erfüllung dieser Aufgabe sind folgende thermophysikalische Eigenschaften einer Dauerform: Die Heißdruckfestigkeit der Formfertigteile muß durch die Auswahl der Feuerfeststoffe und der Bindemittel so eingestellt werden, daß keine Druckerweichung infolge des metallostatischen Drucks eintritt.

   Die Temperaturwechselbeständigkeit der Formfertigteile muß durch die Auswahl des Kornaufbaus und der Bindemittel so eingestellt werden, daß die Wärmeausdehnung so gering wie möglich ist und Wärmeausdehnungs- bzw. Abkühlungsschrumpfungsspannungen durch die Heißdruck- bzw. Zugfestigkeit aufgenommen und durch elastische und plastische Verformung ohne Rißbildung abgebaut werden.