DE69818379T2 - Verfahren zum Vollformgiessen von Aluminium mit beschichtetem Modell - Google Patents

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Vollformprozess zum Herstellen von Aluminiumgussstücken und insbesondere auf ein Beschichten des Vollformmodells mit einer hitzebeständigen Beschichtung, die vom Aluminiumgussstück leicht entfernbar ist.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Das "Vollformverfahren" oder Gießverfahren mit verlorenem Schaummodell ist in der Technik gut bekannt und weist prinzipiell die Schritte auf: (1) Vorbereiten (z. B. Formen) eines Modells aus einem flüchtigen Material wie z. B. expandiertem Polystyrol [EPS]; (2) Beschichten des Modells mit einer hitzebeständigen Beschichtung (d. h. etwa 0,25 mm bis etwa 1,5 mm dick), um das Modell zu versteifen, eine Grenzschicht zwischen der Oberfläche des Modells und dem Sand zu schaffen und die Metallfüllrate zu steuern; (3) Trocknen der Beschichtung; (4) Umhüllen des Modells in einem Bett aus nicht gebundenem Sand, um eine Form um das Modell zu schaffen; (5) Gießen von geschmolzenem Aluminium in die Form, um das Modell zu verdampfen und ein Gussstück zu schaffen, das die Gestalt des Modells nachbildet; und (6) Entfernen des Sandes vom und aus dem Gussstück. Je nach der verwendeten bestimmten Aluminiumlegierung und der gewünschten endgültigen Mikrostruktur kann das Gussstück im Verlauf einer Wärmebehandlung nach einem Guss in Wasser abgeschreckt werden oder nicht. A319-Aluminiumlegierungen beispielsweise werden im Verlauf einer T-S-Wärmebehandlung häufig in Wasser abge schreckt, um ihre maschinelle Bearbeitbarkeit und Maßhaltigkeit zu verbessern.
• Beschichtungen von EPS-Modellen umfassen typischerweise Schlämme bzw. Breie auf Wasserbasis (d. h. etwa 45–70 Gew.-% Feststoffe) einschließlich verschiedener Kombinationen von (1) hitzebeständigen Stoffen wie z. B. Silica, Aluminiumoxid, Chromat, Mica, Zirkon, Quarz, Olivin, Aluminosilicate oder hohle Mikroglaskugeln, (2) Bindemitteln wie z. B. Lehm und verschiedene Polymere, (3) grenzflächenaktiven Stoffen, (4) thixotropen Mitteln und (5) Dispergiermitteln. Auf trockner Basis umfassen die Beschichtungen etwa 80 Gew.-% bis etwa 98 Gew.-% hitzebeständige Stoffe, etwa 0,5–18 Gew.-% Bindemittel und etwa 2 Gew.-% grenzflächenaktive Stoffe/Dispergierstoffe und thixotrope Mittel. Die Permeabilität der Beschichtung wird durch die Größe und Form der hitzebeständigen Partikel gesteuert und dient dazu, die Rate zu steuern, mit der flüssige und gasförmige Pyrolyseprodukte in den Sand entweichen, was wiederum die Rate steuert, mit der das Aluminium in die Form eindringt. Die Beschichtungen werden am üblichsten aufgetragen, indem das Modell in diese getaucht wird, können aber auch auf das Modell gesprüht, gebürstet oder gepumpt werden. Obgleich Wasser der üblichste Träger für die hitzebeständigen Stoffe ist, können auch andere Träger verwendet werden, die mit dem Modell kompatibel (z. B. nicht löslich) sind.
• Unglücklicherweise haftet die hitzebeständige Beschichtung, die auf das Vollformmodell aufgetragen wird, an der Oberfläche des Aluminiumgussstücks und ist schwer, zeitraubend und teuer zu entfernen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Beschichtung aus den inneren Kanälen komplizierter Gussstücke wie z. B. Verbrennungsmotorblöcken oder -köpfen entfernt werden muss. Einige bekannte Techniken zum Entfernen zumindest eines Teils der Beschichtung beinhalten (1) thermische Schockbehandlung der Beschichtung, indem das heiße Gussstück unmittelbar nach einem Guß in Wasser getaucht wird, (2) Strahlen des Gussstückes (z. B. mit einem Kunststoff- oder Keramikstrahlmittel), (3) Schrubben des Gussstücks in einem umgerührten wässrigen Brei mit abrasiven Partikeln, (4) Abklopfen des Gussstücks mit einem Hammer (oder mehreren Hämmern), (5) Eintauchen des Gussstücks in ein mit Ultraschall umgerührtes Wasserbad, (6) Abstrahlen des Gussstücks mit einem Wasser- oder Dampfstrahl und (7) Tauchen des Gussstücks in ein Bad aus geschmolzenem Salz.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung ist ein einfacher Prozess zum leichten und wirtschaftlichen Entfernen einer beliebigen hitzebeständigen Beschichtung eines Modells, die nach der Entfernung des Sandes an einem Vollformgussstück aus Aluminium haftet. Die Erfindung ist insbesondere dadurch vorteilhaft, dass sie eine Entfernung der Beschichtung in Bereichen des Gussstücks (z. B. interne Kanäle) gestattet, die für herkömmliche mechanische Mittel zum Entfernen der Beschichtung unzugänglich sind. Die Erfindung behandelt ein Beschichten des Vollformmodells mit einer hitzebeständigen Beschichtung, die eine sauervergasbare Verbindung enthält, die bei der Gießtemperatur thermisch stabil ist (d. h. sich nicht zersetzen wird), und nach einem Guss die Herstellung eines Kontaktes (z. B. Tauchen, Sprühen etc.) des beschichteten Gussstücks mit einer anorganischen oder organischen sauren Spüllösung, um die Verbindung in eine Unmenge von Gasblasen zu dissoziieren, die sprudeln und die Beschich tung aufbrechen, um ihre Entfernung zu erleichtern. Die thermisch stabile sauervergasbare Verbindung wird vorzugsweise ein anorganisches Carbonat, hier eher vorzugsweise ein Alkalimetallcarbonat (d. h. Calcium-, Natrium-, Kalium- und Lithiumcarbonat) und am meisten bevorzugt Calciumcarbonat aufweisen. Solche Carbonate sind billig und bilden mit dem Anion der Säure lösliche Nebenprodukte, was eine Entfernung vom Gussstück weiter erleichtert. Die am meisten bevorzugte Verbindung ist Calciumcarbonat, das im Träger für den hitzebeständigen Stoff unlöslich ist und sich als Feststoff direkt aus dem Brei auf das Modell ablagert. Das Calciumcarbonat wird auf einer trockenen Basis vorzugsweise in Konzentrationen von etwa 20 Gew.-% in der Beschichtung verwendet. Die Partikelgröße des Calciumcarbonats kann somit gesteuert und als Mittel verwendet werden, um die Geschwindigkeit/Aggressivität der Reaktion zu steuern. Calciumcarbonat wird vorzugsweise eine Partikelgröße von weniger als etwa 5 μm aufweisen, um eine große Reaktionsoberfläche für eine sehr aggressive Reaktion zu schaffen. Lösliche Carbonate wie z. B. Natrium-, Kalium- und Lithiumcarbonat können ebenfalls verwendet werden, obgleich zumindest einige dieser Carbonate sich im Wasserträger für den hitzebeständigen Stoff zersetzen werden. Die löslichen Carbonate werden aus dem Träger ausfällen, wenn die Beschichtung getrocknet wird.
• Das Gussstück wird vorzugsweise in ein Bad der Säure eingetaucht. In einer Ausführungsform dient die Säurebehandlung zu dem alleinigen Zweck, die Beschichtung zu entfernen, und die Behandlung kann vorgenommen werden, während das Gussstück entweder heiß oder kalt ist. In einer anderen Ausführungsform, d. h. bei der das Gussstück ohnehin als Teil eines Wärmebehandlungsvorgangs abgeschreckt werden muss, wird das Abschreckmittel (z. B. Wasser) gesäuert, so dass eine Entfernung der Beschichtung zu der gleichen Zeit erreicht wird, zu der das heiße Gussstück gerade abgeschreckt wird.
• Praktisch jede beliebige Säure kann verwendet werden, solange sie nicht die Oberfläche des Gussstücks angreift, und kann schwache Säuren wie z. B. Essigsäure oder verdünnte starke Säuren wie z. B. inter alia Phosphor- oder Salzsäure einschließen. Verdünnte Phosphorsäure wird bevorzugt, da sie für die umgebende Anlage weniger zersetzend als viele andere Säuren und dennoch beim Entfernen der Beschichtung genauso effektiv ist. Eine Dissoziation der vergasbaren Verbindung ist mit den stärkeren Säuren schneller als mit den schwächeren Säuren. Die Säure wird für eine schnelle Dissoziation der Verbindung und ein aggressiveres Aufbrechen der Beschichtung vorzugsweise einen pH von weniger als etwa 2,5 aufweisen.
• BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Die Erfindung wird besser verstanden, wenn sie im Licht der folgenden ausführlichen Beschreibung gewisser Gesichtspunkte davon betrachtet wird, die im folgenden in Verbindung mit dem bevorzugten vergasbaren Zusatzstoff CaCO₃ geliefert wird.
• Die hitzebeständigen Beschichtungen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise etwa 15% bis etwa 25% Trockengewicht Calciumcarbonat aufweisen. Unterhalb etwa 15% gibt es zu wenig Carbonat für eine schnelle effektive Entfernung der Beschichtung. Oberhalb etwa 25 Gew.-% werden keine signifikanten zusätzlichen Vorteile beobachtet, und eine nicht erwünschte Verdrängung der hitzebeständigen Komponente der Beschichtung findet statt. Die genaue Konzentration der vergasbaren Verbindung in der Beschichtung für eine beliebige gegebene Situation hängt davon ab, welche Verbindung, welche Säure und welche Säurekonzentration verwendet wird, und kann durch Routineexperimente bestimmt werden. Das gleiche gilt für die Konzentration der Säure, die, wie Tests gezeigt haben, von konzentriert bis sehr verdünnt (wie z. B. 100 Teile Wasser auf 1 Teil Säure) variieren kann.
• Es wurden mehrere Tests durchgeführt, um verschiedene Gesichtspunkte der Erfindung zu demonstrieren. Drahtsiebe mit Siebweite 100 wurden in Testscheiben mit einem Durchmesser von 6,5 cm (2 und 9/16 Inch) geschnitten. Die Scheiben wurden (1) in mehrere verschiedene Beschichtungsbreie getaucht, (2) 90 Minuten lang bei 93°C (200°F) getrocknet und (3) gewogen. Die Breie wiesen handelsübliche Beschichtungen auf Mica-Basis von den Unternehmen Borden und Ashland (1) ohne einen Zusatz von Calciumcarbonat und (2) mit dem Zusatz von gemahlenem Kalkstein (z. B. Calciumcarbonat) auf, der eine geringe Menge (d. h. etwa 1,5 ± %) Magnesiumcarbonat enthielt. In einer Reihe von Tests enthielten die getrockneten Beschichtungen 20 Gew.-% Kalkstein. In anderen Tests wurden verschiedene Kalksteinkonzentrationen verwendet. Einige der getrockneten Proben wurden ebenfalls 30 Minuten lang bei 500°C (932°F) gebrannt, um die thermischen Bedingungen zu simulieren, die während eines Aluminiumgusses erfahren werden, und wieder gewogen. Die Permeabilität der gebrannten und nicht gebrannten, mit einer Beschichtung mit 20% CaCO₃ beschichteten Siebe wurde dann unter Verwendung eines elektrischen oder Schwimmertrommelperimeters einer herkömmlichen Gießerei gemessen, wie z. B. in "Innovations in Controlling the Lost Foam", Modern Casting, Januar 1996, beschrieben ist. Tabelle I zeigt die Ergeb nisse jener Tests, nämlich dass bei 20 Gew.-% Calciumearbonat enthaltenden Beschichtungen die Permeabilitäten zwischen den gebrannten und nicht gebrannten Proben unverändert sind.
• TABELLE I Permeabilität von Sieben (in AFS-Permeabilitätseinheiten)

  
• Proben der gleichen, 20% CaCO₃ haltigen beschichteten Siebe wurden dann 0,5 bis 1 Minute lang in verschiedene Waschlösungen getaucht, getrocknet und gewogen. In den Proben mit den CaCO₃ haltigen Beschichtungen trat eine heftige Blasenbildung auf, die die Unversehrtheit der Beschichtung aufbrach. Tabelle II zeigt die Ergebnisse eines solchen Tests, und konkret dass auf der Basis des prozentualen Anteils der entfernten ursprünglichen Beschichtung eine 20 Gew.-% Calciumcarbonat enthaltende Beschichtung 18-mal effektiver entfernt wurde, wenn sie in eine verdünnte Waschlösung mit Phosphorsäure (d. h. 1 Teil H₃PO₄ auf 25 Teile H₂O) getaucht wurde, als eine Beschichtung, die kein Carbonat enthielt und in die gleiche Waschlösung getaucht wurde, und nahezu 900-mal effektiver als eine in eine nichtsaure Waschlösung getauchte carbonatfreie Beschichtung.
• TABELLE II Prozent (gemäß Trockengewicht) eines durch einen Spülschritt entfernten Beschichtungsrests

  
• Tabelle III zeigt die Prozent der 20% CaCO₃ haltigen Beschichtung, die von den Sieben in Waschlösungen mit Phosphorsäure mit verschiedenen H₃PO₄-Konzentrationen entfernt wurden. Die Daten zeigen, dass 89% oder mehr der CaCO₃ haltigen Beschichtungen mit sehr verdünnten und konzentrierten Waschlösungen entfernt wurden, während nur etwa 20% der carbonatfreien Beschichtungen mit nur den am stärksten konzentrierten sauren Waschlösungen entfernt wurden.
• TABELLE III Prozent (gemäß Trockengewicht) eines unter Verwendung verschiedener Säurestärken entfernten Beschichtungsrests

  
• In einer weiteren Reihe von Tests wurde die Konzentration des CaCO₃ und der Säure in der Spülung variiert. Tabelle IV zeigt die Effekte verschiedener Konzentrationen des Carbonats in einer säurefreien Spülung, einer 1 Teil HP₃O₄ auf 25 Teile H₂O enthaltenden Spülung und einer Spülung, die 1 Teil HP₃O₄ auf 50 Teile H₂O enthält. Die Daten zeigen, dass eine säurefreie Spülung keinen Effekt auf die Beschichtung hat, während in der sauren Spülung bei Konzentrationen das Calciumcarbonats nahe 20% deutlich mehr von der Beschichtung entfernt wird als bei Konzentration nahe 10% oder weniger.
• TABELLE IV Prozent (gemäß Trockengewicht) eines unter Verwendung verschiedener Carbonatkonzentrationen entfernten Beschichtungsrests

  
• Obgleich die Erfindung in Form ihrer gewissen spezifischen Ausführungsformen offenbart wurde, soll sie nicht darauf, sondern vielmehr nur auf den Umfang beschränkt sein, der in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Vollformgießen von Aluminium mit dem Hauptschritt, bei dem ein Modell aus einem Polymerschaum gebildet wird, eine feuerfeste Beschichtung auf die Oberfläche des Modells aufgebracht wird, wobei die Beschichtung eine ausreichende Menge einer thermisch stabilen sauervergasbaren Verbindung aufweist, um die Beschichtung bei einer Vergasung zu zerbrechen, das Modell in einem Sandbett eingebettet wird, das eine Form um das Modell bildet, geschmolzenes Aluminium in die Form gegossen wird, um das Modell zu verdampfen und zu verdrängen, das Modell mit dem Aluminium nachzubilden und das Aluminium mit der Beschichtung zu beschichten, wobei man das Aluminium sich in ein Gussstück verfestigen lässt, und der Sand aus dem Gussstück entfernt wird, gekennzeichnet durch Herstellen eines Kontakts der Beschichtung mit einer Säure, um die Verbindung zu zersetzen und zu vergasen und die Beschichtung zu zerbrechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die vergasbare Verbindung aus der aus Alkalimetallcarbonaten bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Alkalimetallcarbonat Kalziumcarbonat ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin das Kalziumcarbonat eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als etwa 5 Mikrometer hat.
5. Verfahren nach Anspruch 3, worin das Kalziumcarbonat etwa 15 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% der Beschichtung umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Gussstück, während es heiß ist, in einem sauren wässrigen Abschreckmittel abgeschreckt wird.