DK173646B1 - Infiltretet emne fremstillet ud fra partikler belagt med vandglas - Google Patents

Description

i DK 173646 B1

Opfindelsen angår et infiltreret emne fiemsuiiicL ud fra partikler belagt med et lag af vandglas. Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til fremstilling af sådanne emner.

5 Emner indeholdende partikler knyttet sammen af et bindemiddel anvendes inden for mange tekniske områder.

Navnlig ved støbning af metal- eller plastgenstande har sådanne emner fundet anvendelse som forme eller kerner. Sædvanligvis anvendes der partikler i form af kvarts-10 sand og bindemiddel i form af vandglas.

Vandglas som bindemiddel blev første gang anvendt til at sammenbinde kvartssand i støberier omkring 1920.

Ved denne fremgangsmåde blandes sand og en vandig opløsning af vandglas, hvorefter denne blanding fyldes 15 i en form og hærdes ved afdampning af vandet. Denne fremgangsmåde blev væsentligt forbedret omkring 1950 med udviklingen af C02-processen. Herved ledes C02-gas gennem den våde blanding af sand og vandglas, med henblik på at hærde bindemidlet. Kerner eller forme 20 opnået ved C02-processen er relativ porøse og styrken er svag.

I slutningen af I960'erne blev der udviklet selvhærdende bindemiddelsystemer. Hærdningen sker ved tilsætning af en organisk ester til den våde blanding 2 5 af sand og vandglas inden fyldning i en form.

I slutningen af 1970'erne blev der udviklet en tørringshærdningsproces, hvor energi fra varm luft, varm form eller mikrobølger bevirker hærdning af vandglasbindemidlet.

30 I starten af 1990'erne blev der af nærværende opfinder udviklet en hærdningsfremgangsmåde, hvor der blev gjort brug af indblæsning af varm luft i en ventileret form under anvendelse af en tretrins-tem-peraturcyclus. Se miljøprojekt nr. 189, Miljøstyrelsen.

35 Alle de ovenfor nævnte fremgangsmåder, hvori der 2 DK 173646 B1 anvendes vandglas som bindemiddel besidder imidlertid den ulempe, at strømningsegenskaberne af blandingen af sand, vandglas og vand er forholdsvis dårlige under fyldningen af formen. Dette bevirker, at blandingen vil 5 have en tendens til ikke at fordele sig i alle hulrummene af formen. De kendte processer, hvori der anvendes vandglas, er således begrænset til anvendelse i forbindelse med forme, som ikke udviser en detaljeret overflade.

10 I erkendelse af manglerne ved de kendte fremgangs måder opfandt nærværende opfinder en fremgangsmåde til fremstilling af partikler belagt med vandglas med et vægtmodul, dvs. Si02/Na20 forhold, på 1,8 til 3,5 samt emner der kan fremstilles af sådanne med vandglas 15 belagte partikler. Denne opfindelse er omhandlet af den på prioritetdagen for nærværende ansøgning endnu ikke offentligt tilgængelige internationale patentansøgning nr. PCT/DK97/00575.

Der er tidligere blevet foreslået fremgangsmåder 20 til fremstilling af partikler belagt med vandglas. I US patentskrift nr. 3074802 angives en fremgangsmåde til fremstilling af partikler belagt med vandglas der kan hærdes ved kontakt med C02. Ifølge den deri kendte teknik foretrækkes det at anvende et forhold for 25 Si02/Na20 på 0,5 til 1,2. Det foretrækkes især at anvende vandglas med et Si02/Na20 på 2/3.

Finsk fremlæggelsesskrift nr. 89565 vedrører sandkorn belagt med vandglas indeholdende en stabil mængde krystalvand. Det foretrækkes at anvende en 30 vandglas med et forhold for Si02/Na20 på 1 og indeholdende 5 eller 9 molekyler krystalvand. Der fremstilles et emne ved at opvarme partiklerne til over smeltepunktet for vandglasset. Smeltepunktet for et vandglas med et Si02/Na20 forhold på 1 og indeholdende 35 9 molekyler krystalvand er 49 °C.

3 DK 173646 B1

De i den kendte teknik anvendte typer vandglas har både en høj vandopløselighed og et lavt smeltepunkt der vil medføre at de vil disintegrerer ved kontakt med vandige opløsninger og varme væsker eller genstande.

5 Emnerne der kan opnås ifølge PCT/DK97/00575 har til mange formål en tilstrækkelig styrke. Eksempelvis egner emnerne sig fortrinligt som forme eller kerner til me tal støbning. Imidlertid er det til visse anvendelsesformål ønskeligt at have en højere styrke. Det 10 er følgeligt formålet med nærværende opfindelse at tilvejebringe sådanne emner med en forøget styrke samt at tilvejebringe en fremgangsmåde til fremstilling af emner med forøget styrke.

Dette formål opnås ifølge opfindelsen for et emne 15 fremstillet ud fra partikler belagt med et lag af vandglas, hvori vandglasset har et vægtmodul på mellem 1,8 og 3,5 og at emnet er infiltreret.

Ved betegnelsen "vandglas" skal der i nærværende beskrivelse med krav forstås lithium-, natrium- eller 20 kaliumsilicater. Lithium-, natrium- eller kaliumkomponenten (M20, M = Li, Na eller K) kan forekomme i varierende mængder i forhold til silicatkomponenten (Si02). Forholdet Si02/M20 betegnes vægtmodulet. Et vandglas med lavt vægtmodul er let opløselig i vand og 2 5 stærk basisk på grund af et højt indhold af den basiske komponent M20. Tilsvarende besidder et vandglas med højt vægtmodul, en mindre basisk karakter og en mindre vandopløselighed. Ved nærværende opfindelse anvendes vandglas med et vægtmodul på mellem 1,8 og 3,5 til be-30 lægning af partiklerne. Anvendes der vandglas med en lavere vægtmodul vil emnet helt eller delvist dis-integrerer under betingelserne for infiltrering. Endvidere foretrækkes det at M = Na. Med mindre andet er angivet i det følgende henvises der ved betegnelsen 35 "vandglas" til vandglas hvor M = Na.

4 DK 173646 B1

Partiklerne, der skal belægges med et lag af vandglas kan være ethvert materiale som vandglas kan binde sig til.

Eksempler på sådanne materialer er metalliske 5 materialer og keramiske materialer. Eksempler på anvendelige metalliske materialer omfatter aluminium, kobber, jern, wolfram, chrom, vanadium og mangan. Eksempler på keramiske materialer er Si02 (kvartssand),

Ti02, Zr02, Al203, CaO og MgO.

10 Størrelsen og størrelsesfordeling af partiklerne er ikke væsentlig for fremstillingen af de belagte partikler. Til brug i form- og kernekasser kan der anvendes partikler med en størrelse på fra 0,05 mm til 2,0 mm, især fra 0,10 til 0,60 mm. Til brug ved af-15 støbninger hvor der ønskes en høj detaljeringsgrad og en så nøjagtig gengivelse af modellen som muligt, kan der anvendes partikler med en diameter på fra 10 til 100 μτη. De valgte partikler kan have en bred eller en smal partikelstørrelsesfordeling eller partikelmassen 20 kan udgøres af såkaldte dobbeltsigtede partikler (dobbeltsigtet sand), hvori der optræder to toppunkter på kornkurven.

Partiklerne i emnet kan være knyttet sammen ved hjælp af laget af vandglas eller partiklerne kan være 25 sintret sammen, så en direkte kontakt mellem naboliggende partikler er til stede.

Emnet ifølge opfindelsen er fortrinsvis infiltreret med vandglas og/eller med et metal eller en metallegering. Alternativt kan emnet være infiltreret 30 med et bindemiddel, eksempelvis af epoxy-typen.

I tilfælde af, at emnet er infiltreret med vandglas vælges vandglassen således, at de ønskede opløsel ighedsegenskaber opnås. For vandglas med et vægt-modul på indtil ca. 3 er det muligt at opløse dette 35 umiddelbart ved kontakt med vand ved stuetemperatur 5 DK 173646 B1 inden for en overskuelig tidsperiode, medens vandglas med et vægtmodul på over ca. 3,0, f.eks. et vægtmodul på mellem 3,0 og 3,5, er tungtopløseligt i vand. Sædvanligvis ønskes der et bestandigt emne der ikke 5 opløses eller disintegreres ved høj luftfugtighed, eventuelt kombineret med en temperatur over almindelig stuetemperatur. Følgelig vælges almindeligvis en vandglas med et vægtmodul på mellem 3 og 4, fortrinsvis på mellem 3,0 og 3,5.

10 Til visse formål, navnlig til kerner der skal fjernes efter tilendebragt støbning, er det en fordel at anvende letopløseligt vandglas til infiltrering da sådanne kerne kan fjernes ved spuling med varmt vand.

Emner der relativt let opløses i vand er eksempelvis 15 infiltreret med en vandglas med et vægtmodul på mellem 1,8 og 3,0.

Ved infiltrering med vandglas opnås der, ud over en forøget styrke af emnet, en hel eller delvis udfyldning af porerne, således at der fremkommer en glat 20 overflade af emnet.

I tilfælde af, at emnet ifølge opfindelsen er infiltreret med metal eller en metallegering kan dette metal eller denne metallegering vælges vilkårligt blandt kendte metaller eller metallegeringer. Det fore-25 trækkes at anvende kobber eller en kobberholdig legering til infiltrering af emnet ifølge opfindelsen.

Især foretrækkes det at anvende en bronze, f.eks. indeholdende ca. 90 vægt% kobber og ca. 10 vægt% tin. Eksempler på anvendelige metaller der enten kan an-30 vendes alene eller i kombination som legeringer er aluminium, antimon, vismuth, cadmium, calcium, cobolt, kobber, guld, jern, bly, magnesium, mangan, kviksølv, nikkel, sølv, thallium, tin og zink.

Emnet ifølge opfindelsen kan have en vilkårligt 3 5 ydre form. På grund af, at partiklerne belagt med et 6 DK 173646 B1 lag af vandglas er meget letstrømmende i tør tilstand og lette at stampe ud i alle kaviteter af en form i let fugtig tilstand, kan der dannes emner som afstøbninger af originale modeller med en meget detaljerig over-5 flade. Eksempelvis kan emnet ifølge opfindelse være en positiv eller en negativ afstøbning af en model. En negativ afstøbning kan anvendes som form for fremstillingen af en kopi af den originale model, medens den positive afstøbning i sig selv udgør en hel eller 10 delvis kopi at den originale model.

Når emnet ifølge opfindelsen anvendes til jerneller metalstøbning, eller til sprøjtestøbning af plast kan emnet udgøre en form og/eller en kerne. Emnet ifølge opfindelsen kan også anvendes til andre formål, 15 såsom katalysatorer eller bærere for sådanne, gnistelektroder, elektroder til elektrolyse med videre.

Emnet ifølge opfindelsen kan fremstilles ved, at man tilvejebringer partikler belagt med et lag af vandglas med et vægtmodul på mellem 1,8 og 3,5 i en 20 form, hærder partikelmassen til et grønemne og infiltrerer grønemnet ved at tillade optagelse af et materiale på væskeform som efterfølgende udfældes.

Partiklerne belagt med et lag af vandglas fremstilles fortrinsvis ved at man 25 (a) tilvejebringer en blanding indeholdende partikler der skal belægges, vand og 0,1 - 5 vægt% vandglas, beregnet på basis af vægten af partiklerne, hvori vandglasset foreligger i opløst form, (b) omrører blandingen mekanisk, eventuelt under 30 tilførsel af varme fra en ekstern varmekilde og tillader vandet at fordampe herfra indtil mindst så meget af vandet er fordampet fra blandingen, at den ikke længere er klæbende.

Mængden af vand i blandingen i trin (a) afhænger 35 af flere faktorer, såsom den specifikke overflade, 7 DK 173646 B1 porøsiteten og den elektrostatiske natur af partiklerne, men er fortrinsvis mindst 0,1 vægt%, beregnet på vægten af partikler, der skal belægges. Der vælges typisk en mængde på 1 - 3 vægt% for at sikre en til-5 strækkelig fugtning af partiklerne. Mængden af vand overstiger fortrinsvis ikke 5 vægt%, da en tilsætning af vand ud over denne mængde ikke bidrager yderligere til fugtningen af overfladen af partiklerne, der skal belægges.

10 Mængden af vandglas i blandingen omfattende partikler, der skal belægges, vand og vandglas afhænger af faktorer såsom den ønskede tykkelse af belægningen og den specifikke overflade af partiklerne, der skal belægges. Der kan anvendes 0,1 - 5 vægt% vandglas, 15 beregnet på basis af vægten af partiklerne. Det foretrækkes i almindelighed at anvende 1-3 vægt%.

Blandingen i trin (a) tilvejebringes fortrinsvis ved at man: (al) sammenblander vand og partikler, der skal be-20 lægges, (a2) omrører denne blanding således, at vandet fordeles jævnt i partikelmassen (a3) tilsætter 0,1-5 vægt% vandglas til denne blanding, og 25 (a4) fortsætter omrøringen til vandglasset er jævnt fordelt og opløst.

I trin' (a3) sættes vandglasset fortrinsvis til blandingen i fast form, idet det foretrækkes at anvende partikelformig fast vandglas fremstillet ved forstøv-3 0 ningstørring.

Det har vist sig hensigtsmæssigt at foretage en omrøring under hele forløbet af fremstillingen af partiklerne belagt med et lag af vandglas. Denne omrøring foregår mekanisk, fortrinsvis under anvendelse 35 af roterende vinger. Omrøringshastigheden er afpasset 8 DK 173646 B1 således, at det sikres, at der ikke dannes hærdede klumper af partikler, der efterfølgende må knuses.

Da klæbetendensen af blandingen, under fordampningen af vandet herfra, stiger kraftigt, har det vist 5 sig hensigtsmæssigt at anvende en beholder af plast til blandingen, hvortil vandglasset har ringe tendens til at klæbe. Omrøringen foretages fortrinsvis med en sådan intensitet at blandingen varmes op således at vandet fordamper. Om ønsket kan der, for at forøge fordamp-10 ningshastigheden, tilføres varme fra en ydre kilde og/eller foretages fordampning under vacuum. Om ønsket kan de anvendte partikler være forvarmede inden blandingen med vand og vandglas. Dette er særlig fordelagtigt, hvis det anvendte vandglas er tungt opløselig, 15 dvs. besidder et vægtmodul fra 3,0 til 4,0, hvor det foretrækkes at opvarme partiklerne til en temperatur på indtil 100°C, fortrinsvis 80 - 90°C, inden partiklerne blandes med vand og vandglas.

Det må påses under blandingen, at der ikke fore-20 ligger klumper af enten sand eller vandglas inden væsentlig afdampning af vandet tillades. Under afdampningen af vandet fra blandingen stiger viskositeten heraf og blandingen bliver efter en tid klæbrig, hvorved partiklerne får en tendens til dels at klæbe 25 til hinanden, dels at klæbe til det anvendte apparatur. Omrøringen må tilpasses denne klæbetendens, således at der forhindres en for kraftig indbyrdes binding af partiklerne til hinanden. Når vandindholdet i laget af vandglas er faldet til under det laveste niveau, hvor 30 binding er mulig mellem partiklerne, falder viskositeten igen. Omrøringen kan fortsættes til al vandet er fordampet, og de tørre partikler belagt med et lag af vandglas foreligger, men de fugtige og ikke-klæbende belagte partikler kan udtages på et tidligere tids-35 punkt, hvis dette ønskes. Det har uventet vist sig, at 9 DK 173646 B1 sådanne med vandglas belagte partikler udviser fremragende strømningsegenskaber, både i tør form og i let fugtig, men ikke klæbende, form.

Det antages, at disse strømningsegenskaber opnås, 5 både som følge af, at belægningen af vandglas er glat og hård, og som følge af at de belagte partikler under tørringen udøver en påvirkning på hverandre således, at de fremkomne belagte partikler har en mere afrundet form i forhold til de ubelagte partikler.

10 Grønemnet kan fremstilles ved at man (c) tilvejebringer partiklerne belagt med vandglas i en form, (d) drager omsorg for at vand til aktivering af vandglas er tilstede i partikelmassen, og 15 (e) hærder de med vandglas belagte partikler i formen til et grønemne ved tilførsel af energi fra en kilde herfor.

Partiklerne belagt med vandglas kan tilvejebringes i formen på en vilkårlig valgt måde. Ved en første 20 foretrukken udførelsesform fyldes partiklerne løst i en form, hvorefter formen vibreres let for at opnå en fyldning af alle hulrum af formen, og for at opnå en tæt og homogen pakning. Ved en sådan vibrering, vil de mindre partikler søge ud mod overfladen af partikelmas-25 sen og herved øge tætheden af grønemnets overflade.

Efter vibrering af de løst ifyldte partikler kan der eventuelt efter-vibreres under påvirkning af partiklerne med et egnet tryk med for eksempel et lod for at fremme en tættere pakning af partiklerne.

30 Ved en anden foretrukken udførelsesform tilveje bringes partiklerne belagt med vandglas i formen ved at partiklerne, båret af en luftstrøm, blæses ind i formen. Bæreluftstrømmen undslipper gennem ventiler i formen, og partiklerne vil blive pakket i formen under 35 indflydelse af trykket af luftstrømmen.

10 DK 173646 B1

Ved endnu en foretrukken udførelsesform kan partiklerne belagt med vandglas tilvejebringes i formen ved at partiklerne ekstruderes ind i formen ved en proces betegnet "impact moulding". Ved denne proces 5 stødes partiklerne ind i formen under påvirkning af et stort tryk, der f.eks. kan udøves af pludselig frigivet trykluft.

Ved endnu en foretrukken fremgangsmåde tilvejebringes let fugtige partikler belagt med et lag af io vandglas i en form, idet der drages omsorg for at de fugtige belagte partikler udfylder alle kaviteter af formen, for eksempel ved at stampe partikelmassen eller ved at vibrere formen med partikelmassen som beskrevet ovenfor. Denne fremgangsmåde har den fordel at den 15 nødvendige mængde vand til aktivering allerede foreligger i partikelmassen.

Ved tilstedeværelse af vand i partikelmassen og ved tilførsel af energi fra en kilde herfor, vil vandglasset aktiveres således, at der dannes et sammen-20 hængende grønemne. Der må derfor drages omsorg for, at der er vand til aktivering af vandglasset til stede i partikelmassen. Dette vand kan f.eks. være til stede som krystalvand, tilføres som vanddamp eller de anvendte partikler kan være opfugtet med en mindre mængde 25 vand inden fyldningen af formen, f.eks. fra 0,1 til 0,7 vægt% vand, fortrinsvis ca. 0,3 vægt%. Energikilden for hærdningen kan for eksempel være en kilde for mikrobølger eller højfrekvente bølger, varm luft, konvektionsvarme eller damp.

30 Ved en første foretrukken udførelsesform, ledes damp gennem de tørre partikler belagt med vandglas tilvejebragt i en form for at aktivere vandglaslaget. Herefter tilføres trykluft ved en temperatur på 160 -200°C for at bevirke en yderligere opvarmning af de 35 belagte partikler og en begyndende fordampning af 11 DK 173646 B1 vandet. Herefter sænkes temperaturen til 80 - 160°C for at fjerne vandet fra det fremstillede grønemne. Eventuelt kan der slutteligt anvendes en tryklufttemperatur på 0 - 80°C for at bevirke afkøling af grønemnet og 5 formen. Under befugtningen af de med vandglas belagte partikler i formen med damp, må det påses, at der opfugtes i det væsentlige homogent i alle områder af formen uden af vandglasset skylles af partiklerne.

Ved en variant af denne udførelsesform anvendes 10 der partikler belagt med vandglas, som er fugtet med vand, eksempelvis fugtet med indtil 0,7 vægt% vand i stedet for damp til opfugtning af de belagte partikler.

Trykket af trykluften og varigheden af de forskellige temperaturperioder varierer i afhængighed af mængden af 15 vand anvendt til opfugtning, størrelsen af grønemnet, mængden af anvendt vandglas med videre, og sådanne perioder kan bestemmes af fagmanden på området ved rutineforsøg. En typisk fordeling af længden af de forskellige temperaturer ved fremstilling af et emne på 20 10 kg, hvor partiklerne er kvartssand med en middelkornstørrelse på 0,30 mm belagt med en vandglasmængde på 0,8 vægt% (modul 2,0) og opfugtet med en vandmængde på 1 vægt% er følgende for et lufttryk på 700 kPa: 10 sekunder trykluft ved en temperatur på 160 - 200°C, 30 25 sekunder ved en temperatur på 80 - 160°C, og 20 sekunder ved stuetemperatur. Ved ændringen af temperaturen har det vist sig fordelagtigt at opretholde samme tryk for at undgå brud af grønemnet.

Ved en anden foretrukken udførelsesform hærdes 30 partiklerne belagt med vandglas ved hjælp af mikrobølger eller højfrekvente bølger. Det nødvendige vand til aktivering af vandglasset kan være til stede som krystalvand i vandglaslaget, kan tilføres ved at anvende fugtige partikler med et vandindhold på ek-35 sempelvis 0,1 til 0,7 vægt% eller kan tilvejebringes 12 DK 173646 B1 ved tilførsel af vanddamp. Med hensyn til sidstnævnte mulighed har det vist sig muligt at opnå hærdning af et emne ved at anbringe en form indeholdende partikler belagt med vandglas i en mikrobølgeovn, hvor indfyld-5 ningsåbningen af formen vender mod et vædet trækpapir.

En tredje foretrukken udførelsesform er at anvende forme som tilføres varme ved konvektion, f.eks. ved anbringelse af formene i en ovn, ved anbringelse af formene på en varmeplade eller ved anvendelse af en 10 form med varmekappe. Hvis formen indeholdende en fugtig partikelmasse varmebehandles i en ovn anvendes der fortrinsvis en ovn med luftcirkulation for at sikre en mere ensartet fordeling af varmen og dermed en mere ensartet hærdning af grønemnet. Ovnen er fortrinsvis 15 opvarmet til en temperatur på fra 130°C til 200°C. Varigheden af varmebehandlingen i ovnen afhænger af grønemnets størrelse og godstykkelse.

Uanset hvilken af de nævnte tre udførelsesformer, der anvendes til hærdning af et grønemne opnås der et 20 emne omfattende et større antal partikler som er knyttet sammen ved hjælp af laget af vandglas. Det har overraskende vist sig, at det er muligt at fremstille grønemner, som ikke svinder væsentlig under hærdningen, således, at der kan opnås et i det væsentlige fuldstæn-25 digt nøjagtigt aftryk af formen. Denne egenskab er særlig fordelagtig, når der skal foretages aftryk af en model med henblik på at fremstille et emne, der kan anvendes som form for fremstillingen af i det væsentlige identiske kopier af modeller.

30 Det er endvidere muligt at fremstille et grønemne, der er et aftryk af en model, hvor aftrykkets størrelse enten er større eller mindre end modellens overflade ved at regulere temperaturen af modellen. Denne egenskab kan med fordel udnyttes, hvis modellen, der skal 35 kopieres er en sliddel, hvor det ønskes at opnå en 13 DK 173646 B1 overstørrelseskopi.

Det har vist sig, at et grønemne fremstillet af metalpartikler belagt med vandglas, ikke kan lede strøm, hvilket er en indikation af belægningens fuld-5 stændighed omkring partiklerne.

Grønemnet kan om ønsket, i et efterfølgende trin, opvarmes til en temperatur på eller over temperaturen for sintring af partiklerne, således at der opnås en direkte kontakt mellem partiklerne. Den direkte kontakt 10 mellem partiklerne bevirker, at styrken af grønemnet øges, og at der opnås en større modstandsdygtighed over for påvirkning med vand eller damp. Den valgte temperatur for sintringen afhænger af hvilket materiale kernen består af. Typisk vil der vælges en temperatur på ΙΟΙ 5 40° C, især 15-30 °C over minimumstemperaturen for sintring af partiklerne uden tilstedeværende vandglas.

Tiden for sintringen overstiger fortrinsvis ikke en sådan, at grønemnet destabiliseres.

Inden grønemnet infiltreres kan det om ønsket 20 bearbejdes således, at den ønskede udformning opnås.

Grønemnet ifølge opfindelsen kan infiltreres ved en fremgangsmåde hvor man bringer grønemnet i kontakt med en opløsning af vandglas, således at en del af opløsningen op-25 tages deri, varmebehandler grønemnet hvori der er optaget en opløsning af vandglas, således at vandglasset udfældes, og eventuelt gentager de foregående trin til opnåelse af et 30 infiltreret emne.

Opløsningen af vandglas er sædvanligvis en vandig opløsning af vandglas på grund af den ringe sundhedsskadelige virkning, men kan være andre organiske eller uorganiske opløsningsmidler, hvori vandglas er oplø-35 selig. Da opløsningsmidlet i opløsningen skal fjernes 14 DK 173646 B1 i det efterfølgende trin foretrækkes det at anvende en opløsning med et relativt højt indhold af vandglas. En opløsning indeholdende vandglas og vand i vægtforholdet 1:2 har vist sig egnet. Vandglassen kan have et høj 5 eller et lavt vægtmodul afhængig af om det infiltrerede emne skal bibringes henholdsvis lav eller høj vand-opløselighed. I tilfælde af, at emnet skal bibringes en lav vandopløselighed har vandglas med et vægtmodul på mellem 3,0 og 4,0, især 3,0 og 3,5 vist sig egnet.

10 Grønemnet kan bringes i kontakt med en opløsning af vandglas på en vilkårlig valgt måde. Eksempelvis kan grønemnet sprøjtes eller pensles med opløsningen eller kan neddyppes i opløsningen.

Grønemnet kan infiltreres delvis eller fuldstændig 15 med opløsningen af vandglas. Ved en delvis infiltrering vil opløsningen af vandglas trænge ind i det ydre lag af grønemnet således, at der opnås et forstærket skal omkring emnet. Ved en fuldstændig infiltrering fortrænges al luft i grønemnet og erstattes’af opløsningen 20 af vandglas, således at der opnås et emnet der i hele sin godstykkelse er forstærket. Ved delvis infiltrering kan indtrængningsdybden eksempelvis reguleres ved den 'tid i hvilken grønemnet er neddyppet i opløsningen af vandglas. Hvis der ønskes en delvis infiltrering kan 25 grønemnet neddyppes i opløsningen af vandglas i 1-20 sekunder, fortrinsvis 2-10 sekunder. I tilfælde af at grønemnet ønskes neddyppet i længere tid i opløsningen af vandglas er det tilrådeligt, at laget af vandglas omkring partiklerne er af en i opløsningsmidlet tungt 30 opløselig vandglas, således at en desintegration af grønemnet undgås.

Grønemnet, hvori der er optaget en opløsning af vandglas, kan varmebehandles på en vilkårlig måde der sikrer, at vandglasset udfældes i grønemnet.· Ved 35 varmebehandlingen fordamper opløsningsmidlet og vand- 15 DK 173646 B1 glasset bliver tilbage i emnet, hvor det understøtter strukturen af emnet. Ved varmebehandlingen kan der også ske en frigørelse af eventuelt tilstedeværende krystalvand.

5 Varmebehandlingen foregår sædvanligvis ved en temperatur på fra 100 til 250°C, fortrinsvis ved en temperatur på fra 120 til 180°C. Den valgt temperatur ved hvilken varmebehandlingen foregår afhænger blandt andet af den anvendte vandglas, idet vandglas med 10 forskellige vægtmoduler kan have krystalvand som frigøres ved forskellige temperaturer. Det kan være ønskeligt at varmebehandle ved en højere temperatur end nævnt ovenfor for at frigøre eventuelt tilstedeværende krystalvand, især hvis det infiltrerede emne påtænkes 15 anvendt ved forhøjede temperaturer.

Ved infiltrering med vandglas opnås et infiltreret emne med forøget styrke. Dette skyldes primært at vandglasset i infiltreringsvæsken aflejres i den porøse struktur af grønemnet. Ved afdampning af opløsningsmid-20 let under varmebehandlingen opnås et porøst infiltreret emne ifølge opfindelsen der kan anvendes til mange formål, eksempelvis til jern- og metalstøbning.

En yderligere forøgelse af styrken kan opnås ved at blande opløsningen af vandglas med et metalpulver 25 med en diameter som er mindre end porediameteren af grønemnet. Herved opnås en opslæmning af metalpulver i opløsningen af vandglas. Når grønemnet bringes i kontakt med opløsningen af vandglas med opslæmmede metalpartikler vil metalpartikler og vandglas infil-30 trere grønemnet og udfældes deri ved den efterfølgende varmebehandling.

Det kan være ønskeligt at opnå et emne med en ikke-porøs overflade. Dette kan opnås ved at gentage de ovenfor nævnte trin, det vil sige bringe det én gang 35 infiltrerede emne i kontakt med en opløsning af vand- 16 DK 173646 B1 glas og efterfølgende varmebehandle. Overfladen af det to eller flere gange infiltrerede emne er glat og ikke-porøs og kan derfor med fordel anvendes som formværktøj til eksempelvis plastsprøjtestøbning.

5 Ved en anden foretrukken udførelsesform af frem gangsmåden ifølge opfindelsen infiltreres grønemnet med et metal eller en metallegering.

Fortrinsvis infiltreres grønemnet ved, at man bringer grønemnet i kontakt med et smeltet metal 10 eller en smeltet metallegering, således at smel tet metal eller metallegering optages i grønemnet , afkøler grønemnet indeholdende smeltet metal eller metallegering til udfældelse af metallet 15 eller metallegeringen, og eventuelt gentager de foregående trin til opnåelse af et infiltreret emne.

Sædvanligvis infiltreres grønemnet ved at dette anbringes i en ovn i fysisk kontakt med metallet i fast 20 tilstand. Det foretrækkes at anvende en brikette indeholdende sammenpresset metalpulver. Varmebehandlingen i ovnen følger normalt et to-trins forløb, idet der mellem de to trin kan være indskudt et sintringstrin. I et første trin er ovnen foropvarmet til en 25 temperatur under smeltepunktet af metallet til infiltrering for at sikre at kernetemperaturen af emnet er tilstrækkelig høj. I et andet trin opvarmes til eller over metallets eller metallegeringens smeltepunkt, hvorved metallet vil flyde ind i grønemnets 30 porer. Varigheden af det første og andet trin afhænger blandt andet af grønemnets godstykkelse.

Sintringstrinnet, som eventuelt er indskudt mellem de to nævnte trin, kan foretages ved at opvarme til en temperatur på eller over en sådan temperatur, hvor der 35 vil foregå sintring mellem partiklerne omgivet af 17 DK 173646 B1 vandglas. Varigheden af sintringstrinnet overstiger ikke en sådan, hvor grønemnet destabiliseres i væsentlig grad.

Grønemnet har fortrinsvis i det væsentlige samme 5 temperatur som smeltetemperaturen af metallet eller metallegeringen, eller en højere temperatur under infiltreringen. Herved opnås at metallet eller metallegeringen fuldstændigt infiltrerer grønemnet således, at hele den porøse struktur af grønemnet styrkes. Hvis der 10 kun ønskes en indtrængning i de ydre lag af grønemnet kan kernetemperaturen af grønemnet holdes på en lavere temperatur end smeltetemperaturen af metallet eller metallegeringen til infiltrering.

Det kan være nødvendigt at støtte grønemnet under 15 infiltreringen heraf, da vandglas bliver blød ved opvarmning til smeltepunktet for mange metaller eller metallegeringer til infiltrering. Eksempelvis har vandglas et blødgøringspunkt på 640°C for et vægtmodul på 3. Det faktisk smeltepunkt for vandglas er imid-20 lertid over smeltepunktet for de fleste metaller eller metallegeringer af interesse. Det er således almindeligvis en forudsætning for et vellykket resultat, at der vælges et metal eller en metallegering til infiltrering med et smeltepunkt under smeltepunktet for 25 den valgte vandglas som partiklerne er belagt med.

Ved fuldstændig infiltrering af grønemnet med metal eller metallegering anvendes der fortrinsvis et overskud af infiltrerende metal eller metallegering for at sikre den fuldstændige infiltrering. Inden det 30 infiltrerede grønemne afkøles med henblik på udfældelse af metal eller metallegering drages der i almindelighed omsorg for, at overskydende metal/metallegering fjernes fra emnet.

Grønemnet kan infiltreres med metal eller metalle-35 gering ved enhver metode kendt af fagmanden på området.

18 DK 173646 B1 eksempelvis som beskrevet i Metals Handbook, 9. udgave, bind 7, side 551-566.

I det følgende skal opfindelsen illustreres med eksempler. Eksemplerne må ikke betragtes for begrænsen-5 de for beskyttelsesomfanget som defineret i kravene.

EKSEMPLER

Eksempel 1

Fremstilling af partikler af rustfrit stål belagt 10 med vandglas.

6,0 kg partikler af rustfrit stål med et partik-kelstørrelsesområde fra 22 til 53 πιμ blev afvejet og anbragt i en cylindrisk plastbeholder med en diameter på 200 mm og en højde på 190 mm. Plastbeholderen blev 15 forsynet med en omrører omfattende en central akse hvorfra der udstrakte sig fire vinger. Længden af vingerne var 95 mm. Omrøreren blev startet og indstillet til en omdrejningshastighed på 450 omdrejninger per minut.

2 0 Under omrøring blev der sat 180 ml vand langsomt til partiklerne og der blev blandet i ca. 1 min for at fordele vandet i partiklerne. Herefter blev der til blandingen af partikler og vand sat 180 g fast vandglas med et vægtmodul på 2,0. Der blev iagttaget en praktisk 25 taget øjeblikkelig opløsning af vandglasset.

Omrøringen blev fortsat i ca. 45 minutter, som kunne inddeles i to perioder.

Periode 1: 0-30 minutter efter tilsætning af 30 vandglas opvarmedes blandingen af den mekaniske energi som tilføres fra omrøreren og vand blev tilladt frit at dampe af;

Periode 2: 30 - 45 minutter efter tilsætning af vandglas var fordampningen af vandet så fremskreden at 35 vandglasset begyndte at blive klæbrigt og der blev 19 DK 173646 B1 iagttaget en tendens til dannelse af løstsammenhængende agglomerater. Mod slutningen af intervallet aftog klæbrigheden igen for blandingen da mængden af vandet i blandingen faldet til under laveste bindeniveau og 5 agglomeraterne blev slået i stykker af omrøringen. Vandindholdet af blandingen var ca. 0,7 vægt% ved afslutningen af periode.

Det opnåede produkt blev i mikroskop iagttaget at have en jævn og glat belægning af vandglas, hvilket 10 blev antaget at være årsagen til den iagttagne let-strømmende egenskab.

Eksempel 2

Fremstilling af emne omfattende partikler af 15 rustfrit stål belagt med vandglas.

De vandholdige vandglasbelagte partikler af rustfrit stål opnået i eksempel 1 blev fyldt i en form og stampet så det blev sikret at alle kaviteter blev udfyldte. Formen var af silikone og var en afstøbning 20 af en genstand hvoraf der ønskedes en kopi. Formen var cylindrisk med en diameter på 41,1 mm og med et mønster i bunden.

Formen fyldt med de vandglasbelagte partikler blev indsat i en ovn ved 150°C i 4 0 min. Herefter blev 25 formen udtaget og afkølet til stuetemperatur. Det opnåede grønemne udviste samme dimensioner som den oprindelige genstand som formen var en afstøbning af.

Vægten af grønemnet var 100 g.

30 Eksempel 3

Fremstilling af emne infiltreret med vandglas.

Grønemnet opnået i eksempel 2 blev i fire sekunder fuldstændigt nedsænket i en opløsning af én del vandglas (Crossfield P60) med et vægtmodul på 3,2 og to 35 dele vand. Herved blev der optaget 4 vægt% af opløs- 20 DK 173646 B1 ningen af vandglas i grønemnet. Emnet indeholdende opløsningen af vandglas blev herefter sat i en ovn ved 150°C i 40 min.

Det afkølede behandlede emne blev igen fuldstæn-5 digt nedsænket i den ovennævnte opløsning af vandglas i fire sekunder. Herved blev der optaget 2 vægt% af opløsningen af vandglas. Emnet indeholdende opløsningen af vandglas blev herefter sat i en ovn ved 150°C i 40 min.

10 Der blev opnået et infiltreret emne med en glat overflade som var egnet til anvendelse i forbindelse med plastsprøjtestøbning. Vægten af det infiltrerede emne var 102 g. Trykstyrken af det infiltrerede emne var omtrent 10 gange højere end trykstyrken af grønem- 15 net. Ved overskæring af det infiltrerede emne blev det iagttaget, at der ved infiltreringen var blevet dannet en skal af vandglas som var trængt ind i de ydre lag af emnet.

20 Eksempel 4

Fremstilling af emne infiltreret med vandglas oa metalpartikler.

Der blev fremstillet en opløsning indeholdende 1 del vandglas, vægtmodul 3,2 og 2 dele vand. Til denne 2 5 opløsning blev der sat jernpulver med en diameter på 1- 40 μτη, således at der fremkom en opslæmning.

Et grønemne som opnået i eksempel 2, men fremstillet ud fra partikler af jern med en diameter på 40- 3 0 100 μΜ, blev penslet med opslæmningen. Emnet blev herefter anbragt i en ovn ved 130°C i 40 min.

Efter afkøling af emnet blev dette sprøjtet med en opløsning af vandglas (modul 3,2) og vand i vægtforholdet 1:2. Emnet blev anbragt i en ovn ved 130°C i 40 35 min.

21 DK 173646 B1

Der blev opnået et emne infiltreret med både vandglas og jernpulver. Overfladen af emnet var glat. Trykstyrken var højere end for emnet fremstillet i eksempel 3.

5

Eksempel 5

Fremstilling af emne fuldstændigt infiltreret med vandglas.

Grønemnet opnået i eksempel 2 blev fuldstændigt 10 nedsænket i en opløsning af én del vandglas (Crossfield P60) med et vægtmodul på 3,2 og to dele vand indtil al luft var blevet fortrængt. Emnet indeholdende opløsningen af vandglas blev herefter anbragt i en kold ovn med luftcirkulation for at hærde overfladen i 15 min.

15 I løbet af 30 min blev ovnen indeholdende det infiltrerede emne opvarmet til 130°C.

Eksempel 6

Fremstilling af emne infiltreret med metal.

2 0 I en keramikdigle blev der anbragt en brikette bestående af sammenpresset bronzepulver. Bronzen indeholdt 90 vægt% Cu og 10 vægt% tin. Grønemnet blev anbragt oven på briketten og det hele blev underkastet en foropvarmning i en ovn ved en temperatur på 700°C i 25 20 min. Herefter blev temperaturen hævet og en temperatur på 1120°C blev opretholdt i 20 min, hvorved bronzen smeltede og trængte ind i grønemnet.

Efter afkøling viste det sig, at emnet var blevet fuldstændigt infiltreret. Vægten af det infiltrerede 30 emne var 165 g. Det infiltrerede emne kunne modstå trykstyrker på mere end 250 MPa.

Claims (21)

1. Emne fremstillet ud fra partikler belagt med et lag af vandglas, hvori vandglasset har et vægtmodul på mellem 1,8 og 3,5 og emnet er infiltreret.

2. Emne ifølge krav 1, hvori partiklerne er knyttet sammen ved hjælp af laget af vandglas.

3. Emne ifølge krav 1, hvori partiklerne er sintret sammen, så en direkte kontakt mellem nabolig-gende partikler er til stede.

4. Emne ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 3, hvori det er infiltreret med vandglas.

5. Emne ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 4, hvori det er infiltreret med et vandglas med et vægt-modul på mellem 3,0 og 4,0, fortrinsvis mellem 3,0 og 15 3,5.

6. Emne ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 5, hvori det er infiltreret med et metal eller en metallegering .

7. Emne ifølge krav 6, hvori det er infiltreret 20 med kobber eller en kobberholdig legering.

8. Fremgangsmåde til fremstilling af et emne, ved hvilken man tilvejebringer partikler belagt med et lag af vandglas med et vægtmodul på mellem 1,8 og 3,5 i en form, hærder partikelmassen til et grønemne og in- 25 filtrerer grønemnet ved at tillade optagelse af et materiale på væskeform som efterfølgende udfældes.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, hvori partiklerne belagt med et lag af vandglas fremstilles ved, at man (a) tilvejebringer en blanding indeholdende partikler 30 der skal belægges, vand og 0,1 - 5 vægt% vand glas, beregnet på basis af vægten af partiklerne, hvori vandglasset foreligger i opløst form, (b) omrører blandingen mekanisk, eventuelt under tilførsel af varme fra en ekstern varmekilde og 35 tillader vandet at fordampe herfra indtil mindst DK 173646 B1 så meget af vandet er fordampet fra blandingen, at den ikke længere er klæbende.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 8 eller 9, hvori grønemnet fremstilles ved at man 5 (c) tilvejebringer partiklerne belagt med vandglas i en form, (d) drager omsorg for at vand til aktivering af vandglas er tilstede i partikelmassen, og (e) hærder de med vandglas belagte partikler i formen 10 til et grønemne ved tilførsel af energi fra en kilde herfor.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 8, hvori trin (e) efterfølges af et sintringstrin, hvorved grønemnet opvarmes til en sådan temperatur, at partiklerne 15 sintres sammen, således at der opnås en direkte kontakt mellem partiklerne.

12. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 8 til 11, hvori materialet på væskeform til infiltrering er en opløsning af vandglas.

13. Fremgangsmåde ifølge krav 12, hvori opløs ningen af vandglas er vandig og vandglasset besidder et vægtmodul på fra 3,0 til 4,0.

14. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 8 til 13, hvori man 25. bringer grønemnet i kontakt med en opløsning af vandglas, således at en del af opløsningen optages deri, varmebehandler grønemnet hvori der er optaget en opløsning af vandglas, således at vandglasset 30 udfældes, og eventuelt gentager de foregående trin til opnåelse af et infiltreret emne.

15. Fremgangsmåde ifølge krav 14, hvori opløsningen af vandglas indeholder opslæmmet metal- eller 35 DK 173646 B1 metaloxidpulver med en diameter som er mindre end porediameteren af grønemnet.

16. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 8 til 15, hvori varmebehandlingen foregår ved en tem- 5 peratur på fra 100 til 250°C, fortrinsvis ved en temperatur på fra 120 til 180°C.

17. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 8 til 11, hvori materialet til infiltrering er et metal eller en metallegering, eksempelvis kobber eller en 10 kobberholdig legering.

18. Fremgangsmåde ifølge krav 8 eller 17, hvori man bringer grønemnet i kontakt med et smeltet metal eller en smeltet metallegering, således at smel-15 tet metal eller metallegering optages i grønem net , afkøler grønemnet indeholdende smeltet metal eller metallegering til udfældelse af metallet eller metallegeringen, og eventuelt 20 - gentager de foregående trin til opnåelse af et infiltreret emne.

19. Fremgangsmåde ifølge krav 18, hvori emnet, når det bringes i kontakt med det smeltede metal eller den smeltede metallegering, i det væsentlige har samme 25 temperatur, eller en højere temperatur, som smeltetemperaturen af metallet eller metallegeringen.

20. Infiltreret emne opnåeligt ifølge et vilkårligt af kravene 8 til 19.

21. Anvendelse af emnet ifølge krav 1-7 eller 20 30 som en kerne eller en form til jern- og metalstøbning eller plaststøbning.