DE3542921A1

DE3542921A1 - Formmaterial und verfahren zum giessen von reinem titan oder titanlegierungen

Info

Publication number: DE3542921A1
Application number: DE19853542921
Authority: DE
Inventors: Seizo Osaka Nakamura
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 1984-12-04
Filing date: 1985-12-04
Publication date: 1986-06-05
Also published as: FR2574010A1; DE3542921C2; US4830083A; GB2168060B; GB8528772D0; US4709741A; IT1183034B; GB2168060A; IT8548868A0; FR2574010B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Formmaterial sowie ein ohne Beeinträchtigung der Stabilität ablaufendes Verfahren zum Giessen von reinem Titan oder von Titanlegierungen, die in geschmolzenem Zustand instabil sind.

IQ Zum Giessen von verschiedenen Metallen werden herkömmlicherweise Formmaterialien verwendet, die Siliciumdioxid als Hauptmaterial und ein Phosphat und ein basisches Metalloxid als Härtungsmittel enthalten. Quarzit, Quarzsand und dergl. werden als Siliciumdioxidquellen und Ammoniumphosphat oder dergl. als Phosphate sowie elektroschmelzendes Magnesiumoxid, Magnesiaklinker oder dergl. als basische Metalloxide verwendet.

Das Giessen von Metallen unter Verwendung der vorerwähnten herkömmlichen Formmaterialien wird im allgemeinen durchgeführt, indem man ein Gemisch aus dem Hauptmaterial und dem Härtungsmittel bei 800 bis 900⁰C unter Bildung einer Form brennt und geschmolzenes Metall in die auf diesem Temperaturbereich gehaltene Form giesst.

Die meisten für derartige Zwecke verwendeten Metalle weisen Schmelzpunkte bis zu etwa 14OO°C auf. Spezielle Beispiele hierfür sind Kobalt-Chrom-Legierungen, Nickel-Chrom-Legierungen oder dergl., die Schmelzpunkte von 1300 bis

OQ 1400 C aufweisen. Insbesondere weisen für dentale Zwecke verwendete Metalle einen Schmelzpunkt bis zu etwa 1400 C auf. Demgemäss können die vorerwähnten Formmaterialien mit einem Gehalt an Siliciumdioxid mit einem Schmelzpunkt von 1550 bis 16OO°C als Hauptmaterial in zufriedenstellender

gg Weise zum Giessen von derartigen Metallen verwendet werden. Jedoch weisen reines Titan oder Titanlegierungen einen Schmelzpunkt von 1600 bis 1700⁰C auf, was den Schmelzpunkt des vorerwähnten Formmaterials mit einem Gehalt an SiIi-

ciumdioxid als Hauptmaterial übersteigt. Demgemäss werden beim Giessen. von Titan, das in geschmolzenem Zustand instabil ist, unter Verwendung der vorerwähnten Formmaterialien reines Titan oder Titanlegierungen an den im Siliciumdioxid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung von Titanoxid gebunden, so dass das gebildete Produkt nicht die eigentlichen Eigenschaften von reinem Titan oder Titanlegierungen aufweist und sich somit für praktische Zwecke nicht eignet, was auf eine Beeinträchtigung des Metalls durch Oxidation, einen Angriff der Oberfläche des Produkts und dergl. zurückzuführen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Formmaterial sowie ein Verfahren zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen bereitzustellen, wobei der Zusammenhang zwischen den Schmelzpunkten von herkömmlichen Formmaterialien und von reinem Titan oder Titanlegierungen berücksichtigt wird. Vorzugsweise soll ein Formmaterial zum Giessen von reinem Titan oder reinen Titanlegierungen zur Verfügung gestellt werden, bei dem es zu keinen Oxidationen oder Veränderungen der Eigenschaften des Metalls kommt, die auf eine Reaktion des Metalls mit einer Komponente des Formmaterials zurückzuführen sind, wenn das Metall in geschmolzenem Zustand bei 1600 bis 1700 C in die Form gegossen wird. Insbesondere soll erfindungsgemäss im Gegensatz zu den herkömmlichen Techniken, bei denen ein geschmolzenes Metall in den Giesshohiraum einer auf einer Temperatur von mehreren 100 C gehaltenen Form aus herkömmlichem Formmaterial gegossen wird, ein Verfahren bereitgestellt werden,

QQ bei dem das geschmolzene Material in den Giesshohiraum einer auf Normaltemperatur gehaltenen Form gegossen wird, wodurch die Handhabung des Formmaterials und der Giessvorgang erleichtert werden.

gg Zur Lösung dieser Aufgabe wurde erfindungsgemäss nach einem Formmaterial gesucht, das bei Temperaturen im Bereich des Schmelzpunkts von reinem Titan oder Titanlegierungen verwendet werden kann und bei dem das Metall bei

- 7 üblichen Temperaturen in die Form gegossen werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein Formmaterial, das ein Hauptmaterial mit einem Gehalt an einem oder mehreren Bestandteilen aus der Gruppe Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Gemische, Mullit und Spinell als Hauptkomponente und ein Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid enthält.

IQ Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Giessverfahren unter Einsatz des vorgenannten Formmaterials.

Beim erfindungsgemäss verwendeten Siliciumdioxid (Silica) kann es sich um übliche, als Formmaterialien zum Giessen

Iß von geschmolzenen Metallen verwendete Produkte handeln.

Beispiele für derartige Siliciumdioxidprodukte sind Quarzit, Quarzsand, körniger Quarzsand, Cristobalit und Gemische davon. Die Reinheit der Siliciumdioxidkomponente beträgt vorzugsweise 90 Prozent oder mehr und insbesondere 95 Prozent oder mehr. Im allgemeinen enthält Siliciumdioxid Eisen(lll)-oxid, Aluminiumoxid, Calciumoxid und dergl. als Verunreinigungen, von denen Aluminiumoxid keinen Einfluss auf das geschmolzene Titan in der Form hat, während Eisen-(Ill)-oxid und Calciumoxid mit Titan sehr reaktiv sind.

Daher soll der Reinheitsgrad des Siliciumdioxids 90 Prozent oder mehr betragen.

Die erfindungsgemäss verwendete Aluminiumoxidkomponente kann unter hochreinem Aluminiumoxid und Mineralien mit

go einem hohen Aluminiumoxidanteil ausgewählt werden, wobei Produkte mit einer Reinheit von 80 Prozent oder mehr und insbesondere von 90 Prozent oder mehr bevorzugt werden. Diese Aluminiumoxidkomponenten können auch Siliciumdioxid, Calciumoxid, Eisen(III)-oxid, Manganoxid, Natriumoxid,

2g Kaliumoxid und dergl. als Verunreinigungen enthalten.

Diese Verunreinigungen sind abgesehen von Siliciumdioxid mit Titan sehr reaktiv. Demgemäss entsteht dann, wenn die Aluminiumoxidkomponente einen hohen Anteil an diesen Ver-

-δι unreinigungen enthält, in ähnlicher Weise wie bei der vorerwähnten Siliciumdioxidkomponente die Schwierigkeit, dass das Formmaterial mit dem Titan reagiert.

Im allgemeinen können Mineralien mit einem Gehalt an Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 85 Prozent oder mehr, wie Diaspor oder Böhmit, als Aluminiumoxidkomponente verwendet werden. Insbesondere dann, wenn eine Aluminiumoxidkomponente mit einer hohen Reinheit von 90 Prozent oder darüber verwendet wird, wird die Reaktion des Metalls mit dem Formmaterial auf ein Minimum gesenkt.

Beim erfindungsgemäss als Hauptmaterial verwendeten Mullit handelt es sich um ein Mineral der Zusammensetzung 3AIpO^.2SiOp. Es lässt sich durch Erwärmen eines natürlichen Aluminiumsilicat-Minerals oder eines Aluminiumsilicat-Tonerdeminerals unter Überführung in Mullit mit einem Schmelzpunkt von geringfügig unter 1900°C herstellen. Beim erfindungsgemäss als Hauptmaterial verwendeten Spinell handelt es sich um ein Magnesiumaluminiumoxid der Formel MgO.AIpO-, das einen Schmelzpunkt von 2135°C aufweist.

Erfindungsgemäss werden ein Phosphat und ein basisches Metalloxid als Härtungsmittel für das vorerwähnte Hauptmaterial verwendet. Obgleich es sich beim Phosphat im allgemeinen um Ammoniumphosphat handelt, können auch Natriumphosphat, Aluminiumphosphat, Magnesiumphosphat, Calciumphosphat, Kaliumphosphat und dergl. verwendet werden. Das bevorzugt verwendete Ammoniumphosphat zeigt jedoch die sog. Erstarrungsexpansion, d.h. es dehnt sich beim Erhärten aus, während reines Titan oder Titanlegierungen beim Erhärten während des Giessens schrumpfen. Zum Giessen von derartigen Metallen verwendete Formmaterialien müssen beim Erhärten so weit expandieren, dass die Schrumpfung ausgeglichen wird. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache stellt Ammoniumphosphat einen bevorzugten Bestandteil der erfindungsgemässen Formmaterialien zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen dar, da es, wie erwähnt, eine Er-

starrungsexpansion zeigt. Da aber einige der vorerwähnten Phosphate diese Erstarrungsexpansion nicht aufweisen, ist es bei Verwendung derartiger Phosphate zur Herstellung von Formen notwendig, den Giesshohlraum geringfügig grosser zu machen als es der gewünschten tatsächlichen Grosse entspricht.

Beim als Härtungsmittel verwendeten basischen Metalloxid handelt es sich um Magnesiumoxid, elektroschmelzendes Magnesiumoxid, Magnesiumklinker oder dergl.. Magnesiumoxid weist einen Schmelzpunkt von etwa 2800°C auf, so dass eine ausreichende feuerfeste Beschaffenheit zur Verwendung als Formmaterial zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen gegeben ist.

Erfindungsgemäss werden die vorerwähnten Bestandteile, nämlich das Hauptmaterial und das Härtungsmittel,' zusammen mit einem Mahlfluid zum Giessen von reinem Titan oder dergl. verwendet. Im allgemeinen wird kolloidales Siliciumdioxid als Mahlfluid verwendet, um die Festigkeit der Form zu erhöhen und eine Erstarrungsexpansion zu bewirken. Im allgemeinen wird kolloidales Siliciumdioxid mit einem Siliciumdioxidgehalt von 20 bis 40 Gewichtsprozent verwendet, da derartiges Siliciumdioxid im Handel erhältlich und dessen Einsatz wirtschaftlich vorteilhaft ist. Jedoch besteht kein Hinderungsgrund, kolloidales Siliciumdioxid mit einem Siliciumdioxidgehalt von mehr als 40 Prozent zu verwenden.

Wie vorstehend erwähnt, enthält das erfindungsgemässe Formmaterial zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen ein Hauptmaterial mit einem Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid als Hauptkomponente und ein Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid. Das Formmaterial wird zusammen mit kolloidalem Siliciumdioxid als Mahlfluid verwendet. Vor-"iip;.".^¹ i .τ' onthält dnr. For mm a tor i η 1 ^O bir, ¹^ Gewi oht.iprorierit e iiitiij iJemiüc'liea aus Silioiumdiox.u! und Aluminiumoxid als Hauptmaterial, 5 bis 15 Gewichtsprozent Phosphat und ? bis

BAD ORIGINAL

-ΙΟΙ 30 Gewichtsprozent basisches Metalloxid. Übersteigt der Anteil des Gemisches aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 90 Prozent, so können das Phosphat und das basische Metalloxid jeweils nicht in Mengen von mindestens 5 Prozent vorhanden sein, was zu einer unzureichenden Erstarrungsexpansion führt. Beträgt der Anteil weniger als 55 Prozent, d.h. mit anderen Worten, dass die Gesamtmenge an Phosphat und basischem Metalloxid 45 Prozent oder mehr beträgt, so ergibt sich eine zu starke Erstarrungsexpansion und eine Produktoberfläche mit rauher Beschaffenheit. Demzufolge darf die Gesamtmenge an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid nicht unter 55 Gewichtsprozent liegen. Ferner muss der Anteil des als Härtungsmittel verwendeten Phosphats 5 bis 15 Gewichtsprozent betragen. Liegt dieser Anteil unter 5 Gewichtsprozent, so ergeben sich eine unzureichende Erstarrungsexpansion und Schwierigkeiten bei der Masshaltigkeit. übersteigt dieser Anteil dagegen 15 Gewichtsprozent, so ergibt sich eine so grosse Erstarrungsexpansion, dass es zu einer unnormalen Expansion kommt und die Oberfläche des Produkts in beträchtlichem Umfang an einer rauhen Beschaffenheit leidet. Ferner muss der Anteil des basischen Metalloxids 5 bis 30 Gewichtsprozent betragen. Liegt dieser Anteil unter 5 Gewichtsprozent, so ist die Reaktion mit dem Phosphat nicht in ausreichendem Umfang gegeben, was zu einer unzureichenden Festigkeit der Form und zu einer Verlängerung der Härtungszeit führt und die Bearbeitbarkeit beeinträchtigt, übersteigt dieser Anteil aber 30 Gewichtsprozent, so ist die Härtungszeit zu kurz, um die Umsetzung mit dem Phosphat zu kontrollieren.

Wie erwähnt, wird die Kombination aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und einem Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid als eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Formmaterialien zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen verwendet .

Die Anteile an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid müssen jeweils mindestens 10 Prozent, bezogen auf die Menge des Gemisches, betragen. Liegt beispielsweise der Siliciumdioxidanteil unter 10 Prozent, so erweist sich eine Form, die durch Einhüllen eines Wachsmodells im Formmaterial und Entfernen des Wachsmodells durch Erwärmen auf 100 bis 15O⁰C hergestellt worden ist, insofern als nachteilig, als die Oberfläche des Giesshohlraums rauh beschaffen ist, was zu einer rauhen Beschaffenheit der Oberfläche des Produkts führt. Andererseits reicht ein Anteil an Aluminiumoxid von weniger als 10 Prozent nicht aus, dass eine Mullit- oder Spinellstruktur in ausreichendem Umfang durch Umsetzung mit Siliciumdioxid gebildet wird, was zu einer Form mit unzureichender Wärmebeständigkeit führt. In der Praxis ist die Verwendung von Siliciumdioxid und Aluminiumoxid in Mengen von jeweils mindestens 20 Prozent, bezogen auf die Gesamtmenge beider Bestandteile, bevorzugt.

Das erfindungsgemässe Hauptmaterial mit einem Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid ist so beschaffen, dass es beim Erwärmen die Struktur von Mullit (F. etwa 185O⁰C), Spinell (F. etwa 2135⁰C) oder Cordierit (F. etwa 2000⁰C) bildet. Wird daher ein Gemisch aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid als Hauptinaterial für eine Form verwendet, so wird mindestens eine der vorgenannten Strukturen im Hauptmaterial gebildet, so dass Titan oder Titanlegierungen nicht unter Ausbildung einer Bindung mit den im Material enthaltenen Sauerstoffmolekülen oxidiert werden und weder eine Entfärbung noch eine Aufrauhung der Oberfläche des Produkts erfolgen, was auf den hohen Schmelzpunkt dieser Strukturen und auf den Schmelzpunkt von Aluminiumoxid zurückzuführen ist, die über dem Schmelzpunkt von Titan oder Titanlegierungen (d.h. 2050⁰C) liegen.

Wird aus dem vorerwähnten Formmaterial eine Form hergestellt, so muss diese zur Bildung der vorerwähnten Struktur nach dem Härten einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Ein geschmolzenes Metall wird in eine Form, deren Zustand der

vorerwähnten Struktur entspricht, mit etwa 1400 C gegossen, ähnlich wie bei Formen, die gemäss dem Stand der Technik Siliciumdioxid als Hauptkomponente enthalten. Daher ist kein Mullit, Spinell oder Cordierit erforderlich. Wird somit ein Formmaterial verwendet, das ein Hauptmaterial mit einem Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid als Hauptkomponente und ein Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid enthält, so können reines Titan oder eine Titanlegierung in geschmolzenem Zustand in die Form gegossen werden, ohne dass es zu einer Veränderung der Eigenschaften dieser Metalle kommt. Wie bereits erwähnt, schrumpfen reines Titan oder Titanlegierungen beim Erstarren, während die aus dem erfindungsgemässen Material mit einem Gehalt an Siliciumdioxid und AIuminiumoxid hergestellte Form sowohl beim Erwärmen als auch beim Erstarren expandiert. Ferner entspricht das Gesamtausmass der Expansion der Form fast dem Ausmass der Schrumpfung von reinem Titan oder Titanlegierungen. Wird daher ein Wachsmodell, das die gleiche Grosse wie das Endprodukt aufweist, in der Form eingeschlossen, so gleichen sich Expansion und Schrumpfung aus und es ergibt sich ein Giesshohlraum geeigneter Grosse.

Wie vorstehend erläutert, wird erfindungsgemäss ein Gemisch aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid als Hauptmaterial verwendet. Ferner ist es möglich, einen Teil (d.h. 5 bis 50 Gewichtsprozent) des Gemisches durch Zirconoxid und/oder Zircon zu ersetzen. Der Ersatz durch Zirconoxid und/oder Zircon, das einen höheren Schmelzpunkt als Titan aufweist OQ (etwa 2850 C), bewirkt eine Erhöhung der feuerfesten Beschaffenheit des Hauptmaterials mit einem Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid und verhindert ein Festsetzen beim Giessen von Titan. Ferner wird durch Zugabe von Zirconoxid oder Zircon in einer Menge von 20 bis 30 gg Gewichtsprozent die Bildung von Cordierit bei der gleichen Brenntemperatur gefördert und die Dichte der gebrannten Struktur erhöht. Die Menge an Zirconoxid oder Zircon muss 5 bis 50 Gewichtsprozent betragen. Liegen weniger als 5 Ge-

wichtsprozent vor, so ergeben sich in bezug auf den Oberflächenzustand des Produkts und die Hohlraumbildung fast die gleichen Verhältnisse, wie wenn der Zusatz von Zirconoxid oder Zircon unterbleibt. Übersteigt dieser Anteil dagegen 50 Gewichtsprozent, so ergeben sich eine ausgeprägte rauhe Beschaffenheit der Produktoberfläche und eine Verringerung der Masshaltigkeit des Produkts.

Nachstehend werden die Ausführungsformen beschrieben, bei denen Mullit oder Spinell als Formmaterial verwendet werden. Ähnlich wie bei Verwendung von Siliciumdioxid und Aluminiumoxid als Formmaterial wird bei dieser Ausführungsform ein Hauptmaterial mit einem Gehalt an Mullit oder Spinell als Hauptkomponente und ein Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid verwendet und das Formmaterial zusammen mit kolloidalem Siliciumdioxid als Mahlfluid in der Praxis eingesetzt. Es müssen 95 bis 55 Gewichtsprozent Mullit oder Spinell und 2,5 bis 15 Gewichtsprozent Phosphat sowie 2,5 bis 30 Gewichtsprozent basisches Metalloxid verwendet werden. Übersteigt der Anteil des Mullits oder Spinells 95 Gewichtsprozent, so können das Phosphat und das basische Metalloxid nicht in Mengen von jeweils mindestens 2,5 Gewichtsprozent (entsprechend einer Gesamtmenge von mindestens 5,0 Gewichtsprozent) vorhanden sein, so dass sich eine unzureichende Erstarrungsexpansion ergibt. Demgemäss muss die Menge an Mullit oder Spinell 95 Gewichtsprozent oder weniger betragen. Liegt diese Menge unter 55 Gewichtsprozent, d.h. die Gesamtmenge an Phosphat und basischem Metalloxid übersteigt 45 Gewichtsprozent, so ergeben sich eine zu starke Erstarrungsexpansion und eine beträchtliche rauhe Beschaffenheit der Produktoberfläche. Demgemäss muss die Menge an Mullit oder Spinell mindestens 55 Gewichtsprozent betragen. Die Menge des als Härtungsmittel verwendeten Phosphats muss 2,5 bis 15 Gewichtsprozent betragen. Liegt diese Menge unter 2,5 Gewichtsprozent, so ergeben sich eine unzureichende Erstarrungsexpansion und Probleme bei der Masshaltigkeit, während bei einer Menge von mehr als * 5 Ge-

BAD ORIGINAL

wichtsprozent die Erstarrungsexpansion so erheblieh ist, dass eine unnormale Expansion eintritt und sich eine beträchtliche rauhe Beschaffenheit der Produktoberfläche ergibt. Ferner muss der Anteil des basischen Metalloxids 2,5 bis 30 Gewichtsprozent betragen. Liegt dieser Anteil unter 2,5 Gewichtsprozent, so ist die Umsetzung mit dem Phosphat unzureichend, so dass die Festigkeit der Form nicht ausreicht und die Härtungszeit zur Verringerung der Verformbarkeit verlängert werden muss. Übersteigt dieser Anteil dagegen 30 Gewichtsprozent, so ist die Härtungszeit zu kurz, um die Reaktion mit dem Phosphat zu kontrollieren.

Wie vorstehend erläutert, wird eine Kombination aus einem Hauptmaterial mit einem Gehalt an Mullit oder Spinell und einem Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid als eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Formmaterialien zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen verwendet.

Bei Verwendung von Mullit oder Spinell als Hauptmaterial wird durch die Wärmebehandlung des Formmaterials ein Aggregat aus Muilit (F. 185O⁰C) oder Spinell (F. 2135°C) gebildet, dessen Schmelzpunkt über dem von Titan, d.h. 1600 bis 1700⁰C, liegt, so dass das Metall nicht durch den im Formmaterial enthaltenen Sauerstoff oxidiert wird und es weder zu einer Verfärbung noch zu einer rauhen Beschaffenheit der Produktoberfläche kommt. Demgemäss kann bei Verwendung eines Formmaterials zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen in geschmolzenem Zustand, das ein Hauptmaterial mit einem Gehalt an Mullit oder Spinell als Hauptkomponente und ein Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid enthält, der Giessvorgang ohne Veränderungen der Eigenschaften des Titans durchgeführt werden. Reines Titan oder Titanlegierungen schrumpfen beim Erstarren, während die vorerwähnte Form sich beim Erwärmen und beim Verfestigen ausdehnt. Das gesamte Ausmass der Expansion der Form entspricht nahezu dem Ausmass der Schrumpfung von reinem Titan oder Titanlegierungen beim

Abkühlen. Daher gleichen sich beim Einhüllen eines Wachsmodells, das die gleiche Grosse wie das Endprodukt aufweist, mit dem Formmaterial Expansion und Schrumpfung aus, so dass man einen Giesshohlraum von geeigneter Grosse

5 erhält.

Nachstehend werden ein allgemeines Verfahren zur Herstellung einer Form aus dem erfindungsgemässen Formmaterial sowie ein Verfahren zum Giessen unter Verwendung der Form beschrieben.

(1) Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Formmaterial

Ein Gemisch aus 10 bis 82 Gewichtsprozent Siliciumdioxid, 10 bis 82 Gewichtsprozent Aluminiumoxid, 5 bis 15 Gewichtsprozent Phosphat und 5 bis 30 Gewichtsprozent Magnesiumoxid (basisches Metalloxid) wird mit kolloidalem Siliciumdioxid mit einem Siliciumdioxidgehalt von 20 bis 40 Gewichtsprozent oder Wasser vermählen. Das vermahlene Gemisch wird in einen Behälter gefüllt,in dem sich ein Wachsmodell befindet. Anschliessend erfolgt die spontane Härtung.

Das vorstehend geschilderte Verfahren entspricht im wesentlichen einem herkömmlichen Verfahren, beispielsweise zum Giessen für Metalle für dentale Zwecke.

Ferner wird erfindungsgemäss die Form nach einem Erwärmungsvorgang zur Entfernung des Wachsmodells nach einem geeigneten Verfahren gebrannt, beispielsweise durch Erwärmen auf 900⁰C oder mehr, vorzugsweise auf etwa 1200⁰C, in einem Elektroofen. Die gebrannte Form wird auf normale Temperaturen abgekühlt und zum Giessen verwendet. Im allgemeinen kann die Form bei Temperaturen von 400 C oder darunter zum Giessen verwendet werden. Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Formen, die in erhitztem Zustand eingesetzt werden, kann die erfindungsgemässe Form zum Giessen in gekühltem Zustand, d.h. im Normalzustand, verwendet werden. Demgernäss weist die erf indungsgemässe Form einen Schmelzpunkt auf, der über dem des zu giessenden geschmolzenen

Metalls liegt, und die Eigenschaften der Form sind stabil.

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung einer Form umfassen die Entfernung des Wachsmodells bei 100 bis 200°C, die Entfernung von Ammoniakgas bei 400 bis 900°C und die Entfernung von gasförmigem Phosphorpentoxid bei 700 bis 900⁰C. Erfindungsgemäss wird die Form bei darüberliegenden Temperaturen, d.h. bei 900⁰C oder darüber, gebrannt, um ein Binden des Siliciumdioxidsan Aluminiumoxid zu erreichen, wo- IQ durch eine feuerfeste Struktur aus Mullit, Spinell oder Cordierit im Formmaterial entsteht. Somit erhält man eine Form, die den Anforderungen zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen mit den vorerwähnten Schmelzpunkten entspricht.

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Wie erläutert, eignet sich die aus dem Formmaterial mit einem Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid als Hauptmaterial hergestellte Form zur Verwendung beim Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen, und zwar nicht nur aufgrund der Tatsache, dass der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid höher als der von reinem Titan oder von Titanlegierungen ist und dass das Siliciumdioxid unter Berücksichtigung der Giesszeit für den Einsatz geeignet ist, sondern auch aufgrund der Tatsache, dass eine feuerfeste Struktur, wie Mullit oder dergl., durch den vorstehenden Brennvorgang, insbesondere an der Formoberfläche und im Giesshohlraum gebildet werden, so dass das Siliciumdioxid nur im Innern der Form enthalten ist und dadurch die Schwierigkeiten mit der Wärmebeständigkeit überwunden werden.

30

Das Verfahren zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen unter Verwendung der vorstehenden Form umfasst das Schmelzen des Titans und das Giessen des geschmolzenen Metalls in den Giesshohlraum der Form.

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Das Schmelzen von Titan, beispielsweise von Titan für dentale Zwecke, wird folgendermassen durchgeführt: Ein etwa 40 g schwerer Block aus reinem Titan wird in einen Schmelz-

tiegel aus Magnesiumoxid (MgO), Zirconoxid (ZrO,,) oder Kupfer mit einer Reinheit von 95 Prozent oder mehr, der mit einer aus einem Wolframstab bestehenden positiven Elektrode ausgerüstet ist, gegeben. Die Elektrodenspitze befindet sich am Boden des Schmelztiegels, um einen Kontakt des Metallblocks mit der positiven Elektrode herzustellen. Eine aus einem Wolframstab bestehende negative Elektrode wird in den freien Raum im oberen Teil des Schmelztiegels angeordnet. Gasförmiges Argon wird in den Schmelztiegel um die negative Elektrode herum eingeleitet, um den Lichtbogen zu stabilisieren und die Oxidation des Titans zu verhindern. Zwischen der im oberen Teil des Schmelztiegels befindlichen negativen Elektrode und der im unteren Teil des Schmelztiegels. angeordneten positiven Elektrode wird ein Lichtbogen mit einem Auflösungsstrarn von 150 bis 200 A (Gleichstran) erzeugt, um den Block im Schmelztiegel zu schmelzen. Man erhält geschmolzenes Titan für Giesszwecke. Vorzugsweise wird die negative Elektrode während des Schmelzens gegen den Schmelztiegel geneigt, um eine partielle Überhitzung zu vermeiden. Auf diese Weise wird der Block homogen geschmolzen.

Das Giessen des geschmolzenen Titans in eine aus dem vorstehenden Formmaterial hergestellte Form wird mittels einer zentrifugalen Giessmaschine oder einer Kompressionsgiess· maschine nach üblichen Verfahren durchgeführt. Als zentrifugale Giessmaschinen werden bei dieser Stufe vorzugsweise solche Maschinen verwendet, die durch Drehung in Längsrichtung mit einem Radius von 20 cm eine Zentrifugalkraft erzeugen und eine Drehzahl von 700 U/min oder mehr erzeugen können. Als Kompressionsgiessmaschinen werden vorzugsweise solche verwendet, mit denen geschmolzenes Metall unter Anwendung eines Inertgases (z.B. Argon oder dergl.) mit einem Druck von 3 bis 8 kg/cm gegossen wird.

(2) Mullit- oder Spinell-Formmaterial

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 55 bis 95 Gewichtsprozent Mullit oder Spinell als Hauptmaterial, 2,5 bis 15 Gewichts-

prozer.t Phosphat und 2,5 bis 30 Gewichtsprozent Magnesiumoxid als basisches Metalloxid werden mit kolloidalem Siliciumdioxid mit einem Siliciumdioxidgehalt von 20 bis UO Gewichtsprozent oder Wasser vermählen. Mit dem vermahlenen Gemisch wird in einem Behälter ein Wachsmodell umhüllt. Anschliessend erfolgt die spontane Härtung.

Die übrigen Verfahrensweisen und Bedingungen entsprechen denen, die vorstehend beim Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Formmaterial angegeben worden sind.

Die nachstehenden experimentellen Beispiele beschreiben die Herstellung von Formen aus dem erfindungsgemässen Formmaterial sowie das Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen unter Verwendung dieser Formen. Die erzielten Ergebnisse sind nachstehend zusammengestellt.

Beispiel 1

Sin Gemisch mit einem Gehalt an 80 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 20 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Gemäss einer herkömmlichen Verfahrensweise wird ein Wachsmodell zur Bildung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200 C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Geschmolzenes reines Titan wird in die Form gegossen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt, wobei die Gesamtmenge an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 100 Prozent beträgt. Das in einer Menge von 20 Gewichtsprozent verwendete Härtungsmittel umfasst 12 Gewichtsprozent Ammoniumphosphat und 3 Gewichtsprozent Magnesiumoxid.

In der Spalte "Beurteilung" bedeuten die Symbole "o" und "Δ » die Beurteilung "verwendbar", während das Zeichen "x" die Beurteilung "schwer verwendbar" bedeutet. Die gleichen Erläuterungen gelten auch für die Beispiele 2 bis 13-

ω ο

CJi

Tabelle I

Hauptmaterial	Alumi niumoxid anteil (Gew.-%)	Härtungs- - mittel (Gew.-%)	Festigkeit der Form	Gussober fläche	Zugfestig- <eit ρ (kg/mm )	Bruch dehnung (%)	Härte (HB)	Beurtei lung
Silicium dioxid en teil (Gew.-%)	0	20	einsetzbar	festsitzend	55	5	240	X
100	10	it	Il	gut	60	6	220	Δ
90	20	Il	Il	■ 1	73	10	210	O
80	30	Il	Il	Il	73	10	190	O
70	40	Il	Il	Il	70	12	190	O
60	50	11	Il	ti	64	12	170	O
50	60	Il	Il	ti	65	12	170	O
40	70	Il	η	Il	55	15	160	O
30	80	Il	ti	ti	55	15	160	O
20	90	11	Δ leicht spröde aber einsetzbar	rauh	55	15	160	Δ
10	100	Il	_x. spröde	It	45	-	-	χ
0

K) CD K)

Anmerkung 1: Die Zugfestigkeit wird an einem gemäss Beispiel 1 erhaltenen Stab mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 20 cm bestimmt.

Anmerkung 2: Die Härte wird an einer gemäss Beispiel 1 her-

30

gestellten Platte mit einer Dicke von 3 mm und einer Fläche von
Härtetest ermittelt.

2 und einer Fläche von 2 cm gemäss dem Brinell-

10 Beispiel 2

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 55 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 45 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Gemäss einer herkömmlichen Verfahrensweise wird ein Wachsmodell zur BiI-dung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die

Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200°C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Geschmolzenes reines Titan wird in die Form gegossen. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt.

20

In Tabelle II beträgt die Gesamtmenge an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 100 Prozent. Das in einer Menge von Prozent verwendete Härtungsmittel umfasst 15 Gewichtsprozent Ammoniumphosphat und 30 Gewichtsprozent Magnesiumoxid.

35

CO
ΟΙ

ω ο

to to

cn ο

Tabelle II

CJi

Hauptmaterial	Alumi niumoxid anteil (Gey.-%)	Härtungs- - mittel (Gew.-°/o)	Festigkeit der Forr.	Gussober- \ fläche [	Sugfestig- ceit ρ ikg/nra )	Bruch dehnung (%)	1	Beurtei lung
Silicium dioxid - anteil (Gew_.-%)	0	45	einsetzbar	festsitzend	45	4	Härte (HB)	X
100	10	ti	Il	gerj.ngfügig festsitzend	55	5	260	Δ
90	20	ti	Il	gut	60	7	240
80	30	M	Il	Il	70	10	230	O
70	50	It	Il	Il	73	10	210	O
50	70	Il	Il	Il	70	10	210	O
30	80	ti	It	»	70	10	210	O
20	90	Il	Il	Il	60	13	210	Δ
10	100	ti	leicht spröde	rauh	50	15	190	χ
0					170

03 > O

ID

CO .

cn ι 4>- ■ NJ

co

1 Beispiel 3

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 40 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 60 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Gemäss einer herkömmlichen Verfahrensweise wird ein Wachsmodell zur Bildung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200⁰C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Geschmolzenes
reines Titan wird in die Form gegossen. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt.

In Tabelle III beträgt die Gesamtmenge an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 100 Prozent. Das in einer Menge von Prozent verwendete Härtungsmittel umfasst 20 Gewichtsprozent Ammoniumphosphat und 30 Gewichtsprozent Magnesiumoxid .

20 25 30 35

co ο

to O

Cn

Tabelle III

Hauptnpterial	Alumi niumoxid anteil (Gew.-%)	Härtungs- - mittel (Gew.-%)	Festigkeit der Form	Gussober fläche	Zugfestig keit ρ (kg/mm )	Bruch dehnung	Härte (HB)	■
Silicium- dioxid- anteil (Gew.-%)	0 10	60 Il	einsetzbar Il	fest sitzend Il	30 35	1 ' 2	280 280	Beurtei lung
100 90	20	H	Il	Il	40	3	260	X X
80	50	Il	Il	It	40	3	260	X
50	80	Il	Il	Il	45	3	260	X
20	90	Il	Il	Il	40	5	260	X
10	100	Il	Il	Il	30	6	240	X
! -				X

1 Beispiel U

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 90 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 10 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Gemäss einer herkömmlichen Verfahrensweise wird ein Wachsmodell zur Bildung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200⁰C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Geschmolzenes
reines Titan wird in die Form gegossen. Die Ergebnisse
sind in Tabelle IV zusammengestellt.

In Tabelle IV beträgt die Gesamtmenge an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 100 Prozent. Das in einer Menge von
10 Prozent verwendete Härtungsmittel umfasst 5 Gewichtsprozent Ammoniumphosphat und 5 Gewichtsprozent Magnesiumoxid .

20 25 30 35

ω ο

to O

σι

Tabelle IV

Hauptmaterial	Alumi niumoxid anteil (Gew.-%)	Härtungs- - mittel (Gew.-¹JO	Festigkeit der Form	Gussober fläche	Il	Zugfestig keit 2 (kg/mm )	Bruch- dehnune (%)	Härte (HB)	Beurtei lung
Silicium dioxid- anteil (Gew,-%)	0	10	'äin setzbar	"estsitzend	It	55	5	240	χ
100	10	■■	Il	5Ut	Il	60	6	210	O
90	20	11	Il	Il ?eringfügig "auh	73	10	210	O
: 80	30	11	Il	Il rauh	70	10	190	O
70	50	"	Il		70	12	190	O
50	70 80	Il	Il	65 55	12 15	170 160	O Δ
! 30 20	90 100	Il	leicht spröde spröde	55 45	15	160	Δ X
I 10 i I 0

r-o co ro

1 Beispiel 5

Eine aus einem Formmaterial mit einem Gehalt an mindestens 90 Gewichtsprozent eines Gemisches aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid sowie mindestens 5 Gewichtsprozent Ammoniumphosphat und mindestens 5 Gewichtsprozent Magnesiumoxid als Härtungsmittel hergestellte Form weist eine hohe mechanische Festigkeit, z.B. in bezug auf Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte und dergl., auf. Wird eine derartige Form jedoch für Dentalmetalle verwendet, so ist die Erstarrungsexpansion aufgrund des Gehalts an mindestens 5 Gewichtsprozent Ammoniumphosphat zu gering, um die Schrumpfung des Metalls (d.h. Titan) auszugleichen. Ferner ist der Gehalt an mindestens 5 Gewichtsprozent Magnesiumoxid nicht ausreichend, um der Form eine genügende Grünfestigkeit zu

j_5 verleihen, so dass es beim Entfernen des Wachsmodells zur Ausbildung einer rauhen Beschaffenheit der Oberfläche der Form kommt. Aus den beiden vorgenannten Gründen eignet sich eine derartige Form nicht für Dentalmetalle.

Jedoch ist bei der Herstellung von Formteilen für allgemeine industrielle Zwecke die Erstarrungsexpansion nicht immer von Bedeutung. Ferner ist es möglich, bei den Wachsmodellen die Schrumpfung des als Giessmetall verwendeten Titans um 2 bis 3 Prozent zu berücksichtigen. Ausserdem lässt sich die Ausbildung einer rauhen Beschaffenheit der Oberfläche verhindern, indem man die Entfernung des Wachsmodells vorsichtig und langsam vornimmt. Demzufolge können auch Formen, die aus einem Formmaterial mit einem Gehalt an Härtungsmittel in einer Gesamtmenge von 10 Gewichts-

QO prozent oder darunter hergestellt worden sind, eingesetzt werden.

ω O

to

σι

Tabelle V

Hauptmaterial	Aluminium- oxidanteil (Gew.-%)	Festigkeit der Form	0 1.0 20 30 50 70 80 90 100	einsetzbai Il M Il Il Il leicht scröde Il spröde	Gussober fläche	Zugfestig keit j (kg/mm )	Bruch dehnung (öl \ \/o)	Härte (HB)	Beurtei lung
Siliciumdio- xidanteil (Gew.-%)	festsitzem gut M Il Il Il geringfügig rauh rauh	55 60 73 73 70 60 60 55 50	5 8 12 12 15 15 15 15	240 220 200 200 180 170 160 160	XOOOOOO OX
100 90 80 70 50 30 20 10 0

1 Beispiel 6

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 80 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 20 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit kolloidalem Siliciumdioxid oder Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Gemäss einer herkömmlichen Verfahrensweise wird ein Wachsmodell zur Bildung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200 C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Eine geschmolzene Titanlegierung (Ti-6A1-4V) wird in die Form gegossen. Die Ergebnisse sind in Tabelle VI zusammengestellt. In Tabelle VI beträgt die Gesamtmenge an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid 100 Prozent. Das in einer Menge von 20 Gewichtsprozent verwendete Härtungsmittel umfasst 12 Gewichtsprozent Ammoniumphosphat und 8 Gewichts- _5 prozent Magnesiumoxid.

20 25 30 35

ω ο

to O

Tabelle VI

Hauptmaterial	Alumi niumoxid anteil (Gew.-%)	Härtungs mittel (Gev;.-%)	Festigkeit der Form	Gussober fläche	Zugfestig keit ρ kg/mm )	Bruch dehnung (%)	Härte (HB)	Beurtei lung
Silicium- dioxid- anteil (Gew.-%)	0	20	einsetzbar	festsitzend	50	4	400	X
100	10	■ 1	Il	gut	65	7	380	Δ
90	20	Il	■·	Il	75	8	380	O
80	40	ti	Il	Il	05	9	360	O
60	60	Il	Il	■'	85	9	360	O
40	80	Il	Il	Il	80	10	340	O
20	90	Il	leicht spröde aber einsetzbar	geringfügig ryuh	80	10	340	O
10	100		spröde	rauh	70	-	-	X
0

20 25 30

1 ■ BeisOiel 7

Ein Gemisch rait einem Gehalt an 90 Gewichtsprozent Hauptmaterial mit einem Gehalt an Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Zirconoxid und 10 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser vermählen. Gemäss einer herkömmlichen Verfahrensweise wird ein Wachsmodell zur Bildung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200⁰C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Geschmolzenes reines Titan wird in die Form gegossen. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII zusammengestellt.

In der Spalte "Beurteilung" bedeutet "x" die Bewertung "nicht einsetzbar", "Δ" bedeutet "geringfügige Schwierigkeiten, jedoch einsetzbar¹¹, "o" bedeutet "einsetzbar" und "O" bedeutet bevorzugt einsetzbar".

35

ω O

fco
cn

to O

cn

Tabelle VII

Siliciumdioxid + Aluminiumoxic (Gew.-%)	Zirconoxid (Gew.%)	Farbe	Oberfläche	glatt	Hohlräume (Anzahl)	Beurtei- Innp·
100	0	schwarz	beträchliches Ee si setzen (seizing), aber, durch, Sana strahlen entfernbar	deutlich rauhe Be schaffenheit	6 % 7 .	Λ
90	10	schwarz	Il	M	3 Λ, 4	O
00	20	grau	Festsetzen, aber glatt	2^3	®
70	30	grau	11	2^3	f)
60	40	grau	It	2^3	©
50	50	grau	2^3	Λ
40	60	teilweise blausti- rh ig	1^2	X
30	70	Il	1^2	X

Wie aus Tabelle VII hervorgeht, können mindestens 50 Gewichtsprozent eines aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid bestehenden Hauptmaterials durch Zirconoxid ersetzt werden, wobei die ersetzte Menge des Hauptmaterials vorzugsweise 10 bis 40 Gewichtsprozent beträgt. Durch Zugabe von Zirconoxid wird die feuerfeste Beschaffenheit der Form verbessert, ein Festsetzen verhindert und die Oxidation, die Entfärbung und die Bildung von Hohlräumen unterdrückt. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass Zirconoxid, das einen hohen Schmelzpunkt von etwa 285O⁰C aufweist, die feuerfeste Beschaffenheit des gesamten Formmaterials verbessert.

Beispiel 8 15

20 25 30 35

ω ο

to
CJi

to
O

σι

Tabelle VIII

ΜιιΊ lit (	lärtungsmittel Phosohat + basi sches Metalloxid)	Festig keit der Form	Gussober fläche	iugfestig- <eit ₂ (kg/mm )	Bruch ig ehnune (%)	Härte	■Jeurteilung
100% 95 90	0% 5 10	nicht ein setzbar einsetz bar »	kein Fest- 'setzen Il	75 75	14 14	190 190	X O O
80	20	■·	Il	70	13	190	O
70	30	Il	Il	60	11	200	O
60	40	Il	Il	55	10	210	O
55 50	45 50	Il Il	Il leichtes Festsetzen	50 50	8 6	220 240	O Δ
45	55	Il	deutliches Festsetzen	40	5	260	X

NJ CjD NJ

In Tabelle VIII sind Angaben über die Forrafestigkeit, den Zustand der Oberfläche, die Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte und Eignung einer Form, die aus einem Formmaterial mit einem Gehalt an 45 bis 100 Gewichtsprozent Hauptmaterial, Rest Härtungsmittel, hergestellt worden ist, gemacht .

In der Spalte "Beurteilung" hat "x" die Bedeutung "nicht einsetzbar", "o" bedeutet "einsetzbar" und "Δ" bedeutet geringfügige Schwierigkeiten, jedoch einsetzbar". Das gleiche gilt für die Ergebnisse der nachstehenden Beispiele.

Beispiel 9

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 90 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 10 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Ein Wachsmodell mit der Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds von 20 mm Breite, 30 mm Tiefe und 20 mm Höhe, das auf beiden Seiten des Bodens Nuten in der Form eines gleichsdiedcligen.

Dreiecks mit einer Höhe von 15 mm aufweist, wird zur Herstellung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200⁰C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Geschmolzenes reines Titan wird in die Form gegossen. Die Ergebnisse

25 sind in Tabelle IX zusammengestellt.

In diesem Beispiel wird das Hauptmaterial in einer Menge von 90 Gewichtsprozent, bezogen auf das gesamte Formmaterial verwendet, wobei ein Teil des Hauptmaterials, d.h. QQ Mullit, durch Zircon ersetzt wird. Färbung, Festsetzen der Oberfläche, rauhe Beschaffenheit und Hohlraumbildung (Anzahl) werden geprüft.

BAD ORIGINAL

Cd

to ο

Tabelle IX

Mullit	Zirconoxid	Farbe	Oberfläche	Hohlraum bildung (Anzahl)	Beurteilung
100% 90	0% 10	schwarz M	beträchtliches Festsetzen, jedoch durch Sandstrahlen entfernbar _n	7 ^ 10 5 ^ 8	Δ Δ
80	20	Il	Festsetzen, jedoch glatt	2 ¹^ 3	ο
70	30	M I	leichtes Festsetzen	1^2	ο
60	40	teilweise blaustichif	glatt	0	ο
50 40	50 60	Il blaust ichif	leicht rauhe Beschaffenheit deutlich rauhe Be schaffenheit	0 0	O X

K) CD K)

Aus den vorstehenden Ergebnissen geht hervor, dass mindestens 50 Prozent und vorzugsweise 20 bis 40 Prozent des Hauptmaterials durch Zirconoxid ersetzt werden können. Die Zugabe von Zirconoxid erhöht die feuerfeste Beschaffenheit

5 der Form und verhindert somit ein Festsetzen.

Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass Zirconoxid, dessen Schmelzpunkt etwa 285O⁰C beträgt, die Feuerfestigkeitstemperatur des gesamten Formmaterials erhöht. Folgende Substanzen, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, können einen Teil des Mullits ersetzen oder zusammen mit Zirconoxid zugesetzt werden.

Schmelzpunkt

15 Spinell 2135°C

Berylliumoxid 2530 C

Zircon 2850⁰C

Calciumoxid 257O⁰C

Magnesiumoxid 2800°C

Beispiel 10

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 90 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 10 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Ein Teststück zum Testen der Formfestigkeit wird aus dem erhaltenen Gemisch hergestellt, in einem Elektroofen bei 1200 C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Das Teststück wird einem Kompressionstest unterworfen, um die Bruchfestigkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Tabelle X

30 zusammengestellt.

In diesem Beispiel sind 0 bis 60 Prozent Mullit durch Aluminiumoxid ersetzt, um den Einfluss dieser Substitution festzustellen.

Tabelle X

Aluminium	0	Mullit	Festigkeit der Form	Beurteilung
oxid	10	100	Kompression (kg/cm )	O
20	90	85	O
30	80	60	O
40	70	55	O
50	60	35	O
60	50	■ 15	O
	40	12	y
8

Aus den Ergebnissen von Tabelle X geht hervor, dass die zugesetzte Menge an Aluminiumoxid bis zu 50 Prozent betragen kann, da die Form für den praktischen Einsatz eine

2 Festigkeit von 10 kg/cm oder mehr haben muss.

Dieses Beispiel erläutert die Verwendung von Aluminiumoxid Bei der Verwendung von Siliciumdioxid kommt man zu ähnlichen Ergebnissen.

Aus den vorstehenden Ergebnissen geht hervor, dass die Festigkeit der Form durch Zugabe von Aluminiumoxid herabgesetzt wird, was die Entfernung eines Produkts aus der Form erleichtert.

Beispiel 11

ω O

to ο

cn

CJi

Tabelle XI

Spi nell	Här tui igsniittel (Phosphat + basi sches Metalloxid	Festigkeit der Form	Gussober fläche	Zugfestig keit j (kg/mm )	Bruch dehnung	— Härte (HB)	Beurtei lung
100%	0%	nicht einsetz	-	-	-	-	X
95	5	bar einsetzbar	kei η Fest	75	12	200	O
90	10	Il	set ze_tp	75	12	200	O
80	20	Il	Il	70	11	200	O
70	30	Il	Il	60	10	210	O
60	40	Il	Il	55	10	210	O
Ui Ul O Ui	45 50	ti Il	Il Leichtes festsetzen aber ein setzbar	50 50	a 6	220 240	O Δ I
i 45	55	Il	cteutlich. Pestsetz.	40	5	260	X

In Tabelle XI sind Angaben über die Festigkeit der Form, Festsetzungserscheinungen an der Oberfläche, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte und allgemeine Beurteilung von Formen, die aus einem Formmaterial mit einem Gehalt an 45 bis 100 Gewichtsprozent Hauptmaterial, Rest Härtungsmittel, hergestellt worden sind, gemacht.

In der Spalte "Beurteilung" hat "x" die Bedeutung "nichteinsetzbar", "o" bedeutet "einsetzbar" und "A" bedeutet "geringfügige Schwierigkeiten, jedoch einsetzbar". Das gleiche gilt für die folgenden Beispiele.

Beispiel 12

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 90 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 10 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Ein Wachsmodell mit der Form eines rechteckigen Parallelepipeds mit einer Breite von 20 mm, einer Tiefe von 30 mm und einer Höhe von 20 mm, an dessen beiden Bodenseiten Rillen in der Form von gleichschenkligen Dreiecken mit einer Höhe von 15 mm angebracht sind, wird zur Herstellung einer Form mit dem erhaltenen Gemisch umhüllt. Die Form wird gehärtet, in einem Elektroofen bei 1200°C gebrannt und auf Normaltemperatur gekühlt. Geschmolzenes reines Titan wird in die Form gegössen. Die Ergebnisse sind in Tabelle XII zusammengestellt.

In diesem Beispiel beträgt die Menge an Hauptmaterial 90 Prozent, bezogen auf das gesamte Formmaterial. Ein Teil des Formmaterials wird durch Zirconoxid ersetzt. Farbe, Fest-Setzungserscheinungen an der Oberfläche, Rauhigkeit und Hohlraumbildung (Anzahl) werden ermittelt.

03

to to

CTI O

Tabelle XII

cn

Spinell	Zirconoxid	Farbe	Oberfläche	Hohlraum bildung	Beurteilung
				C Anzahl)
100% 90	0% 10	schwarz Il	beträchtliches Festsetzen jedoch durch Sandstrahlen entfernbar „	7 ^ 10 4 % 7	Δ Δ
80	20	Il	Festsetzen, jedoch glatt	2^3	ο
70	30	Il	leichtes Festsetzen	1^2	ο
60	40	teilweise blaustichig	glatt	0	O
50 40	50 60	Il blaustichig	leicht rauhe Beschaffen- aeutlich rauhe Beschaffen heit	0 0	O X

Aus den vorstehenden Ergebnissen geht hervor, dass Zirconoxid in einer Menge bis zu 50 Prozent und vorzugsweise von 20 bis 40 Prozent, bezogen auf die Menge des Hauptmaterials, verwendet werden kann. Ferner ergibt sich, dass durch Zugäbe von Zirconoxid die Feuerfestigkeitstemperatur der Form erhöht wird, was Festsetzungserscheinungen verhindert.

Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass Zirconoxid, das einen Schmelzpunkt von 285O⁰C aufweist, sowie Mullit die Feuerfestigkeitstemperatur des gesamten Formmaterials erhöhen. Demgemäss können die nachstehend angegebenen Substanzen, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen,ebenso wie Zirconoxid einen Teil des Spinells ersetzen.

15 Schmelzpunkt Berylliumoxid 2530⁰C

Zircon 285O⁰C

Calciumoxid 2570°C

Magnesiumoxid 2800°C

Beispiel 13

Ein Gemisch mit einem Gehalt an 90 Gewichtsprozent Hauptmaterial und 10 Gewichtsprozent Härtungsmittel wird mit Wasser unter vermindertem Druck vermählen. Ein Teststück

zur Untersuchung der Festigkeit der Form wird aus dem erhaltenen Gemisch hergestellt, in einem Elektroofen bei 1200°C gebrannt und gekühlt. Das Teststück wird einem Kompressionstest unterworfen, um die Bruchfestigkeit zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Tabelle XIII zusammen-

30 gestellt.

In diesem Beispiel sind 0 bis 60 Gewichtsprozent des als Hauptmaterial verwendeten Spinells durch Aluminiumoxid ersetzt. Der Einfluss dieser Substitution wird ermittelt. 35

- 42 Tabelle XIII

Aluminium oxid	Spinell	Festigkeit (kg/cm )	der Form	(Kompression)	! ^Beurteilung !
0	100		70		O
10	90		60		O
20	80		45		ο \
30	70		20		ο
40	60		10		O
50	50		10		O
60	40		5		^x

Aus Tabelle XIII geht hervor, dass Aluminiumoxid in einer Menge bis zu 50 Prozent zugesetzt werden kann, da eine für praktische Zwecke geeignete Form eine Festigkeit von 10

20 2

kg/cm oder mehr aufweisen muss.

Anstelle des in diesem Beispiel verwendeten Aluminiumoxids kann auch Siliciumdioxid oder Mullit verwendet werden. Man erhält dabei ähnliche Ergebnisse.

Aus den vorstehenden Ergebnissen geht hervor, dass Aluminiumoxid die Festigkeit der Form verringert, was die Entfernung des Produkts aus der Form erleichtert.

Claims

VOSS IUS-VOSSIUS-TA UCHNER -HEUNEMANN · RAUH

PATENTANWÄLTE OD Hr AD Z I

SIEBERTSTRASSE 4· -SOOO MÜNCHEN 86 -PHONE: (OS9) 4-740 75 CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN · TELEX 5-29 453 VOPAT D

5 u.Z.: U 182 OHARA CO., Ltd.

Osaka, Japan 4. Dezember 1985

"Formmaterial und Verfahren zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen"

15 Patentansprüche

1. Formmaterial zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen, enthaltend ein Hauptmaterial mit einem Gehalt an einem oder mehreren Bestandteilen aus der Gruppe Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Gemische, Mullit und Spinell als Hauptkomponente und ein Härtungsmittel mit einem Gehalt an einem Phosphat und einem basischen Metalloxid.

2. Formmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es 90 bis 55 Gewichtsprozent eines Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Gemisches als Hauptmaterial und 5 bis 15 Gewichtsprozent eines Phosphats und 5 bis 30 Gewichtsprozent eines basischen Metalloxids als Härtungsmittel

30 enthält.

3. Formmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Gemisch von jedem Bestandteil mindestens 10 Teile bei einer Gesamtmenge von 100 Teilen enthält.

ü. Formmasse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Gemisch von jedem Be-

— C —

standteil mindestens 20 Teile bei einer Gesaratmenge von 100 Teilen enthält.

5. Fonnmaterial nach einem der Ansprüche Ί bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumdioxid eine oder mehrere Substanzen mit einer Reinheit von 90 Prozent oder darüber aus der Gruppe Quarzit, Quarzsand, körniger Quarzsand und Cristobalit enthält.

6. Formmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Aluminiumoxid um hochreines Aluminiumoxid oder um ein Mineral mit einem hohen Aluminiumoxidgehalt mit einer Reinheit von 80 Prozent oder mehr handelt.

7. Formmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, dass 5 bis 50 Gewichtsprozent (bezogen auf die Gesamtmenge an Hauptmaterial) des Hauptmaterials mit einem Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid als Hauptkomponente durch Zirconoxid und/oder Zircon ersetzt sind.

8. Formmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es 95 bis 55 Gewichtsprozent Mullit als Hauptmaterial und 2,5 Gewichtsprozent Phosphat und 2,5 bis 30 Gewichtsprozent eines basischen Metalloxids als Härtungsmittel enthält.

9. Formmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, OQ dass es 95 bis 55 Gewichtsprozent Spinell als Hauptmaterial und 2,5 bis 15 Gewichtsprozent eines Phosphats und 2,5 bis 30 Gewichtsprozent eines basischen Metalloxids als Härtungsmittel enthält.

gg 10. Formmaterial nach einem der Ansprüche 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hauptmaterial verwendeten Mullit- oder Spinellmaterialien eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe Zirconoxid, Zircon,

1 Calciumoxid und Magnesiumoxid enthalten.

11. Formmaterial nach einem der Ansprüche 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mullit- oder Spinellmineralien bis zu 50 Gewichtsprozent der genannten Substanzen enthalten.

12. Formmaterial nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 50 Gewichtsprozent (bezogen auf die Gesamtmenge an Mullit oder Spinell) der als Hauptmaterial verwendeten Mullit- oder Spinellmaterialien durch Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid ersetzt sind.

13. Formmaterial nach einem der Ansprüche 1, 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Phosphat um Ammoniumphosphat, Kaliumphosphat oder Natriumphosphat handelt.

14. Formmaterial nach einem der Ansprüche 1, 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim basischen Metalloxid um Magnesiumoxid, elektroschinelzendes Magnesiumoxid oder Magnesiaklinker handelt.

15. Verfahren zum Gießen von reinem Titan oder Titanlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass man 10 bis Gewichtsprozent Siliciumdioxid, 80 bis 10 GeiM-%Aluminruin.-oxid, 5 bis 15 Gewichtsprozent eines Phosphats und 5 bis 30 Gewichtsprozent eines basischen Metalloxids mit kolloidalem Siliciumdioxid vermischt, zur Herstellung einer Form ein Wachsmodell mit dem erhaltenen Gemisch bedeckt und das Gemisch härtet, das Wachsmodell entfernt, die Form bei 900⁰C oder darüber unter Bildung einer feuerfesten Struktur, die mindestens einen der Bestandteile Mullit, Spinell oder Cordierit in der Form enthält, brennt und geschmolzenes reines Titan oder geschmolzene Titanlegierungen in den Giesshohlrautn der Form giesst.

15

25 30

16. Verfahren zum Giessen von reinem Titan oder Titanlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass man 95 bis 55 Gewichtsprozent Mullit oder Spinell, 2,5 bis 15 Gewichtsprozent eines Phosphats und 2,5 bis 30 Gewichtsprozent eines basischen Metalloxids mit kolloidalem Siliciumdioxid vermischt, zur Herstellung einer Form ein Wachsmodell mit dem erhaltenen Gemisch bedeckt und das Gemisch härtet, das Wachsmodell entfernt, die Form bei 900⁰C oder darüber brennt und geschmolzenes reines Titan oder geschmolzene Titanlegierungen in den Formhohlraum der Form giesst.

35