DE4132477A1 - Kern nach dem wachsausschmelzverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kern für das Feingießen von Kohlenstoffstählen nach dem Wachs­ ausschmelzverfahren und vor dem Brennen des Kernes (grüner Kern).

Beim Formgießen eines Gegenstandes mit schwierigen Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Innenkonturen werden neben der eigentlichen Form Kerne einge­ setzt. Hierbei ist der Kern so bemessen, daß er die Form und Dimensionen der späteren Hohlräume im Guß­ stück beschreibt. Dessen Material ist so zu wählen, daß es einerseits beim Gießen die dort herrschenden Drucke und Temperaturen ohne Beeinträchtigung der Form aushält und formbeständig ist und andererseits nach dem Aushärten durch Anwendung von Flüssigkei­ ten wie Laugen, Säuren, Salze problemlos und rasch aus dem Gußstück ausgelöst werden kann.

Besonders bei komplizierten Formgebungen der Hohl­ räume erfolgt die Herstellung der Gußteile im Wachsausschmelzverfahren mit Hilfe des Kerns. Hierzu wird zunächst der sog. grüne Kern entspre­ chend der späteren Form des Hohlraumes hergestellt, der Binde- und Gleitmittel enthält - hierbei han­ delt es sich entsprechend der Verfahrensbezeichnung meistens um Wachs und ähnliche stoffliche Verbin­ dungen - die in einem späteren Brennvorgang rück­ standslos verbrennen und hierdurch Poren im Mate­ rial hinterlassen. Erst der hierbei erhaltene Kern dient der Herstellung des Stahlgußteiles, indem er in eine Form eingelegt und mit Wachs umgossen wird. Nach dem hieran sich anschließenden Abgießen der Teile erfolgt die Freilegung der Hohlräume im Guß­ stück durch Auswaschen mit Hilfe von Laugen, Säu­ ren, Salzen und anderen Flüssigkeiten, wozu sich erfahrungsgemäß alle Arten von Silikatverbindungen eignen.

Im Stande der Technik sind Kerne für das Feingießen nach dem Wachsausschmelzverfahren bekannt, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau dominierend aus Quarz in der Form von Christobalit und/oder Tridynit und/oder Quarzglas unter Beigabe eines Bindemittels in Form von Stearin oder Kunststoff sowie von Zir­ konsilikat bestehen. Hinzu kommen noch Zuschlags­ stoffe in Form von Sinterhilfsmitteln, die ein Zu­ sammenbacken bei niederen Temperaturen unterstützen sollen. Das SiO₂ in der oben angegebenen Verbindung liegt in Nadel- oder Plättchenform vor. Als nach­ teilig ist anzusehen, daß es trotz intensiver Be­ mühungen bislang nicht gelungen ist, eine hinrei­ chend hohe Maßgenauigkeit sowie eine geringe Schwindung zu erreichen.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Wei­ terentwicklung derartiger, für das Feingießen nach dem Wachsausschmelzverfahren einsetzbarer Kerne zur Aufgabe gemacht, eine höhere Maßgenauigkeit auf­ grund geringerer Schwindung zu erreichen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Kern folgende Bestandteile aufweist:

Quarz (= SiO₂) mit Körnern von runder oder poly­ ederförmiger Gestalt als Restbestandteil Zirkon (ZrO₂) sowie Aluminiumoxid (Al₂O₃) etwa im gleichen Gewichtspro­ zentanteil wie Zirkon, jedoch geringer als Quarz (= SiO₂) als Bindemittel Wachs und im gleichen Anteil Gewichtsprozent Stearin.

Der überwiegende Anteil besteht aus normalem, nicht vorbehandeltem SiO₂ mit Körnern von polyeder- oder kugelförmiger Gestalt. Im Hinblick auf die Kompo­ nente SiO₂ ist für die Erfindung folgendes ent­ scheidend:

Grundsätzlich gilt, daß SiO₂ bei der Erhitzung einen Volumenzuwachs von bis zu 20% erfährt sowie umgekehrt beim Abkühlen zusammenschrumpft. Die nachteilige Folge ist eine hohe Rißfreudigkeit. Entscheidend ist, daß bei einer Temperatur von 1200° und den im grünen Kern herrschenden hohen Drucken in den Kontaktpunkten der einzelnen SiO₂- Körner miteinander durch physikalische Krafteinwir­ kung im Sinne eines Anbackens in den Berührungs­ punkten eine Vernetzung zustande kommt. Die Folge ist eine hohe Festigkeit, die der Keramik die Ei­ genschaften einer dicht brennenden Keramik mit Po­ ren verleiht, mit der Folge wesentlich höherer Tem­ peraturfestigkeit bei Wasserdurchlässigkeit. Es handelt sich um eine Keramik mit Porenbildung.

Zur Erreichung dieser Strukturen entscheidend ist, daß die Quarzkörner etwa kugelförmig sind. Diese Form ergibt sich zwangsläufig bei der mechanischen Zerkleinerung von SiO₂ in den dafür vorgesehenen Anlagen. Die nadel- und plattenförmigen Strukturen des SiO₂, wie sie im Stande der Technik eingesetzt werden, entstehen durch Zerkleinern in Brecher oder Rohrmühlen. Die etwa kugelförmige Körnung ist dem­ zufolge die am Markt preisgünstigste Körnung.

Die Menge an SiO₂ überwiegt in Gewichtsprozenten die weiteren Bestandteile erheblich und sie werden so gewählt, daß sich zusammen mit den übrigen Kom­ ponenten die mathematisch exakten 100% ergeben.

Der weitere Bestandteil Zirkon (= ZrO₂) wird in 18 bis 26,5 Gewichtsprozent beigegeben und ist in che­ mischer Hinsicht außerordentlich reaktionsträge. Die Folge ist ein volumenstabilisierender Einfluß auf die Keramik, eine hohe, weit über der des Me­ talls liegende Erweichungstemperatur von 2715°C (beim Gießen von Metall treten Temperaturen zwi­ schen 1450° bis 1780°C in der Form auf), die eben­ falls eine hohe Formstabilität und eine geringe Schwindung zur Folge hat. Der Vorteil im Vergleich zum später noch im einzelnen erwähnten Aluminiumo­ xid besteht in der leichten Verarbeitbarkeit und in dem vergleichsweise hohen Maß an Weichheit. Die na­ turgemäß hohe Reinheit des Materials trägt auch zu einer hohen Erweichungstemperatur bei, da Verunrei­ nigungen naturgemäß eine Senkung der Weichungstem­ peratur zur Folge haben.

Im Hinblick auf die Volumenstabilisierung ist von besonderem Vorteil, magnesium-(Mg)-stabilisiertes Zirkonoxid zu verwenden.

Des weiteren wird Aluminiumoxid etwa im selben Ge­ wichtsanteil wie Zirkonoxid (= ZrO₂), d. h. eben­ falls aus dem Bereich von 18 bis 26,5 Gewichtspro­ zent beigegeben. Auch Aluminiumoxid (= Al₂O₃) ist außerordentlich reaktionsträge und liefert somit ebenfalls einen Beitrag zur Volumenstabilisierung. Die Folge ist, daß auch nach mehrmaligem Brennen die Erweichungstemperatur konstant bleibt, daß eine geringe Schwindung und keine nennenswerte Ausdeh­ nung stattfindet. Der Nachteil ist die schlechte Verarbeitbarkeit.

Die soeben beschriebenen Komponenten bestimmen den stofflichen Aufbau eines Kernes nach dem Brennvor­ gang. Er weist eine hohe Festigkeit auf, gute, d. h. glatte Oberflächen, kein Schwinden, eine vorteil­ hafte Temperaturwechselbeständigkeit sowie homogene Poren. Weiter ist die Maßgenauigkeit sehr hoch, da wenig Spannung beim Brennen und beim Entgasen ent­ steht, was Anlaß zu Verzug geben würde.

Die Vorteile des keramischen Kernes bieten überle­ gene Eigenschaften, die sich in zahlenmäßiger Hin­ sicht wie folgt ausdrücken. Die Schwindung beträgt nur noch 0,1%, gegenüber den Kernen des Standes der Technik, bei denen sie mindestens 0,5% be­ trägt. Die hohe Maßgenauigkeit ergibt Toleranzen von ± 0,023% auf 100 mm Länge.

Bevor man den für den eigentlichen Gußvorgang ver­ wendeten und bereits einmal gebrannten Kern erhält, ist zunächst die Herstellung eines sog. grünen Kernes erforderlich, was in aller Regel mit Hilfe von Spritzguß bei Temperaturen von max. 130°C er­ folgt. Neben den oben erwähnten stofflichen Kompo­ nenten sind zusätzlich Bindemittel vorhanden, die während des späteren Brennvorganges rückstandslos verbrennen und verdampfen und hierdurch die die Po­ ren bildenden Hohlräume entstehen lassen. Als Binde- oder Gleitmittel werden Stearin und Wachs etwa in gleichen Gewichtsprozenten, d. h. ca. 5,5 Gewichtsprozent eingesetzt.

Stearin hat die Eigenschaft, sehr hart und deshalb schwierig beim Entformen des grünen Kernes zu sein. Es klebt, ist unelastisch und deshalb stark bruchanfällig und in der Anschaffung teuer. Das Schmelzintervall ist gering. Der Vorteil besteht im rechtzeitigen Abbinden beim Einspritzen in die Form, so daß ein Festkleben verhindert wird, eine hohe Härte und damit eine entsprechend geringe Kratzempfindlichkeit sowie eine sehr gute Fähigkeit zum Verdampfen.

Wachs hingegen hat den Vorteil eines großen Erwei­ chungsintervalles und wird deshalb nie vollständig flüssig wie Wasser. Es hat die Eigenschaft aufgrund der hohen Oberflächenspannung die sie umgebenden Partikel vollständig zu umschließen. Es weist eine gute Benetzbarkeit auf und ist bestrebt, aufgrund der Oberflächenspannung stets die Kugelform einzu­ nehmen.

Die Bindemittel umschließen die Rohstoffe, so daß sich eine hohe Standkraft der grünen Kerne ergibt. Man erreicht zudem eine gleichmäßige Ausformung der Formhohlräume in der Spritzgießform. Des weiteren wird durch die völlige Umhüllung der Körner mit Bindemittel und durch eine zusätzliche Kühlung wäh­ rend des Spritzvorganges die Teilchenorientierung weitgehend eliminiert.

Das Herstellen eines Gußteiles aus Stahl mit Hilfe von durch einen Kern erzeugte Hohlräume geschieht wie folgt und ist aus dem Stande der Technik be­ kannt:

Als erstes wird, idR unter Zuhilfenahme einer Form und Spritzgießmaschine der Kern hergestellt, der neben den einzelnen Komponenten der späteren Form - im Falle der Erfindung handelt es sich um Quarz (=SiO₂) von kugelförmiger Körnung, Zirkon (= ZrO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) - zusätzlich Bindemittel aufweist. Nach dem Herstellen des grünen Kerns wird dieser gebrannt mit dem Ziel, die aus Wachs, Stea­ rin oder dgl. bestehenden Bindemittel zu verbrennen und auf diese Weise Hohlräume und Poren innerhalb des nunmehr entstehenden Kernes zu hinterlassen. Erst dann erfolgt der eigentliche Feingußprozeß, in dem der auf diese Weise erhaltene Kern in eine Form eingelegt, mit Wachs umspritzt, das Wachsteil zu­ sammen mit dem Keramikkern in Tauchkeramik als Maske getaucht wird und nach dem Ausschmelzen und Brennen der getauchten Keramikschale Stahl einge­ gossen wird. Zur Freilegung der Hohlräume im Guß­ stück wird anschließend der Quarz unter Verwendung von Laugen, Säuren aus dem Werkstück ausgelöst.

Für die Erzeugung des Keramikkerns mit den ange­ strebten Eigenschaften (Schwindung 0,1%, Maßgenau­ igkeit ± 0,02%) kann in entscheidendem Umfang die optimale Durchführung des Brennvorganges beitragen. Zunächst verläuft die Brennkurve des grünen Kernes bis 450° langsam ansteigend unter Zu­ fuhr von Luft, so daß Oxidationen vorhanden sind, die eine Einlagerung von Kohlenstoff verhindern. Man erreicht durch die Freiheit von Kohlenstoff, daß keine nachteiligen Reaktionen mit Stahl entste­ hen können. Die Binde- und Gleitmittel müssen in diesem Teil der Brennkurve möglichst rückstandslos verbrennen.

Im Bereich von 450° bis 700° wird etwas schneller ansteigend, und ohne die Zuführung von Luft (= neu­ traler Brand) hochgeheizt, um das Wachsen der ein­ zelnen Komponenten gering zu halten. Beim raschen Aufheizen wären die Volumenänderungen der Quarzkom­ ponente wesentlich gravierender.

Ab 700°C kann rasch aufwärts bis auf die endgül­ tige Brenntemperatur geheizt werden. Hier treten die beschriebenen Reaktionen in den Kontaktpunkten benachbarter Körner auf. Die Haltezeit kann zwei bis fünf Stunden betragen und die daran sich an­ schließende Abkühlphase kann in ihrer Zeitabhängig­ keit beliebig gestaltet werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert ist.

Sie zeigt in schematischer Wiedergabe und teilweise in Querschnittsdarstellung gehalten einen Schnitt durch einen Kern von erfindungsgemäßer Beschaffen­ heit.

Dargestellt sind drei Bereiche, die jeweils ein Korn von den drei den gesamten Kern aufbauenden Elementen wiedergibt, nämlich SiO₂ (1), Al₂O₃ (2) und ZrO₂ (3). Aufgrund des hohen Druckes entstehen zwischen den einzelnen Körnern (1-3) punktuelle Verklebungen, die die benachbarten Körner miteinan­ der verbinden. Diese physikalische Strukturierung während des Brennens bedingt eine hohe Festigkeit, die dem Kern Eigenschaften verleihen, die ver­ gleichbar sind mit den dichtbrennenden Keramiken mit Poren.

Zwischen diesen, sowohl im gebrannten als auch un­ gebrannten Zustand des Kernes vorliegenden und als Bereiche dargestellten Stoffanteile befindet sich das Bindemittel in Form von Wachs und Stearin, die zu einem Nichtaufquellen und zu einem Unterbinden jeglicher chemischer Reaktion beitragen. Die Binde­ mittel bewirken weiter eine hohe Standkraft des "grünen Kernes", d. h. des Kernes vor dem Ausbren­ nen. Gleichzeitig erreicht man eine gleichmäßige Ausformung der Hohlräume des Werkzeuges während des Spritzgusses, d. h. der Herstellung des grünen Kerns. Weiter bedingt die Umhüllung eine weitestge­ hende Beseitigung und Eliminierung der Teilchenori­ entierung.

Die Zeichnung gibt den grünen Kern, d. h. den unge­ brannten Kern wieder, so daß die Bindemittel, die im erfindungsgemäßen Fall aus Wachs und Stearin (4) bestehen, angedeutet sind. Nach dem Brennen ändert sich die in der Zeichnung wiedergegebene Struktur dahingehend, daß das Bindemittel (4) restlos ver­ brannt ist und an dessen Stelle Hohlräume und Poren entstehen. Die Lage der Körner des Quarz (= SiO₂), Aluminiumoxid (= Al₂O₃) und Zirkon (= ZrO₂) bleiben hierdurch ungeändert.

Im Ergebnis erhält man einen keramischen Kern für das Feingießen nach dem Wachsausschmelzverfahren, der sich durch seine hohe Maßgenauigkeit und Fe­ stigkeit, seine homogenen Poren bei minimaler Schwindung auszeichnet.

Claims (5)

1. Kern für das Feingießen von Kohlenstoffstählen nach dem Wachsausschmelzverfahren und vor dem Bren­ nen des Kernes (grüner Kern), gekennzeichnet durch folgende Bestandteile:
Quarz (= SiO₂) mit Körnern von runder oder poly­ ederförmiger Gestalt als Restbestandteil Zirkon (ZrO₂) sowie Aluminiumoxid (Al₂O₃) etwa im gleichen Gewichtspro­ zentanteil wie Zirkon, jedoch geringer als Quarz (= SiO₂) als Bindemittel Wachs und im gleichen Anteil Gewichtsprozent Stearin.

2. Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Zirkon (ZrO₂) und/oder Alumini­ umoxid (Al₂O₃) 18 bis 26,5 Gewichtsprozent beträgt.

3. Kern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bindemittel Wachs und/oder Stea­ rin einen Anteil von etwa 5,5 Gewichtsprozent be­ sitzen.

4. Kern für das Feingießen von Kohlenstoffstählen nach dem Wachsausschmelzverfahren und nach dem Brennen des Kernes, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern Poren mit einem Anteil vorzugsweise von 17% Volumenprozent aufweist und die festen Bestandteile von folgender Zusammensetzung sind:
Quarz (= SiO₂) mit Körnern von runder oder poly­ ederförmiger Gestalt als Restbestandteil Zirkon (ZrO₂) sowie Aluminiumoxid (Al₂O₃) etwa im gleichen Gewichtspro­ zentanteil wie Zirkon, jedoch geringer als Quarz (= SiO₂)

5. Verfahren zum Brennen des rohen Kerns (grünen Kerns) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenntemperatur im Bereich bis zu 450° langsam und unter Zufuhr von Luft erhöht wird (oxidierender Brand) im Bereich von 450° bis 700° weiterhin langsam an­ steigt, jedoch etwas schneller als im ersten Teil der Brennkurve und bei neutralem Brand geführt wird, ab 700° rasch aufwärts geheizt wird bis auf 1200° und anschließend in neutraler Atmosphäre eine Hal­ tezeit von zwei bis fünf Stunden eingehalten wird, bei anschließender beliebiger Zeitabhängigkeit der Abkühlphase.