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Formmasse zum Gießen von Leichtmetallen Die Erfindung bezieht sich
auf Massen zum Herstellen von Formen für das Gießen von Leichtmetallen, insbesondere
von Magnesium und Aluminium, und von Leichtmetallegierungen.
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Soweit verlorene Formen in Betracht kommen, werden zum Gießen von
Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen im allgemeinen Sandformen verwendet. Hierbei
entstehen jedoch durch die Gegenwart von Wasser erhebliche Schwierigkeiten, indem
insbesondere Magnesium und hochprozentige Magnesiumlegierungen in geschmolzenem
Zustand mit Wasser oder Wasserdampf explosionsartig reagieren. Zur Überwindung dieser
Schwierigkeiten hat die einschlägige Technik zwei nebeneinanderlaufende Wege eingeschlagen.
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Es wurde zunächst auf ein Mittel zurückgegriffen, das in der allgemeinen
Gießereitechnik schon seit langem benutzt wurde, um das Arbeiten mit getrockneten
Sandformen, das teuer ist und fortlaufend gute Ergebnisse doch nicht sicher verbürgt,
zu vermeiden, nämlich auf die Verwendung von nichtwässerigen Flüssigkeiten, insbesondere
Kohlenwasserstoffölen, zum Bildsammachen des Sandes. Ein Vorschlag dieser Art besteht
in der Verwendung solcher Bindemittel zur Herstellung von Formen aus getrocknetem
Formsand. Später ist die Verwendung nichtwässeriger Bindemittel auch in Verbindung
mit anderen Formstoffen, wie Kohlepulver, gebrannter Magnesia, Siliciumkarbid, wasserfreier
Tonerde, Schamottemehl, empfohlen worden.
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Im Gegensatz zu diesen Versuchen, die die technische Entwicklung nicht
beeinflußt haben, ist durch den Zusatz bestimmter Schutzstoffe zum Formsand ein
Verfahren geschaffen worden, daß für den Magnesiumguß erhebliche technische Bedeutung
erlangt hat. Diese Arbeitsweise nahm ihren Ausgang von Vorkehrungen zur Verbesserung
getrockneter Sandformen. Da auch bei Verwendung dieser teueren Formen an den Gußstücken
nicht selten Brandstellen auftraten, wurde der Vorschlag gemacht, auf die getrocknete
Sandform als Schlichte Stoffe aufzubringen, die das gemeinsame Kennzeichen haben,
das sie in Berührung mit dem geschmolzenen Metall Gase oder Dämpfe abgeben, welche
weder selbst noch in Form ihrer Oxydationsprodukte mit dem Magnesium reagieren.
Später stellte sich hefaus, daß Schutzstoffe dieser Art, insbesondere elementarer
Schwefel, Bicarbona.te, Oxalate, Borsäure und auch Harnstoff, geeignet sind, die
viel einfachere, aber vorher unausführbare Arbeitsweise des Vergießens von Magnesium
in feuchte Sandformen zu ermöglichen. In der Folge sind verschiedene Klassen von
Schutzstoffen zu gleichem Zweck mit Erfolg verwendet worden. Als Beispiele sind
zu nennen: Ammoniumsalze im allgemeinen,
Ammoniumfl'uorid, Ammoniumbifluorid
oder Salze, die Ammoniumflüorid in komplexer Form gebunden enthalten, oder, Mischungen
von Ammoniumfluorid oder oder, solchen komplexen Salzen mit Stoffen saurii£. Natur,
Borfluorwasserstoffsäure oder flüctige Salze dieser Säure, Metallsilicofluoride'
wie Natrium- oder Magnesiumsilicofluorid, und Metallfluoride.
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Diesem Verfahren zum Gießen von Magnesium in grüne Sandformen haftet
jedoch ein schwerwiegender Nachteil an. Die Wärmeleitfähigkeit des Formsandes ist
zum Schaden der feinkristallinen Struktur und der damit zusammenhängenden mechanischen
Eigenschaften der Gußstücke schon von Haus aus. gering. Werden nun verdampfende
Zusatz-Stoffe, die beim Gießen des Metalls Gaspolster zwischen die Gußform und das
Gußstück legen, dem Sand zugemischt oder als Schlichte auf die Oberfläche der Sandform
aufgebracht, so wird dadurch die Abkühlung der Gußstücke derart verzögert, daß diese
an stärkeren Stellen ein grobkristallines Gefüge aufweisen und daß an Übergangsstellen
von dickeren zu dünneren Querschnitten Haarrisse auftreten. Beide Erscheinungen
beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Erzeugnisse sehr ungünstig. Die
bekannten Hilfsmittel, über die die Gußtechnik zur Er- !, höhung der Wärmeleitfähigkeit
verfügt (Einverleibung von fein verteilten, die Wärine gut leitenden Zusätzen in
die Formstoffe, Verwendung von Formen mit Abschreckplatten), steigern nicht nur
die Kosten, sondern führen auch nicht mit Sicherheit zur regelmäßigen Erzielung
völlig befriedigender Ergebnisse. So besteht insbesondere beim Gießen in For-. tuen
mit Abschreckplatten die Gefahr, daß ': Uch durch Kondensation von Wasserdampf auf'
diesen Platten am Gußstück Brandstellen und Gußblasen bilden.
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Gemäß der Erfindung dienen nun zum Herstellen von Formen für das Gießen
von Leichtmetallen und ihren Legierungen Massen, die trockene Metalloxyde oder kieselsäurearme
oxydische Erze und Hüttenerzeugnisse, wie z. B. Magnesiumoxyd oder gebrannten Magnesit,
Chromoxyd oder Chromft, als Hauptforinstoffe enthalten, welche Formstoffe unter
Zusatz der bekannten Schutzstoffe, die üblicherweise beim Arbeiten mit grünem Sand
\'er-Wendung finden, mit Hilfe eines nichtwässerigen flüssigen Bindemittels von
der Art der Kohlenwasserstofföle in den bildsamen Zustand übergeführt werden. Metalloxyde
der angegebenen Art haben eine wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit als Quarzsand;
so ist z. B. die Wärmeleitfähigkeit der Magnesia doppelt so groß als die des Sandes.
Ferner ist auch die auf die Raumeinheit bezogene spezifische Wärme dieser Oxyde
beträchtlich höher als die des Quarzsandes. Die nachfolgende Zahlentafel, in der
A die Wärmeleitfähigkeit, c die spezifische Wärme, y das Raumgewicht und
c # y die spezifische Wanne; auf die Raumeinheit bezogen, bedeuten, zeigt
die Wärmeübergangszahlen von Quarzsand, Sintermagnesit und C'hromit in Form gekörnter
Pulver, die eine Minute gerüttelt worden sind.
Dank dieser beträchtlichen Überlegenheit der angegebenen Formstoffe in bezug auf
die Wärmeübergangseigenschaften wird den Gußstücken die Wärme so schnell entzogen,
daß die mit der Verwendung von Schutzstoffen unvermeidlich verknüpfte Verzögerung
der Abkühlung sich nicht schädlich auswirken kann. Hinzu kommt, daß zufolge der
Verwendung von trockenen Formstoffen in Verbindung mit den nichtwässerigen Plastifizierungsmitteln,
also durch den praktisch vollkommenen Ausschluß von Wasser, mit besonderern Vorteil
Schutzstoffe gewählt werden können, die in Berührung mit dein geschmolzenen Metall
nur eine geringe Menge von Gasen und Dämpfen entwickeln oder nahezu unzersetzt bleiben,
so daß die wesentlich kräftigere Abschreckwirkung des Formstoffes trotz der Gegenwart
der Schutzstoffe fast ungeschwächt zur Geltung kommt. Die Möglichkeit, mit solchen
Schutzstoffen auszukommen, ist auch in anderer Hinsicht wertvoll. Die Verarmung
des Formmaterials an Schutzstoff, die mit der reichlichen Entwicklung von Gasen
und Dämpfen unvermeidlich verbunden ist, bedeutet nicht nur eine Verteuerung durch
den Mehrverbrauch an Zusatzmitteln, sondern bringt auch eine unliebsame Unsicherheit
finit sich, indem beim Gießen Ausschußstücke mit Brandstellen usw. entstehen können,
weil der
Gehalt an Schutzstoff schon unter das zulässige 1laß gesunken
ist.
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Als Folge der Kornverfeinerung und Verineidung von Haarrissen wird
eine überraschende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt. Zur Beleuchtung
dieses Fortschrittes mögen die nachfolgend wiedergegebenen Ergebnisse von Versuchen
dienen, bei denen die Festigkeitseigenschaften von Zerreißstäben, die in feuchte
Sandformen mit einem Zusatz von 5°/o Schwefel gegossen wurden, mit denen von Stäben
verglichen werden, welche in kohlenwasserstoffölgebundenen Sinterinagnesitformen
und gleichartigen Chromitformen mit einem Zusatz von 2 °/o Ammoniumfluorid aus der
gleichen Schipelze unter gleichen Bedingungen hergestellt worden sind. Ammoniumfluorid,
das bei der Gießtemperatur große Mengen von Gasen abgibt, also durchaus nicht zu
den bevorzugten Schutzstoffen im Sinne der Erfindung gehört, wurde bei diesen Vergleichsversuchen
gewählt, um die Überlegenheit des Verfahrens besonders zu veranschaulichen. Es wurden
Zerreißstäbe mit 17, 2o, 22 und 27 mm Durchmesser gegossen und diese auf 16 und
18 mm abgedreht. F ist die Festigkeit in l@g/mm=, I) die Dehnung in Prozenten.
E s zeigt sich, daß die in Sintermagnesitforinen gegossenen Stäbe die höchsten mechanisclicn
Werte aufweisen, denen die Werte der in C hromit gegossenen Stäbe ziemlich nahekonimen,
während den in grüne Sandformen gegossenen Stäben wesentlich geringere Festigkeits-
und Dehnungszahlen entsprechen. Dabei ergibt sich noch der nicht geringe Vorteil
gießereitechnischer Natur, daß beim Verfahren gemäß der Erfindung die angegebenen
Ergebnisse mit sehr kleinen Steigern erzielt werden; mit grünem Sand werden selbst
bei einer Vergrößerung der auf die Köpfe der Zerreißstäbe aufgesetzten Steiger um
5o°/0 die erfindungsgemäß erzielten Werte nicht erreicht.
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Mit dein durch die Zusammenwirkung der Teilmaßnahmen des Verfahrens
zustande kominenden Fortschritt geht einher, daß auch die Übelstände vermieden sind,
die bei Sandformen aus dem hohen Kieselsäuregehalt des Sandes entspringen. Insbesondere
Magnesium und Magnesiuinlegierungen sind gegen die Kieselsäure des Sandes chemisch
nicht indifferent. Da es sich im Gießereibetrieb nicht mit völliger Sidierheit vermeiden
läßt, daß an Steigern und Eingüssen Formsand haftenbleibt, so gelangt beim Wiedereinschmelzen
der Steiger und Eingüsse aus diesem Formsand Kieselsäure in das Metall, wodurch
es zur Bildung von Siliciden 'kommt, die das Metall schädlich beeinflussen. Auch
diese Nachteile, die der Beachtung bisher entgangen sind, indem z. B. zur Herstellung
von Formen für den hlagnesiumguß Formsand mit hohem Kieselsäuregehalt bevorzugt
worden ist (vgl. Irresberger, Gießerei-Zeitung, XIX, 1922, S. 6,)o, DRP. 567 823,
S. i, Zeile 56), sind durch die Wahl der angegebenen kieselsäurefreien oder kieselsäurearmen
Formstoffe beseitigt.
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Unter den Schutzstoffen, die zufolge vermiedener oder verminderter
Gasentwicklung für das Verfahren vorzugsweise in Betracht .kommen, haben sich als
besonders geeignet solche erwiesen, die durch Abspaltung von gasförmigen Fluorverbindungen
mit dem zu gießenden Metall Fluoride bilden, so daß sie also gegen das Metall keineswegs
indifferent sind. Hierfür kommen in erster Linie die Metallfluorsilicate in Betracht
und unter diesen insbesondere das Natrium- und Magnesiumsilicofluorid, die sich
bei der Erhitzung teilweise in Metallfluorid und Siliciumtetrafluorid spalten. Dieses
letztere wirkt z. B. auf Magnesium unter Bildung eines hauchdünnen Überzuges von
Magnesiumfluorid ein. Ein Zusatz von 3'[" Natriumsilicofluorid zu kohlenwasserstoffölgebundenen
M.agnesitformen ergibt einen vollkommen sicheren Schutz. Eine noch bessere Schutzwirkung
erhält man beim Zusatz von Magnesiumsilicofluorid zum Formstoff, von welchem Salz
schon 1°/o genügt, um ohne jede zusätzliche Maßnahme vollkommen einwandfreie Gußstücke
zu erzielen. Auch die Fluoborate sind für das Verfahren als Schutzstoffe tauglich;
sie sind jedoch wesentlich teurer als die Metallfluorsilicate. Die besondere Wirkung
solcher das Magnesium angreifender Schutzstoffe, durch die ein Gaspolster nicht
erzeugt wird, beruht auf der Vergrößerung der Oberflächenspannung des schmelzflüssigen
Metalls. So fließt beispielsweise Magnesium in Berührung mit Formwänden, welche
die angegebenen Schutzstoffe enthalten oder abgeben, ganz anders als in
Berührung
mit anderen Formwänden. Während sich sonst beim Gießen ein Strahl bildet, der sich
nach Art des Wassers mit gekräuselter Oberfläche fortbewegt und daher die lebhafte
Neigung zeigt, schwarz zu werden und zu brennen, nimmt die Oberfläche des Gußstrahles
in Berührung mit solchen Formen eine Beschaffenheit an, die sieh am besten durch
den Vergleich mit der glatten Oberfläche einer Quecksilberkuppe veranschaulichen
läßt. Hierdurch ist die Neigung des Magnesiums zur Bildung von Verbindungen mit
Sauerstoff und Stickstoff und zur Entzündung aufgehoben. Diese veränderte Art des
Fließens, die also ganz sinnfällige Vorteile mit sich bringt, läßt sich gerade nur
mit Schutzstoffen erzielen, die mit dem f\Iagnesium in Reaktion treten.
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Um die Überführung der trockenen Formstoffe mit dem nichtwässerigen
Plastifizierungsmittel zu erleichtern und gleichzeitig einen höheren Grad von Plastizität
zu erreichen, kann man andere kieselsäurearme Formmaterialien bekannter Art mitverwenden,
die befähigt sind, gewissermaßen als Bindemittel für den Hauptformstoff zu dienen.
Es können Zusätze anorganischer Art, wie Ton, Bauxit, mit gleichem Vorteil verwendet
werden wie solche organischer Art, wie Kohlepulv er oder Graphit. In jedem Fall
muß aber der Anteil an kieselsäurearmem Formstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit überwiegen,
vorzugsweise soll er nicht unter 9o°/0 liegen.
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Durch Zusammensetzung des Hauptformstoffes oder der Zusatzstoffe oder
beider aus gröberen und feineren Anteilen kann die Plastifizierung des Formstoffes
weiterhin geregelt werden. Eine solche Zusammensetzung des Formstoffes bietet außerdem
die Möglich-]zeit, die Beschaffenheit der Formen den Erfordernissen des Gusses anzupassen.
Im Grenzfall wird der Formstoff aus grob dispersen Anteilen und Anteilen von kolloidem
Dispersitätsgrad zusammengesetzt. In dieser Weise kann der Zusatz fremder Stoffe
zu dem Wärme gut leitenden Formstoff ganz vermieden werden, indem man an Stelle
fester Stoffe von anderer Art zur Erhöhung der Bildsamkeit Gemische verwendet, die
einen kleineren oder größeren Anteil dieses Formstoffes in kolloidem Zustande, und
zwar zweckmäßig in Form eines geeigneten Organosols, enthalten. Ausführungsbeispiele:
i. Sintermagnesit der ungefähren Zusammensetzung 85 bis 90°/o Mg 0, 3 bis
5°/o Kieselsäure, 3 bis d.°/, Eisenoxyd, i °/o Aluminiumoxyd, i bis 3°/o Calciumoxyd
wird in einer Korngröße von o bis o,5 mm mit d.°/, Ton und 10/" Steinkohle von ungefähr
gleicher Körnung gemischt und mit Hilfe eines asphaltischen Erdöles oder eines künstlichen
Gemisches von Kolilenwasserstofföl,en mit Bitumen in der Menge von etwa 3 °/,, des
Ganzen bildsam gemacht, wobei dein Gemisch als Schutzstoff entweder 3
% Natriumsilicofluorid oder i % Magnesiumsilicofluorid zugesetzt wird.
Die Form wird aus dieser Masse in der üblichen Weise hergestellt und ihre Oberfläche,
beispielsweise mit einer alkoholischen Suspension von \Tatriuinsilicoflnoricl oder
Magnesiumsilicofluorid in Spiritus oder mit Graphit, geschlichtet oder mit einem
dieser Schutzstoffe bestäubt. Das Gießen vollzieht sich bei den üblichen Temperaturen.
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2. An Stelle von Sintermagnesit wird als Hauptformstoff in dem im
Beispiel i angegebenen Gemisch C'hromit der ungefähren Zusammensetzung d.o bis 5o%
Chromoxyd, 14 °/" Eisenoxyd, i4'/, Aluminiumoxyd, id °/o Nlagnesiumoxyd, 7°/o Kieselsäure
in gleicher Körnung verwendet. Im übrigen bleibt die Vorschrift des ersten Beispiels
unverändert.
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Es ist bekannt, Formmassen zum Gießen von Flußstahl oder Flußeisen
aus einem Gemenge eines an gebundener und freier Kieselsäure sehr armen basischen
Stoffes mit Bindemitteln herzustellen. Insbesondere ist gebrannter Magnesit als
geeigneter Formstoff empfohlen worden. Als Formstoff für den Eisen- oder Stahlguß
ist die Magnesia kieselsäurehaltigen Formmassen durch ihre größere Feuerfestigkeit
überlegen, indem sie, im Gegensatz zu den Silicaten des Sandes, bei den Gießtemperaturen
des Flußeisens oder -stahls nicht schmilzt und daher keine leichtflüssigen Schlacken
bildet. Es soll also beim Stahlguß durch die Verwendung von Magnesit als Hauptformstoff
die Bildung von leichtflüssigen Silicatschlacken vermieden werden. Hingegen vollzieht
sich das Gießen von Leichtmetallen bei Temperaturen, die weit unter dem Schmelzpunkt
der Silicate des Sandes liegen. Die Anforderungen an die Beschaffenheit des Formstoffes
sind daher in wesentlicher Hinsicht verschieden. Die <furch die vorliegende Erfindung
erzielte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei Leichtmetallen konnte aus
der Anwendung von Magnesia als Formmasse für Stahlguß um so weniger abgeleitet werden,
als, wie schon erwähnt wurde, Sand mit hohem Kieselsäure-Behalt bis in die jüngste
Zeit als Formmasse für den Guß von leicht oxvdierbaren Metallen, wie Magnesium,
bevorzugt worden ist.
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Auch Schlichten für Metallformen sind vorbeschrieben, die aus einer
Suspension von M-0, Kreide, Talkum, Infusorienerde oder anderen inagnesiumreichen
Stoffen in einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, bestehen. Schließlich ist in
Verbindung mit verlorenen Formen vorgeschlagen worden, %Iagnesium-
Oxyd
für jene Teile der Form zu verwenden, mit denen das geschmolzene Metall in Berührung
kommt, während der Hauptteil der Form aus Kohle und Speckstein bestehen soll, alstr
aus Stoffen, die im Vergleich zu Magnesiufnoxyd als Isolatoren anzusehen sind. Audh
durch diese Vorschläge ist nicht nahegelegt gewesen, verlorene Formen aus Magnesium=
Oxyd als Hauptformstoff herzustellen, um durch Ausnutzung der guten Wärmeleitfähig-]zeit
dieses Formstoffes besonders hochwertige Gußstücke zu erhalten.