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Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Gießformen für den Präzisionsguß
von Metallen und Metallegierungen Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung
feuerfester Formen, die speziell für den Guß von hochschmelzenden Metallen und Legierungen
dienen sollen, z. B. von Stahl und rostfreien Stählen, Nichteisenlegierungen, wie
Kobalt-Chrom-Legierungen, Platin, Platin-Iridium oder Platin-Rhodium-Legierungen.
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Es ist bekannt, daß beim Guß von hochschmelzenden Legierungen feuerfeste
Formmassen verwendet werden müssen, welche die Schmelztemperaturen der Legierungen
aushalten. Kieselsäure ist einer der wichtigsten feuerfesten Bestandteile. Andere
feuerfeste Bestandteile sind z. B. Aluminiumoxyd, Zirkon, gemahlene Silicasteine,
gemahlene Magnesiasteine und geschmolzene Magnesia. Außer der richtigen Auswahl
der feuerfesten Bestandteile ist noch ein Bindemittel erforderlich, das die feuerfesten
Bestandteile miteinander verbindet.
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Als Bindemittel sind z. B. organische Silikate, insbesondere Tetraäthylsilikat,
bekannt. Während der Gebrauch solcher organischer Silikate als Bindemittel für die
Formmasse Vorteile beim Gießen kleiner Teile hat, hat er aber auch gewisse Nachteile
bei der Massenherstellung von größeren Präzisionsgußteilen. Diesen organischen Silikaten
muß man z. B. Äthylalkohol, Aceton oder ein anderes feuergefährliches Lösungsmittel
zur Verdünnung zusetzen. Weitere Nachteile sind z. B. die hohen Gestehungskosten
dieser organischen Silikate und die komplizierte Technik ihrer Anwendung.
Andere
Bindemittel, wie kolloidale Kieselsäurelösungen, haben zwar Vorteile vor den organischen
Silikaten, doch sind sie nicht vollkommen alkalifrei, wodurch die Feuerfestigkeit
der Formmasse absinkt. Zudem schwanken kolloidale Kieselsäurelösungen meist in ihren
Eigenschaften; sie sind verhältnismäßig unstabil und verändern ihre Eigenschaften
während der Lagerung. Diese Veränderungen können sie als Bindemittel für feuerfeste
Formmassen ungeeignet machen.
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Ein weiteres wichtiges Problem bei der Herstellung von Gießformen
für den Präzisionsguß besteht darin, eine äußerst feine Innenschicht der Gießform
zu erzielen, die mit der heißen Metallschmelze in Berührung kommt und bei deren
Erstarren sich eine sehr genaue Nachbildung des Modells ergibt. Außerdem muß diese
Schicht sehr fest und gleichmäßig mit der Hauptmasse der Gießform verbunden sein,
damit sie beim Gießen nicht abblättern kann oder anderweitig beschädigt wird, was
zu Fehlern auf dem Gußstück führen würde.
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Erfindungsgemäß erfolgt nun die Herstellung der Gießform für den Präzisionsguß
in der Weise, daß man das Modell aus einem zerstörbaren Material, insbesondere aus
Wachs, zunächst mit einer Schicht aus feinkörnigen feuerfesten Stoffen und einem
wäßrigen alkalischen Bindemittel überzieht, worauf man dann eine oder mehrere weitere
Schichten aufträgt unter Verwendung einer Formmasse aus feinverteilten feuerfesten
Stoffen und einer schwach sauren Kieselsäuresollösung als Bindemittel, wie man sie
aus einem wäßrigen Alkalisilikat unter Zusatz von mindestens so viel Säure, daß
alles Alkali als Salz der zugesetzten Säure gebunden wird, erhält. Anschließend
läßt man die Form in üblicher Weise abbinden, worauf das Wachs ausgeschmolzen und
die Form weiter getrocknet und gebrannt wird, so daß sie verwendungsbereit ist.
Dieses Verfahren hat den großen Vorteil, daß man einerseits eine außerordentlich
feste und gleichmäßige Bindung der Gießschicht an der Hauptformmasse erzielt und
daß auch die Hauptformmasse außerordentlich gleichmäßig und genau einstellbar ist,
da nur wenig überschüssige Säure in dem Bindemittel vorhanden ist und vor allem
dafür gesorgt ist, daß kein freies Alkali in der abgebundenen Masse vorhanden ist,
durch das der Brennvorgang beeinträchtigt werden könnte.
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Das Auftragen der einzelnen Massen erfolgt im allgemeinen nach dem
an sich bekannten Tauchverfahren. Das Bindemittel mit schwach saurer Reaktion für
die Hauptformmasse wird aus zwei Standardlösungen, z. B. einer Lösung A, bestehend
aus Salzsäure, Salpetersäure oder Phosphorsäure, und einer zweiten Lösung B, bestehend
aus Natriumsilikat, hergestellt. Diese beiden Lösungen werden in einem solchen Verhältnis
gemischt, daß alles Alkalimetall in ein Alkalisalz der betreffenden Säure übergeführt
wird und die Kieselsäuresollösung eine schwach saure Reaktion zeigt.
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Das Bindemittel nach der vorliegenden Erfindung ist ein nicht brennbares
und sehr billiges Material, da es aus Wasser und billigen Stoffen, wie Natriumsilikat
und Salzsäure, hergestellt wird. Das vorliegende Bindemittel kann jeweils genau
auf einen ganz bestimmten Säurewert eingestellt werden, der die Abbinde- und Geliereigenschaften
der Bindemittel-Füllstoff-Mischung genau festlegt. Diese genaue Regelung der Abbinde-
und Gelier-, eigenschaften wird dadurch erreicht, da.ß man von Standardlösungen
ausgeht, die dann auf die genauen Säurewerte gemischt werden. Diese Genauigkeit
der Regelung der Abbinde- und Ge-liereigenschaften steht in direktem Gegensatz zu
den bekannten, als Bindemittel benutzten Natriumsilikatlösungen. Es ist bisher sehr
schwierig gewesen, die Abbindezeit von Natriumsilikat genau zu regeln, da entweder
eine Neigung zu vorzeitiger Gelierung und Klumpenbildung besteht oder aber sehr
lange Gelierzeiten entstehen.
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Das vereinigte Bindemittel enthält keine freien alkalisch reagierenden
Stoffe, wie N atriumhydroxyd oder Natriumsilikat, welche die Feuerfestigkeit der
Form beeinträchtigen könnten. Solche alkalischen Stoffe haben die Neigung, mit den
feuerfesten Bestandteilen der Formmasse zu reagieren und bei hohen Temperaturen
niedrigschmelzende Eutektika zu bilden und auf diese Weise die Feuerfestigkeit der
Formmasse herabzusetzen.
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Gegenüber fertiger kolloidaler Kieselsäure erzielt man erfindungsgemäß
den weiteren Vorteil, daß das Bindemittel zu jeder Zeit gleichmäßig hergestellt
werden kann. Bei fertiger kolloidaler Kieselsäure bestehen jedoch stets Unterschiede
im Alkaligehalt und in den Geliereigenschaften bei den verschiedenen Chargen.
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Bei einer bisher gebräuchlichen Natriumsilikatlösung als Bindemittel
für feuerfeste Formen tritt zusätzlich zu einer Reaktion mit der Tauchummantelung
auch noch eine Neigung zur Krustenbildung auf den Formen auf, was dazu führt, daß
in der Form sehr harte Stellen und sehr weiche Stellen nebeneinander auftreten.
Dies ergibt eine ungleichmäßige feuerfeste Gießform. Das erfindungsgemäße verwendete
Bindemittel weist diese Nachteile nicht auf, und die damit hergestellten Gießformen
sind durchweg gleichmäßig.
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Für den alkalischen Überzug kann eine Masse mit nachstehender Zusammensetzung
verwendet werden
| Wasser ...................... 29o ccm |
| Glycerin ..................... 45 ccm |
| Konzentrierte Wasserglaslösung i8o ccm |
| Octylalkohol . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3 ccm |
| 7,5°/oiges Kohlenwasserstoff- |
| sulfonat ................... 7,5 |
| Gepulverter Quarz . . . . . . . . . . . . i,og kg |
Für die Formmasse mit einem Bindemittel aus einer Kieselsäuresollösung mit schwach
saurer Reaktion für den zweiten Überzug seien nachstehend einige Beispiele gegeben.
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Beispiel i Zur Veranschaulichung der Herstellung eines sauren Bindemittels'
seien Natriumsilikat als
wasserlösliches Silikat und Salzsäure als
Säure gewählt.
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Es wurde eine Salzsäurelösung A so hergestellt, daß für das Titrieren
von 25 ccm dieser Lösung mit i n-Na O H 38 ± - i o ccm benötigt wurden, mit Methylorange
als Indikator.
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Es wurde eine Natriumsilikatlösung B so hergestellt, daß 25 ccm dieser
Lösung beim Titrieren mit i n-H Cl 28 ± - io ccm benötigten, mit Methylorange als
Indikator.
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So 1 der Salzsäurelösung werden in ein Mischgefäß mit Rühreinrichtung
eingebracht, und dann werden 53 1 Natriumsilikatlösung zugegeben, während gleichzeitig
sehr stark gerührt wird. Die sich ergebende Flüssigkeit ist das fertige Bindemittel,
von dem beim Titrieren mit i n-Na O H i oo ccm 8,oo ± - io ccm erfordern, wobei
Methylorange als Indikator benutzt wird.
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Beispiel 2 Eine Säurelösung A wird hergestellt aus einer Mischung
von 30 Volumina konzentrierter Salzsäure und 70 Volumina Wasser. Die
wasserlösliche Silikatlösung B setzt sich zusammen aus 25% Natriumsilikat (enthaltend
ungefähr 6,4% Nag O und 24,7% Si 02) und 75 Volumprozent Wasser. 25 ccm der Silikatlösung
werden 25 ccm der Säurelösung zugefügt.
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Beispiel 3 Eine Säurelösung A wird bereitet, indem zu 40 Volumina
konzentrierter Salzsäure 6o ccm Wasser zugegeben werden. Eine Silikatlösung B wird
bereitet, die 50% Natriumsilikat (mit einem Gehalt von ungefähr 6,4% Na. 0 und 24,7)/o
S'02) und 50% Wasser enthält. Gleiche Volumina beider Lösungen werden gemischt.
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Beispiel 4 Gleiche Volumina von 5C/oiger Phosphorsäurelösung A und
der in dem vorigen Beispiel erwähnten Silikatlösung B werden gemischt und können
genauso verwendet werden wie das Bindemittel des vorhergehenden Beispiels.
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Beispiel s Genau wie im ersten Beispiel wird eine Lösung von Natriumsilikat
B hergestellt, und dazu wird eine Lösung von Salpetersäure mit der gleichen Normalität
wie die der Salzsäurelösung im ersten Beispiel hergestellt. 42 goo ccm Salpetersäurelösung
werden mit 53 300 ccm Natriumsilikatlösung gemischt. Man erhält ein Bindemittel
mit einem Neutralisationswert io,i n - Na0 H je ioo ccm, wobei Methylorange als
Indikator verwendet wurde.
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Um die Gießflächen von feuerfesten Formen mit einem Überzug zu versehen,
wird zunächst das Modell mit einer feuerfesten Bindemittelinischung mit alkalischer
Reaktion, z. B. durch Eintauchen, überzogen unter Bildung eines gleichmäßigen glatten
Überzuges auf dem Modell. Dieser Überzug wird getrocknet, dann wird das so überzogene
Modell mit einer feuerfesten Formmasse und dem in den vorstehenden Beispielen erwähnten
Bindemittel mit schwach saurer Reaktion umgeben. Man läßt den Überzug mit dem Modell
darin abbinden und entfernt dann das Modell aus der so erhaltenen Form.
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Zur Herstellung von Formmassen für die vorliegende Erfindung für ein
einfaches Überziehen oder Tauchen wird eine entsprechende Menge zerkleinertes feuerfestes
Material mit dem Bindemittel vermischt. Vorzugsweise wird auf etwa o,o7 mm oder
feiner gemahlene Kieselsäure verwendet. Eine feingemahlene feuerfeste Masse erzeugt
einen glatten iTberzug, sehr glatte Gußteile und die größte Genauigkeit der Wiedergabe
von Einzelteilen des Modells. Andere feuerfeste Stoffe, wie geschmolzener Quarz,
geschmolzenes Aluminiumoxyd, Zirkon, Zirkonerde, Mullit, geschmolzene Magnesia,
können ebenfalls verwendet werden.
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Um einen schmiegsamen Überzug herzustellen, wird der Formmasse vorzugsweise
etwas Glycerin zugesetzt. Dank seinem hygroskopischen Charakter verhindert dieses
ein schnelles Trocknen des Überzugs und infolgedessen ein Abblättern oder Absplittern
der Gießschicht vom Modell. Die Glycerinmenge kann im allgemeinen klein sein, sie
kann aber auch bis zu 2o% des flüssigen Bindemittels betragen. In der flüssigen
Bindemittelmasse soll die Silikatkomponente, bezogen auf Alkalisilikat als Ausgangsmaterial,
mindestens io%, vorzugsweise 10 bis 400/0, betragen. Die saure Komponente, die j
a in einem geringen Überschuß vorhanden sein muß, kann bis zu 25 % betragen.
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Um einen glatten Überzug des Modells mit der feuerfesten Mischung
zu sichern, wird vorzugsweise ein Netzmittel, z. B. `ein Kohlenwasserstoffsulfonat,
in der' Mischung angewendet. Dessen Menge kann von ungefähr o,oi bis ungefähr i,o%
des Gesamtgewichtes variieren. Natriumdioctylsulfosuccinat, Sulfonate höherer Alkohole
oder ähnliche Stoffe können ebenfalls verwendet werden.
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Zuviel Netzmittel kann zur Blasenbildung der Überzugsmasse führen,
würde sich wiederum in rauhen Gußoberflächen auswirken und soll daher vermieden
werden.
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Um die Blasenbildung auf ein Minimum herabzusetzen, wird vorzugsweise
ein schaumverhütendes Zusatzmittel, wie Octylalkohol, angewendet, aber es können
auch andere Schaumverhütungsmittel, wie Gemische aliphatischer Ester, angewendet-werden.
Der Gehalt an diesen Beimengungen kann von ungefähr o,oi bis ungefähr o,io% schwanken.
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Beispiele für Überzugsmassen mit schwach saurer Reaktion für das Verfahren
nach vorliegender Erfindung sind folgende: Beispiel 6
| Feuersteinpulver . . . . . . . . . . . . 10,4 kg |
| Wasser ..................... 2830 ccm |
| Glycerin .................... 225 ccm |
| Konzentrierte Wasserglas- |
| lösung ................... 1350 ccm |
| ioo/oige Salzsäure . . . . . . . . . . . 65o ccm |
| Kohlenwasserstoffsulfonat .... 75 ccm |
| Octylalkohol ................ 5 ccm |
Beispiel 7
| Feuersteinpulver ............ 10,4 kg |
| Wasser ..................... 29oo ccm |
| Glycerin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 ccm |
| Konzentrierte Wasserglas- |
| lösung ................... 900 ccm |
| ioo/oige Salzsäure . . . . . . . . . .. 650 ccm |
| Oetylalkoho,l . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ccm |
| Kohlenwasserstoffsulfonat .... 75 ccm |
Beispiel 8
| Wasser ..................... 29o ccm |
| Glycerin .................... 45 ccm |
| Konzentrierte Wasserglas- |
| lösung ................... 9o ccm |
| Salzsäure (4,q.2 Gewichts- |
| prozent) .................. 65 ccm |
| Octylalkohol ................ 0,3 ccm |
| 7,5o/oiges Kohlenwasserstoff- |
| sulfonat .................. 7,5 ccm |
| Gepulverter Quarz . . . . . . . . . . 1,04 kg |
Beispiel 9
| Wasser ..................... 29o ccm |
| Glycerin .................... 45 ccm |
| Konzentrierte Wasserglas- |
| lösung ................... 9o ccm |
| Salzsäure (4,q.2 Gewichts- |
| prozent) ......:?........... 65 ccm |
| Octylalkohol . . . . . . . . . . . . . : . . 0,3 ccm |
| 7,5o/oiges Kohlenwasserstoff- |
| sulfonat .................. 7,5 ccm |
| Gepulverter Quarz . . . . . . . . . . 1,04 kg |
Das beschriebene saure Bindemittel erfordert wegen seines Wassergehaltes ziemlich
sorgfältiges Trocknen, um das in der äußeren Formmasse (Zweitform) in großer Menge
verbleibende Wasser zu entfernen. Dies steht in direktem Gegensatz zu Formen, die
etwa mit Tetraäthylsilikat als Bindemittel bereitet wurden, da diese im wesentlichen
eine Alkoholkieselsäurelösung darstellen und der in dem Bindemittel anwesende Alkohol
verhältnismäßig leicht verfliegt, so daß die als Bindesubstanz dienende Kieselsäure
sich absetzt. Auf das langsame Trocknen der mit dem sauren Bindemittel nach der
Erfindung hergestellten Formen wird besonders hingewiesen, um die Entwicklung von
Dampf zu verhüten, der die Form zerbrechen oder in anderer Weise vorzeitig beschädigen
könnte. Ein typischer Troeknungszyklus für solche Formen kann etwa der folgende
sein: Ein Vortrocknen der Formen während etwa 5 Stunden bei 55 bis 6o° C, dann ein
langsames Steigern der Temperatur im Trockenofen bis auf 85 bis 95° C, wobei die
Steigerung der Temperatur 25° C in der Stunde nicht überschreiten darf. Diese Trocknung
wird dann 32 Stunden lang fortgesetzt. Ein solcher Trocknungsv organg gestattet
die Entfernung alles überschüssigen Wassers, ohne die Form zu beschädigen, und bringt
die Kieselsäure in einen Zustand, in dem eine enge Bindung der feuerfesten Bestandteile
der Form erfolgt, so daß das darauffolgende Ausbrennen der Form bei erhöhter Temperatur
bis zur vollständigen Entfernung des Wachses und zur sonstigen Vorbereitung der
Form für die Aufnahme der geschmolzenen Legierung durchgeführt werden kann.
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Bei der Herstellung der äußeren Formmasse, die zur Herstellung des
eigentlichen Formkörpers dient, zum Unterschied von dem Überzug auf der Oberfläche
der Gießhöhlung, wird der feuerfeste Bestandteil mit dem Bindemittel nach der Erfindung
bis auf Gießkonsistenz gemischt. Die Mischung des feuerfesten Füllstoffes und des
Bindemittels wird vorzugsweise um das Modell herum unter Rütteln eingefüllt, und
dann wird die Form auf eine zweite Schüttelmaschine gesetzt, wo sie so lange verbleibt,
bis eine dichte Lagerung erzielt ist. Durch diese Rüttelweise wird alle eingeschlossene
Luft entfernt, und der feuerfeste Bestandteil kann sich setzen und verdichten unter
Bildung eines dichten Körpers für die Form.
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Das Rütteln soll eine dichte Lagerung durch Bewegung des Materials
ergeben. Auf der ersten Rüttelmaschine wird so lange vibriert, bis das Material
dicht gelagert und die meiste Luft entfernt ist. Auf der zweiten Rüttelmaschine
wird verhältnismäßig leicht und in senkrechter Richtung gerüttelt, bis eine vollständige
dichte Lagerung eingetreten ist. Vorzugsweise wird das Rütteln fortgesetzt, bis
alle Luft entfernt ist und bis fast keine Flüssigkeit mehr nach oben steigt.
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Als widerstandsfähiges Füllmaterial für die äußere grobe Umhüllung
können beliebige feuerfeste Füllstoffe verwendet werden, z. B. Quarz einer Körnung
von etwa o,i8 bis 0,05 mm. Der Füllstoff kann auch aus verschiedenen Korngrößen
zusammengesetzt werden, um die Oberflächenwirkung zu regeln. Ein Gemisch verschiedener
Korngrößen kann auch verwendet werden, um eine Mischung herzustellen, die auf der
Rüttelmaschine sehr dicht werden kann, oder damit keine Schrumpfrisse vorkommen.