DE2451744C2

DE2451744C2 - Keramische dauerform fuer gusserzeugnisse

Info

Publication number: DE2451744C2
Application number: DE19742451744
Authority: DE
Inventors: Karl Dr-Ing Ableidinger; Hans Dr-Ing Heyer; Erich Struzik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1976-09-09
Also published as: DE2451744B1

Description

ErstaiTungsquerschnitteu und langen Fließwegen zu gewährleisten.

Im folgenden werden an Hand von zwei Beispielen die erfindungsgemäßen Eigenschaften der keramischen Dauerform dargestellt.

Beispiel 1
Zusammensetzung

19% plastischer Ton mit 35 bis 38% AJ₂O₃,
2% Phosphorsäure (thermisch) mit 80% H₃PO₄-Gehalt,

79% südafrikanische bzw. israelische Flintschamotte, hochgebrannt mit 54% Al₂O₃, in der Körnungsabstufung 25 bis 30% kfeiner 0,4 mm, 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 Formungen 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 HOO⁰C vorgebrannten Formlinge, aus denen die Dauerform besteht, weisen nach erfolgtem Brennen die folgenden Eigenschaftswerte auf:

Thermische Werte

Gebrauchstemperatur bis 150O⁰C

Maximale Anwendungstemperatur 1550⁰C

Schmelzpunkt, SK 36 18O5°C

Wärmeleitfähigkeit in W/mK bei

1000°C 0,87

Ausdehnungskoeffizient, 0,53% ....bei 1000⁰C

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%

P₄O₅ 0,7%

Körnung 0 bis 6 mm

Physikalische Werte

Materialbedarf 2,23 t/m³

Rohdichte nach 1100° C ... 2,22 kg/dm³
Porosität nach HOO⁰C ... 20%
Verfestigungsart keramisch-inorganisch-chemisch Temperatur

Gesamtschwindung

Biegefestigkeit nach Brand

N/cm¹

Kaltdruckfestigkeit

N/cm^!

5 400	0	689	2060
1120	0,20	758	3198
1300	0,20	965	3433
1500	+0,30	1103	3433

ίο B e i s ρ i e 1 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 % Al₂O₃-Gehalt, 2 bis 2,5% Phosphorsäure (thermisch) mit etwa 80% H₃PO₄-Gehalt,

80,5% synthetischer Mullit mit etwa 70% Al₂O₃-

_ao 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 homo-

^a5 genen, 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 HOO⁰C die folgenden Eigenschaftswerte:

Thermische Werte

Gebrauchstemperatur bis 1550⁰C

Maximale Anwendungsternpeiatur 1600⁰C

Schmelzpunkt, SK 37 1830⁰C

Wärmeleitfähigkeit in W/mK bei 1000°C 0,98

Ausdehnungskoeffizient, 0,60% .... bei 1000°C

Chemische Werte

Al₂O₃.
SiO₂ .
Fe₂O₃
TiO₂ .
CaO..
MgO .
Na₂O
K₂O .
SO₃ ..
P₂O₅

61%

32% 1% 2,1% 0,03%

0,1% 0,5% 0,9% 0,7%

Körnung 0 bis 6 mm

Physikalische Werte

Materialbedarf 2,60 t/m³

Rohdichte nach HOO⁰C .. 2,45 kg/dm³ Porosität nach HOO⁰C ... 18% Porosität nach 1320⁰C ... 19,4% Verfestigungsart keramisch - anorganisch-chemisch

Temperatur Schwindung
⁰C %

Biegefestigkeit nach Brand

N/cm¹

Kaltdruckfestigkeit

N/cm¹

65 400	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 DlN 1038 werden bis zur Zerstörung der Probekörpei mehr als 50Abschrekkupgen benötigt. Die Heißdruckfestigkeit liegt bei einer Temperatur von 1450° C größer als 50 N/cm⁵. Die Druckenveichung /_{c s} liegt bei IjOO⁰C, I₃ bei etwa 1500⁰C.

Zum Nachweis des Vorteils der erfindungsgemäßen Massen sind die physikalischen Eigenschaften der Masse Beispiel 2 denen einer graphit-keramischen Masse B «ach Gießerei-Rundschau, März 1973, S. 19 ff. in der Tabelle gegenübergestellt.

Die Herstellung der Formteile erfolgt aus feuerfesten Baumassen, die tonerdereichen Feuerfeststoffe mit einem Al₂O₁-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 ennelen, 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 WärmeausdehnungsYoiuincn 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.

Di: hohe Temperaturwechselbeständigkeit ergibt sich aus der geringen Wärmeausdehnung der Formfertigteile, der hohen Heißdruckfestigkeit und dem

ίο Zähigkeitsverhalten des Formstoffs infolge der Binderkombination und gegebenenfalls dem isolierenden Schlichteauftrag, der die Thermoschockbeanspruchung der Formstoffschicht an der Metallberührnngsfläche mildert. Der Schlichteauftrag vermindert außerdem die Benetzbarkeit des Formstoffs.

Die gegenüber verlorenen Sandformen relativ hohe Heiß'jruckfestigkeit 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 Abformen 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 Schrampfungsbehinderung 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 132O°C
KDF nach ... ⁰C in N/cm²

KDF nach 1320⁰C in N/cm²

Biegefestigkeit nach 132O°C in N/cm²
Spaltfestigkeit in N/cm²

Heißdruckfestigkeit bei 1450°C,
Auflast 50 N/cm², Stauchung
absolut %/min (ohne Bruch)

DEf_o.₅in ⁰C nach 1300⁰C

/₃ 2 kp/cm² Belastung

Temperaturleitfähigkeit in m²/h bei

Wärmeleitfähigkeit in W/mK bei ... ⁰C

2,31	2,18
(nach 170° C, eigener Versuch)
957	2800
(58O⁰C nach Literatur)	(nach 4(X)⁰C)
785
(17O⁰C eigener Versuch)
17,5	4830
(eigener Versuch)
70	1250
195	415
(nach 580° C nach Literatur)	(nach 413O⁰C)
157
(nach 400° C eigener Versuch)
kein Ergebnis, bei Temperatur	0,63
> 600^cC keine Druckfestigkeit mehr
desgl.	1335
desgl.	1500
0,009	0,0006243
(Literatur-Wert)	(1000° C, gerechnet aus
	dem gemessenen A-Wert)
18	0,98

Claims

werkstoffe verursacht eine gegenüber mineralischen Patentansprüche: Formstoffen rasche Abfuhr der Überhitzungs- und Erstarrungswärme des Gießmetalls.

1. Keramische Dauerform für die Fertigung von Entsprechend ist das Kokillengußverfahren auf Formgußstücken mit Formiertigttilen, die aus 5 Gießwerkstoffe mit einer hohen, fur den Gießvorgang tonerdereichen, feuerfesten Baumassen unter Ver- ausreichenden Wärmekapazität im flussigen Bereich wendung von Bindern geformt, getrocknet und bzw. auf solche, deren Gefügezusammensetzung nicht gebrannt sind, dadurch gekennzeich- wesentlich von der Abkünlungsgeschwindigkeit benet, daß der Kornaufbau und die Bindung der einflußt wird sowie auf Gußerzeugnisse mit einer be-Baumassen mit einem AIjO₃-Anteil größer 40% io stimmten Mindestwandstärke in Zusammenhang mit enthaltenden, graphitfreien und mit keramischen der Gießterrperatur und der maximalen Fließlänge und anorganisch chemischen Bindern gebundenen beim Gießvorgang begrenzt.

Formfertigteile so eingestellt sind, daß die Fertig- Außerdem führt das Kokillengießen bei Werkteile eine Porosität von etwa 20 bis 30 %, eine Heiß- stoffen mit relativ großer Schwindung bei der Abdruckfestigkeit nach DIN 51064 bei einer Tempe- 15 kühlung, z. B. Stahl bei starker Schwindungsbehinderatur von 145O⁰C größer 50 N/cm¹, eine Druck- rung durch die metallische Form zu Warmrissen und erweichung (DE) nach DIN 51053, Blatt 1, /_{B s} von Maßverzug durch Eigenspannungen,
größer 1300° C bzw. /₃ von etwa 1500⁰C und eine Mineralische Formstoff mischungen, die bisher in Temperaturwechselbeständigkeit nach DlN 1068 der Literatur angegeben wurden, ermöglichen infolge von minimal 50 Abschreckungen aufweisen. 20 Rißbildungen, Abplatzungen und Reaktionen mit

2. Dauerform nach Anspruch 1, dadurch gekenn- dem Gießmetall nur eine unwirtschaftliche begrenzte zeichnet, daß an der Metallberührungsfläche eine Anzahl von Abgüssen. Auch die Entwicklung von Schlichte aufgetragen ist, die eine Feuerfestigkeit graphitkeramischen Dauerformen, deren Graphitnach DIN 51063 von 1520 bis 1605⁰C und eine anteil die Wärmeleitfähigkeit der Form erhöht und Wärmeleitfähigkeit von 0,232 bis 1,16 W/mK be- 25 dadurch die Formspitzentemperatur und den Wärmesitzt, stau vermindert, hat zu keinem nutzbaren Erfolg ge-

3. Dauerform nach Anspruch 1 und 2, dadurch führt. Die mechanischen Eigenschaften dieser Form, gekennzeichnet, daß der Schlichteauftrag eine insbesondere die Heißdruckfestigkeit und die Tempe-Dicke von 0,5 bis 5 m:n besitzt. raturwechselbeständigkeit, werden durch den Graphit-

4. Dauerform nach Anspruch 1 bis 3, dadurch 30 anteil, der nicht nur bei hohen Temperaturen oxydiert, gekennzeichnet, daß der Schlichteauftrag eine sondern auch infolge Kerbwirkung in der Korn-Dicke von 1,5 bis 3 mm besitzt. fraktion sowie mangelnder keramischer Bindungs-

5. Dauerform nach einem der Ansprüche 1 bis 4, reaktion bei hohen Temperaturen die Festigkeits- und dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Form- Dehnungseigenschaften herabsetzt, wesentlich, beaußenteil aus Sand geformt ist. 35 grenzt.

6. Dauerform nach Anspruch 5, dadurch ge- Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, zur kennzeichnet, daß eine oder mehrere Formaußen- Vermeidung der Nachteile eine Form anzugeben, die teile mit konkaven Metallberührungsflächen aus es ermögliche, Gießwerkstoffe insbesondere mit einem Sand geformt sind. geringen latenten Wärmeinhalt sowie einer hohen

40 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 kennzeich-

Die Erfindung betrifft die Herstellung und Verwen- 45 nenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst,

dung von keramischen Dauerformen insbesondere in Voraussetzung für die Erfüllung dieser Aufgabe

Kombination mit Sandformen und -kernen für ein sind folgende thermophysikalische Eigenschaften einer

mehrfaches Abgießen von Cußerzeugnissen aus me- Dauerform:

tallischen Werkstoffen. Die Heißdruckfestigkeit der Formfertigteile muß

Ei ist Dekannt, Gußerzeugnisse als Kokillenguß, 50 durch die Auswahl der Feuerfeststoffe und der Binde-

eiiisciiließlich des Druck-und Schleudergießverfahrens, mittel so eingestellt werden, daß keine Druckerwei-

herzistellen. Hiernach werden Formgußstücke in ein- chung infolge des metallostatischen Drucks eintritt,

teiligim oder geteilten Dauerformen gefertigt, wobei Die Temperaturwechselbeständigkeit der Form-

der Kokillenwerkstoff aus Gußeisen, Formstahl, Guß- fertigteile muß durch die Auswahl des Kornaufbaus

messing bzw. bei thermisch hochbeanspruchten Form- 55 und der Bindemittel so eingestellt werden, daß die

teilen aus Molybdänlegierungen oder Wolframschwer- Wärmeausdehnung so gering wie möglich ist und

metallen oder aus Graphit besteht. Gegebenenfalls Wärmeausdehnungs- bzw. Abkühlungsschrumpfungs-

wird der flüssige Gießwerkstoff unter Druck ein- spannungen durch die Heißdruck- bzw. Zugfestigkeit

gepreßt. aufgenommen und durch elastische und plastische Ver-

Hauptanwendungsgebiete sind der Leicht- und 60 formung ohne Rißbildung abgebaut werden.
Schwermetallkokillenguß für Seriengußstücke. Außer- Das Wärmediffusionsvermögen der Formfertigteile dem wird auch Gußeisen in Kokille gegossen, wogegen muß bei Gießmetallen mit niedrigem latenten Wärme-Stahlkokillenguß vorwiegend nur als Schleuderguß inhalt durch die Auswahl des Kornaufbaus der Feueroder in Graphitdauerform hergestellt wird. Nach feststoffe und der gegebenenfalls an der Metalldiesem Formverfahren können Gußerzeugnisse wieder- 65 berührungsfläche aufgetragene Schlichte, einschließholt und kontinuierlich aus einer Form gefertigt lieh deren Schichtdicke, so gering wie möglich cinwerden. gestellt werden, um ein Flüssighalten eines Gieß-

Das hohe Wärmediffusionsverrnögen der Kokillen- metalls während des Füllvorgangs auch bei geringen