DE2833572A1

DE2833572A1 - Kalziumkarbonat enthaltender gusskern

Info

Publication number: DE2833572A1
Application number: DE19782833572
Authority: DE
Inventors: Raymond A Pietras; Stuart Z Uram
Original assignee: Certech Inc
Current assignee: Certech Inc
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1978-07-31
Publication date: 1979-07-12
Also published as: FR2413947A1; GB2011812A; JPS5494432A

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Kernen, welche Kalziumkarbonat enthalten, bei der Bildung von Gußteilen aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierungen. Insbesondere betrifft die Erfindung Herstellungshilfsmittel, die einen Kalziumkarbonat enthaltenden Kernkörper umfassen, der im wesentlichen innerhalb eines Aluminium- oder Aluminiumlegierunggußteils eingeschlossen ist und betrifft Verfahren zur Herstellung von. Aluminium- oder Aluminiumlegierung-Gußteilen unter Benutzung eines geformten gesinterten Kernteiles, das Kalziumkarbonat enthält.

Das Formen von hohlen Gegenständen, einschließlich Gegenständen mit sehr kleinen und engen Durchgängen durch die Verwendung von Gußverfahren,insbesondere von Feingußverfahren, ist bekannt. Zur Herstellungsolcher Gegenstände wird ein massiver Kern,der gewöhnlich aus Siliziumoxid oder Kieselerde besteht, innerhalb einer Form an einer vorgewählten Stelle angeordnet. Obwohl Siliziumoxidkerne sehr wirksam sind, da sie dimensionsstabil sind und im wesentlichen nicht mit dem sie umgebenden geschmolzenen Metall reagieren, sind doch solche Kerne nach der Herstellung des Gußteiles schwierig zu entfernen. Ein beträchtlicher Anteil der Herstellungszeit ist erforderlich, um die auf Siliziumoxid basierenden Kerne aus dem sie umgebenden Gußteil zu ent fernen.

Obwohl Siliziumoxid wahrscheinlich das am meisten benutzte Kernmaterial ist, sind verschiedentlich andere Materialien zur Herstellung von Kernen bekannt. In der US-PS 3 701 379 werden Magnesiumoxid enthaltende Kerne beschrieben, während in der US-PS 3 839 O^/f Kerne beschrieben sind, die kristalline Phasen von Alpha-Kristobalit, Mullit und Alpha-Aluminiumoxid enthalten. In der US-PS 3 727 670 werden Zinkoxid enthaltende Kerne beschrieben, während in der US-PS 3 722 57h die Verwen-

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dung von Magnesiumoxidmaterialien bei Feingußverfahren genannt sind. Die US-PS 3 473 599 nennt Kernkörper, die ein Tri-Kalzium-Di-Orthophosphat in Verbindung mit anderen hitzefesten Materialien enthalten. Schließlich werden in der GB-PS 1 055 737 Kerne aus wasserlöslichen Alkalimetallsalzen einschließlich Alkalimetall-Karbonaten beschrieben.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, daß geformte Kerne, die Kalziumkarbonat enthalten, wirksam beim Gießen insbesondere beim Feingießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen einzusetzen sind. Obwohl Kalziumkarbonat bei hohen Temperaturen in Kalziumoxid und Kohlendioxid zerfällt, kann es wirksam beim Gießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen benutzt werden, da die dabei erreichten Temperaturen beträchtlich unter der Zersetzungstemperatur von Kalziumkarbonat liegen. Außerdem ist Kalziumkarbonat durch Kontakt mit anorganischen Säuren wie Salpetersäure leicht zu zersetzen und ebenfalls durch Kontakt mit V/asser, in dem Kohlendioxid gelöst ist. Bevorzugterweise wird eine mineralische Säure wie Salpetersäure beim Zersetzen der verwendeten Kalziumkarbonatkerne benutzt.

Bei der Präparierung der Kalziumkarbonatkerne nach der vorliegenden Erfindung wird Kalziumkarbonat, vorzugsweise in der Form von Kalzit und andere wahlweise anorganische Bestandteile mit einem organischen Binder gemischt, so daß sich ein Kalziumkarbonat enthaltender Teig bildet. Das organische Bindematerial kann irgendein Material sein, das dazu dient,die anorganischen Bestandteile des Kernes in einem formbaren Zustand zu halten und das

daraufhin bei dem Sintern des aus dem Teig^aus,organischem Bindegeformten Kerns

material und anorganischen Bestandteilen/leicht verflüchtigt und/ oder oxidiert wird. Brauchbare organische Binder schließen Alkohole mit hohem Molekulargewicht wie Polyvinylalkohole, organische Säuren wie Oleinsäure und Stearinsäure, Polyäthylen mit niedrigem

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Molekulargewicht und Polypropylen sowie Petroleumwachse, insbesondere Paraffinwachse mit Schmelzpunkten zwischen 50 und 60° C (= 120 und IZfO⁰ F) ein. Gemische aus den erwähnten Bindermaterialien können gleichfalls verwendet werden. Bei einer typischen Zusammensetzung des Kernteiges bildet das organische Bindermaterial von 8 bis 25 Gew%, bevorzugterweise 9 bis 18 Gew% des Gesamt-Materials. Zum Einspritzformen wird bevorzugterweise ein Kalziumkarbonat enthaltender Teig mit einem Anteil von etwa 8 bis 20, bevorzugterweise 9 bis 12 Gew% organischen Bindematerials verwendet. Der Teig wird in die erforderliche Kernform durch die auf keramischem Gebiet bekannten Verfahren, einschließlich Extrudieren, Gießen, Trockenpressen, isostatisches Pressen und Einspritzformen eingef ormt Die Kalziumkarbonat enthaltenden Kerne der vorliegenden Erfindung sind einfach unter Verwendung von Einspritzformtechniken zu bilden.

Bei einer typischen Formherstellung werden das Kalziumkarbonat und die wahlweise hinzugefügten anorganischen Bestandteile, vorzugsweise im wesentlichen wasserunlösliche anorganische Bestandteile,mit dem organischen Bindersystem vermischt, bis sich die erforderliche Konsistenz ergibt. Der entstehende Teig wird auf eine Temperatur aufgeheizt, die zwischen etwa if9 und 88 C (= 140 und 190° F) betragen kann. Er wird dann unter einem Druck zwischen 7 und 100 bar (= 100 bis 15OO psi) in eine Form oder in Formen zur Bildung von Frischkernen eingespritzt. Die Stücke werden dann aus der Form oder den Formen entfernt und in eine keramische Muffel gegeben, die ein hitzebeständiges Pulver enthält. Die Muf'fel mit den Frischkernen und dem hitzebeständigen Pulver wird dann in zwei Stufen bei einer oxidierenden Atmosphäre aufgeheizt, um zuerst das Bindermaterial aus den Frischkernen abzudampfen und/oder zu oxidieren und danach die Frischkerne auf die erforderliche Sintertemperatur zu bringen, um die vom Bindermaterial befreite Kernstruktur zu bilden. Im allgemeinen reichen

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Temperaturen im Bereich von etwa 200 bis 260° C (= ifOO bis 500 F) aus, um das Bindermaterial zu entfernen und dabei die Frischkernstruktur aus im wesentlichen anorganischen Bestandteilen zu bilden. Die im wesentlichen binderfreie Struktur wird dann auf eine Temperatur von mindestens etwa 620 C (= 1150° F) aufgeheizt, um das Kalziumkarbonat zu einer starren selbsttragenden Struktur zu sintern, die daraufhin zum Gießen von Aluminium oder von Aluminiumlegierungen verwendet werden kann. Bei einem typischen Aufheizvorgang wird der Frischkern auf die Temperatur von 200 bis 260° mit einer Geschwindigkeit von annähernd 30° C/h (= 50° F/h) aufgeheizt. Nachdem die anfängliche Temperaturstufe zur Verflüchtigung des Binders· erreicht ist. wird die Temperatur mit einer Bate von weniger als 160° C/ü (= 300° F/h)₅vorzugsweise mit weniger als etwa 55 bis 110° C/h (= 100 bis 200° F/h) erhöht, bis die erforderliche Sintertemperatur erreicht ist. Danach werden die ausgeheizten Formlinge bei Umgebungsbedingungen abgekühlt.

Die fertigen geformten und gesinterten Kerne enthalten typischerweise zwischen 30 und 100 Gew%, vorzugsweise 30 bis 80 Gew% Kalziumkarbonat, wobei der Bereich zwischen 55 und 70 Gew% besonders bevorzugt wird. Das Kalziumkarbonat wie auch die anderen anorganischen Bestandteile des geformten Kerns werden vorher σο fein ausgemahlen, daß die einzelnen Teilchen mindestens durch ein Sieb von der Maschengröße 100 Tyler und vorzugsweise durch ein Sieb von 32.5 Tyler hindurchgehen. Die Brauchbarkeit der Kalziumkarbonat enthaltenden Kerne hängt nicht direkt von der Verwendung einer bestimmten Teilchengröße ab, aber es ist zu verstehen, daß verschiedene Teilchengrößenbereiche normalerweise verwendet werden, um eine dichte Packung der verschiedenen anorganischen Bestandteile zu erleichtern und um eine kohärente gesinterte Struktur zu erzielen, in der das Kalziumkarbonat im wesentlichen gleichmäßig verteilt vorkommt.

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Zusätzlich zum Kalziumkarbonat können die fertigen gewinterten Kerne nach der Erfindung erstens Tonerde-oder Lehraminerale, zweitens hitzebeständige anorganische Oxide und/oder drittens Glasfritte enthalten. Brauchbare Tonmaterialien umschließen Kaoline, Montmorillonite, Illite udgl.. Bevorzugte Tonerden sind das Montmorillonit (z.B. Bentonit-Tonerden). Die Anwesenheit von Ton oder Lehm in dem Kernmaterial erhöht die Plastizität und hilft, die verschiedenen Bestandteile der Kernstruktur zu binden. Falls Tonerde verwendet wird, ist sie in den fertigen gesinterten Kernen mit einem Mengenanteil von 0,1 bis Ί0 Gew% vorhanden, be zogen auf das Gewicht des fertig gesinterten Kerns. Brauchbare hochschmelzende oder hitzebeständige anorganische Oxide umschließen Siliziumdioxid, Titan-Oxid, Zirkon-Oxid und Aluminiumoxid, aber auch Silikate von Aluminium und Zirkon. Zirkonsilikat ist das bevorzugte anorganische Oxidadditiv bei den erfindungsgemäßen Kernen. Typischerweise sind die hitzebeständigen anorganischen Oxide in dem fertig gesinterten Kernmaterial mit Anteilen von 0,1 bis 30 Gew?o,bezogen auf das Gewicht des fertigen Kerns, vorhanden. Andere wahlweise Bestandteile der erfindungsgemaßen Kernstrukturen sind Glasfritte. Vorzugsweise besitzen die verwendeten Fritten Schmelztemperaturen im Bereich zwischen Zf80 bis 815° C (= 9OO bis I5OO⁰ F). Ein bevorzugtes Frittenmaterial enthält etwa 15»2 Gew% Natriumoxid, 22,2 Gew% Kalziumoxid, 30 Gew% Magnesiumoxid, 0,7 Gew% Aluminiumoxid, 25,1 Gew% Siliziumdioxid, 21,5 Gevi% Boroxid (B₂O,) und etwa 12,2 Gew/o Fluor-Verbindung und schmilzt im Bereich von '66O⁰ bis 688° C (= 1220 bis 1270° F). Vorzugsweise enthält der fertiggestellte gsinterte Kern 0,1 bis 5 Gew% einer bleifreien Glasfritte.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufgeschmolzen und kurze Zeit bei einer 27 bis 110° C (= 50 bis 200° F) über ihrem Schmelzpunkt liegenden Temperatur gehalten. Das geschmolzene Aluminium oder die

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geschmolzene Aluminiumlegierung wird dann in die Form eingegossen. Die Form besteht im allgemeinen aus alternierenden Schichten eines fein geteilten Silikatmaterial, beispielsweise Zirkonsilikate und ähnliches und aus fein verteiltem Sand. Solche Schichten werden normalerweise auf einem Wachsmodell gebildet, das durch Ausheizen (verlorener Kern) entfernt wird. Das geformte gesinterte anorganische Kernelement nach der vorliegenden Erfindung wird normalerweise in die aus Wachs bestehende Modellanordnung eingebracht und bleibt in der Form nach der Entfernung des Wachses fixiert. Es ist so in der Form angeordnet, daß das geschmolzene Aluminium oder die geschmolzene Aluminiumlegierung darum herumfließen kann. Danach wird das Gußteil bei Umgebungsbedingungen abgekühlt und der Kalziumkarbonat enthaltende Kern, der teilweise oder ganz innerhalb des Gußteils eingehüllt ist, wird dadurch aufgelöst, daß das Gußteil und der eingeschlossene Kern in eine wässrige Lösung einer anorganischen Säure eingetaucht wird. Die Berührung mit der Säure löst das Kalziumkarbonat in dem Kern schnell auf und läßt die anderen anorganischen Restbestandteile zurück, die leicht durch Spülen mit einem Wasserstrahl entfernt werden können.

Eine bevorzugte Ausführung des Kernteils wird aus einem Gemisch aus 65 Gew% Kalziumkarbonat (32.5 Tyler), 4 Gew% Montmorillonit-Tonerde (71,65 Gevi% SiO₂, 15,67 Gew% Al₃O₃, 3,64 Gew% MgO, 1,66 Gevi% CaO, 0,34 Gew$ Fe₂O₃, 0,27 Ge w# TiO₂, 0,2 Ge\v% Na~0 und 0,06 Gew% K-O; Verbrennungsverlust bei 1000° C 5,89 Gevi%), 18,6 % Zirkonsilikat (32.^ Tyler) 2 Gew% des beschriebenen bevorzugten Fritten-Materials, 1 Gew% Stearinsäure und 9,4 Gew% Paraffinwachs mit einem Schmelzpunkt von weniger als 60° C (= I4O⁰ F)hergestellt,. erhitzt und mit einem Druck von 34,5 bar (= 500 psi) bei einer Temperatur von 54,5° C (= I3O⁰ F) in eine Kernherstellungsform eingespritzt.

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Die entstandenen durch Einspritzen geformten Stücke wurden aus der Form entnommen und in eine keramische Muffel, die hitzebeständiges Pulver enthielt, eingelegt. Die Muffel wurde dann mit einer Rate von 55>6 bis .166,7° C pro Stunde (100 bis 300° F pro Stunde) auf eine Temperatur von 666° C (= 1230° F) aufgeheizt und bei dieser Temperatur etwa Zf, 5 Stunden lang gehalten. Danach wurde die Muffel auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die entstandenen gesinterten keramischen Formteile wurden gereinigt und in eine mit kolloidalem Siliziumoxid gebundene Sandform gegeben. Die Form wurde auf 20if,5⁰ C (= ZjOO⁰ F) aufgeheizt und geschmolzenes Aluminium eingegossen,-Nach dem Abkühlen des Aluminiumgußteiles wurde dieses in ein Bad mit einer Lösung von 20 Vol% Salpetersäure in Wasser eingetaucht. Innerhalb 30 Minuten war das keramische Formteil vollständig aufgelöst und hinterließ einen genauen Hohlraum in der Form des keramischen Kernstückes.

Damit werden also Aluminium enthaltende Gußteile mit inneren Hohlräumen gebildet, indem geformte, gesinterte, im wesentlichen anorganische Kerne, die Kalziumkarbonat enthalten, verwendet werden. Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Gußteile werden durch Eingießen von geschmolzenem Metall in eine Form gebildet, in der Kalziumkarbonat enthaltende Kerne angeordnet sind. Der Kern wird von dem Gußteil durch Berührung des Gußteils mit einer wässrigen Lösung einer anorganischen Säure, vorzugsweise Salpetersäure, entfernt.

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Claims

Patentansprüche :

1. Herstellungshilfsmittel zum Gießen hohler Teile, dadurch gekennzeichnet, daß ein geformter, gesinterter, im wesentlichen aus anorganischem Material bestehender Gegenstand mit einem Gewichtsanteil von 30 bis 100 % Kalziumkarbonat innerhalb eines Gußteiles, das Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthält, teilweise eingeschlossen ist.

2. Herstellungshilfsmittel nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der geformte Gegenstand einen Gewichtsanteil von 30 bis 80 % Kalziumkarbonat umfaßt.

3. Fertigungshilfsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Gegenstand einen Gewichtsanteil von 55 bis 75 % Kalziumkarbonat umfaßt.

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MANlTZ ■ FINSTERWALD · HEYN ■ MORGAN BOOO MÜNCHEN 22 ROBERT-KOCH-STRASSE 1 ■ TEL. (089) 22 42 11 TELEX 05-29672 PATMF MANMi MNb^tHVVALL. ^^^ ^ _STUTTGART S_{0 (BA}D CANNSTATT) - SEELBERGSTR. 23/25 TEL (07 11) 56 72 61

ORIGINAL INSPECTED

Fc rti?;ungc hilfsmittel nach Anspruch 2, dadurch /■; e k e η η ζ η i c h η ο t, daß der geformte Gegenstand 0,1 bic 10 GüvKJ Lahm oder Ton, 0,1 bis 30 Ge'.v,"i hitzebeständL;;o anorganische Oxide und 0,1 bis 5 Gevi% Fritte mit einem Schmelzpunkt von etwa W° bis 815° C (= 900 bis 1500° F) enthält.

5. Verfahren zur Herstellung eines Gußteiles aus AIn..' ...;;.. ·=-·!- einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß ein geformter, gesinterter, im wesentlichen anorganischer Flora mit einem Gewichtsanteil von J-O bis 100 Gevi% Kalziumkarbonat in eine Formanordnung eingebracht wird, daß die Formanordnung mit dem geschmolzenen Aluminium oder der geschmolzenen Aluminiurfllegierung gefüllt wird, daß das Metall zur Bildung eines Gußteiles, das wenigstens teilweise den Kern umschließt, abgekühlt wird und daß der Kern dadurch aufgelöst wird, daß er mit einer anorganischen Säure in Berührung gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Kern 30 bis 80 GeW/ό Kalziumkarbonat enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 5>, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Kern 55 bis 75 Gew% Kalziumkarbonat enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Kern 0,1 bis 10 Gew% Lehm oder Ton, 0,1 bis 30 Gew% hitzebeständige anorganische Oxide und 0,1 bis 5 Gevi% Fritte mit einem Schmelzpunkt von etwa l+ÖO° C bis 815° C (= 900 bis I5OO⁰ F) enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern durch Berührung mit Salpetersäure aufgelöst wird.

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