DE4002440A1 - Zusammengesetzte keramikgiessform und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zusammengesetzte Keramikgieß­ form mit einem Stützteil und einer keramischen Beschich­ tung, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Gießform.

Es ist bekannt, als sogenannte Keramikgießform für einen Präzisionsguß eine zusammengesetzte Keramikgießform zu verwenden (d.h. eine mit Keramikmaterial beschichtete Form), die aus einem Formteil in Form einer Keramikschicht (keramische Beschichtung) und einem als Stützteil für die Keramikschicht dienenden Formteil besteht, da eine solche zusammengesetzte Keramikgießform wirtschaftlich herge­ stellt werden kann und für den Gießvorgang eine hohe Festigkeit besitzt. Die keramische Beschichtung wird unter Anwendung des Shaw-Verfahrens oder des Unicast-Verfahrens usw. aus keramischem Material hergestellt, während der Stützteil der Form aus einem billigeren Sandgemisch, beispielsweise Schamottsand und Olivinsand, und einem Binder, wie z.B. Wasserglas und Bentonit, nach dem CO₂-Verfahren oder dergleichen hergestellt wird.

Wenn das Gießen unter Verwendung einer solchen zusammen­ gesetzten Keramikgießform ausgeführt wird, ergibt sich aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit des Gießhohlraums, d.h. durch die Beschichtung aus einem keramischen Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, für die Metallschmelze im Formhohlraum eine geringere Abkühlgeschwindigkeit als für die Metallschmelze in einem Steiger. Das geschmolzene Metall im Steiger, welches eigentlich erst nach dem Erstarren des Gußstücks erstarren sollte, kann folglich vor dem Erstarren der Metallschmelze im Gußstück-Hohlraum erstarren, was Gußfehler zur Folge hat, die sich durch die Verringerung des Volumens beim Erstarren des Metalls ergeben und die sowohl an der Oberfläche des Gußstücks als auch im Inneren desselben auftreten können. Um diese Gußfehler zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, ein gesteuertes Erstarren der Metallschmelze im Gußstück- Hohlraum dadurch zu erreichen, daß in der Form eine Kühlbohrung vorgesehen wird, und daß während des Gießvorgangs Wasser oder ein gasförmiges Kühlmittel durch die Kühlöffnung geleitet wird. Als Verfahren zur Her­ stellung der Kühlöffnung wurde vorgeschlagen, in die fertige Form eine Öffnung zu bohren oder vorab ein Metallrohr als hohlen Kern in die Form einzusetzen. Beim Bohren kann jedoch nur eine gerade Öffnung erzeugt werden, wobei Form und Lage dieser Kühlöffnung Beschränkungen unterliegen. Daher ist es in einigen Fällen schwierig, eine Kühlöffnung auszubilden, die für eine wirksame Kühlung sorgt. Beim Arbeiten mit einem Metallrohr können die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallrohrs und des Keramikmaterials beim Brennen des Keramikmaterials bei einer hohen Temperatur von etwa 1000°C große Risse in der Keramikgießform bzw. in deren keramischen Beschichtung hervorrufen.

Gemäß JP-OS 63-1 88 467 wurde in einer Keramikgießform bereits ein kontrollierter Verlauf der Erstarrungsfront erreicht, indem in der Form eine Kühlöffnung ausgebildet wurde, durch die Luft oder ein anderes Kühlgas geleitet wurde. Die Keramikgießform war dabei jedoch ein ein­ stückiger Formkörper, der vor dem Gießen auf eine hohe Temperatur erhitzt wurde. Außerdem läßt sich der genannten Druckschrift nicht entnehmen, wie eine Kühlöffnung bzw. ein Kühlkanal mit einem spiralförmig verlaufenden Bereich, wie er in Fig. 1 der Druckschrift gezeigt ist, in der Praxis herstellen läßt.

Wenn ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie z.B. Gußeisen und Gußstahl, in konventionellen Keramikgießformen, ein­ schließlich der zusammengesetzten Keramikgießformen, ver­ gossen wird, dann tritt an der Oberfläche des Gußstücks eine Zunderbildung und eine Entkohlung ein. Durch die Zun­ derbildung verliert das Gußstück seine glatte Oberfläche. Außerdem wird beim Gießen von Präzisionsteilen die Maßge­ nauigkeit beeinträchtigt. Ferner führt die Entkohlung zu kohlenstoffarmen Schichten der Gußstücke, wodurch die Verschleißfestigkeit aufgrund einer verringerten Ober­ flächenhärte geringer wird und wodurch aufgrund einer geringeren Zugfestigkeit die Entstehung von Ermüdungs­ brüchen gefördert wird. Außerdem verursacht die Entkohlung bei hohen Temperaturen die Bildung von Hitzerissen in der Gußteiloberfläche. Zur Verhinderung von Oxydation und Entkohlung der Gußstücke werden die Gießformen bisher nach Beendigung des Gießvorgangs gelegentlich mit einem abge­ dichteten Kasten überdeckt, der mit einem nicht-oxydie­ renden Gas gefüllt wird. Dennoch lassen sich Oxydation und Entkohlung nicht vollständig verhindern, da die Atmosphäre im Formhohlraum selbst keine nicht-oxydierende Atmosphäre ist. Die Probleme der Oxydation und Entkohlung werden in der genannten Druckschrift nicht angesprochen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte zusammengesetzte Keramikgießform anzugeben, mit der ein kontrollierter Verlauf der Erstarrungsfront in einem Gußstück erreichbar ist und mit der eine Oxydation und Entkohlung der Gußstückoberfläche verhindert werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen verbesserten zusammengesetzten Keramikgießform anzugeben.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Gießform der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Stützteil mit einem durchgehenden Gaskanal versehen ist, daß der Stützteil Poren aufweist und daß die keramische Beschichtung Mikrorisse aufweist, wodurch ein kontrollierter Verlauf der Erstarrung des Gußteils gefördert und eine Oxydation und Entkohlung der Gußteiloberfläche verhindert werden kann, wenn ein nicht-oxydierendes Gas durch den durchgehenden Gaskanal geleitet wird.

Bei einem Gießvorgang, der unter Verwendung der erfin­ dungsgemäßen zusammengesetzten Keramikgießform durchge­ führt wird, wird erfindungsgemäß vor dem Einfüllen der Metallschmelze in die Gießform ein nicht-oxydierendes Gas, d.h. ein Inertgas bzw. ein neutrales Gas, durch den durchgehenden Gaskanal geleitet, wobei das Gas aus dem Kanal in den Stützteil und in die keramische Beschichtung eindringt und den Formhohlraum füllt. Da auf diese Weise erreicht werden kann, daß beim Einfüllen der Metall­ schmelze der Formhohlraum und die angrenzenden Formteile nur ein nicht-oxydierendes Gas enthalten, ergibt sich bei dem Gußteil keine Oxydation und/oder Entkohlung der Oberfläche. Die Gasströmung durch den durchgehenden Gaskanal wird während des Einfüllens der Metallschmelze während der Erstarrung der Metallschmelze und während des Abkühlens der erstarrten Schmelze bzw. des Gußteils auf­ rechterhalten, wobei das Gas die von dem Metall in die zusammengesetzte Keramikgießform abgegebene Wärme abführt, und damit einen kontrollierten Verlauf der Erstarrungs­ front fördert, derart, daß das eigentliche Gußteil früher erstarrt als die Metallschmelze im Steiger. Außerdem werden Lufteinschlüsse aus der Form herausgespült. Im Ergebnis werden dadurch Präzisions-Gußteile mit hoher Oberflächenqualität und hoher Maßhaltigkeit erhalten.

Was das Verfahren anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe durch das Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 4 gelöst.

Beim Erhitzen, insbesondere beim Brennen der zusammen­ gesetzten Keramikgießform, wird das verdampfbare Kernele­ ment bei der hohen Brenntemperatur verdampft, aufgeschmol­ zen und/oder verbrannt, so daß sich ein durchgehender Gaskanal der gewünschten Form und Lage ergibt. Das Kern­ element, genauer gesagt die ggf. relativ kompliziert geformte Kernelementanordnung besteht dabei aus einem brennbaren Material, wie z.B. geschäumtem Polystyrol, geschäumtem Polyethylen und geschäumtem Polyurethan oder aus einem schmelzbaren Material, wie z.B. Wachs, Polystyrol und einem Harnstoff-Harz.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Gießformanordnung mit einer Basisplatte, einem Formkasten und einer Kernelementanordnung;

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 bis 9 der Darstellung gemäß Fig. 2 entsprechende Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung der einzelnen Schritte des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zum Herstellen einer zusammengesetzten Keramikgießform; und

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Gießform­ anordnung mit Oberkasten, Unterkasten und einem im Formhohlraum befindlichen Gußstück.

Im einzelnen zeigen Fig. 1 bis 9 wie eine Keramikgießform mit einer keramischen Beschichtung und einem Stützteil hergestellt wird.

Zunächst wird gemäß Fig. 1 und 2 ein überdimensioniertes Rohmodell 1 auf einer Basisplatte 2 fixiert. Anschließend wird eine Formsandmischung 6 aus Schamottsand und Natrium­ silikat (Wasserglas) in einen Formkasten 4 bis auf eine vorgegebene Höhe eingefüllt. Ein verdampfbares Kernelement 3 zur Herstellung eines durchgehenden Gaskanals wird auf die Bandmischung 6 aufgelegt und an dem Formkasten 4 befestigt. Das überdimensionierte Rohmodell 1 ist mit einer Stange 5 versehen, um eine Eingußöffnung herzu­ stellen, an der eine Keramikschlemme eingefüllt werden kann. Beim Ausführungsbeispiel besteht das verdampfbare Kernelement 3 aus geschäumtem Polystyrol und umfaßt einen ringförmigen Teil und zwei gerade, stabförmige Teile, die mit dem ringförmigen Teil verbunden sind. Es ist auch möglich, das Kernelement 3 aus geschäumtem Polyethylen, geschäumtem Polyurethan, Wachs, Polystyrol oder einem Harnstoff-Harz herzustellen und die Zahl der durchgehenden verdampfbaren Teile, deren Lage und Abmessungen und die Gestalt des verdampfbaren Kernelements insgesamt in geeigneter Weise so zu bestimmen, daß ein gerichteter Verlauf der Erstarrungsfront erreicht wird, während gleichzeitig eine Oxydation und Entkohlung bei dem herzustellenden Gußstück vermieden wird. Der Formkasten 4 ist auf der Basisplatte 2 angeordnet und der Abstand zwischen dem ringförmigen Teil des verdampfbaren Kernelements 3 und der Oberseite des überdimensionierten Rohmodells 1 beträgt vorzugsweise 5 bis 10 mm.

Wie Fig. 3 zeigt, wird der Formkasten dann noch weiter mit dem Sandgemisch aus Schamottsand und Natriumsilikat gefüllt. Diese Formsandmischung wird dann unter Anwendung des üblichen CO₂-Verfahrens mit gasförmigen CO₂ gehärtet, um für die fertige Form einen Stützteil 7 zu erhalten, der zwischen den Sandkörnern Poren aufweist. Der Stützteil 7 kann auch nach einem anderen geeigneten Verfahren unter Verwendung eines anorganischen Bindemittels aus einem selbstaushärtenden Formsand hergestellt werden.

Nach der Herstellung des Stützteils 7 wird das über­ dimensionierte Rohmodell 1 gemäß Fig. 4 aus dem Stützteil 7 herausgenommen. Anders gesagt, werden der Formkasten 4 und der Stützteil 7 angehoben, wobei in dem Stützteil 7 die Gießöffnung 8 gebildet wird.

Gemäß Fig. 5 wird anschließend ein endgültiges Modell 9 an einer anderen Basisplatte 10 fixiert. Der Formkasten 4 mit dem Stützteil 7 wird danach derart auf die neue Basis­ platte 10 aufgesetzt, daß zwischen dem endgültigen Modell 9 und dem Stützteil 7 der Form ein Zwischenraum 11 ver­ bleibt.

Weiterhin wird ein keramisches Material 12 in Form einer Schlemme hergestellt, indem ein feuerfestes Füllermaterial vorgegebener Körnung (Zirkonsand, Zirkonmehl oder ein anderes Füllermaterial), hydrolysiertes Ethylsilikat und ein flüssiger Katalysator oder ein Geliermittel gemischt werden. Diese keramische Schlemme wird dann durch die Eingußöffnung 8 in den Zwischenraum 11 eingefüllt, um diesen und die Eingußöffnung 8 zu füllen, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Nach einer kurzen Zeit beginnt die Schlemme zu gelieren. Bei gelierter, vorzugsweise noch weicher Schlemme wird das endgültige Modell 9 entfernt bzw. abge­ hoben, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.

Unmittelbar nach dem Entfernen des endgültigen Modells 9 wird das gelierte keramische Material 12 im Zuge eines ersten Brennschritts mit der Flamme eines Gasbrenners 14 erhitzt. Dabei wird das Gel stabilisiert und bildet nunmehr einen Rohling der keramischen Beschichtung. Dieser Rohling enthält Mikrorisse, die klein genug sind, um ein Austreten von geschmolzenem Metall zu verhindern, jedoch groß genug, um eine Entlüftung bzw. Entgasung zu erreichen.

Nach der Stabilisierung gemäß Fig. 8 wird der Formkasten 4 mit dem Stützteil 7 und dem Rohling der keramischen Beschichtung gemäß Fig. 9 in einem zweiten Brennschritt bei einer hohen Temperatur gebrannt, beispielsweise bei 1000°C für die Dauer von 3 Stunden. Während des Aufheizens auf die hohe Temperatur wird das verdampfbare Kernelement ausgebrannt, um einen durchgehenden Gaskanal 16 zu schaffen. Auf diese Weise wird eine zusammengesetzte Keramikform 17 erhalten, die aus einem durch den Stützteil 7 gebildeten Formteil und der keramischen Beschichtung 12 besteht und einen Gießhohlraum 18 aufweist. Im vorlie­ genden Fall besitzt die keramische Beschichtung 12 dabei eine Dicke von 5 bis 20 mm und wird nach dem Verfahren zum Gießen zusammengesetzten Keramikmaterials (composite ceramic molding process) hergestellt.

Anschließend dienen die zusammengesetzte Keramikgießform 17 und der Formkasten 4 als untere Formhälfte (Unter­ kasten) 19. Eine obere Formhälfte (Oberkasten) 20 wird durch einen Formkasten 21 gebildet, in dem eine Sandform 22 mit einem als Steiger dienenden Hohlraum 23 in konven­ tioneller Weise ausgebildet wird. Wie Fig. 10 zeigt, wird die obere Formhälfte 20 auf die untere Formhälte 19 aufgesetzt. Vor dem Eingießen der Metallschmelze (beispielsweise hochlegiertem Gießstahl) wird ein nicht-oxydierendes Gas (beispielsweise N₂) aus einer Gasflasche (nicht gezeigt) mit einer geeigneten Durchflußrate, die an einem geeigneten Ventil (nicht gezeigt) eingestellt wird, durch die durchgehende Öffnung 16 hindurchgeleitet. Anstelle von Stickstoff (N₂) kann auch gasförmiges Helium oder Argon verwendet werden. Das N₂-Gas dringt in den Stützteil 7 und die keramische Beschichtung 12 ein und füllt den Gießhohlraum 18 und den als Steiger dienenden Hohlraum 23. Nunmehr wird das geschmolzene Metall bei einer Gießtemperatur von 1600°C eingegossen und füllt die Hohlräume 16 und 23. Die Stickstoffströmung wird aufrechterhalten, während das geschmolzene Metall, ausgehend von der Formoberfläche, von außen nach innen erstarrt, um ein Gußstück 24 zu bilden. Da der Stickstoff die eingeschlossene Luft aus der unteren Formhälfte 19 herausspült, werden eine Oxydation und Ent­ kohlung der Gußstückoberfläche verhindert. Da das durch den durchgehenden Kanal 16 hindurchströmende N₂-Gas außerdem die Wärme von dem geschmolzenen Metall abführt, wird ein gerichteter Verlauf der Erstarrungsfront geför­ dert, und zwar derart, daß der zuletzt erstarrende Bereich im Steiger liegt. Nach der vollständigen Erstarrung und nach dem Abkühlen des Gußteils 24 auf eine Temperatur, bei der das Gußteil aus der durch Oberkasten 20 und Unter­ kasten 19 gebildeten Form herausgenommen werden kann, wird die Stickstoffzufuhr unterbrochen, und schließlich wird das Gußteil 24 aus der Form herausgenommen. Das auf die beschriebene Weise hergestellte Gußteil 24 ist frei von Gußfehlern und hat eine hervorragend glatte Oberfläche.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Erfindung nicht auf das vorstehend erläuterte Ausführungs­ beispiel beschränkt ist und daß dem Fachmann, ausgehend vom Ausführungsbeispiel, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte. Beispielsweise kann der durch eine keramische Beschichtung 12 gebildete Formteil statt nach dem Shaw-Verfahren nach dem Unicast-Verfahren oder einem anderen Verfahren hergestellt werden. Eine komplizierte Form des durch­ gehenden Gaskanals kann ferner leicht dadurch erhalten werden, daß man eine entsprechend komplizierte Form des Kernelements bzw. der Kernelementanordnung vorsieht.

Claims (7)

1. Zusammengesetzte Keramikgießform mit einem Stützteil und einer keramischen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützteil (7) mit einem durchgehenden Gaskanal (16) versehen ist, daß der Stützteil (7) Poren aufweist und daß die keramische Beschichtung (12) Mikrorisse aufweist.

2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Gaskanal (16) und der Grenzfläche zwischen dem Stützteil (7) und der Beschichtung (12) 5 bis 10 mm beträgt.

3. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Beschichtung (12) eine Dicke zwischen 5 und 20 mm besitzt.

4. Verfahren zum Herstellen einer einen Stützteil und eine keramische Beschichtung umfassenden, zusammen­ gesetzten Keramikgießform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden: der Stützteil wird über einem überdimensionierten Rohmodell hergestellt, das Rohmodell wird entfernt, eine keramische Schlemme wird in einen Zwischenraum zwischen dem Stützteil und einem endgültigen Modell gefüllt, um die keramische Beschichtung zu bilden, das endgültige Modell wird entfernt und die zusammen­ gesetzte Keramikgießform wird erhitzt, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Herstellung des Stützteils ein verdampfbares Kernelement zur Bildung eines durchgehenden Gaskanals in der Nähe des überdi­ mensionierten Rohmodells angeordnet wird und daß beim Erhitzen der zusammengesetzten Keramik­ gießform das verdampfbare Kernelement verdampft wird, um auf diese Weise in dem Stützteil der Gießform einen durchgehenden Gaskanal zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der zusammengesetzten Keramikgießform folgende Schritte umfaßt:
die keramische Beschichtung wird unter Verwendung eines Brenners gehärtet und die zusammengesetzte Keramikgießform wird in einem Hochtemperaturofen gebrannt, um das verdampfbare Kernelement zu entfernen.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfbare Kernelement für die Ausbildung eines durchgehenden Gaskanals aus einem brennbaren Material besteht, welches aus der Gruppe folgender Materialien ausgewählt ist: geschäumtes Polystyrol, geschäumtes Polyethylen, geschäumtes Polyurethan.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfbare Kernelement zur Ausbildung des durch­ gehenden Gaskanals aus einem schmelzbaren Material besteht, welches aus der folgenden Gruppe von Materialien ausgewählt ist: Wachs, Polystyrol, Harnstoff-Harz.