EP0125510B1 - Verfahren zur Herstellung von Präzisionsgüssen - Google Patents

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EP0125510B1
EP0125510B1 EP84104214A EP84104214A EP0125510B1 EP 0125510 B1 EP0125510 B1 EP 0125510B1 EP 84104214 A EP84104214 A EP 84104214A EP 84104214 A EP84104214 A EP 84104214A EP 0125510 B1 EP0125510 B1 EP 0125510B1
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Fritz Fässle
Siegmund Stadler
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BK Giulini Chemie GmbH
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Giulini Chemie GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/15—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using vacuum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening

Definitions

  • the present invention relates to a new process for the production of castings with sharp detail reproduction and high measuring accuracy according to a new molding process, as well as the precision casting produced with this molding process.
  • the new molding process is particularly suitable for high-melting metals and alloys.
  • Molding processes for high-melting metals are known, including those for precision castings.
  • the most well-known precision casting molding process is the wax model casting process, in which the model is melted out to create the mold cavity (see, for example, US-A-2 388 299).
  • plastic or frozen mercury is used as the model material.
  • a disadvantage of these molding processes is that a number of aids and additional measures are required to achieve precision casting, so that investment casting as an industrial mass production medium is still considered unsatisfactory in many branches of the industry today, in particular too costly and labor-intensive.
  • models for high-melting ferrous and non-ferrous metals must be surrounded with a fine layer of a fine-grained, high-quality, mostly silicate-bonded ceramic molding material, as this is the only way to create a smooth surface and the finest contours can be reproduced. Only then can the molding material, which gives the casting mold the necessary stability to withstand the casting pressure, can be poured into the molding box.
  • the object was therefore to find a process for the production of precision castings which is particularly suitable for high-melting metals and alloys and does not have the above disadvantages.
  • the main characteristic of the new process is that the adhering water of the molding compound is removed by pressure drainage. In this way, considerable amounts of energy can be saved, so that the casting process can now also be used for large-area precision castings and series castings.
  • the evacuation during metal casting additionally reduces the energy requirement, it being further advantageous that pressure drainage and evacuation can be carried out using the same system (drainage device).
  • quartz sand and / or zircon sand which contains a phosphate binder, produced from active magnesium oxide or active magnesium hydroxide and monoammonium orthophosphate, as a high-temperature binder.
  • Setting retarders and other auxiliaries, e.g. Temperature-resistant fillers can optionally be added to the mixture.
  • the active magnesium oxide reacts with the ammonium orthophosphate to generate heat, and depending on the reactivity of the magnesium oxide, the concentration of the ammonium magnesium orthophosphate and the amount of water, the solidification process begins.
  • the amount of water must also be adjusted to the desired pore volume of the molds so that there is sufficient gas permeability when the drainage device is started up according to the invention.
  • the pore volume should be about 15%. With a defined grain distribution of the quartz and / or zircon sand (a few ⁇ to 3 mm), a smooth surface of the mold is achieved.
  • the magnesium orthophosphate formed contains 6 molecules of water of crystallization, a calcination is required after the solidification process has ended.
  • the calcination temperature should be at least 250 ° C so that a part of the bound ammonia is released in addition to the water of crystallization. In this way, degassing is facilitated during the casting process and the surface quality of the casting is improved.
  • High-melting metals and metal alloys are understood here to mean those whose melting point is above 1000 ° C., in particular above 1100 ° C.
  • a drain in the form of a porous tube or a perforated glass fiber mat is applied over the original to be molded, which is coated with a release agent.
  • this is expediently carried out using a close-meshed wire mesh, which is attached at a distance of approx. 10 mm above the original and is slightly flexible.
  • the hose is then attached in a snake-shaped manner distributed over the wire mesh and led outward at one end through the mold frame or through the mold. No wire mesh is required when using perforated glass fiber mats.
  • the molding compound After mixing, the molding compound is in the prepared molded box. Depending on the molded part, an upper or lower box or multi-part molds can be produced.
  • the molding compounds are immediately lifted from the original after solidification and connected to the compressed air line to remove the water.
  • the water is advantageously squeezed out with a pressure increase of 0.01 bar per minute until a pressure of approximately 1.2 bar is reached. To completely remove the water, this pressure is maintained for a period of about 10 to 20 minutes. In most cases, 10 to 20 minutes is enough.
  • the pore space formed by the water squeezing is essential for the subsequent metal casting.
  • the negative molds can be calcined immediately or after being stored in air at a temperature of at least 250 ° C. The calcination is necessary so that a sufficient vacuum performance can be achieved in the subsequent metal casting.
  • the vacuum lines are connected to the compressed air nozzle (s). This can be done using a direct-working vacuum pump with sufficient performance, as well as using a pre-evacuated vessel.
  • the negative mold is evacuated and the melt is poured in immediately.
  • the maximum amount of gas is 4 I / qdm mold surface.
  • the rear wall thickness of the mold is greater than the distance between the hose and the work surface. In most cases a double to three times the wall thickness is sufficient.
  • a fitting plastic original (model), size approx. 20x10x8 cm, was coated with a wafer-thin oil film as a release agent and placed in a molding box with the internal dimensions 24x 14x 11 cm.
  • An easily deformable wire mesh with a mesh size of approx. 2-3 cm was adapted to this original surface.
  • a porous fabric tube of 8 mm diameter was connected to the wire mesh with a lateral distance of about 2 cm, the tube end was connected to the pipe socket attached to the molding box and the drainage device was fixed about 1 cm above the model.
  • the mold box with the negative model was calcined at 250 ° C.
  • the mold box with the negative model for the following cast iron (melting point 1,250 ° C.) was connected to a vacuum line. A negative pressure of -0.9 bar was established. The molten iron was poured into the evacuated mold. The cast part was removed from the mold after the iron had completely solidified, which was the case after about 20 minutes.
  • Example 2 a perforated mineral wool fiber mat with a thickness of 2 cm was used.
  • the hole diameter was 1.5 cm, the distance from hole to hole 2-3 cm. In order to prevent the mineral wool fiber mat from floating up, it was briefly immersed in water.
  • the molding box was filled with the casting compound about 1 cm above the original and then the mineral wool fiber mat was fixed at a distance of about 1 cm above the original surface and then the molding box was filled up. Breaking out, evacuation and metal casting were carried out as in Example 1.
  • the model 7 lying in the box holder 1a) is surrounded by the wire mesh fabric 6 on which the porous fabric tube 2 is arranged in a serpentine manner.
  • the compressed gas is introduced through the nozzle at 4 and the vacuum is drawn off through the same nozzle.
  • the molding compound is indicated with the number 3.

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Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein neues Verfahren zur Herstellung von Gußteilen mit scharfer Detailwiedergabe und hoher Meßgenauigkeit nach einem neuen Formverfahren sowie der mit diesem Formverfahren hergestellte Präzisionsguß. Geeignet ist das neue Formverfahren besonders für hochschmelzende Metalle und Legierungen.
  • Formverfahren für hochschmelzende Metalle sind bekannt, auch solche für Präzisionsgüsse. Das bekannteste Präzisionsguß-Formverfahren ist das Wachsmodell-Ausschmelzverfahren, bei dem zur Erzeugung des Formhohlraumes das Modell herausgeschmolzen wird (vergl. z.B. US-A--2 388 299). Be anderen Verfahren wird als Modellmaterial Kunststoff oder gefrorenes Quecksilber eingesetzt. Nachteilig bei diesen Formverfahren ist, daß zur Erzielung eines Präzisionsgusses eine Anzahl von Hilfsmitteln und zusätzlichen Maßnahmen erforderlich sind, sodaß der Feinguß als industrielles Massenproduktionsmittel in vielen Industriezweiten auch heute noch als nicht zufriedenstellend, insbesondere zu kostenintensiv und arbeitsaufwendig, angesehen wird. So müssen Modelle für hochschmelzende Eisen- und Nichteisenmetalle mit einer Feinschicht aus einem feinkörnigen, hochwertigen, meist silikatgebundenen keramischen Formstoff umgeben werden, da nur so eine glatte Obefläche erzeugt wird und feinste Konturen wiedergegeben werden können. Erst dann kann der Formstoff, welcher der Gießform die notwendige Standfestigkeit verleiht, um dem Gießdruck wkderstehen zu können, in den Formkasten gegossen werden.
  • Es stellte sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Präzisionsgüssen zu finden, das insbesondere für hochschmelzende Metalle und Legierungen geeignet ist und die vorstehenden Nachteile nicht aufweist.
  • Überraschenderweise kann die gestellte Aufgabe derart gelöst werden, daß
    • a) das abzubildende und mit einem Trennmittel beschichtete Modell mit einer Drainagevorrichtung, die mindestens je einen Zu- bzw. Ablauf außerhalb des Formkastens aufweist, vesehen wird.
    • b) die einen Phosphatbinder (in statu nascendi) enthaltende Formmasse in den Formkasten gegossen und erstarren gelassen wird,
    • c) das Wasser der erstarrten Formmasse nach Entfernung des Modells durch Einleiten von Druckgas herausgepreßt wird und die vom Modell abgelöste Form nach Calcinierung bei einer Temperatur von mindestens 250°C
    • d) an eine Vakuumleitung angeschlossen und evakuiert wird, und daß
    • e) die Metallschmelze unter Beibehaltung des Vakuums in die Form gegossen und erstarren gelassen wird.
  • Das wesentliche Kennzeichen des neuen Verfahrens besteht darin, daß das anhaftende Wasser der Formmasse durch Druckentwässerung entfernt wird. Auf diese Weise können beträchtliche Energiemengen eingespart werden, so daß das Gießverfahren nunmehr auch für großflächige Präzisionsgüsse und Seriengüsse einsetzbar ist. Durch die Evakuierung beim Metallguß wird der Energiebedarf zusätzlich herabgesetzt, wobei weiterhin vorteilhaft ist, daß Druckentwässerung und Evakuierung über das gleiche System (Drainagevorrichtung) vorgenommen werden können.
  • Zur Herstellung der Formmasse wird Quarzsand und/oder Zirkonsand verwendet, der als Hochtemperaturbinder einen Phosphatbinder, hergestellt aus aktivem Magnesiumoxid oder aktivem Magnesiumhydroxid und Monoammoniumorthophosphat, enthält. Abbindeverzögerer und andere Hilfsstoffe, z.B. termperaturbeständige Füllstoffe, können gegebenenfalls der Mischung zugesetzt werden. In Gegenwart von Wasser reagiert das aktive Magnesiumoxid unter Wärmeentwicklung mit dem Ammoniumorthophosphat, wobei in Abhängigkeit von der Reaktivität des Magnesiumoxids, der Konzentration des Ammoniummagnesiumorthophosphats und der Wassermenge der Erstarrungsvorgang beginnt. Die Wassermenge muß außerdem auf das gewünschte Porenvolumen der Formen abgestellt werden, damit eine ausreichende Gasdurchlässigkeit bei der erfindungsgemäßen Inbetriebnahme der Drainagevorrichtung vorliegt. Das Porenvolumen sollte etwa 15% betragen. Mit einer definierten Kornverteilung des Quarz und/ oder Zirkonsandes (einige µ bis 3 mm) wird eine glatte Oberfläche der Form erzielt.
  • Da das gebildete Magnesiumorthophosphat 6 Moleküle Kristallwasser enthält, ist nach Beendigung des Erstarrungsvorganges eine Calcination erforderlich. Die Calcinationstemperatur sollte mindestens 250°C betragen, so daß neben dem Kristallwasser auch ein Teil des gebundenen Ammoniaks freigesetzt wird. Auf diese Weise wird die Entgasung während des Gießvorganges erleichtert und die Oberflächenbeschaffenheit des Gießlings verbessert.
  • Unter hochschmelzenden Metallen und Metallegierungen werden hier solche verstanden, deren Schmelzpunkt oberhalb 1000°C, insbesondere oberhalb 1100°C liegt.
  • Anhand der nachstehenden Ausführungen wird nun das neue Verfahren noch näher erläutert.
  • Vor dem Formenguß wird über das abzuformende Original, das mit einem Trennmittel beschichtet wird, eine Drainage in Form eines porösen Schlauches oder einer gelochten Glasfasermatte aufgebracht. Bei der Schlauchmethode erfolgt das zweckmäßigerweise mit einem engmaschigen Drahtgewebe, das in einem Abstand von ca. 10 mm über dem Original befestigt wird und leicht biegsam ist. Anschließend wird der Schlauch schlangenförmig über das Drahtgewebe verteilt befestigt und mit einem Ende durch den Formrahmen bzw. durch die Kokille nach außen geführt. Bei der Verwendung von gelochten Glasfasermattern wird kein Drahtgewebe benötigt.
  • Nach Anrühren wird die Formmasse in den vorbereiteten Formkasten gegossen. Je nach Formteil können ein Ober- oder Unterkasten bzw. auch mehrteilige Formen hergestellt werden.
  • Die Formmassen (Negativformen) werden nach dem Erstarren sofort vom Original abgehoben und zur Entfernung des Wassers an die Preßluftleitung angeschlossen. Das Auspressen des Wassers erfolgt vorteilhafterweise mit einem Druckanstieg von 0,01 bar pro Minute und zwar so lange, bis ca. 1,2 bar erreicht sind. Zur vollständigen Wasserentfernung wird dieser Druck noch über einen Zeitraum beibehalten, etwa 10 bis 20 Minuten. In den meisten Fällen reichen 10 bis 20 Minuten aus. Der durch das Wasserauspressen gebildete Porenraum ist für den nachfolgenden Metallguß von wesentlicher Bedeutung. Nach dem Auspressen können die Negativformen unmittelbar oder nach Lagerung an der Luft bei einer Temperatur von mindestens 250°C calciniert werden. Die Calcination ist notwendig, damit eine ausreichende Vakuumleistung beim nachfolgenden Metallguß erbracht werden kann.
  • Vor dem Metallguß wird (werden) an den (die) Druckluftstutzen die Vakuumleitungen angeschlossen. Dies kann sowohl über eine direkt arbeitende Vakuumpumpe mit ausreichender Leistung, wie auch über ein vorevakuiertes Gefäß erfolgen. Unmittelbar vor dem Metallguß wird die Negativform evakuiert und die Schmelze sofort eingegossen.
  • Bis zur Erstarrung der Schmelze wird die Evakuierung fortgesetzt.
  • Die maximale Gasmenge liegt bei 4 I/qdm Formoberfläche. Zur Reduzierung von Vakuumverlusten ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich, daß die rückwärtige Wanddicke der Form größer ist als der Abstand zwischen Schlauch und Arbeitsoberfläche beträgt. In den meisten Fällen reicht eine doppelte bis dreifache Wanddicke aus.
  • Bei sorgfältiger Verarbeitung, vor allem gleichmäßiger Verteilung der Drainage, bilden sich sehr glatte Metalloberflächen aus, welche die aufgeführten technischen Vorteile bringen.
    • Beispiel 1
  • Zur Herstellung der Negativform wurde ein Armaturenkunststofforiginal (Modell), Größe ca. 20x10x8 cm, mit einem hauchdünnen Ölfilm als Trennmittel überzogen und in einen Formkasten mit den Innenmaßen 24x 14x 11 cm eingelegt. Auf diese Originaloberfläche wurde ein leicht verformbares Drahtgewebe mit ca. 2-3 cm Maschenweite angepaßt. Nach dieser Anformung wurde auf das Drahtgewebe ein poröser Gewebeschlauch von 8 mm Durchmesser mit seitlichem Abstand von etwa 2 cm angebunden, das Schlauchende mit dem am Formkasten angebrachten Rohrstutzen verbunden und die Drainage-Einrichtung ca. 1 cm über dem Modell fixiert.
  • Zum Füllen des vorbereiteten Formkastens wurden 6 kg eines Pulvergemisches, bestehend aus
    • 8,0 Gew.-% aktivem MgO
    • 8,0 Gew.-% Monoammoniumphosphat und
    • 84,0 Gew.-% Quarzsand (Körnung <1 mm) mit 1,2 I Wasser 1 Minute homogen gemischt und (zur Verdrängung von Haftblasen) im dünnen Strahl von der Mitte beginnend eingegossen.
  • Eine Minute nach dem Erstarrungsende der Formmasseermittelt durch Fingerdruck-wurde an den Rohrstutzen die Preßluftlietung angeschlossen. Der Anfangsdruck betrug 0,2 bar, die Drucksteigerung 0,01 bar pro Minute. Nach 100 Minuten betrug der Preßdruck 1,2 bar, der so lange beibehalten wurde, bis kein Wasser mehr austrat. Bei Anlegung des Preßdrucks trennte sich das Original von der Formmasse. Der Formkasten mit dem Negativmodell wurde gleichmäßig nach oben abgehoben und hochkant gestellt, damit das ausgepreßte Wasser frei abfließen konnte.
  • Die Calcinierung des Formkastens mit Negativmodell erfolgte bei 250°C.
  • Nach Calcinierung wurde der Formkasten mit dem Negativmodell für den folgenden Eisenguß (Schmp. 1.250°C) an eine Vakuumleitung angeschlossen. Es stellte sich ein Unterdruck von -0,9 bar ein. Das geschmolzene Eisen wurde in die evakuierte Form eingefüllt. Die Entformung des Gußteiles erfolgte nach völliger Erstarrung des Eisens, was nach ca. 20 Minuten der Fall war.
    • Beispiel 2
  • Anstelle des im Beispiel 1 eingelegten porösen Schlauches wurde eine gelochte Mineralwollfasermatte mit 2 cm Dicke verwendet. Der Lochdurchmesser betrug 1,5 cm, der Abstand von Lochung zu Lochung 2-3 cm. Um ein Hochschwimmen der Mineralwollfasermatte zu unterbinden, wurde sie kurzzeitig in Wasser getaucht.
  • Vor dem Einbringen der Drainage wurde der Formkasten mit der Gießmasse ca. 1 cm über das Original gefüllt und anschließend die Mineralwollfasermatte mit einem Abstand von ca. 1 cm über der Originaloberfläche fixiert und danach der Formkasten aufgefüllt. Ausbrechen, Evakuieren und Metallgießen erfolgten wie im Beispiel 1.
  • Die beiliegende Figur, die einen Querschnitt durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Gußform zeigt, dient zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes.
  • Mit 1a) und 1b) sind in der Figur Teile des Formkastens bezeichnet. Das in der Kastenhältfte 1a) liegende Modell 7 is mit dem Maschendrahtgewebe 6, auf dem der poröse Gewebeschlauch 2 schlangenförmig angeordnet ist, umgeben. Das Druckgas wird über die Stutzen bei 4 eingeleitet und das Vakuum über den gleichen Stutzen abgezogen. Die Formmasse ist mit der Ziffer 3 angedeutet.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Präzisionsgüssen, bei welchem eine poröse Gußform aus gießfähiger, Phosphatbinder als Bindemittel enthaltenden Formmasse hergestellt und eingesetzt wird, dadurch gekennziechnet, daß
a) das abzubildende und mit einem Trennmittel beschichtete Modell mit einer Drainagevorrichtung, die mindestens je einen Zu- bzw. Ablauf außerhalb des Formkastens aufweist, versehen wird,
b) die einen Phosphatbinder (in statu nascendi) enthaltende Formmasse in den Formkasten gegossen und erstarren gelassen wird,
c) das Wasser der erstarrten Formmasse nach Entfernung des Modells durch Einleiten von Druckgas herausgepreßt wird und die vom Modell abgelöste Form nach Calcinierung bei einer Temperatur von mindestens 250°C
d) an eine Vakuumleitung angeschlossen und evakuiert wird, und daß
e) die Metallschmelze unter Beibehaltung des Vakuums in die Form gegossen und erstarren gelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Drainagevorrichtung ein poröser Schlauch eingesett wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Schlauch auf ein engmaschiges und formbares Drahtgewebe aufgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Drainagevorrichtung eine gelochte Glasfasermatte eingesetzt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainagevorrichtung in einem Modell abstand von mindestens 10 mm angebracht wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser aus der erstarrten Formmasse mit Druckluft ausgepreßt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser mit steigendem Druck ausgepreßt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck bis zum Erreichen von etwa 1,2 bar um 0,01 bar pro Minute erhöht wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Calcination de Form bei 260 bis 300°C durchgeführt wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze bei einem Unterdruck von 0,6 bar in die Form gegossen und unter Aufrechterhaltung des Unterdrucks zur Erstarrung gebracht wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichmet, daß eine Formmasse, bestehend aus aktivem Magnesiumoxid, Monoammoniumphosphat, Quarzsand und/oder Zirkonsand, Wasser und an sich bekannten Hilfsmitteln, in den Formkasten gegossen wird.
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DE3320309A DE3320309C2 (de) 1983-06-04 1983-06-04 Verfahren zur Herstellung von Präzisionsmeßformen, Gießformen und deren Verwendung
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