EP0065996B1 - Keramikauskleidung für Metallgiessformen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
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- B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
- B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
Definitions
- the invention relates to linings for metal casting molds made of ceramic material for producing flat metal bodies, which are inserted as a negative mold in the respective parts of a metal casting mold.
- the invention also relates to a method for producing the linings for metal casting molds according to the preamble of claim 3.
- the aim of the measure according to the invention is to optimize the structures of flat metal bodies, ie the parts should be thinner and more uniform, in particular since the production of battery grids is always from the point of view of reducing costs and. Performance improvement is done. Ceramic foils produced by casting are suitable for particularly thin linings.
- a method for producing such grids in particular from lead or lead alloys for electrical accumulator plates, is disclosed in FR-A No. 2069572, the surfaces of the mold which are in contact with the melt being made of silicon nitride.
- Such ceramic linings are fixed in the form by metallic support plates made of cast iron.
- the ceramic material is pressed and sintered into a negative mold, the negative molds being inserted into the respective parts of the casting mold.
- these ceramic linings are relatively thick, so that heat dissipation from the melt is very slow, which hinders production in large numbers. Uniform cooling is also not possible due to the measures described.
- One tries to remedy this disadvantage by placing a thin metal foil with high thermal conductivity between the mentioned parts made of silicon nitride and the support plates made of cast iron.
- the object of the invention is therefore to provide a multi-part ceramic lining for metal casting molds of the type mentioned at the outset, which ensures rapid heat dissipation of the melting energy.
- the ceramic lining should be easy and quick to replace and improve the quality of the cast with regard to a uniform and thinner structure.
- Another object of the invention is to provide an expedient manufacturing process using ceramic foils for such linings of metal casting molds.
- the metal casting molds can be produced more cost-effectively, since the copy milling of the negative lattice structure or the post-processing of the metal casting mold is no longer necessary.
- the ceramic linings themselves can be changed quickly and easily; the shape accuracy of the ceramics increases the capacity of the casting system. This aspect is particularly important in view of the current efforts to optimize these lattice structures, i.e. to make them thinner and more even.
- the ceramic lining is produced in accordance with known processes with regard to film production, cutting / punching and sintering.
- the ceramic foils are manufactured according to the doctor blade process, the foil thickness being between 0.4 and 1.2 mm.
- individual layers of film can be laminated together before or after embossing.
- Laminating is understood to mean the connection of individual foils under pressure and optionally temperature by means of a laminating agent which has essentially the same composition as the foil material itself.
- the individual foils or foil packages are embossed according to the invention by means of a heatable die at a pressure of 5 to 100 bar and temperatures of 20 to 120 ° C. According to the invention, the organic components are subsequently heated at approximately 300 to 500 ° C.
- the embossed laminate is pre-sintered at approx. 1000 to 1100 ° C.
- a finishing or application of a thermal protective layer to the metal casting mold is no longer necessary, which is the case at the Technology often led to errors in the production of metal grids.
- cleaning is no longer necessary if the protective layer is damaged or has worn out over time.
- the ceramic linings produced according to the invention also result in a reduction in rejects and thus a significant improvement in the economics of the process, since the ceramics used are not wetted by lead and its alloys, as well as other metals and alloys that are suitable for the production of lattices. Any lattice structure can also be produced in the simplest way by embossing.
- the ceramic negative mold 1 shown in FIG. 1 is produced either by embossing a film or by dry pressing a ceramic granulate. For special applications, e.g. for the production of grids for accumulators, it has a rectangular shape. The thickness of the ceramic lining is over 0.5 mm. A change in the angled shape either in a circular or elliptical shape is easily possible by merely modifying the embossing device.
- the negative mold 1 contains three edge sides 2 and an upper part 3, from which the casting takes place here. On the later casting side there are numerous depressions 12 which later result in the lattice structure of the cast object 11 and projections 4 which result in the openings of the later lattice.
- the projections 4 optionally have stomata 5 so that the air can escape during the casting process.
- the depressions 12 have a semicircular or angular cross section, the depth of these depressions 12 being half the thickness of the grid to be produced, e.g. 0.6 mm for the frame or 0.4 mm for the grid network.
- FIG. 2 Two variations of the embodiment result from the section along the line A-B of FIG. 1.
- FIG. 2 not only the depressions 12 and elevations 4 on the casting side can be seen, but also the rib-shaped structure 8 of the rear wall.
- the rib-shaped structure with a width e.g. from 0.7 to 2 mm, a rib height e.g. up to 1.5 mm and a rib spacing of e.g. 1.5 to 5 mm serves to enlarge the surface and thus for better heat dissipation and also as a positioning aid when fitting the ceramic lining into the metal mold 6, 7.
- the rear wall has cooling channels 9 for the immediate cooling of the cast metal body after casting.
- the dimensions of the channels are e.g. 0.4 x 0.4 mm to 2 x 2 mm, the web width between the individual channels e.g. 0.4 to 1 mm.
- the mold for the production of a metallic grid is shown in Fig. 4.
- the casting mold consists of a divided metallic outer mold 6, 7, in which the divided ceramic negative molds 1 are inserted.
- the liquid metal runs over the pouring funnel 10 into the optionally preheated negative mold 1 lined with ceramic.
- the ceramic negative molded parts 1 can also have a plurality of pins, holes or embossed depressions, so that the ceramic lining can be positioned precisely in the casting mold. After solidification, the metal mold is opened and the metal body is removed.
- the ceramic lining according to the invention is partly produced by known processes. It encompasses the following process steps: mass preparation, film production using the doctor blade process, punching / cutting the film to the required dimensions, laminating the individual films together to the required thickness of the ceramic lining, stamping the film, heating the organic Ingredients and sintering. If further processing is required in addition to the embossing process, pre-sintering is carried out after baking, processed and only then sintered.
- the solids content of the casting compound for the aluminum titanate film is between 60 to 95% by weight, the proportion of organic constituents such as plasticizers, plasticizers and binders correspondingly 40 to 50% by weight.
- solvent-based films or water films are produced.
- solvent-containing foils e.g. with trichlorethyleneethanol as solvent and polyvinylbutyral as binder
- the stamping itself is carried out with a die at temperatures between 20 and 120 ° C and pressures between 5 and 100 bar. In the example mentioned above, this process step takes place at 20 ° C. and 30 bar.
- the ratio of embossing depth to film thickness essentially depends on the composition of the film, but can be, for example, 3: 1.
- the corresponding positioning aids are also generated during the embossing process.
- the organic components are burned out at temperatures between 300 to 500 ° C., the temperature-time program to be selected being determined by the type and amount of the organic components used.
- the sintering process takes place at temperatures between 1300 and 1500 ° C, for example between 1300 and 1400 ° C for aluminum titanate.
- This ceramic lining described essentially has a flat back. If the surface of the back is to be enlarged in order to improve the heat flow after the casting process, ribs can be created on the back when embossing the negative mold by replacing the smooth upper punch of the die with a stamp with the corresponding rib structure.
- the creation of channel-shaped structures on the back of the ceramic lining for indirect cooling of the cast metal body is carried out in an analogous manner, but a second embossed film with a rib structure and a smooth back must be produced here, which is then subsequently made with the embossed film, which has the negative form and the rib structure on the back, is laminated together. After this process, the organic components are then heated and the ceramic components are sintered as described.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf Auskleidungen für Metallgiessformen aus keramischem Material zur Erzeugung von flachen Metallkörpern, die als Negativform in die jeweiligen Teile einer Metallgiessform eingesetzt sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Auskleidungen für Metallgiessformen gemäss Oberbegriff von Anspruch 3. Mit der erfindungsgemässen Massnahme wird bezweckt, die Strukturen flacher Metallkörper zu optimieren, d.h., die Teile sollen dünner und gleichmässiger sein, insbesondere, da die Fertigung von Akkumulatorengitter stets unter dem Gesichtspunkt der Kostensenkung und der . Verbesserung der Leistung erfolgt. Für besonders dünne Auskleidungen eignen sich keramische Folien, die durch Giessen hergestellt werden.
- Ein Verfahren zur Herstellung solcher Gitter, insbesondere aus Blei oder Bleilegierungen für elektrische Akkumulatorplatten, geht aus der FR-A Nr. 2069572 hervor, wobei die Oberflächen der Form, die mit der Schmelze in Kontakt stehen, aus Siliziumnitrid bestehen. Solcher Art keramische Auskleidungen werden in der Form durch metallische Stützplatten fixiert, die aus Gusseisen bestehen. Unter anderem wird das keramische Material zu einer Negativform gepresst und gesintert, wobei die Negativformen in die jeweiligen Teile der Giessform eingesetzt sind. Diese keramischen Auskleidungen sind aber relativ dick, so dass eine Wärmeabfuhr der Schmelze nur sehr langsam erfolgt, wodurch eine Produktion in hohen Stückzahlen behindert wird. Auch eine gleichmässige Kühlung ist durch die beschriebenen Massnahmen nicht möglich. Diesen Nachteil versucht man zu beheben, indem man eine dünne Metallfolie mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen den erwähnten Teilen aus Siliciumnitrid und den Stützplatten aus Gusseisen legt.
- Aufgabe der Erfindung ist daher, eine mehrteilige keramische Auskleidung für Metallgiessformen der eingangs genannten Art zu schaffen, die für einen schnellen Wärmeabfluss der Schmelzenergie sorgt. Dabei soll die keramische Auskleidung leicht und schnell auswechselbar sein und die Qualität des Abgusses hinsichtlich einer gleichmässigen und dünneren Struktur verbessern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines zweckmässigen Herstellungsverfahrens mittels keramischer Folien für derartige Auskleidungen von Metallgiessformen.
- Diese Aufgabe ist gemäss Kennzeichenteil von Anspruch 1 gelöst; in verfahrenstechnischer Hinsicht werden die in Anspruch 3 enthaltenen Merkmale zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagen.
- Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
- Es sei noch bemerkt, dass neben der guten Temperaturwechselbeständigkeit des hier ausgewählten keramischen Werkstoffes Aluminiumtitanat durch die Nichtbenetzbarkeit dieses Werkstoffes durch Blei, Bleilegierungen und andere für die Metallkörperherstellung in Betracht kommende Metalle und Metallegierungen ein Ankleben der gegossenen Metallkörper an der Giessform vermieden wird. Insgesamt ist festzustellen, dass bei Verwendung von keramischen Auskleidungen die Metallgiessformen kostengünstiger herstellbar sind, da das Kopierfräsen der negativen Gitterstruktur bzw. die Nachbearbeitung der Metallgiessform nicht mehr notwendig ist. Die Keramikauskleidungen selbst lassen sich leicht und schnell auswechseln; die Formtreue der Keramik bringt eine Kapazitätserhöhung der Giessanlage mit sich. Dieser Aspekt ist besonders wichtig im Hinblick auf die derzeitigen Bemühungen, diese Gitterstrukturen zu optimieren, d.h. sie dünner und gleichmässiger herzustellen.
- Die Herstellung der Keramikauskleidung erfolgt bezüglich der Folienherstellung, des Schneidens/Stanzens und des Sinterns nach bekannten Verfahren. Die Keramikfolien werden nach dem Doctor-Blade-Verfahren hergestellt, wobei die Folienstärke zwischen 0,4 bis 1,2 mm beträgt. Je nach den Erfordernissen-stärke und Struktur der Keramikauskleidung - können einzelne Folienlagen vor oder nach dem Prägen zusammenlaminiert werden. Unter Laminieren wird das Verbinden einzelner Folien unter Druck und gegebenenfalls Temperatur mittels eines Laminiermittels verstanden, das im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das Folienmaterial selbst hat. Das Prägen der Einzelfolien oder Folienpakete erfolgt erfindungsgemäss mittels einer heizbaren Matrize mit einem Druck von 5 bis 100 bar und Temperaturen von 20 bis 120° C. Das Ausheizen der organischen Bestandteile erfolgt erfindungsgemäss anschliessend bei ca. 300 bis 500° C. Bei Keramikauskleidungen, die einer Nachbearbeitung bedürfen, erfolgt ein Vorsintern des geprägten Laminats bei ca. 1000 bis 1100° C. Mit diesem Verfahren wird in höchst vorteilhafter Weise erreicht, dass ein Schlichten bzw. Auftragen einer thermischen Schutzschicht auf die Metallgiessform nicht mehr notwendig ist, die beim Stand der Technik häufig zu Fehlern bei der Produktion von Metallgittern führte. Ausserdem fällt das Säubern weg, wenn die Schutzschicht beschädigt ist oder sich im Laufe der Zeit verschlissen hat. Durch die erfindungsgemäss hergestellten Keramikauskleidungen ergibt sich auch eine Verringerung des Ausschusses und damit wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, indem die verwendeten Keramiken von Blei und dessen Legierungen wie auch anderen für die Gitterherstellung in Frage kommenden Metallen und -legierungen nicht benetzt werden. Auch jede beliebige Gitterstruktur ist auf einfachste Weise durch Prägen herstellbar.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 : Keramikauskleidung für die Giessform in Draufsicht.
- Fig. 2: Schnitt gemäss der Linie A- B gemäss den Ausführungsformen mit gerippter Rückwand.
- Fig. 3: Schnitt gemäss der Linie A-B, wobei die Rückwand Kühlkanäle aufweist.
- Fig. 4: Gesamtansicht der Giessform mit eingelegten Keramikauskleidungen.
- Die in Fig. 1 dargestellte keramische Negativform 1 wird entweder durch Prägen einer Folie oder durch Trockenpressen eines keramischen Granulats hergestellt. Für besondere Anwendungsfälle, z.B. für die Herstellung von Gittern für Akkumulatoren, weist sie eine rechtwinkelige Form auf. Die Dicke der Keramikauskleidung liegt über 0,5 mm. Eine Änderung der gewinkelten Form entweder in eine Kreis- oder Ellipsenform ist ohne weiteres möglich, indem lediglich die Prägevorrichtung modifiziert wird. Die Negativform 1 beinhaltet dabei drei Randseiten 2 sowie ein Oberteil 3, von dem hier der Einguss erfolgt. Auf der späteren Giessseite befinden sich zahlreiche Vertiefungen 12, die später die Gitterstruktur des gegossenen Gegenstandes 11 ergeben sowie Vorsprünge 4, die die Öffnungen des späteren Gitters ergeben. Die Vorsprünge 4 weisen gegebenenfalls Spaltöffnungen 5 auf, damit während des Giessvorganges die Luft entweichen kann. Die Vertiefungen 12 haben je nach Struktur des herzustellenden Gitters einen halbrunden oder eckigen Querschnitt, wobei die Tiefe dieser Vertiefungen 12 die Hälfte der Stärke des herzustellenden Gitters beträgt, z.B. 0,6 mm beim Rahmen bzw. 0,4 mm beim Gitternetzwerk.
- Zwei Variationen der Ausführungsform ergeben sich aus dem Schnitt längs der Linie A-B der Fig. 1. In Fig. 2 sind nicht nur die Vertiefungen 12 und Erhöhungen 4 auf der Giessseite zu sehen, sondern auch die rippenförmige Struktur 8 der Rückwand. Die rippenförmige Struktur mit einer Breite z.B. von 0,7 bis 2 mm, einer Rippenhöhe z.B. bis 1,5 mm und einem Rippenabstand von z.B. 1,5 bis 5 mm dient zur Oberflächenvergrösserung und damit zur besseren Wärmeableitung wie auch zusätzlich als Positionierungshilfe beim Einpassen der Keramikauskleidung in die Metallgiessform 6, 7.
- In Fig. 3 dagegen weist die Rückwand Kühlkanäle 9 zur unmittelbaren Kühlung des gegossenen Metallkörpers nach dem Giessen auf. Die Abmessungen der Kanäle betragen z.B. 0,4 x 0,4 mm bis 2 x 2 mm, die Stegbreite zwischen den einzelnen Kanälen z.B. 0,4 bis 1 mm.
- Die Giessform für die Herstellung eines metallischen Gitters ist in Fig. 4 dargestellt. Die Giessform besteht aus einer geteilten metallischen äusseren Form 6, 7, in der die geteilten keramischen Negativformen 1 eingesetzt sind. Das flüssige Metall läuft über den Eingusstrichter 10 in die gegebenenfalls vorgewärmte, mit Keramik ausgekleidete Negativform 1. Die keramischen Negativformteile 1 können auch mehrere Stifte, Löcher oder eingeprägte Vertiefungen aufweisen, so dass eine genaue Positionierung der Keramikauskleidung in der Giessform möglich ist. Nach dem Erstarren wird die Metallgiessform geöffnet und der Metallkörper entnommen.
- Die Herstellung der erfindungsgemässen Keramikauskleidung erfolgt teilweise nach bekannten Verfahren. Sie umfasst folgende Verfahrensschritte: die Masseaufbereitung, die Folienherstellung nach dem Doctor-Blade-Verfahren, das Stanzen/ Schneiden der Folien auf die erforderlichen Abmessungen, das Zusammenlaminieren der einzelnen Folien bis zur erforderlichen Stärke der Keramikauskleidung, das Prägen der Folie, das Ausheizen der organischen Bestandteile und das Sintern. Ist ausser dem Prägevorgang noch eine weitere Bearbeitung erforderlich, wird nach dem Ausheizen vorgesintert, bearbeitet und dann erst gesintert.
- Der Feststoffgehalt der Giessmasse für die Aluminiumtitanatfolie beträgt zwischen 60 bis 95 Gew.-%, der Anteil der organischen Bestandteile wie Weichmacher, Plastifizierungs- und Bindemittel entsprechend 40 bis 50 Gew.-%. Bei der Auswahl der Ausgangsrohstoffe ist darauf zu achten, ob lösungsmittelhaltige Folien oder Wasserfolien hergestellt werden. Bei lösungsmittelhaltigen Folien, die z.B. mit Trichloräthylenäthanol als Lösungsmittel und Polyvinylbutyral als Bindemittel hergestellt sind, ist es notwendig, die Folien vor dem Prägen mit einer Lösung ungesättigter Carbonsäuren oder mit ölhaltigen Flüssigkeiten zu weichen. Das Prägen selbst erfolgt mit einer Matrize bei Temperaturen zwischen 20 und 120° C und Drücken zwischen 5 und 100 bar. Beim oben erwähnten Beispiel erfolgt dieser Verfahrensschritt bei 20° C und 30 bar. Das Verhältnis von Prägetiefe zu Folienstärke hängt im wesentlichen von der Zusammensetzung der Folie ab, kann aber beispielsweise 3:1 betragen. Beim Prägevorgang werden auch die entsprechenden Positionierungshilfen mit erzeugt.
- Das Ausbrennen der organischen Bestandteile erfolgt bei Temperaturen zwischen 300 bis 500° C, wobei das zu wählende Temperatur-Zeit-Programm von der Art und Menge der verwendeten organischen Bestandteile bestimmt wird. Der Sinterprozess erfolgt bei Temperaturen zwischen 1300 und 1500°C, bei Aluminiumtitanat beispielsweise zwischen 1300 und 1400° C.
- Diese beschriebene Keramikauskleidung weist im wesentlichen eine flache Rückseite auf. Soll die Oberfläche der Rückseite vergrössert werden, um den Wärmeabfluss nach dem Giessvorgang zu verbessern, können beim Prägen der Negativform gleichzeitig Rippen auf der Rückseite erzeugt werden, indem der glatte Oberstempel der Matrize durch einen Stempel mit der entsprechenden Rippenstruktur ersetzt wird. Die Erzeugung von kanalförmigen Strukturen auf der Rückseite der Keramikauskleidung zur indirekten Kühlung des gegossenen Metallkörpers erfolgt in analoger Weise, jedoch muss hier eine zweite geprägte Folie mit Rippenstruktur und glatter Rückseite hergestellt werden, die dann anschliessend mit der geprägten Folie, die die Negativform und die Rippenstruktur auf der Rückseite aufweist, zusammenlaminiert wird. Nach diesem Vorgang werden dann die organischen Bestandteile ausgeheizt und die Keramikkomponenten wie beschrieben gesintert.
Claims (4)
1. Auskleidungen (1) für Metallgiessformen (6, 7) aus keramischem Material, zur Erzeugung von flachen Metallkörpern, die als Negativform in die jeweiligen Teile einer Metallgiessform (6, 7) eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform der Auskleidung (1) an der Rückwand eine rippenartige Struktur (8) besitzt und Kühlkanäle (9) aufweist.
2. Auskleidungen für Metallgiessformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als keramischer Werkstoff Aluminiumtitanat verwendet ist.
3. Verfahren zur Herstellung von Auskleidungen (1) für Metallgiessformen (6, 7) aus keramischem Material gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine keramische Folie gegossen wird, die Folien auf Rohmass gestanzt oder geschnitten werden und nach der Formgebung bei 1300 bis 1500° C gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien in einer Matrize bei 20 bis 120° C und einem Druck von 5 bis 100 bar geprägt werden und danach die organischen Bestandteile wie Binder, Plastifizierungsmittel und Weichmacher der Folie bei 300 bis 500° C ausgebrannt werden.
4. Verfahren zur Herstellung von Auskleidungen für Metallgiessformen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Lösungsmittelbasis hergestellte keramische Folie vor dem Prägen in einer Öl- oder einer ungesättigte Carbonsäuren enthaltenden Lösung geweicht wird.
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