DE7629939U1

DE7629939U1 - Form und metall zum giessen von metallteilen

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Publication number: DE7629939U1
Application number: DE19767629939
Authority: DE
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1976-09-24
Publication date: 1980-02-28
Also published as: FR2325449A1; FR2325449B1; DE2643111A1

Description

G 76 29 939.3 13.11.1979

HI-TACHI, LTD., Tokio, Japan

Form und Modeil zum Gießen von Metallteilen

Die Neuerung betrifft eine Form und ein Modell zum Gießen von Metallteilen hohen Schmelzpunkts, wie z. B. Titan oder Titanlegierungen, insbesondere kompliziert gestalteten Metallteilen, wie Turbinen- oder Gebläseschaufeln oder diese aufweisenden Rotoren.

Titan oder Titanlegierungen haben hohen Schmelzpunkt und hohe Oxidierbarkeit, zeigen stürmische Reaktion bei Berührung mit einem feuerfesten Material, wodurch die Gußstück-Herstellung mangelhaft wird.

Bisher wurden Formen zum Gießen eines Metalls mit derart hoher Oxidierbarkeit und hchem Schmelzpunkt aus gravierten oder bearbeiteten Graphitblocker hergestellt, wobei es jedoch schwierig ist, eine kompliziert ausgebildete Form herzustellen. Beim Herstellen einer kompliziert ausgebildeten Form wird häufig das Wachsausschmelzverfahren verwendet, bei dem Graphit oder feuerfeste Sonderwerkstoffe als feuerfeste Materialien verwendet werden, was das Gießen von Produkten ermöglicht, die eine genaue Form oder Ausbildung

und eine gleichmäßige Gußstück-Oberfläche besitzen (DE-AS 1 608 39 4) . Dieses Verfahren ist jedoch andererseits nachteilig sehr kostspielig; da die Formen-Verkleidung durch Bedecken der Fläche des Wachsmodells mit den feuerfesten Materialien gebildet wird und dann die Form und das Modell zum Ausschmelzen des Modells erhitzt werden, kann die Form leicht durch die Wärmedehnung des Wachses zerstört werden. Wenn das Wachsmodell unter hohem Druck zur Verbesserung der Verformbarkeit und der Genauigkeit der Abmessungen ausgebildet wird, ist eine besondere Einspritzmaschine erforderlich. Außerdem wird ein Modell gefordert, das hohe Festigkeit und hohe Genauigkeit besitzt.

Andererseits ist es bekannt. Formen aus einem feuerfesten Material wie SiO_, ZrO-, Al₃O₃ usw. und eine Hydrolyselösung von Äthylsilikat als Bindemittel herzustellen (DE^AS 1 5OS 653; DE-OS 1 433 971; DE-QS 1 433 972). wo-

Weiter ist es bekannt, eine Metallgießform aus graphitischem Material und einer Imprägnierung mit einer ein organisches, bei Wärmezersetzung Kohlenstoffmaterial ergebendes Harz enthaltenden fließfähigen Masse herzustellen und in Verbindung mit einem durch Hitze zersetzbaren Modell 2U verwenden (US-PS 3 256 574) .

Schließlich ist ein Modellwerkstoff für Präzisionsgießmodelle bekannt, der mindestens einen wasserlöslichen, kristallinen Stoff wie Harnstoff und einen wasserabweisenden Stoff, z. B. Petroleum, Silikonöl, vegetabiles öl,

Fett oder einen Kunststoff wie Polyäthylen- oder
Polystyrolhalbpolymerisat enthält (DE-AS 1 218 118).

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einheit aus Form und Modell der eingangs genannten Art in dem Sinn zu verbessern, daß eine Oxidations-Reaktion oder eine Gas-Erzeugung auch dann nicht auftritt, wenn die Form mit einer Metallschmelze hoher Temperatur in Berührung gebracht wird, wobei insbesondere eine Form
und ein Formenkern komplizierter Ausbildung billig
herstellbar sein sollen und das Modell einfach entfernbar sein soll.

Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß die um das Modell gefüllte Form aus einer ausgehärteten und gebrannten Masse aus Graphitteilchen
einer Korngröße von 0,1 bis 0,83 mm, vollständig oder teilweise mit der äquivalenten Menge wasser gemischten oder hydrolysiertem Athylsilikat als Bindemittel una Ammoniak, Ammoniumcarbonat oder Triäthanolamin als
Härtungsmittel besteht und daß das Modell aus Harnstoff, einem Nitrat und einem wasserlöslichen oder in Wasser dispergierbaren organischen Material besteht und wasserlöslich ist.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Neuerung sieht vor, daß das wasserlösliche oder in Wasser dispergierbare organische Material des Modells wenigstens eines aus der Gruppe Polyvinylalkohol, PolyvinylpynOlidon, Melamin., Natriumoxycarboxylat, p-Toluolsulfonsäureamid, Sorbit, Stärke, Zucker, Gummiarabikum, Cellulosederivat und Weizenmehl ist.

Zur Verwirklichung der Neuerung werden Graphit-Pulver,

ι* das Bindemittel aus Äthylsilikat-Lösung und das Härtungs·

mittel zur Bereitung des fließfähigen Formenwerkstoffs gemischt und der fließfähige Formenwerkstoff um das wasserlösliche Modell gefüllt, um die Form auszuformen oder auszubilden». Nach dem Aushärten wird die Form vor

teilhaft in kolloidales Siliciumoxid oder kolloidales Siliciumoxid und ein grenzflächenaktives Mittel enthaltendes Wasser getaucht, um die Form vollständig auszuhärten und um gleichzeitig das wasserlösliche Modell aus der Form herauszulösen, wonach die Form getrocknet und gebrannt wird, um die End-Form zu erhalten.

Der Formenwerkstoff wird im folgenden näher erläutert. 1. Feuerfeste Materialien:

Wirt? als f<aiii»T--Fi»e+-<»e Haferial »rorwon/Iaf ■ wann

jedoch eine Form hohe Oberflächen-Genauigkeit erfordert, muß die Korngröße des Graphits so bestimmt oder eingestellt werden, daß die Mischung aus grobkörnigem und feinkörnigem Graphit eine Anordnung enger Packung bilden. Wenn eine Form relativ großer Dicke gefordert wird, muß der Anteil grobkörnigen Graphits erhöht werden.

Das Korngrößen-Verhältnis der feuerfesten Materialien ist wichtig, und ein übliches Mischungs-Verhältnis ist:

Feuerfestes Material aus Graphit

Maschenweite Mischungs-Verhältnis

1,17 - O,83 mm 60 Gew.-%

0,42 - O,295 mm 20

O,147 - O,O74 mm 2O "

2. Bindemittel:

Äthylsilikat wird häufig als Bindemittel für Formen verwendet. Es wird üblicherweise in Form einer alkoholischen Lösung verwendet, bei der die Hauptreaktion die Hydrolyse des Äthylsilikats mit Wasser ist.

Als Bindemittel wird daher eine Lösung verwendet, bei der Äthylsilikat vollständig oder teilweise mit der theoretisch hydrolysierbaren Menge Wasser oder der äquivalenten Menge Wasser gemischt oder hydrolysiert ist. Ein Beispiel der Lösung hat das folgende Mischverhäitnis:

Mischungs-Verhältnis

Kthylsilikat-4O (mit etwa 40 # 80 - 85 Vol.-56

SiO₂)

1,5 % HCl-Alkohol 6,1 - 12,0 Vol.-#

Wasser 8,0 - 8,5 Vol.-#

3. Härtunqsmittel;

Jedes Härtunc,smittel kann verwendet werden, das den pH-Wert des Bindemittels ändern kann, nämlich Ammoniak, Ammoniumcarbonat oder Triäthanolamin. Wegen der Verformbarkeit ist eine wäßrige Lösung von Ammoniumcarbonat vorzuziehen.

4. Modell:

Für das wasserlösliche Modell werden wegen der Verformbarkeit, Verarbeitbarkeit, Löslichkeit,Abmessungs-Genauigkeit

Oberflächen-Glätte des Modells die folgenden Modellwerkstoffe oder -materialien bevorzugt verwendet:

Mischungen aus Harnstoff, einem Nitrat und mindestens einem v/asserlös liehen oder in V7asser disperaierbaren organischen Material wie Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Melamin, Natriumoxycarboxylat, p-Toluolsulfonsäureamid, Sorbit, Stärke, Zucker, Gummiarabikum, Cellulosederivate, Weizenmehl usw.

Das Formen oder Ausbilden des Modells wird auf folgende Weise durchgeführt: Die Mischung der Modellwerkstoffe oder -materialien wird in einen Metallkessel eingebracht und auf 100 - 130 C mit einem Heizgerät od. dgl. so erhitzt, daß am Ende dieses Verfahrensschritts ein sehr gut fließfähiger Modellwerkstoff erhalten wird. Der geschmolzene Modellwerkstoff wird in eine Modell-Form eingegossen und zur Verfestigung abgekühlt, wodurch das gewünschte Modell geformt oder ausgebildet wird. Als Modell-Form kann eine Metallform, eine Gummiform, eine Gipsform, usw. verwendet werden, jedoch ist wegen der Kühlwirkung eine Metaxlform vorzuziehen.

Das so hergestellte Modell hat nicht nur gute Abmessungs-Genauigkeit im Vergleich mit einem Modell aus Wachs, usw., sondern weist insbesondere geringe Oberflächen-Absenkung oder -Vertiefung auf.

Die Neuerung wird anhand des in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die Figur schematisch die neuerungsgemäße Form zum Gießen von Metall hohen Schmelzpunkts zeigt.

Graphit-Teilchen als feuerfestes Material werden mit einem Bindemittel gemischt und gerührt, damit die sich ergebende Mischung fließfähig wird. Ein Härtungsmittel wird der Mischung unter v/eiterem Rühren zugefügt, wodurch ein Formenwerkstoff bereitet wird.

Das so hergestellte Modell ist hygroskopisch und muß entweder in einem Trockenraum oder nach Aufbringen von Öl auf die Oberfläche des Modells ge- ί

j lagert werden. I

Die Neuerung hat also den Vorteil, daß eine Form |

komplizierter Ausbildung zum Gießen eines Metalls hohen Schmelzpunkts einfach und billig dadurch herstellbar ist, daß Graphit-Teilchen mit einem Bindemittel aus Äthylsilikat-Lösung und einem der genannten Härtungsmittel gemischt wird, um so einen fließfähigen Formenwerkstoff zu bereiten, daß der fließfähige Formenwerkstoff um ein wasserlösliches Modell der genannten Art gefüllt wird, um so eine Form zu bilden, daß die Form in Wasser getaucht wird, um so die Form auszuhärten und gleichzeitig das wasserlösliche Modell aus der Form herauszulösen, und daß die Form dann getrocknet und gebrennt wird, um so die endgültige oder End-Form zu erhalten.

Wie in der Zeichnung dargestellt, wird der Formenwerkstoff 4 um ein wasserlösliches Modell 3 gefüllt, das von einem Formenkasten 1 umgeben und auf einer Grundplatte 2 angeordnet ist. Einige Minuten danach beginnt der fließfähige Formenwerkstoff 4 auszuhärten und ist dann halb ausgehärtet. Dann werden der Formenkasten 1 und die Grundplatte entfernt und wird die Form 4 in Wasser eingetaucht, wodurch die halb ausgehärtete Form beginnt, schnell auszuhärten, und wodurch gleichzeitig das wasserlösliche Modell 3 beginnt, sich in Wasser aufzulösen und aus der Form herauszufließen. Dann wird die Form aus dem Wasser herausgenommen, bei niedriger Temperatur getrocknet und dann auf hohe Temperatur erwärmt, wodurch die endgültige oder End-Form gebildet wird.

Das Herauslösen oder Auflösen des Modells wird dadurch tiberwacht, daß die Temperatur des Tauch-Wassers geändert oder daß das Wasser umgerührt wird. Wenn eine Form höherer Festigkeit gefordert wird, enthält das Tauch-Wasser ein wasserlösliches Silikagel oder ein Wasserlösliches Silikagel und ein grenzflächenaktives Mittel. Das verwendbare grenzflächenaktive Mittel enthält anionische Mittel wie Natriumalkylbenzol-sulfonat oder nichtionische wie Polyoxyathylenäther.

Selbstverständlich kann die Form auch mit üblichen in Wasser unlöslichen Modellen anstelle des wasserlöslichen Modells hergestellt werden, wenn die Form nicht kompliziert ausgebildet ist.

Im folgenden wird die Neuerung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel i

Eine Form zum Gießen einer Schaufel wurde unter Verwendung folgender Materialein bzw. Werkstoffe hergestellt:

1. Feuerfeste Materialien: Graphit-Teilchen 2 kg, mit den Korngrößen 0,83 mm zu 60 Gew. %

und O,147 mm uu 40 Gew. %;

2. Bindemittel: nydrolysierte Äthylsilikat-Lösung;

J). Härtungsmittel: wäßrige 8 #ige Ammoniumcarbonat-Lösungj

4. Wasserlösliches Modell:

Harns toff
Natriumnitrat Polyvinylalkohol *>. Tauch-Wasser:

Wasserlösliches Silikagel Wasser

Grenzflächenaktives Mittel (Alkylbenzolsulfonat)

Die Schaufel wurde zuvor mittels des wasserlöslichen Modells hergestellt.

Den 2 kg feuerfesten Materialien wurden 15^0 cnr Bindemittel zugefügt,und die sich ergebende Mischung wurde zur Bildung eines fließfähigen Formenwerkstoffs ausreichend gemischt. Dann wurden 58 cm^ des Härtungsmitbels zugefügt, wodurch der gewünschte Formenwerkstoff erhalten war. Der Formenwerkstoff wurde um das Schaufel-Modell gegossen. 4 min danach begann der Formenwerkstoff auszuhärten und verlor seine Fließfähigkeit. Dann wurde die Form als solche in das aushärtende V/asser eingetaucht. 10 h danach wurde die Form aus dem V/asser herausgenommen und bei Raumtemperatur 1 Tag lang getrocknet. Dann wurde die Form bei

78,	0	Gew.-
19,	0	It
	0	Il
70		VoI.-
29
1		It

200 ⁰C 2 h lang getrocknet und in einem Ofen 3 h lang bei 900 ⁰C unter einer reduzierenden Atmosphäre aufbewahrt und dann zum Abkühlen in dem Ofen belassen.

Dann wurde die Form in einer Vakuumkammer angeord-

es
net₍und wurde in einem Vakuumofen geschmolzenes reines Titan in die Form gegossen. Das sich ergebende Titanguß-Schaufel-Endprodukt besaß hohe Abmessungs-Genauigkeit und gleichmäßige Gußstück-Oberfläche.

Beispiel 2

Eine Form für einen gegossenen, Schaufeln oder Flügel aufweisenden Rotor eines Kompressors wurde unter Verwendung der folgenden Materialien bzw. Werkstoffe hergestellt:

1. Feuerfeste Materialien: Graphit-Teilchen 1 kg Korngrößen 0,83 mm 60 Gew.-^,

0,295 mm 20 " ,

0,104 mm 20 " ;

2. Bindemittel: teilweise hydrolysierte Äthylsilikat-Lösung;

3. Härtungsmittel: wäßrige 10 #Lge Ammoniumcarbonat-Lösung;

4. Wasserlösliches Modell; wie in Beispiel 1.

Zur Herstellung eines Schaufeln oder Flügel aufweisenden Rotors wurden eine Kernform und eine Körperform hergestellt und 2or Bildung einer Integralform zusammengefügt.

Die Kernform wurde auf folgende Weise hergestellt: Wasserlösliche Modelle für den 20 Schaufeln oder Flügeln

des Rotors entsprechenden Teil wurden hergestellt und in einem Kern-Modell angeordnet. Dann wurde der fließfähige Formenwerkstoff eingegossen u-=i eingefüllt.

Der Formenwerkstoff wurde auf folgende Weise hergestellt:

1 kg feuerfester Materialien wurden 800 cnr Bindemittel zugefügt und dann wurden 8 cm-⁵ des Härtungsmittels hinzugefügt. Der Formenwerkstoff wurde,wie erläuterten das Kernmodell gegossen,und 7 min danach begann der Formenwerkstoff zu gelieren und seine Fließfähigkeit zu verlieren. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Kernmodell sofort entfernt und wurde das Hauptmodell und die Kernform in Wasser eingetaucht. Die halb ausgehärtete Form unterlag

schnellem Aushärten,und gleichzeitig wurden die den Schaufeln oder Flügeln entsprechenden Modelle vollständig

■ hPToncffeinRh, Dsnn wurde die Form im V/asser 1 TaK lang

eingetaucht belassen, um zu stabilisieren.

Dann wurde die Kernform aus dem Wasser entnommen und mit einem Fön zur vollständigen Entfernung von Wasser getrocknet:. Dann wurde die Kernform in Vakuum 3 h lang zum Brennen auf 900 ⁰C erwärmt. Danach war die Herstellung einer Kernform hoher Festigkeit und großer Abmessungs-Genauigkeit beendet.

Die Körperform wurde aus einem Formenwerkstoff der gleichen Zusammensetzung und der gleichen Mischverhältnisse wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Körperform und die Kernform wurden zusammengefügt unter Verwendung einer

hitzebestöndigen Kernpaste (Klebstoff), um eine zusammengesetzte oder Integralform zu erhalten.

Die Integralform wurde In einer Vakuumkammer angeordnet und in einem Vakuumofen geschmolzene Ti-6A1-4V-Legierung wurde in die Integralform gegossen. Nach Abkühlung des Gußstücks wurde die Körperform mit einem Hammer herausgeschlagen und die Kernform durch Granalienblasen entfernt und abgetragen. Das sich ergebende Gußstück- Produkt, der Schaufeln oder Flügel aufweisende Rotor besaß hohe Abmessungs-Genauigkeit und gleichmäßige Gußstück-Oberfläche.

Beispiel 3

Eine Form zum Gießen einer Schaufel wurde unter verwendung der folgenden Materialien bzw. Werkstoffe hergestellt:

1. Feuerfeste Materialien: Graphit-Teilchen 1 kg Korngrößen 0,83 mm 60 Gew.-%

0,287 mm 20 "

0,104 mm 20 "

2. Bindemittel: Äthylsilikat * 85,0 Vol.-£

1,5 # Äthylalkohol 6,5 " Wasser 8,5 "

3. Härtungsfflittel: wäßrige 10 #ige Ammoniumcarbonat-Lösung.

De η l kg feuerfesten Materialtei wurden 720 cnr des Bindemittels zugefügt,und die sich ergebende Mischung wurde in einem Kneter (200 U/min mit Propeller-Aufbau) 1 min lang gemischt, wonach unter Kneten"14,4 οπκ der Ammoniumcarbonat-Lösung zugefügt wurden. Dann wurde das Kneten

30 s fortgesetzt. Dann wurde die Mischung sofort in ein Schaufelmodell zur Herstellung einer Form eingegossen. 3 min danach war die Form halb geliert und wurde die Form vom Modell entfernt» Dann wurde die Form in Wasser eingetaucht zum Stabilisieren. Dann wurde, um Wasser

zu entfernen, ο + ο und Kristallwasser aus der Form/diese bei 100 C - 5 C In einem Föhn 2 h lang getrocknet und dann 3 h lang unter Argonatmosphäre bei 900 ⁰C zur Verhinderung von Oxydation erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach dem Ab'.dlhlen wurde in einem Vakuumofen geschmolzenes Titan in die Form in einer Vakuumatmosphäre eingegossen. Nach Abkühlung der Gußform wurde die Gußform aus der ?orm entnommen und durch Granalienblasen gereinigt. Die sich ergebende Guß-Schaufel besaß hohe Abmessungs-Genauigkeit und gleichmäßige Oberfläche.

Wie erläutert, bewirkt die Neueruna:

1. Selbst wenn die neuprunqsgemäßii Form mit einem geschmolzenen Metall bei hoher Temperatur in Berührung gebracht wird, tritt weder eine Erosion noch eine Gas-Erzeugung auf und kann ein gutes Gußstück-Produkt erhalten werden/

2. Die Form besitzt hohe Festigkeit und kann daher als Kern für Präzisionsguß verwendet werden.

3. Eine Form mit tiefen Ausbuchtungen oder Löchern, die mit herkömmlichen Verfahren schwierig herzustellen war, kann hergestellt werden und ein Gußstück-Produkt hoher Abmessungs-Genauigkeit und hoher Qualität ist erhältlich.

4. Die Neuerung ist zum Herstellen eines Kerns verwendbar, der besonders kompliziert ausgebildet ist, was bei herkömmlichen Verfahren schwierig herzustellen war.

5. Die Entfernung des Gießsandes, d.h.-graphits nach dem Gießen kann mittels einfachen Granalienblasens vollständig erreicht werden.

Claims

Schutzansprüch 3

1. Form und Modell zum Gießen von Metallteilen hohen Schmelzpunkts, insbesondere kompliziert gestalteten Metallteilen wie Turbinen- oder Kompressorschaufeln oder diese aufweisenden Rotoren, wobei die Form auf Basis von Graphit und Bindemitteln zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die um das Modell (3) gefüllte Form (4) aus einer ausgehärteten und gebrannten Mause aus Graphitteilchen einer Korngröße von 0,074 bis 1,17 mm, vollständig oder teilweise mit der äquivalenten Menge Wasser «,amischtem oder hydrolysiertem Äthylsilikat als Bindemittel und Ammoniak, Ammoniumcarbonat oder Triäthanolamin als Härtungsmittel besteht und daß das Modell

(3) aus Harnstoff, einem Nitrat und einem wasserlöslichen oder in Wasser dispergierbaren organischen Material besteht und wasserlöslich ist.

2. Form und Modell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserlösliche oder in Wasser dispergierbare organische Material des Modells (3) wenigstens eines aus der Gruppe Polyvinylalkohol, Polyvinyipynolidon, Melamin, Natriumoxycarboxviat, p-Toluolsulfonsäureamid. Sorbit, Stärke, Zucker, Gummiarabikum, Cellulosederivat und Weizenmehl ist.