EP1611977B1 - Ceramic investment material for the production of moulds for precission castings of titanium, zirconium or alloys thereof - Google Patents

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EP1611977B1
EP1611977B1 EP20050012095 EP05012095A EP1611977B1 EP 1611977 B1 EP1611977 B1 EP 1611977B1 EP 20050012095 EP20050012095 EP 20050012095 EP 05012095 A EP05012095 A EP 05012095A EP 1611977 B1 EP1611977 B1 EP 1611977B1
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EP
European Patent Office
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ceramic
investment material
oxide
lithium
zirconium
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EP1611977A8 (en
EP1611977A1 (en
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Günter Grill
Anke Igelmann
Norbert Prof. Dr.-Ing. Nowack
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Shera-Werkstofftechnologie & Cokg GmbH
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Shera-Werkstofftechnologie & Cokg GmbH
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22C1/00Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/02Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives
    • B22C1/04Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives for protection of the casting, e.g. against decarbonisation
    • B22C1/06Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives for protection of the casting, e.g. against decarbonisation for casting extremely oxidisable metals
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Definitions

  • the present invention relates to a ceramic investment material consisting of an oxide ceramic mixture and a binder system for the production of precision casting molds for castings of titanium, zirconium or their alloys.
  • Titanium and zirconium precision castings and castings from titanium-zirconium alloys and alloy types used in medical technology are characterized by their mechanical diversity, biocompatibility and extremely different quality and price levels.
  • titanium and titanium alloys are classified as particularly biocompatible.
  • their processing into filigree and individually shaped precision castings for medical technology and other industrial sectors such as jewelery, microtechnology, space technology, etc. is still poor. This is mainly due to the non-mature casting technique and not yet controllable higher casting temperatures for titanium and titanium alloys. Since zirconium has an even higher melting point than titanium, zirconium and zirconium casting alloys have not been used in medical technology at all for this reason, although they are particularly biocompatible.
  • the European Patent Application EP 0 916 430 A discloses a method for controlling and adjusting the expansion of ceramic investment materials, wherein a non-quartz magnesium oxide (MgO) -containing oxide ceramic mixture, a magnesia (MgO) and monoammonium phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) -based binder, and a make coatable investment material at least an organic acid is supplied.
  • MgO non-quartz magnesium oxide
  • MgO magnesia
  • NH 4 H 2 PO 4 monoammonium phosphate
  • the invention has for its object to provide a ceramic investment material for the production of molds, which allows the processing of titanium, zirconium or their alloys to cast-defect-free castings with high biocompatibility.
  • a ceramic embedding compound consisting of an oxide ceramic mixture and a binder system, for the production of precision casting molds for castings of titanium, zirconium or other alloys, characterized in that the oxide ceramic mixture consists essentially of calcium aluminate and magnesium oxide and optionally zirconium ( IV) oxide and is bound with a binder system consisting of a mixing liquid and a ceramic particle mixture, wherein the mixing liquid is an aqueous solution of trivalent metal oxo salts of at least one element of the group consisting of scandium, yttrium or lanthanum and the ceramic particle mixture is a calcium-aluminum Has mixed oxide, which releases OH - - ions in aqueous solution, wherein the binder system when firing the mold completely in under the Casting conditions of titanium, zirconium or their alloys decomposes stable metal oxides.
  • Titanium and zirconium crystallize in the hexagonal packing (hdP). Although in the hdP structure the titanium / zirconium atoms are densely packed (space filling approx. 72%), there are only a few, but large gaps in the titanium / zirconium lattice (so-called interstitial sites). In this crystal structure, small non-metal atoms such as atomic oxygen, carbon, nitrogen or hydrogen can be stored on these interstices. Titanium has the ability to store very large amounts of such atoms (intercalated crystals).
  • the titanium-oxygen alloys behave like an oxide-ceramic part: during bending, a part breaks brittle without noticeable deformation.
  • a high oxygen content in the surface area of the titanium or zirconium part leads to a bursting of the surface upon deformation.
  • a gray layer of an unstoichiometric metal oxide is formed, in the case of titanium a titanium (I) oxide which forms an oxide which can not be unambiguously assigned to a molecular formula, a so-called non-daltonide compound.
  • This "TiO x " compound on the surface of a cast object has a specular gloss, so it can be considered that there is a metallic surface.
  • these compounds If these compounds are present in higher concentrations in the molds, they react with the aggressive titanium or zirconium melts at the moment of the casting process by absorbing oxygen into the cast metal and taking up unwanted alloy constituents such. As silicon, phosphor, etc .. This leads to the so-called alpha-case, the irreversible embrittlement of the casting.
  • thermodynamically very stable oxides such as yttrium (III) oxide (Y 2 O 3 ), lanthanum (La) oxide (La 2 O 3 ), zirconium (IV) oxide (ZrO 2 ), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO) and also limited alumina (Al 2 O 3 ) in the investment materials for the production of Rezisionsgußformen the avoidance of excessive oxygen uptake of the cast metals and avoiding the alpha-case Gußcons allows.
  • the thermochemical stability of yttrium (III) oxide to alumina decreases over the aggressive titanium or zirconium melts.
  • thermochemical sense this means an increase in the standard chemical potential based on one mole of oxygen in the positive direction of the components at a casting temperature of 1800 K.
  • ⁇ O 1800 CaO - 790 kJ / mol - O
  • ⁇ O 1800 Y 2 ⁇ O 3 - 764 kJ / mol - O
  • ⁇ O 1800 La 2 ⁇ O 3 - 743 kJ / mol - O
  • ⁇ O 1800 MgO - 731 kJ / mol - O
  • ⁇ O 1800 ZrO 2 - 665 kJ / mol - O
  • ⁇ O 1800 al 2 ⁇ O 3 - 650 kJ / mol - O ,
  • Both the binder for the production of the green mold and the ceramic components from which the mold is constructed may contain only thermo-chemically resistant oxides.
  • the choice of oxides for the construction of the mold and the choice of binder depends on the caused by the amount of the material to be cast temperature stress of the mold and on the way the production of the mold. In the production of the mold is limited in the choice of oxides in an oxide mixture, as the mold must have a sufficient mechanical resistance. A mold must always be made of multiple oxide constituents by sintering processes. It has been found that in cases of high temperature load of the molds, such. B. in casting titanium amounts of more than about 100 g, the proportion of highly stable oxides such as Y 2 O 3 , La 2 O 3 or ZrO 2 in the sum must be above 30%.
  • scandium (III) oxide (Sc 2 O 3 ) is also a suitable stable oxide, which, however, is not used because of its high price.
  • a (Me 2 O 3 ) is always ⁇ 1, so that the oxygen uptake can be reduced as a result.
  • K a is in the temperature range between 1600 to 1700 ° C due to thermodynamic calculations between 10 -3 and 10 -5 . It would become one Set equilibrium in which the oxygen activity would be far below that at which alpha-case formation occurred.
  • the equilibrium constants lie at values of K a ⁇ 0.1 (1600 ° C.), so that ZrO 2 is more unstable than Y 2 O 3 or La 2 O 3 .
  • the Zr activity by lowering the ZrO 2 activity (for example, formation of mixed oxides Y 2 O 3 -ZrO 2 ) and by a sufficiently high cooling rate of the mold after the casting process, the alpha-case formation can be undermined.
  • the investment materials of the invention consist of a binder system and a suitable oxide ceramic mixture.
  • a ceramic mixture of the components MgO-CaO-Al 2 O 3 (as calcium aluminate) -ZrO 2 is mixed with an aqueous lanthanum or yttrium salt solution (or a mixture of the two salts) (embedding pulp).
  • a wax part (later cavity for the Ti / Zr casting process) is encased with this potting slurry and cures to a so-called "green mold" within a few hours.
  • the crystallized hydroxides connect the ceramic particles and thus bind the "green mold". It turned out that the calcium aluminate component plays a crucial role as alkaliserender addition (OH - release in water).
  • the calcium aluminate exists from the mineralogical phases CaO.Al 2 O 3 + CaO .2Al 2 O 3 as primary phases and with 12CaO.
  • the particle size distribution can be characterized by sieve analysis: 5% mass fractions are above a particle size> 90 ⁇ m, ie 95% of all calcium aluminate particles have particle sizes below 90 ⁇ m.
  • alkaline components are released slowly, so that the pH increases to pH ⁇ 12 in the minute range. This leads to the above-mentioned precipitation of the sparingly soluble Me (OH) 3 hydroxides, which produce the green strength.
  • the MgO component contributes to the precipitation reaction, so that this plays an essential role in the setting reaction of the system CaO + Al 2 O 3 .
  • La 2 O 3 and Y 2 O 3 thermal decomposition
  • These combine with the usual oxide components in the fired mold.
  • this leads to sintering processes (formation of mixed crystal systems (Y, La) 2 O 3 -Al 2 O 3 or ZrO 2 -Y 2 O 3 , the strength of the fired mold below 1000 ° reinforce C, such as 3Y 2 O 3 ⁇ 5Al 2 O 3 or La 2 O 3 ⁇ Al 2 O 3 + La 2 O 3 ⁇ 11Al 2 O 3).
  • the use concentration of the salts in the aqueous solution is usually between 5 to 30% (depending on the solubility limits).
  • the mold for the production of the precision casting is made by burning the wax or plastic part (Ausmelz psychologist) that the object to be produced, images.
  • the green mold is heated to high temperatures (up to approx. 1000 ° C) under the ingress of atmospheric oxygen.
  • the formed cavity which precisely images the object to be cast is filled with liquid Ti or Zr alloys by applying a light pressure.
  • An additional requirement for the production of a mold may be that it must have a correspondingly large thermal expansion, so that so that the shrinkage of the casting object is compensated. This additional requirement is in the field of medical implant technology for the production of high-precision castings.
  • the casting surface must be visually matt glossy.
  • the roughness depth and roughness width must be less than 20 microns, so that a regrinding of the surface can be saved.
  • the molds can be preheated to different temperatures (usually in the temperature range 400 to 800 ° C).
  • the oxide ceramic mixture for building the mold can be summarized as follows: Oxide constituent Mass fraction (%) Grain fraction ( ⁇ m) Calcium aluminates 8 to 30 5 to 150 magnesia 92 to 70 5 to 200 Unstabilized zirconium (IV) oxide 0 to 10 10 to 100
  • w (CaO-Al 2 O 3 ) + w (MgO) + w (ZrO 2 ) must always be 100% (without the binder content).
  • the hardness was determined as microhardness HV 0.5 in the edge region as a function of the distance. Based on this HV determination method, it is possible to obtain reliable information about the average penetration depth of the oxygen into the Ti / Zr matrix (hardening zones) and to assess whether a brittle alpha-case layer has formed. When assessing the HV changes, it must be taken into account that the base material used is subject to fluctuations which are in the nature of metallurgical technology and can not be avoided. So it depends primarily on the hardness change compared to the base material. Excessive oxygen uptake leads to alpha-case formation and is associated with an abnormally high increase in HV 0.5 (greater than 500).
  • Another criterion is the measurement of the thermal expansion (dilatometer results) in the conversion of the so-called "green" to the fired mold.
  • An extension of the ceramic casting mold of about 1% would be advantageous, so that the decrease in the thermal expansion of the Ti / Zr casting on cooling to room temperature can be compensated by the increase in the thermal expansion of the mold. This then leads to extremely precise casting objects.
  • the dilatometer measurements thus contain statements about the precision of the cast object.
  • ZrC zirconium carbide
  • the oxidation of ZrC to ZrO 2 is associated with a volume increase of over 40%, so that with a relatively small amount of ZrC (maximum 5 wt .-% in investment), a thermal expansion of the investment of up to 4% can be achieved.
  • ZrC oxidation is catalyzed by small additions of lithium compounds into the investment materials. Lithium compounds which form lithium oxide (Li 2 O) or lithium fluoride (LiF) on heating the set investment material to the casting mold are suitable for this purpose.
  • the proportion of Li 2 O or LiF in the embedding mass according to the invention is between 0.01 to 0.8% Li 2 O or LiF.
  • titanium or zirconium alloy parts can be produced with extremely high accuracy of fit.
  • the increased thermal expansion improves the precision of precision casting of titanium or zirconium alloys as many blends known in the art have too little thermal expansion.
  • the mixing liquid (based on water or water-alcohol mixtures) may contain, in dissolved form, the lithium salt which forms Li 2 O later on heating the mold in a thermal dissociation process.
  • the lithium salt may also be incorporated in finely divided form into the ceramic mixture for the production of the casting mold (investment material). This is, for example, with lithium fluoride (LiF), which is heavy in water is soluble, possible.
  • the formed by thermal dissociation reactions Li 2 O and ZrO 2 formed by oxidation are thermochemically stable so that no alpha-case-forming reactions take place between these materials in the mold and the liquid titanium or zirconium alloys. This is an important prerequisite for the inventive use of ZrC and lithium compounds.
  • ZrC Zirconium carbide
  • the ZrC reacts under the effect of air and at high temperatures (from 500 ° C) under increasing volume to zirconium (monoxide) (monoclinic zirconium dioxide): ZrC + 2O 2 ⁇ ZrO 2 + CO 2
  • the catalytic ZrC oxidation by Li compounds in said investments is essential to the invention.
  • the lithium compounds may be mixed as dopants in the investment or alternatively, if they are soluble in water or alcohol, dissolved in the mixing liquid.
  • the ZrO 2 formed from ZrO and the Li 2 O formed from the lithium compounds and also LiF are practically not attacked by liquid Ti or Zr alloys because of their high thermochemical stabilities.
  • the concentration of Li 2 O or LiF in the fired ceramic mold must be limited (maximum 2% Li 2 O or LiF), otherwise the ceramic mold would sinter too much at high temperatures. The sintering would cause a shrinkage effect and the ceramic mold would solidify too much (problem of de-bonding).
  • the formed HCl is released and volatilizes.
  • Lithium fluoride LiF
  • LiF Lithium fluoride
  • the LiF attaches the ZrO 2 to the ZrC particles and also catalyzes (like the Li 2 O) the ZrC oxidation.
  • the applied lithium concentrations, as Li 2 O or LiF, are in the concentration range of 2% to 0.01%. Low amounts of lithium are sufficient because they only cause the catalytic oxidation of the ZrC.
  • the polybasic carboxylic acids used such as, for example, tartaric acid, citric acid, ascorbic acid or maleic acid also have complexing properties, so that the hydroxide precipitation is also additionally delayed by this.
  • the base solvent used is water.
  • the water has small negative effects with respect to the processing time of the embedding pulp and the shrinkage of the green mold during the setting process. Too much water activity means a quick setting and an increased volume change due to shrinkage (in extreme cases up to - 0.7%).
  • Shrinking and processing time depend not only on the water content, but also on the influence of the carboxylic acid and the nature of the lanthanum (III) and yttrium salt. These influences have been qualitatively researched and the basis of each developed recipe. It is possible to reduce the water activity by adding short-chain alcohols and ketones (thus extending the processing time and substantially reducing the shrinkage).
  • the content of these solvents added to the water is within limits of 0 to 50 vol .-%.
  • the contents of the short-chain alcohols and ketones depend on the Solubilities of the lanthanum (III) or yttrium (III) salts in the respective solvent mixture of water short-chain alcohols / ketones. It has been found that the solubilities of the lanthanum (III) or yttrium (III) salts in these mixtures are good and are generally at least 10%.
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • the content of water and of acetic acid is not given in the technical quality used with clear chemical formulas.
  • the content of acetic acid or water is of minor importance, since these components completely volatilize in subsequent decomposition reactions.
  • the thermal expansion behavior of the mold is in FIG. 2 shown.
  • the expansion is almost linear from 200 ° C (heating rate 500 ° C / h) and runs to 1.1% at 950 ° C.
  • heat rate 500 ° C / h heating rate 500 ° C / h
  • sintering at 950 ° C is a small Increase in volume within 1 ⁇ 2 h (sintering reaction, which increases the strength).
  • the expansion behavior is - as from the FIG. 2 Recognizable - when cooled almost exactly reversible (no jumps etc.), so that sudden thermal stresses are avoided.
  • This expansion behavior of the mold allows the casting of extremely precise castings, since the shrinkage of the Ti / Zr alloys is compensated in this way.
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • the measured dilatometer function for case b) is in FIG. 3 shown.
  • a slight shrinkage of -0.2% (200 ° C) by the release of free water and water from hydrates can be seen.
  • the salts are decomposed to La 2 O 3 .
  • the expansion behavior is (advantageously, since the construction of thermal stresses is thereby avoided) almost linear.
  • the setting expansion is 0%.
  • a nitrate in conjunction with an acetate (or other organic oxo-salt component) has the advantage of greatly reducing nitrogen oxides NO x in the nitrate decomposition reaction in the furnace during the firing process (environmental aspect). NO x is reduced by the acetate component to N 2 .
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • HV 0.5 330 in the 25 ⁇ m spacing in the edge areas. No alpha case on the surface. Average surface roughness below 6 ⁇ m, optically clear surface.
  • Thermal expansion -0.3% at 950 ° C.
  • the ceramics sinter in the temperature range above 800 ° C to solid shards, resulting in a firmer form. This can be seen by the negative thermal expansion, which contains indications of a structural change of the ceramic matrix.
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • the lithium acetate dihydrate can also be dissolved in the mixing liquid.
  • concentrations are chosen so that the same concentrations of lithium are present in the potting sludge.
  • the setting and expansion behavior does not change. 21 ml of mixing liquid were applied to 100 g of the ceramic powder mixture (see composition of the mixture 7.5 to 7.7.)
  • the setting reaction begins after 6 min. It forms within 5 h at room temperature by a curing reaction from the green mold. This green mold is heated to 850 ° C at about 500 ° C / h and fired at 850 ° C for 1 h. It forms the burned (suitable for casting) mold.
  • the preheating temperature of the mold for Ti casting was 600 ° C.
  • the average roughness of the titanium casting was less than 5 ⁇ m. There was no alpha-case layer on the surface. The surface was metallic bright. She shimmered pale yellowish because of the tarnish. This is visually a very positive sign for the suppressed no reaction metal / ceramic investment.
  • the shrinkage was also 0% due to the use of the ethanol-water solution.
  • the organic component can also consist of 1-propnaol, 2-propanol, methanol or acetone.
  • the thermal expansion behavior is not affected by this.
  • the (weak) shrinkage of the embedding pulp during the setting process and the setting time are positively influenced.
  • the choice of solvent depends on the solubilities of the respective components.
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • the acetic acid solution dissolves the basic lanthanum (III) acetate to a clear solution.
  • the lithium lactate can also be dissolved in the mixing liquid.
  • the concentrations are chosen so that the same concentrations of lithium are present in the potting sludge.
  • the extraordinary large thermal expansion is brought about by the component ZrC (with 3% by weight) and the addition of lithium lactate (with 1% by weight). These additives allow the expansion behavior of the Adjust the investment material according to the invention.
  • the thermal expansion is +2.2% / 850 ° C. In the FIG. 5 expansion behavior has been shown.
  • the increased thermal expansion is necessary to compensate for high shrinkage in certain Ti / Zr alloy parts.
  • composition of the ceramic mixture for the casting mold is composition of the ceramic mixture for the casting mold:
  • the thermal expansion is caused by the component ZrC (with 2% by weight) and the addition of lithium lactate (in the aqueous mixing liquid in 0.3% concentration). These additives can be used to adjust the expansion behavior of the embedding compound according to the invention.
  • the thermal expansion is +0.85% / 850 ° C. In the FIG. 6 expansion behavior has been shown. It lies around rd. + 0.50% over thermal expansion without ZrC [see application example 6)].
  • Investments with Y 2 O 3 are more stable (thermochemical stability) than with La 2 O 3 or ZrO 2 , so that higher-melting Ti / Zr alloys are used.
  • any Ti or Zr alloys can be produced by this precision casting technique

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Einbettmasse, bestehend aus einer Oxidkeramikmischung und einem Bindersystem, zur Herstellung von Präzisionsgußformen für Gußteile aus Titan, Zirkonium oder deren Legierungen.The present invention relates to a ceramic investment material consisting of an oxide ceramic mixture and a binder system for the production of precision casting molds for castings of titanium, zirconium or their alloys.

Titan- und Zirkonium-Präzisionsgußteile und Gußteile aus in der Medizintechnik verwendeten Titan-Zirkonium-Legierungen und Legierungstypen sind gekennzeichnet durch ihre mechanische Vielfältigkeit, Biokompatibilität und höchst unterschiedliche Qualitäts- und Preisstufen.Titanium and zirconium precision castings and castings from titanium-zirconium alloys and alloy types used in medical technology are characterized by their mechanical diversity, biocompatibility and extremely different quality and price levels.

In einer Studie zur Verträglichkeit von Titangußlegierungen unter Berücksichtigung "alternativer Verfahren zur Diagnostik", Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben, herausgegeben vom Institut der Deutschen Zahnärzte in Köln, werden die unterschiedlichen Legierungen auf ihre Eignung zur Verwendung im Medizinbereich geprüft und bewertet. Hierin werden Titan- und Titanlegierungen als besonders biokompatibel eingestuft. Ihre Verarbeitung zu filigranen und individuell geformten Präzisionsgußteilen für die Medizintechnik und andere industrielle Bereiche wie die Schmuckindustrie, Mikrotechnik, Raumfahrttechnik, etc. ist allerdings noch mangelhaft. Dies liegt in der Hauptsache in der nicht ausgereiften Gießtechnik und den noch nicht beherrschbaren höheren Gießtemperaturen für Titan und Titanlegierungen begründet. Da Zirkonium einen noch höheren Schmelzpunkt als Titan besitzt, haben Zirkonium und Zirkoniumgußlegierung aus diesem Grund überhaupt noch keinen Eingang in die Medizintechnik gefunden, obwohl diese besonders biokompatibel sind.In a study on the tolerability of titanium casting alloys taking into account "alternative methods of diagnostics", final report on the research project, published by the Institute of German Dentists in Cologne, the different alloys are tested and evaluated for their suitability for use in the medical field. Here, titanium and titanium alloys are classified as particularly biocompatible. However, their processing into filigree and individually shaped precision castings for medical technology and other industrial sectors such as jewelery, microtechnology, space technology, etc. is still poor. This is mainly due to the non-mature casting technique and not yet controllable higher casting temperatures for titanium and titanium alloys. Since zirconium has an even higher melting point than titanium, zirconium and zirconium casting alloys have not been used in medical technology at all for this reason, although they are particularly biocompatible.

Begründet liegt die Problematik des Gusses von Titan, Zirkonium oder deren Legierungen hauptsächlich in chemischen Reaktionen zwischen den flüssigen Materialien und instabilen Gußformen während des Gießprozesses und den hieraus entstehenden unsicheren technischen Bedingungen zur Herstellung von Gußobjekten. Instabile Gußformen führen zu einem Gußfehler, dem sogenannten "alpha-case". Verursacht wird dieser Gußfehler durch eine zu hohe Sauerstoffaufnahme der Legierung während des Gusses (Schlacke/Metallreaktion). Bislang gibt es keine sichere Technik, mittels derer dieser Gußfehler zu vermeiden wäre.The problem of casting titanium, zirconium or their alloys is mainly due to chemical reactions between the liquid materials and unstable molds during the casting process and the resulting unsafe technical conditions for the production of cast objects. Unstable molds lead to a casting error, the so-called "alpha-case". This casting defect is caused by excessive oxygen uptake of the alloy during casting (slag / metal reaction). So far, there is no safe technique by which this casting error would be avoided.

Der Gußfehler hat gravierende Folgen:

  • Die vergossenen Teile aus den Titan- oder Zirkonium Legierungen härten insbesondere in Randzonen auf. Dies führt zu Versprödungserscheinungen der filigranen Gußteile. Erkennbar ist dies an einer starken Zunahme der Härte im Randbereich.
  • Durch die Sauerstoffaufnahme, die bis zu unstöchiometrischen Titanoxiden (TiOx) führen kann und zur unerwünschten Auflegierung führt, läßt die Biokompatibilität der gegossenen Teile stark nach. Insbesondere besteht die Gefahr der Bildung von löslichen niederwertigen Titan-Verbindungen durch Korrosionsreaktionen im menschlichen Körper.
The casting defect has serious consequences:
  • The cast parts made of titanium or zirconium alloys harden especially in edge zones. This leads to embrittlement phenomena of filigree castings. This is recognizable by a strong increase in hardness in the edge area.
  • Due to the uptake of oxygen, which can lead to unstoichiometric titanium oxides (TiO x ) and leads to unwanted alloying, the biocompatibility of the cast parts decreases considerably. In particular, there is a risk of the formation of soluble low-valent titanium compounds by corrosion reactions in the human body.

Dies erklärt die große Diskrepanz gemessener Daten zur Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität von Titan, Zirkonium und deren Legierungen zwischen einerseits Vollmaterial und andererseits durch Gußtechnik gewonnenen Teilen. Der Einsatz von hoch korrosionsbeständigem Zirkonium, Zirkonium-Legierungen oder Titan-Zirkonium-Legierungen in der Medizintechnik als Gußlegierung ist derzeit noch nicht beschrieben worden, da für deren Verarbeitung keine beständigen Gußformen bekannt sind.This explains the large discrepancy of measured data on the corrosion resistance and biocompatibility of titanium, zirconium and their alloys between solid material on the one hand and parts obtained by casting technology on the other hand. The use of highly corrosion resistant zirconium, zirconium alloys or titanium-zirconium alloys in medical engineering as cast alloy is has not yet been described because no permanent molds are known for their processing.

Die hohe Biokompatibilität derartiger Gußteile würde jedoch die Anwendbarkeit dieser in der Medizintechnik wünschenswert machen. Hierdurch ließe sich insbesondere Schutz vor Allergien und gesundheitlichen Spätfolgen erzielen. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit zu besonders körperverträglichen Implantatteilen zu kostengünstigen Bedingungen immer bedeutender.However, the high biocompatibility of such castings would make the applicability of these in medical technology desirable. In particular, this could provide protection against allergies and long-term health consequences. In addition, the need for particularly biocompatible implant parts to cost-effective conditions is becoming increasingly important.

Die europäische Patentanmeldung EP 0 916 430 A offenbart ein Verfahren zur Steuerung und Einstellung der Expansion von keramischen Einbettmassen, wobei einer quartzfreien, aus einer Magnesiumoxid (MgO) enthaltenden Oxidkeramikmischung, einem auf Magnesiumoxid (MgO) und Monoammoniumphosphat (NH4H2PO4) basierenden Bindemittel und einer Anmischflüssigkeit bildbaren Einbettmasse wenigstens eine organische Säure zugeführt wird. Hierbei führt der Zusatz unterschiedlicher organischer Säuren wie beispielsweise Oxalsäure-Dihydrat, Zitronensäure oder Weinsäure zu unterschiedlichen Abbindeexpansionen.The European Patent Application EP 0 916 430 A discloses a method for controlling and adjusting the expansion of ceramic investment materials, wherein a non-quartz magnesium oxide (MgO) -containing oxide ceramic mixture, a magnesia (MgO) and monoammonium phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) -based binder, and a make coatable investment material at least an organic acid is supplied. In this case, the addition of different organic acids such as oxalic acid dihydrate, citric acid or tartaric acid leads to different setting expansions.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine keramische Einbettmasse zur Herstellung von Gußformen bereitzustellen, welche die Verarbeitung von Titan, Zirkonium oder deren Legierungen zu gußfehlerfreien Gußteilen mit hoher Biokompatibilität ermöglicht.Accordingly, the invention has for its object to provide a ceramic investment material for the production of molds, which allows the processing of titanium, zirconium or their alloys to cast-defect-free castings with high biocompatibility.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine keramische Einbettmasse, bestehend aus einer Oxidkeramikmischung und einem Bindersystem, zur Herstellung von Präzisionsgussformen für Gussteile aus Titan, Zirkonium oder anderen Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramikmischung im wesentlichen aus Calcium-Aluminat und Magnesiumoxid besteht und optional Zirkonium(IV)-oxid aufweist und mit einem Bindersystem gebunden ist, welches aus einer Anmischflüssigkeit und einer Keramikpartikelmischung besteht, wobei die Anmischflüssigkeit eine wässrige Lösung von dreiwertigen Metalloxosalzen mindestens eines Elementes der Gruppe bestehend aus Scandium, Yttrium oder Lanthan ist und die Keramikpartikelmischung ein Calcium-Aluminium-Mischoxid aufweist, welches in wässriger Lösung OH-- Ionen freisetzt, wobei das Bindersystem beim Brennen der Gussform vollständig in unter den Gießbedingungen von Titan, Zirkonium oder deren Legierungen stabile Metalloxide zerfällt. This object is achieved by a ceramic embedding compound, consisting of an oxide ceramic mixture and a binder system, for the production of precision casting molds for castings of titanium, zirconium or other alloys, characterized in that the oxide ceramic mixture consists essentially of calcium aluminate and magnesium oxide and optionally zirconium ( IV) oxide and is bound with a binder system consisting of a mixing liquid and a ceramic particle mixture, wherein the mixing liquid is an aqueous solution of trivalent metal oxo salts of at least one element of the group consisting of scandium, yttrium or lanthanum and the ceramic particle mixture is a calcium-aluminum Has mixed oxide, which releases OH - - ions in aqueous solution, wherein the binder system when firing the mold completely in under the Casting conditions of titanium, zirconium or their alloys decomposes stable metal oxides.

Überraschenderweise wurde herausgefunden, daß der alpha-case Gußfehler und die damit verbundenen Qualitätseinbußen durch die Sauerstoffaufnahme des Gußmetalls aus der Gußform hervorgerufen wird. Titan und Zirkonium kristallisieren in der hexagonal dichten Packung (hdP). Obwohl in der hdP-Struktur die Titan/Zirkoniumatome dicht gepackt sind (Raumfüllung ca. 72%), existieren wenige, aber große Lücken im Titan/Zirkonium-Gitter (sogenannte Zwischengitterplätze). In dieser Kristallstruktur lassen sich auf diesen Zwischengitterplätzen kleine Nichtmetallatome wie atomarer Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff oder Wasserstoff einlagern. Titan besitzt die Fähigkeit, sehr große Mengen an derartigen Atomen einzulagern (Einlagerungsmischkristalle). So kann man bis zu ca. 10% Sauerstoff in Alpha-Titan lösen. Es bildet sich eine Sauerstoff-Titan/Zirkoniumlegierung. Normalerweise weist reines Titan oder Zirkonium einen Sauerstoffgehalt von ca. 0,2 bis 0,5 Gew.-% auf. Mit steigendem Sauerstoffgehalt nehmen die Härte, die 0,2%-Dehngrenze und die Zugfestigkeitswerte zu, jedoch nehmen die Bruchdehnung und die Brucheinschnürung drastisch ab. Das übliche Härtemaß ist die Vickerhärte HVO,5 (Mikrohärte) mit der die Härte im Randbereich eines Gußobjektes gemessen werden kann. Mit steigendem Sauerstoffgehalt verspröden Titan-Sauerstoff-Legierungen. Diese Sauerstoffaufnahme ruft den alpha-case-Gußfehler hervor. Es wurde festgestellt, daß bei Sauerstoffgehalten bis zu ungefähr 1 Gew.-% ein solcher Gußfehler vermieden wird und die erhaltenen Gußobjekte geeignete Härtemaße und eine gute Biokompatibilität aufweisen.Surprisingly, it has been found that the alpha-case casting defect and the associated loss of quality is caused by the oxygen uptake of the cast metal from the mold. Titanium and zirconium crystallize in the hexagonal packing (hdP). Although in the hdP structure the titanium / zirconium atoms are densely packed (space filling approx. 72%), there are only a few, but large gaps in the titanium / zirconium lattice (so-called interstitial sites). In this crystal structure, small non-metal atoms such as atomic oxygen, carbon, nitrogen or hydrogen can be stored on these interstices. Titanium has the ability to store very large amounts of such atoms (intercalated crystals). So you can solve up to about 10% oxygen in alpha-titanium. It forms an oxygen-titanium / zirconium alloy. Normally, pure titanium or zirconium has an oxygen content of approx. 0.2 to 0.5 wt .-% on. With increasing oxygen content, the hardness, the 0.2% proof stress and the tensile strength values increase, but the elongation at break and the fracture constriction decrease drastically. The usual hardness is the Vickerhärte HVO, 5 (microhardness) with the hardness in the edge region of a Gußobjektes can be measured. With increasing oxygen content, brittle titanium-oxygen alloys. This oxygen uptake causes the alpha-case casting error. It has been found that with oxygen contents up to about 1% by weight, such a casting defect is avoided and the cast articles obtained have suitable hardness dimensions and biocompatibility.

Bei höheren Sauerstoffgehalten verhalten sich die Titan-Sauerstofflegierungen wie ein oxidkeramisches Teil: Beim Biegen bricht ein Teil spröde ohne erkennbare Verformung. Ein hoher Sauerstoffgehalt im Oberflächenbereich des Titans oder Zirkoniumteils führt bei Verformung zu einem Aufplatzen der Oberfläche. Bei sehr hohen Sauerstoffgehalten bildet sich eine graue Schicht eines unstöchiometrischen Metalloxids, im Fall des Titans ein Titan (I)-oxid welches eine nicht eindeutig einer Summenformel zuzuordnendes Oxid, eine sogenannte Nicht-Daltonideverbindung, bildet. Diese "TiOx"-Verbindung auf der Oberfläche eines Gußobjektes besitzt einen spiegelnden Glanz, so daß man der Ansicht sein kann, daß eine metallische Oberfläche vorliegt. Dies ist jedoch ein Fehlschluß, denn die Biokompatibilität solcher mit Gußfehler belasteter Teile läßt drastisch nach. Es bilden sich Korrosionsprodukte mit niederwertigen Titan-Verbindungen (Radikalen), die zu einer Beeinträchtigung der Gewebeverträglichkeit führen. In Zellkulturen sinkt die DNA-Aktivität drastisch ab und die Zellmorphologie wird geschädigt.At higher oxygen contents, the titanium-oxygen alloys behave like an oxide-ceramic part: during bending, a part breaks brittle without noticeable deformation. A high oxygen content in the surface area of the titanium or zirconium part leads to a bursting of the surface upon deformation. At very high oxygen contents, a gray layer of an unstoichiometric metal oxide is formed, in the case of titanium a titanium (I) oxide which forms an oxide which can not be unambiguously assigned to a molecular formula, a so-called non-daltonide compound. This "TiO x " compound on the surface of a cast object has a specular gloss, so it can be considered that there is a metallic surface. However, this is a fallacy, because the biocompatibility of such parts loaded with casting defects decreases drastically. It forms corrosion products with low-valent titanium compounds (radicals), which lead to an impairment of tissue compatibility. In cell cultures, the DNA activity decreases drastically and the cell morphology is damaged.

Darüber hinaus führen flüssiges Titan und Zirkonium beim Vergießen zu Verschlackungsreaktionen zwischen den Einbettmassen und dem flüssigen Gußmetall im Augenblick des Vergießens. Im Rahmen dieser Verschlackungsreaktion kommt es zur Sauerstoffaufnahme des Gußmetalls. Es wurde herausgefunden, daß zur Vermeidung dieser alpha-case Ursache der Anteil von instabilen Oxiden wie Siliciumdioxid-Modifikationen oder Quarzen, Cristobalit, amorphen Siliciumdioxid-Anteilen oder Alkalisilikaten ("Wasserglas"-Bindemittel) und gebundenem Diphosphorpentoxid (P2O5) sehr klein sein muß, in der Summe unter 0,5 Gew.-%. Befinden sich diese Verbindungen in höheren Konzentrationen in den Gußformen, reagieren sie mit den aggressiven Titan- oder Zirkoniumschmelzen im Augenblick des Gußvorgangs unter Aufnahme von Sauerstoff in das Gußmetall und unter Aufnahme von unerwünschten Legierungsbestandteilen wie z. B. Silicium, Phosphor etc.. Dies führt zum sogenannten alpha-case, der irreversiblen Versprödung des Gußteils.In addition, liquid titanium and zirconium during casting lead to slagging reactions between the investment materials and the liquid cast metal at the moment of casting. In the context of this slagging reaction, the oxygen uptake of the cast metal occurs. It has been found that for avoiding these alpha-case cause the proportion of unstable oxides such as silica-modifications or quartz, cristobalite, amorphous silica-units or alkali silicates ( "water glass" binder) and bonded diphosphorus pentoxide (P 2 O 5) is very small must be in the sum below 0.5 wt .-%. If these compounds are present in higher concentrations in the molds, they react with the aggressive titanium or zirconium melts at the moment of the casting process by absorbing oxygen into the cast metal and taking up unwanted alloy constituents such. As silicon, phosphor, etc .. This leads to the so-called alpha-case, the irreversible embrittlement of the casting.

Im Rahmen dieser Erfindung wurde überraschenderweise herausgefunden, daß die Verwendung thermodynamisch sehr stabiler Oxide wie Yttrium(III)-oxid (Y2O3), Lanthan(III)-oxid (La2O3), Zirkonium(IV)-oxid (ZrO2), Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) und auch in Grenzen Aluminiumoxid (Al2O3) in den Einbettmassen zur Herstellung von Präzisionsgußformen die Vermeidung einer zu großen Sauerstoffaufnahme der Gußmetalle und eine Vermeidung des alpha-case Gußfehlers ermöglicht. In der angeführten Reihenfolge nimmt die thermochemische Stabilität von Yttrium (III)-oxid zu Aluminiumoxid gegenüber den aggressiven Titan- bzw. Zirkoniumschmelzen ab. Dies bedeutet im thermochemischen Sinne eine Zunahme des chemischen Standardpotenzials bezogen auf ein Mol Sauerstoff in positiver Richtung der Komponenten bei einer Gießtemperatur von 1800 K. Es ergeben sich folgende Werte: μ o 1800 CaO = - 790 kJ / mol - O ; μ o 1800 Y 2 O 3 = - 764 kJ / mol - O ; μ o 1800 La 2 O 3 = - 743 kJ / mol - O ;

Figure imgb0001
μ o 1800 MgO = - 731 kJ / mol - O ; μ o 1800 ZrO 2 = - 665 kJ / mol - O ; μ o 1800 Al 2 O 3 = - 650 kJ / mol - O .
Figure imgb0002
In the context of this invention, it has surprisingly been found that the use of thermodynamically very stable oxides such as yttrium (III) oxide (Y 2 O 3 ), lanthanum (La) oxide (La 2 O 3 ), zirconium (IV) oxide (ZrO 2 ), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO) and also limited alumina (Al 2 O 3 ) in the investment materials for the production of Präzisionsgußformen the avoidance of excessive oxygen uptake of the cast metals and avoiding the alpha-case Gußfehlers allows. In the order given, the thermochemical stability of yttrium (III) oxide to alumina decreases over the aggressive titanium or zirconium melts. In the thermochemical sense, this means an increase in the standard chemical potential based on one mole of oxygen in the positive direction of the components at a casting temperature of 1800 K. The following values result: μ O 1800 CaO = - 790 kJ / mol - O ; μ O 1800 Y 2 O 3 = - 764 kJ / mol - O ; μ O 1800 La 2 O 3 = - 743 kJ / mol - O ;
Figure imgb0001
μ O 1800 MgO = - 731 kJ / mol - O ; μ O 1800 ZrO 2 = - 665 kJ / mol - O ; μ O 1800 al 2 O 3 = - 650 kJ / mol - O ,
Figure imgb0002

Darüber hinaus wurde herausgefunden, daß die Aktivität der genannten Oxide in gebundenen Formen wie z. B. Aluminate wesentlich herabgesetzt werden kann.In addition, it has been found that the activity of said oxides in bonded forms such. As aluminates can be significantly reduced.

Sowohl das Bindemittel zur Herstellung der grünen Gußform als auch die keramischen Bestandteile aus denen die Gußform aufgebaut ist, dürfen nur thermo-chemisch beständige Oxide enthalten. Die Wahl der Oxide zum Aufbau der Gußform und die Wahl des Bindemittels richtet sich nach der durch die Menge des zu vergießenden Materials hervorgerufenen Temperaturbelastung der Gußform und nach der Art der Herstellung der Gußform. Bei der Herstellung der Gußform ist man in der Wahl der Oxide in einer Oxidmischung eingeschränkt, da die Gußform eine hinreichende mechanische Beständigkeit besitzen muß. Eine Gußform muß immer aus mehreren Oxidbestandteilen durch Sinterungsprozesse hergestellt werden. Es wurde herausgefunden, daß in Fällen hoher Temperaturbelastung der Gußformen, wie z. B. bei zu vergießenden Titanmengen von mehr als ca. 100 g, der Anteil der hochbeständigen Oxide wie Y2O3, La2O3 oder ZrO2 in der Summe über 30% liegen muß. Neben den beiden genannten Oxiden der Gruppe IIIb des Periodensystems Y2O3 und La2O3 ist auch Scandium(III)-oxid (Sc2O3) ein geeignetes stabiles Oxid, welches jedoch aufgrund seines hohen Preises nicht eingesetzt wird.Both the binder for the production of the green mold and the ceramic components from which the mold is constructed may contain only thermo-chemically resistant oxides. The choice of oxides for the construction of the mold and the choice of binder depends on the caused by the amount of the material to be cast temperature stress of the mold and on the way the production of the mold. In the production of the mold is limited in the choice of oxides in an oxide mixture, as the mold must have a sufficient mechanical resistance. A mold must always be made of multiple oxide constituents by sintering processes. It has been found that in cases of high temperature load of the molds, such. B. in casting titanium amounts of more than about 100 g, the proportion of highly stable oxides such as Y 2 O 3 , La 2 O 3 or ZrO 2 in the sum must be above 30%. In addition to the two mentioned oxides of group IIIb of the periodic table Y 2 O 3 and La 2 O 3 , scandium (III) oxide (Sc 2 O 3 ) is also a suitable stable oxide, which, however, is not used because of its high price.

Das Gleichgewicht zwischen flüssigen Gußmetall und dem Oxidsystem der Einbettmasse im Augenblick des Vergießens beruht auf der Verschlackungsreaktion Me 2 O 3 fest + Ti , Zr Flüssig 2 Me gelöst in fl . Ti / Zr + 3 O gelöst in fl . Ti / Zr ,

Figure imgb0003
The balance between molten metal and the oxide system of the investment at the moment of potting is due to the slagging reaction me 2 O 3 firmly + Ti . Zr Liquid 2 me solved in fl , Ti / Zr + 3 O solved in fl , Ti / Zr .
Figure imgb0003

(Me = La, Y auch Sc)
mit der Gleichgewichtskonstanten Ka, die aus den chemischen Standardpotentialen µ°1800 (beispielsweise siehe oben für 1800 K) für diese Verschlackungsreaktion hervorgeht K a = a Me 2 a O 3 a Ti

Figure imgb0004
(Me = La, Y also Sc)
with the equilibrium constant K a , which results from the standard chemical potentials μ ° 1800 (for example, see above for 1800 K) for this slagging reaction K a = a me 2 a O 3 a Ti
Figure imgb0004

Mit a(Me) für die Aktivitäten von La/Y in der Metallphase, a(O) ist die Sauerstoffaktivität in der Metallphase und a(Ti) ist die Ti-Aktivität in der Metallphase, a(Me2O3)=1 beim Vorliegen der reinen Komponente. In den oxidischen Verbindungen (z. B. in Aluminaten) ist stets a(Me2O3)<<1, so daß die Sauerstoffaufnahme hierdurch reduziert werden kann.With a (Me) for the activities of La / Y in the metal phase, a (O) is the oxygen activity in the metal phase and a (Ti) is the Ti activity in the metal phase, a (Me 2 O 3 ) = 1 Presence of the pure component. In the oxidic compounds (eg in aluminates), a (Me 2 O 3 ) is always << 1, so that the oxygen uptake can be reduced as a result.

Ka liegt im Temperaturbereich zwischen 1600 bis 1700°C aufgrund thermodynamischer Berechnungen zwischen 10-3 und 10-5. Es würde sich ein Gleichgewicht einstellen, in dem die Sauerstoffaktivität weit unterhalb derer liegen würde, bei der die alpha-case-Bildung stattfände.K a is in the temperature range between 1600 to 1700 ° C due to thermodynamic calculations between 10 -3 and 10 -5 . It would become one Set equilibrium in which the oxygen activity would be far below that at which alpha-case formation occurred.

Analoges gilt auch hinsichtlich der Stabilität von ZrO2 gegenüber flüssigem Ti. Allerdings liegen hier die Gleichgewichtskonstanten bei Werten von Ka ≈ 0,1 (1600°C), so daß ZrO2 instabiler ist als Y2O3 bzw. La2O3. Durch Vorgabe der Zr-Aktivität, durch Absenkung der ZrO2-Aktivität (z. B. Bildung von Mischoxiden Y2O3-ZrO2) und durch eine hinreichend hohe Abkühlungsgeschwindigkeit der Gußform nach dem Gießvorgang, läßt sich die alpha-case-Bildung unterlaufen. Die erhaltene Oberflächenhärte der mittels solcher Gußform gebildeten Gußobjekte liegt weit unter der Versprödungsgrenze von HV0,5 = 400.The same applies to the stability of ZrO 2 over liquid Ti. However, here the equilibrium constants lie at values of K a ≈ 0.1 (1600 ° C.), so that ZrO 2 is more unstable than Y 2 O 3 or La 2 O 3 , By setting the Zr activity, by lowering the ZrO 2 activity (for example, formation of mixed oxides Y 2 O 3 -ZrO 2 ) and by a sufficiently high cooling rate of the mold after the casting process, the alpha-case formation can be undermined. The obtained surface hardness of the castings formed by such mold is well below the embrittlement limit of HV0.5 = 400.

Die erfindungsgemäßen Einbettmassen bestehen aus einem Bindersystem und einer geeigneten oxidischen Keramikmischung.The investment materials of the invention consist of a binder system and a suitable oxide ceramic mixture.

Das BindersystemThe binder system

Eine Keramikmischung aus den Komponenten MgO-CaO-Al2O3(als Calciumaluminat)-ZrO2 wird mit einer wäßrigen Lanthan- oder Yttriumsalzlösung (oder einer Mischung der beiden Salze) angerührt (Einbettmassenbrei). Ein Wachsteil (späterer Hohlraum für den Ti/Zr-Gießvorgang) wird mit diesem Einbettmassenbrei ummantelt und härtet zu einer sog. "grünen Gußform" innerhalb weniger Stunden aus. Die Abbindereaktion beruht auf einer langsamen Reaktion von alkalischen Bestandteilen und den La3+ - bzw. Y3+-Ionen zu den entsprechenden ausgefallenen Hydroxiden Me(OH)3 mit Me = La, Y: Me 3 + aq + 3 OH - aq Me OH 3 fest , Me = Y , La

Figure imgb0005
A ceramic mixture of the components MgO-CaO-Al 2 O 3 (as calcium aluminate) -ZrO 2 is mixed with an aqueous lanthanum or yttrium salt solution (or a mixture of the two salts) (embedding pulp). A wax part (later cavity for the Ti / Zr casting process) is encased with this potting slurry and cures to a so-called "green mold" within a few hours. The setting reaction is based on a slow reaction of alkaline components and the La 3+ - or Y 3+ -ions to the corresponding precipitated hydroxides Me (OH) 3 with Me = La, Y: me 3 + aq + 3 OH - aq me OH 3 firmly . me = Y . La
Figure imgb0005

Die auskristallisierten Hydroxide verbinden die Keramikpartikel und binden so die "grüne Gußform". Hierbei stellte sich heraus, daß die Calciumaluminat-Komponente eine entscheidende Rolle als alkaliserender Zusatz (OH- Abgabe in Wasser) spielt. Das Calciumaluminat besteht in der Regel aus den Komponenten CaO + Al2O3 mit w(CaO) = 20 bis 40 % und w(Al2O3) = 80 bis 60 %. Nebenbestandteile liegen in technischen Produkten in der Summe unter 0,8% (Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2). Das Calciumaluminat besteht aus den mineralogischen Phasen CaO·Al2O3 + CaO·2Al2O3 als primäre Phasen und mit 12CaO·7Al2O3 + α-Al2O3 als sekundäre Phasen. Die Korngrößenverteilung kann man durch die Siebanalyse charakterisieren: 5% Massenanteile liegen über einer Korngröße > 90 µm, d. h. 95% aller Calciumaluminat-Partikel besitzen Korngrößen unter 90 µm. In Kontakt mit Wasser werden alkalische Bestandteile langsam freigesetzt, so daß der pH-Wert auf pH≈12 im Minutenbereich ansteigt. Dies führt zu o. g. Fällung des schwerlöslichen Me(OH)3-Hydroxide, die die Grünfestigkeit erzeugen.
Die MgO-Komponente trägt zur Fällungsreaktion bei, so daß dieser eine wesentliche Rolle in der Abbindereaktion des Systems CaO + Al2O3 zukommt. Für die Erzeugung der Me(OH)3-Fällung kommen nur gut wasserlösliche Oxosalze des Lanthans oder/und Yttrium oder Mischungen dieser in Frage, die beim Brennprozeß der "grünen Gußform" rückstandslos La2O3 bzw. Y2O3 bilden. Beispielsweise sind dies als Anmischflüssigkeit wäßrige Lösungen von Nitraten: (Y,La)(NO3)3·aq oder/und Acetaten: (Y,La) (OOCCH3)3· aq oder/und Formiaten: (Y,La)(OOCH)3·aq usw. Diese Verbindungen zersetzen sich unterhalb von 700°C vollständig und rückstandlos zu den entsprechenden Oxiden La2O3 und Y2O3 um (thermischer Zerfall). Diese verbinden sich mit den üblichen Oxidkomponenten in der gebrannten Gußform. Im Bereich höherer Temperaturen zwischen 700 und 1000°C führt dies zu Sinterprozessen (Bildung von Mischkristallsystemen (Y, La)2O3-Al2O3 oder ZrO2-Y2O3, die die Festigkeit der gebrannten Gußform unterhalb von 1000°C verstärken, wie beispielsweise 3Y2O3·5Al2O3 oder La2O3·Al2O3 + La2O3·11Al2O3). Die Anwendungskonzentration der Salze in der wäßrigen Lösung liegt üblicherweise zwischen 5 bis 30% (abhängig von den Löslichkeitsgrenzen).
The crystallized hydroxides connect the ceramic particles and thus bind the "green mold". It turned out that the calcium aluminate component plays a crucial role as alkaliserender addition (OH - release in water). The calcium aluminate usually consists of the components CaO + Al 2 O 3 with w (CaO) = 20 to 40% and w (Al 2 O 3 ) = 80 to 60%. In the case of technical products, minor constituents amount to less than 0.8% (Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 ). The calcium aluminate exists from the mineralogical phases CaO.Al 2 O 3 + CaO .2Al 2 O 3 as primary phases and with 12CaO. 7Al 2 O 3 + α-Al 2 O 3 as secondary phases. The particle size distribution can be characterized by sieve analysis: 5% mass fractions are above a particle size> 90 μm, ie 95% of all calcium aluminate particles have particle sizes below 90 μm. In contact with water, alkaline components are released slowly, so that the pH increases to pH≈12 in the minute range. This leads to the above-mentioned precipitation of the sparingly soluble Me (OH) 3 hydroxides, which produce the green strength.
The MgO component contributes to the precipitation reaction, so that this plays an essential role in the setting reaction of the system CaO + Al 2 O 3 . For the production of Me (OH) 3 precipitation only good water-soluble oxo salts of lanthanum and / or yttrium or mixtures of these come into question, which form without residue La 2 O 3 or Y 2 O 3 in the firing process of the "green mold". For example, as mixing liquid, these are aqueous solutions of nitrates: (Y, La) (NO 3 ) 3 .aq or / and acetates: (Y, La) (OOCCH 3 ) 3 .aq or / and formates: (Y, La) ( OOCH) 3 · aq, etc. These compounds decompose completely and without residue below 700 ° C. to form the corresponding oxides La 2 O 3 and Y 2 O 3 (thermal decomposition). These combine with the usual oxide components in the fired mold. In the range of higher temperatures between 700 and 1000 ° C, this leads to sintering processes (formation of mixed crystal systems (Y, La) 2 O 3 -Al 2 O 3 or ZrO 2 -Y 2 O 3 , the strength of the fired mold below 1000 ° reinforce C, such as 3Y 2 O 3 · 5Al 2 O 3 or La 2 O 3 · Al 2 O 3 + La 2 O 3 · 11Al 2 O 3). The use concentration of the salts in the aqueous solution is usually between 5 to 30% (depending on the solubility limits).

Die Gußform für die Herstellung des Präzisionsgußteiles wird durch das Verbrennen des Wachs- oder Kunststoffteiles (Ausschmelzverfahren), daß das herzustellende Objekt abbildet, hergestellt. Wie üblich wird hierbei die grüne Gußform auf hohe Temperaturen (bis ca. 1000°C) unter Luftsauerstoffzutritt erhitzt. Der gebildete Hohlraum, der in präziser Weise das zu gießende Objekt abbildet, wird mit einer flüssigen Ti- oder Zr-Legierungen durch Anwendung eines leichten Druckes aufgefüllt. Hierbei muß die genaue Geometrie des zu gießenden Objektes (unter Berücksichtigung der Schrumpfmaße) nachgebildet werden. Eine zusätzliche Anforderung an die Herstellung einer Gußform kann darin bestehen, daß sie eine entsprechend große thermische Expansion besitzen muß, so daß damit die Schrumpfung des Gußobjektes kompensiert wird. Diese zusätzliche Anforderung besteht im Bereich der medizinischen Implantattechnik für die Herstellung hochpräziser Gußteile. Die Gußteiloberfläche muß optisch matt glänzend sein. Die Rauhigkeitstiefe und Rauhigkeitsbreite müssen unter 20 µm liegen, so daß ein Nachschleifen der Oberfläche eingespart werden kann. Die Gußformen können auf verschiedene Temperaturen vorgewärmt werden (üblicherweise im Temperaturbereich 400 bis 800°C).The mold for the production of the precision casting is made by burning the wax or plastic part (Ausmelzverfahren) that the object to be produced, images. As usual, the green mold is heated to high temperatures (up to approx. 1000 ° C) under the ingress of atmospheric oxygen. The formed cavity which precisely images the object to be cast is filled with liquid Ti or Zr alloys by applying a light pressure. In this case, the exact geometry of the object to be cast (taking into account the shrinkage dimensions) must be reproduced become. An additional requirement for the production of a mold may be that it must have a correspondingly large thermal expansion, so that so that the shrinkage of the casting object is compensated. This additional requirement is in the field of medical implant technology for the production of high-precision castings. The casting surface must be visually matt glossy. The roughness depth and roughness width must be less than 20 microns, so that a regrinding of the surface can be saved. The molds can be preheated to different temperatures (usually in the temperature range 400 to 800 ° C).

Oxidische KeramikmischungOxidic ceramic mixture

Die oxidkeramische Mischung zum Aufbau der Gußform läßt sich wie folgt zusammenfassend angeben: Oxid-Bestandteil Massenanteil (%) Kornfraktion (µm) Calcium-Aluminate 8 bis 30 5 bis 150 Magnesiumoxid 92 bis 70 5 bis 200 Unstabilisiertes Zirkonium (IV)-oxid 0 bis 10 10 bis 100 The oxide ceramic mixture for building the mold can be summarized as follows: Oxide constituent Mass fraction (%) Grain fraction (μm) Calcium aluminates 8 to 30 5 to 150 magnesia 92 to 70 5 to 200 Unstabilized zirconium (IV) oxide 0 to 10 10 to 100

In der Summe muß stets w(CaO-Al2O3) + w(MgO) + w(ZrO2) = 100 % betragen (ohne den Binderanteil).In sum, w (CaO-Al 2 O 3 ) + w (MgO) + w (ZrO 2 ) must always be 100% (without the binder content).

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele angeführt, welche jedoch nur beschreibenden Charakter besitzen und auf welche sich die Erfindung nicht beschränken läßt.In the following examples are given, which, however, have only descriptive character and to which the invention can not be limited.

Verwendet wird das in der Praxis häufig verwendete Titan-Gußmaterial (TiF35/Ausgangsmaterial) der folgenden Reinheit (w: Massenprozent, Mittelwerte):

  • w(Fe) = 0,2 bis 0,25 %, w(C) = 0,07 bis 0,09 %, w(H) = 0,003 bis 0,005 %; w(O) = 0,12 bis 0,08 %; w(H) = 0,01 bis 0,012 %, Rest Ti
  • 0,2 % Dehngrenze je nach Abkühlungsbedingungen und
  • Konzentrationsschwankungen der Spuren Fe, C, N, 0: Rρ0,2 = 300 bis 350 MPa Vickershärte, je nach Abkühlungsbedingungen und
  • Konzentrationsschwankungen der Spuren Fe, C, N, O : HV 0,5 = 180 bis 220
The commonly used titanium casting material (TiF35 / starting material) of the following purity (w: mass percentage, mean values) is used:
  • w (Fe) = 0.2 to 0.25%, w (C) = 0.07 to 0.09%, w (H) = 0.003 to 0.005%; w (O) = 0.12 to 0.08%; w (H) = 0.01 to 0.012%, balance Ti
  • 0.2% proof stress depending on the cooling conditions and
  • Concentration fluctuations of the traces Fe, C, N, 0: R ρ0,2 = 300 to 350 MPa Vickers hardness, depending on the cooling conditions and
  • Concentration fluctuations of the tracks Fe, C, N, O: HV 0.5 = 180 to 220

Der Schmelzapparat, ein Lichtbogenofen, wurde unter Reinst-Argon (99,9995 %) betrieben. Die eingesetzte Titan-Masse lag zwischen 10 und 50 g. Unter diesen Bedingungen wurden verschiedene Gußformen erprobt und die Aufhärtung durch Sauerstoff im Randbereich eines Gußobjektes in Abhängigkeit von

  1. 1. der Zusammensetzung der Gußform und
  2. 2. der Vorwärmtemperatur der Gußform
ermittelt.The melter, an electric arc furnace, was operated under pure argon (99.9995%). The titanium mass used was between 10 and 50 g. Under these conditions, various molds were tested and the hardening by oxygen in the edge region of a cast object as a function of
  1. 1. the composition of the mold and
  2. 2. the preheating temperature of the mold
determined.

Die Härte wurde als Mikrohärte HV 0,5 im Randbereich in Abhängigkeit vom Abstand bestimmt. Aufgrund dieser HV-Bestimmungsmethode, sind verläßliche Aussagen über die mittlere Eindringtiefe des Sauerstoffs in die Ti/Zr-Matrix (Aufhärtungszonen) zu erhalten und die Beurteilungen möglich, ob eine spröde alpha-case-Schicht entstanden ist. Bei der Beurteilung der HV-Änderungen muß berücksichtigt werden, daß das eingesetzte Grundmaterial Schwankungen unterliegt, die in der Natur der metallurgischen Technik liegen und nicht vermieden werden können. Es kommt also primär auf die Härteänderung gegenüber dem Grundmaterial an. Eine zu hohe Sauerstoffaufnahme führt zur alpha-case-Bildung und ist mit einem anormal hohen Anstieg des Wertes HV 0,5 (größer als 500) verbunden.The hardness was determined as microhardness HV 0.5 in the edge region as a function of the distance. Based on this HV determination method, it is possible to obtain reliable information about the average penetration depth of the oxygen into the Ti / Zr matrix (hardening zones) and to assess whether a brittle alpha-case layer has formed. When assessing the HV changes, it must be taken into account that the base material used is subject to fluctuations which are in the nature of metallurgical technology and can not be avoided. So it depends primarily on the hardness change compared to the base material. Excessive oxygen uptake leads to alpha-case formation and is associated with an abnormally high increase in HV 0.5 (greater than 500).

Eine weitere Beurteilungsgröße ist die Messung der thermischen Expansion (Dilatometer-Ergebnisse) bei der Umwandlung der sogenannten "grünen" zur gebrannten Gußform. Die Gußform sollte sich beim Brennprozeß etwas ausdehnen (oder zumindest keine Schwindung ausweisen), damit die Geometrie des Gußobjektes von der Geometrie des Wachsteiles (=vorgegebene Geometrie) möglich wenig abweicht. Vorteilhaft wäre eine Ausdehnung der Keramikgußform von ca. 1 %, so daß die Abnahme der thermischen Expansion des Ti/Zr-Gußteiles beim Abkühlen auf Raumtemperatur durch die Zunahme der thermischen Expansion der Gußform kompensiert werden kann. Dies führt dann zu äußerst präzisen Gußobjekten. Die Dilatometermessungen enthalten also Aussagen zur Präzision des Gußobjektes.Another criterion is the measurement of the thermal expansion (dilatometer results) in the conversion of the so-called "green" to the fired mold. The mold should expand slightly in the firing process (or at least show no shrinkage), hence the geometry of the casting object of the geometry of the wax part (= predetermined geometry) possible deviates slightly. An extension of the ceramic casting mold of about 1% would be advantageous, so that the decrease in the thermal expansion of the Ti / Zr casting on cooling to room temperature can be compensated by the increase in the thermal expansion of the mold. This then leads to extremely precise casting objects. The dilatometer measurements thus contain statements about the precision of the cast object.

Darüber hinaus wurde im Rahmen der Untersuchungen zu dieser Erfindung festgestellt, daß durch die Zugabe von Zirkoniumcarbid (ZrC) eine höhere thermische Expansion durch chemische Hochtemperaturreaktionen beobachtet werden kann. Die Oxidation von ZrC zur ZrO2 ist mit einer Volumenzunahme von über 40 % verbunden, so daß mit einer relativ geringen Menge ZrC (maximal 5 Gew.-% in Einbettmasse) eine thermische Expansion der Einbettmasse von bis 4 % erzielt werden kann. Es wurde herausgefunden, daß die ZrC-Oxidation durch kleine Zugaben von Lithiumverbindungen in die Einbettmassen katalysiert wird. Hierbei eignen sich Lithiumverbindungen, die beim Erhitzen der abgebundenen Einbettmasse zur Gußform Lithiumoxid (Li2O) oder Lithiumfluorid (LiF) bilden. Der Anteil an Li2O oder LiF in der Einbettmasse liegt erfindungsgemäß zwischen 0,01 bis 0,8 % Li2O bzw. LiF. Hierdurch sind Titan- oder Zirkoniumlegierungsteile mit außerordentlich hoher Paßgenauigkeit herstellbar. Die erhöhte thermische Expansion verbessert die Paßgenauigkeit von Präzisionsgußteilen aus Titan- oder Zirkoniumlegierungen, da viele aus dem Stand der Technik bekannte Mischungen eine zu geringe thermische Expansion aufweisen.In addition, it has been found in the study of this invention that by the addition of zirconium carbide (ZrC), higher thermal expansion can be observed by high-temperature chemical reactions. The oxidation of ZrC to ZrO 2 is associated with a volume increase of over 40%, so that with a relatively small amount of ZrC (maximum 5 wt .-% in investment), a thermal expansion of the investment of up to 4% can be achieved. It has been found that ZrC oxidation is catalyzed by small additions of lithium compounds into the investment materials. Lithium compounds which form lithium oxide (Li 2 O) or lithium fluoride (LiF) on heating the set investment material to the casting mold are suitable for this purpose. The proportion of Li 2 O or LiF in the embedding mass according to the invention is between 0.01 to 0.8% Li 2 O or LiF. As a result, titanium or zirconium alloy parts can be produced with extremely high accuracy of fit. The increased thermal expansion improves the precision of precision casting of titanium or zirconium alloys as many blends known in the art have too little thermal expansion.

Hinsichtlich des Abbindeverhaltens der Lanthan- oder Yttriumsalze enthaltenden Keramikmischungen (System MgO-CaO-Al2O3-ZrO2) wurden die Anmischflüssigkeiten auch bei Verwendung von Lithiumsalzen grundsätzlich nicht geändert. Die Anmischflüssigkeit (auf der Basis Wasser oder Wasser-Alkoholmischungen) kann in gelöster Form das Lithiumsalz enthalten, welches später beim Erhitzen der Gußform in einem thermischen Dissoziationsvorgang Li2O bildet. Alternativ kann das Lithiumsalz auch in fein verteilter Form in die Keramikmischung für die Herstellung der Gußform (Einbettmasse) eingearbeitet werden. Dies ist zum Beispiel bei Lithiumfluorid (LiF), welches in Wasser schwer löslich ist, möglich. Das durch thermische Dissoziationsreaktionen gebildete Li2O und das durch Oxidation gebildete ZrO2 sind thermochemisch so stabil, daß zwischen diesen Stoffen in der Gußform und den flüssigen Titan- bzw. Zirkoniumlegierungen keine alpha-case-bildenden Reaktionen stattfinden. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die erfindungsgemäße Anwendung von ZrC und Lithiumverbindungen.With regard to the setting behavior of the ceramic mixtures containing lanthanum or yttrium salts (MgO-CaO-Al 2 O 3 -ZrO 2 system ), the mixing liquids were fundamentally not changed even when using lithium salts. The mixing liquid (based on water or water-alcohol mixtures) may contain, in dissolved form, the lithium salt which forms Li 2 O later on heating the mold in a thermal dissociation process. Alternatively, the lithium salt may also be incorporated in finely divided form into the ceramic mixture for the production of the casting mold (investment material). This is, for example, with lithium fluoride (LiF), which is heavy in water is soluble, possible. The formed by thermal dissociation reactions Li 2 O and ZrO 2 formed by oxidation are thermochemically stable so that no alpha-case-forming reactions take place between these materials in the mold and the liquid titanium or zirconium alloys. This is an important prerequisite for the inventive use of ZrC and lithium compounds.

Zirkoniumcarbid (ZrC):Zirconium carbide (ZrC):

Den zuvor beschriebenen Einbettmassen wird ZrC zugesetzt (bis zu w(ZrC) = 5 %). Das ZrC reagiert unter Lufteinwirkung und bei hohen Temperaturen (ab 500 °C) unter Volumenvergrößerung zu Zirkonium(IV)-oxid (monoklines Zirkondioxid):

        ZrC + 2 O2 → ZrO2 + CO2
ZrC is added to the investment materials described above (up to w (ZrC) = 5%). The ZrC reacts under the effect of air and at high temperatures (from 500 ° C) under increasing volume to zirconium (monoxide) (monoclinic zirconium dioxide):

ZrC + 2O 2 → ZrO 2 + CO 2

Die Volumenzunahme durch die Oxidation des ZrC's beträgt rd. 43 %, so dass schon kleinere Anteile in den Einbettmassen entsprechend hohe thermische Expansionen erzeugen.
Zur Charakterisierung des ZrC's:

  • Das ZrC enthält geringe Mengen an Hafnium. Der Hf-Gehalt liegt unter 3 %, da beide Elemente nur schwer trennbar sind (Seltener Erden-Effekt).
  • Die Reinheit des handelsüblichen Zirkoniumcarbides ZrC liegt bei mindestens 97 %.
  • Die Korngröße liegt unterhalb von 25 µm. Je feiner ZrC ist, desto reaktiver ist die Verbindung.
  • ZrC ist ein sehr reaktionsträger Stoff. Auf der Kornoberfläche bildet sich ZrO2, das wegen der Volumenzunahme auf der Oberfläche eine geschlossene Deckschicht bildet und diese somit passiviert. Die Oxidationsgeschwindigkeit geht gegen Null.
The increase in volume due to the oxidation of the ZrC is approx. 43%, so that even smaller proportions in the investment materials generate correspondingly high thermal expansions.
To characterize the ZrC's:
  • The ZrC contains small amounts of hafnium. The Hf content is below 3%, as both elements are difficult to separate (rare earth effect).
  • The purity of the commercial zirconium carbide ZrC is at least 97%.
  • The grain size is below 25 microns. The finer ZrC, the more reactive the compound.
  • ZrC is a very inert substance. ZrO 2 is formed on the grain surface, forming a closed surface layer on the surface due to the increase in volume and thus passivating it. The oxidation rate goes to zero.

Es wurde festgestellt, daß sich die ablaufenden Diffusionsprozesse zur Oxidation von ZrC durch Spuren von Lithiumverbindungen stark beschleunigen lassen (Defektionenbildung und Aufschluss des gebildeten ZrO2 , Verstärkung der Diffusionsvorgänge). Die katalytische ZrC-Oxidation durch Li-Verbindungen in den genannten Einbettmassen ist von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung. Die Lithiumverbindungen können als Dotierungen in die Einbettmasse eingemischt werden oder alternativ, wenn sie in Wasser oder Alkohol löslich sind, in der Anmischflüssigkeit gelöst werden.
Das aus ZrC gebildete ZrO2 und das aus den Lithiumverbindungen gebildete Li2O und auch LiF werden wegen ihrer hohen thermochemischen Stabilitäten von flüssigen Ti- oder Zr-Legierungen praktisch nicht angegriffen. Die Konzentration an Li2O bzw. LiF in der gebrannten Keramikform muss begrenzt werden (maximal 2 %-Li2O oder LiF), da ansonsten die Keramikform bei hohen Temperaturen zu stark sintern würde. Das Sintern würde einen Schrumpfeffekt hervorrufen und die Keramikform würde sich zu stark verfestigen (Problem beim Ausbetten).
It has been found that the ongoing diffusion processes for the oxidation of ZrC can be greatly accelerated by traces of lithium compounds (formation of defects and disruption of the ZrO 2 formed , enhancement of the diffusion processes). The catalytic ZrC oxidation by Li compounds in said investments is essential to the invention. The lithium compounds may be mixed as dopants in the investment or alternatively, if they are soluble in water or alcohol, dissolved in the mixing liquid.
The ZrO 2 formed from ZrO and the Li 2 O formed from the lithium compounds and also LiF are practically not attacked by liquid Ti or Zr alloys because of their high thermochemical stabilities. The concentration of Li 2 O or LiF in the fired ceramic mold must be limited (maximum 2% Li 2 O or LiF), otherwise the ceramic mold would sinter too much at high temperatures. The sintering would cause a shrinkage effect and the ceramic mold would solidify too much (problem of de-bonding).

Lithiumverbindungen:Lithium compounds:

Es wurde herausgefunden, dass sich alle Lithiumverbindungen eignen, die bei hohen Temperaturen thermisch dissoziieren und Lithiumoxid (Li2O) bilden. Das sind beispielsweise:

  • Lithiumlactat (C3H5O3Li), wasserfrei oder hydratisiert
  • Lithiumcitrat (C6H5O7Li3), wasserfrei oder hydratisiert (z.B. Tetrahydrat)
  • Lithiumbenzoat (C7H5O2Li), wasserfrei oder hydratisiert
  • Lithiumacetat (C2H3O2Li), wasserfei oder hydratisert (z.B. Dihydrat)
  • Lithiumnitrat (LiNO3), wasserfei oder hydratisiert (z.b. Trihydrat)
  • Lithiumchlorid (LiCl), wasserfei oder hydratisiert (mehrere Hydrate)
  • LiCl wandelt sich bei höheren Temperaturen in Gegenwart von Wasserdampf in den Einbettmassen zu Li2O um, so dass hierdurch die ZrC-Oxidation katalysiert wird:

            2 LiCl + 2 H2O → Li2O + 2 HCl
It has been found that all lithium compounds which thermally dissociate at high temperatures and form lithium oxide (Li 2 O) are suitable. These are for example:
  • Lithium lactate (C 3 H 5 O 3 Li), anhydrous or hydrated
  • Lithium citrate (C 6 H 5 O 7 Li 3 ), anhydrous or hydrated (eg tetrahydrate)
  • Lithium benzoate (C 7 H 5 O 2 Li), anhydrous or hydrated
  • Lithium acetate (C 2 H 3 O 2 Li), anhydrous or hydrated (eg dihydrate)
  • Lithium nitrate (LiNO 3 ), anhydrous or hydrated (eg trihydrate)
  • Lithium chloride (LiCl), water-free or hydrated (several hydrates)
  • LiCl converts to Li 2 O at higher temperatures in the presence of water vapor in the embedding masses, thereby catalyzing the ZrC oxidation:

    2 LiCl + 2 H 2 O → Li 2 O + 2 HCl

Das gebildete HCl wird freigesetzt und verflüchtigt sich.The formed HCl is released and volatilizes.

Lithiumfluorid (LiF), wasserfrei, ist in Wasser schwerlöslich und kann nur direkt in der Einbettmasse als keramischer Bestandteil verarbeitet werden.
Das LiF schließt das ZrO2 auf den ZrC-Partikel auf und katalysiert ebenfalls (wie das Li2O) die ZrC-Oxidation.
Die angewendeten Lithiumkonzentrationen, als Li2O oder LiF, liegen im Konzentrationsintervall von 2 % bis 0,01%. Geringe Lithiummengen reichen aus, da sie nur die katalytische Oxidation des ZrC's bewirken.
Lithium fluoride (LiF), anhydrous, is sparingly soluble in water and can only be processed directly in the investment as a ceramic component.
The LiF attaches the ZrO 2 to the ZrC particles and also catalyzes (like the Li 2 O) the ZrC oxidation.
The applied lithium concentrations, as Li 2 O or LiF, are in the concentration range of 2% to 0.01%. Low amounts of lithium are sufficient because they only cause the catalytic oxidation of the ZrC.

Zusatz einer organischen CarbonsäureAddition of an organic carboxylic acid

Die Carbonsäuren (chemisch R-COOH, R ein organisches Restmolekül) sind in gelöster Form in den Anmischflüssigkeiten enthalten. Sie haben die Funktion, beim Anmischen der basischen Bestandteile in den Einbettmassen (basische MgO und Calciumaluminat) diese zu neutralisieren und zunächst den pH-Wert drastisch zu erniedrigen, so dass eine Hydroxidfällung von Me(OH)3 , Me=Y,La, hinausgezögert wird. Damit wird der Verfestigungszeitpunkt der Einbettmassen im Bereich mehrerer Minuten hinausgezögert, wodurch sich eine längere Verarbeitungszeit ergibt.
Die angewendeten mehrwertigen Carbonsäuren, wie zum Beispiel Weinsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure oder Maleinsäure besitzen zudem komplexierende Eigenschaften, so dass die Hydroxidfällung auch hierdurch zusätzlich hinausgezögert wird. Gleichzeitig wird die Hydrolyseneigung der Lanthan- oder Yttriumsalze, die zum vorzeitiger Ausfällung von La,Y- Hydroxiden in der Anmischflüssigkeit führen kann, verhindert. Eine Hauptbedingung für die Wahl der Säure ist, dass sie sich durch thermischen Zerfall aus der Keramikform verflüchtigt. Hier kommen deshalb nur die Carbonsäuren in Frage. Sie entweichen rückstandslos durch Oxidation und thermischen Zerfall beim Brennenprozess in Kohlendioxid und Wasserdampf aus den porösen Keramikgussformen (Temperaturbereich 100 bis 300 °C). Neben den genannten mehrwertigen Carbonsäuren R-(COOH)x mit x =2,3, etc.) werden auch einfache Monocarbonsäuren x = 1 wie Ameisensäure oder Essigsäure eingesetzt. Die Wahl hängt von Löslichkeitsparametern La3+ /Y3+ - Carbonsäure ab.
The carboxylic acids (chemically R-COOH, R an organic residue molecule) are contained in dissolved form in the mixing liquids. They have the function, when mixing the basic constituents in the investment materials (basic MgO and calcium aluminate), to neutralize them and, first of all, to drastically lower the pH so that a hydroxide precipitation of Me (OH) 3 , Me = Y, La, is delayed becomes. Thus, the solidification time of the investments is delayed in the range of several minutes, resulting in a longer processing time.
The polybasic carboxylic acids used, such as, for example, tartaric acid, citric acid, ascorbic acid or maleic acid also have complexing properties, so that the hydroxide precipitation is also additionally delayed by this. At the same time, the hydrolysis tendency of the lanthanum or Yttrium salts, which can lead to premature precipitation of La, Y-hydroxides in the mixing liquid prevented. A major condition for the choice of acid is that it will volatilize from thermal decomposition of the ceramic mold. Therefore, only the carboxylic acids come into question here. They escape without residue through oxidation and thermal decomposition during the firing process into carbon dioxide and water vapor from the porous ceramic casting molds (temperature range 100 to 300 ° C). In addition to the above-mentioned polybasic carboxylic acids R- (COOH) x with x = 2.3, etc.), simple monocarboxylic acids x = 1 such as formic acid or acetic acid are also used. The choice depends on solubility parameters La 3+ / Y 3+ - carboxylic acid.

Lösungsmittel für die AnmischflüssigkeitSolvent for the mixing liquid

Als Grundlösungsmittel verwendet man Wasser. Das Wasser hat allerdings kleine negative Wirkungen in Bezug auf die Verarbeitungszeit des Einbettmassenbreis und das Schrumpfen der grünen Gussform beim Abbindeprozess. Eine zu große Wasseraktivität bedeutet ein schnelles Abbinden und eine erhöhte Volumenänderung durch Schrumpfen (im Extremfall bis zu - 0,7 %). Schrumpfvorgang und Verarbeitungszeit hängen aber nicht nur vom Wassergehalt ab, sondern auch vom Einfluss der Carbonsäure und der Art des Lanthan(III)- und Yttriumsalzes. Diese Einflüsse sind qualitativ erforscht worden und Grundlage der jeweiligen entwickelten Rezeptur.
Man kann die Wasseraktivität durch Zugabe von kurzkettigen Alkoholen und Ketonen reduzieren (die Verarbeitungszeit damit verlängern und das Schrumpfen wesentlich verringern). Diese organischen Lösungsmittel müssen sich in jedem Verhältnis mit Wasser mischen lassen: Methanol, Ethanol,
1-Propanol, 2-Propanol und Aceton (=Dimethyl-Keton). Der Gehalt an diesen zum Wasser zugesetzten Lösungsmitteln bewegt sich in Grenzen 0 bis 50 Vol.-% . Die Gehalte der kurzkettigen Alkohole und Ketone richten sich nach den Löslichkeiten der Lanthan(III)- bzw. Yttrium(III)-Salze in dem jeweiligen Lösungsmittelgemisch Wasser- kurzkettigen Alkoholen/Ketonen. Es wurde herausgefunden, dass die Löslichkeiten der Lanthan(III)- bzw. Yttrium(III)-Salze in diesen Gemischen gut sind und in der Regel mindestens 10 % betragen. Auch die Lithiumverbindungen (bis auf LiF) und die Carbonsäuren sind in der Regel in diesen Lösungsmittelgemischen hinreichend gut löslich. Damit lassen sich homogene Amischflüssigkeiten der Art: Wasser-organisches Lösungsmittelorganische Carbonsäure-Lithiumverbindung- Me3+-Salz (Me = La,Y) herstellen. Überblick über die Konzentrationsverhältnisse "(Spannweiten") Die nachfolgende Tabelle gibt Konzentrationsgrenzen für die verschiedenen Inhaltsstoffe in Anmischflüssigkeit und in der Einbettmasse an: Wassergehalt der Anmischflüssigkeit Alkohole-/ Ketonegehalt der Anmischflüssigkeit R-(COOH)x-Gehalt, in Anmischflüssigkeit Me-Salzgehalt in Anmischflüssigkeit (Me=La, Y) aus La(III)-oder Y(III)-Salz (Bindersystem) Me2O3-Gehalt in Einbettmasse, (Me=La, Y) aus Me3+-Salzen des Bindersystems Li2O- oder LiF-Gehalt in keramischer Einbettma sse aus Li-Verbindungen (nach thermischer Behandlung) ZrC-Gehalt in Einbettmasse Korngrößen < 25 µm Untere Konzentrationsgrenze 50 Vol-% 0 Vol-% 0 Gew- % 2,0 Gew-% 0,2 Gew-% 0,01 Gew- % 0 Gew-% Obere Konzentrationsgrenze 100 Vol-% 50 Vol-% 4,0 Gew-% 25 Gew-% 2,5 Gew-% 2,0 Gew-% 5,0 Gew- %
The base solvent used is water. However, the water has small negative effects with respect to the processing time of the embedding pulp and the shrinkage of the green mold during the setting process. Too much water activity means a quick setting and an increased volume change due to shrinkage (in extreme cases up to - 0.7%). Shrinking and processing time depend not only on the water content, but also on the influence of the carboxylic acid and the nature of the lanthanum (III) and yttrium salt. These influences have been qualitatively researched and the basis of each developed recipe.
It is possible to reduce the water activity by adding short-chain alcohols and ketones (thus extending the processing time and substantially reducing the shrinkage). These organic solvents must be capable of being mixed with water in any ratio: methanol, ethanol,
1-propanol, 2-propanol and acetone (= dimethyl ketone). The content of these solvents added to the water is within limits of 0 to 50 vol .-%. The contents of the short-chain alcohols and ketones depend on the Solubilities of the lanthanum (III) or yttrium (III) salts in the respective solvent mixture of water short-chain alcohols / ketones. It has been found that the solubilities of the lanthanum (III) or yttrium (III) salts in these mixtures are good and are generally at least 10%. The lithium compounds (except for LiF) and the carboxylic acids are generally sufficiently soluble in these solvent mixtures. Homogeneous amish liquids of the type: water-organic solvent-organic carboxylic acid-lithium compound-Me 3+ salt (Me = La, Y) can thus be prepared. <b><u> Overview of the concentration ratios "(spans") </ u></b> The following table gives concentration limits for the different ingredients in mixing liquid and in the investment: Water content of the mixing liquid Alcohol / ketone content of the mixing fluid R (COOH) x content, in mixing liquid Me salt content in mixing fluid (Me = La, Y) from La (III) or Y (III) salt (binder system) Me 2 O 3 content in investment, (Me = La, Y) from Me 3+ salts of the binder system Li 2 O or LiF content in ceramic embedment of Li compounds (after thermal treatment) ZrC content in investment material particle sizes <25 μm Lower concentration limit 50% by volume 0% by volume 0% by weight 2.0% by weight 0.2% by weight 0.01% by weight 0% by weight Upper concentration limit 100% by volume 50% by volume 4.0% by weight 25% by weight 2.5% by weight 2.0% by weight 5.0% by weight

Anwendungsbeispiel 1Application example 1 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 1.1.20 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest= Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)1.1.20% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 1.2. 80 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)1.2. 80% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
Zusammensetzung der Mischflüssigkeit für die Abbindereaktion:Composition of the mixing liquid for the setting reaction:

  • 1.3 10 % ige wässrige Lanthan(III)-acetat-Lösung, La(Ac)3·aq mit einem La2O3-Gehalt von w(La2O3)=35,9 %. 21 ml auf 100 g der Keramikpulvermischung (siehe 1.1. und 1.2.)1.3 10% aqueous lanthanum (III) acetate solution, La (Ac) 3 · aq with a La 2 O 3 content of w (La 2 O 3 ) = 35.9%. 21 ml per 100 g of ceramic powder mixture (see 1.1 and 1.2)

Das Lanthan(III)-acetat La(Ac)3.aq ist unstöchiometrisch und besitzt einen La2O3-Gehalt von w(La2O3) = 35,9 %. Der Gehalt an Wasser und an Essigsäure wird bei der verwendeten technischen Qualität nicht mit eindeutigen chemischen Formeln angegeben. Durch die Angabe w(La2O3) = 35,9 % ist der für die Keramiken wichtige Bestandteil La2O3, das durch die thermische Zersetzung des Acetates gebildet wird, vollständig beschrieben worden. Der Gehalt an Essigsäure oder Wasser ist von untergeordneter Bedeutung, da sich diese Bestandteile bei späteren Zersetzungsreaktionen vollständig verflüchtigen. Analoges gilt für alle anderen Yttrium(III)- oder Lanthan(III)-salze. Wird eine genaue chemische Formel angegeben [z. B. La(CH3OOH)3 . 1,5 H2O], wo wird damit der genaue La2O3-Gehalt mit w(La2O3) = 47 % durch die stöchiometrische Berechnung eindeutig angegeben.The lanthanum (III) acetate La (Ac) 3 .aq is unstoichiometric and has a La 2 O 3 content of w (La 2 O 3 ) = 35.9%. The content of water and of acetic acid is not given in the technical quality used with clear chemical formulas. By specifying w (La 2 O 3 ) = 35.9%, the constituent La 2 O 3 , which is important for the ceramics, and which is formed by the thermal decomposition of the acetate, has been completely described. The content of acetic acid or water is of minor importance, since these components completely volatilize in subsequent decomposition reactions. The same applies to all other yttrium (III) or lanthanum (III) salts. If an exact chemical formula is given [eg. B. La (CH 3 OOH) 3 . 1.5 H 2 O], where the exact La 2 O 3 content with w (La 2 O 3 ) = 47% is clearly indicated by the stoichiometric calculation.

Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 5 h.
Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB=38
Setting reaction to the green mold after 5 h.
Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 38

Ergebnisse zum Beispiel 1:Results for example 1:

  • Aus diesen Komponenten wird der Einbettmassenbrei angerührt (1 min) und dann ein Wachsobjekt (=späterer Hohlraum für ca. 30 g Ti) ummantelt. Es bildet sich innerhalb von 5 h bei Raumtemperatur durch eine Aushärtungsreaktion die grüne Gussform aus. Diese grüne Gussform wird mit ca. 300 °C/h auf 850 °C aufgeheizt und bei 850 °C 1 h lang gebrannt. Es bildet sich die gebrannte (zu Gießverfahren geeignete) Gussform aus.From these components, the embedding pulp is stirred (1 min) and then a wax object (= later cavity for about 30 g of Ti) sheathed. It forms within 5 h at room temperature by a curing reaction from the green mold. This green mold is heated at about 300 ° C / h to 850 ° C and fired at 850 ° C for 1 h. It forms the burned (suitable for casting) mold.
  • Es werden drei Gussformen hergestellt, die bei 400 °C, 600 °C und 800 °C vorgewärmt wurden, um den Einfluss der Vorwärmetemperatur zu erforschen. In allen Fällen war die Oberfläche das Gussobjekt sehr glatt. Die mittlere Rauhigkeit lag unter 8 µm.Three molds are being prepared, preheated at 400 ° C, 600 ° C and 800 ° C, to explore the influence of preheating temperature. In all cases, the surface of the casting object was very smooth. The mean roughness was less than 8 μm.
  • In der Figur 1 wird für diese Vorwärmetemperaturen der Härteverlauf im Randbereich dargestellt. HV 0,5 = 340 liegt im Randbereich weit unter einer Versprödungserscheinung durch Sauerstoff. Der leichte Anstieg der Härte im Randbereich bei 20 µm von HV 0,5 ≈200 auf HV 0,5 ≈ 340 (O-Gehalte unter 1 %) ist als minimal anzusehen.In the FIG. 1 For these preheating temperatures, the hardness curve is shown in the edge area. HV 0.5 = 340 is in the edge region far below an embrittlement phenomenon by oxygen. The slight increase in hardness in the edge region at 20 μm from HV 0.5 ≈200 to HV 0.5 ≈ 340 (O contents below 1%) should be regarded as minimal.
  • Überraschenderweise ist die Härtezunahme von der Vorwärmetemperatur praktisch nicht abhängig. Dies liegt primär an der hohen Gießtemperatur für Ti/Zr-Legierungen von ungefähr 1700 °C, die die Temperaturbelastung der Gussform bestimmt.Surprisingly, the increase in hardness of the preheating temperature is practically not dependent. This is primarily due to the high casting temperature for Ti / Zr alloys of about 1700 ° C, which determines the temperature load on the mold.

Das thermische Ausdehnungsverhalten der Gussform, ist in Figur 2 dargestellt. Die Ausdehnung ist ab 200 °C nahezu linear (Aufheizgeschwindigkeit 500 °C/h) und verläuft bis 1,1 % bei 950 °C. Bei Sintern bei 950 °C ist eine kleine Volumenzunahme innerhalb von ½ h festzustellen (Sinterreaktion, die die Festigkeit steigert). Das Ausdehnungsverhalten ist - wie aus der Figur 2 erkennbar ist - bei Abkühlung nahezu genau umkehrbar (keine Sprünge etc.), so dass plötzliche Wärmespannungen vermieden werden. Dieses Ausdehnungsverhalten der Gussform lässt das Gießen äußerst präziser Gussteile zu, da die Schwindungen der Ti/Zr-Legierungen auf diese Weise kompensiert wird.The thermal expansion behavior of the mold, is in FIG. 2 shown. The expansion is almost linear from 200 ° C (heating rate 500 ° C / h) and runs to 1.1% at 950 ° C. When sintering at 950 ° C is a small Increase in volume within ½ h (sintering reaction, which increases the strength). The expansion behavior is - as from the FIG. 2 Recognizable - when cooled almost exactly reversible (no jumps etc.), so that sudden thermal stresses are avoided. This expansion behavior of the mold allows the casting of extremely precise castings, since the shrinkage of the Ti / Zr alloys is compensated in this way.

Die Abbindeexpansion der "grünen Gussform" lag bei 0 % (= keine Abbindeexpansion), d.h. es trat auch keine Schwindung auf.The setting expansion of the "green mold" was 0% (= no setting expansion), i. There was no shrinkage either.

Anwendungsbeispiel 2Application Example 2 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 1.1. 20 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest = Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)1.1. 20% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces of Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 1.2. 80 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)1.2. 80% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
Zusammensetzung der Mischflüssigkeit für die AbbindereaktionComposition of the mixing liquid for the setting reaction

  • 1.3. 10 % ige wässrige Lanthan(III)-nitrat-Lösung, La(NO3)3·6 H2O, 22 ml auf 100 g Keramikpulvermischung1.3. 10% aqueous lanthanum (III) nitrate solution, La (NO 3 ) 3 .6H 2 O, 22 ml per 100 g ceramic powder mixture

Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 5 h.
Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB = 30
Setting reaction to the green mold after 5 h.
Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 30

Ergebnisse zum Beispiel 2:Results for example 2: Für den Titanfeinguß:For the titanium casting:

HV 0,5 = 340 im 25 µm-Abstand im Randbereichen (also ähnlich wie beim Beispiel 1). Keine alpha-case auf der Oberfläche. Mittlere Rauhtiefe unter 6 µm, optisch blanke Oberfläche.
Thermische Expansion = 0,4 % bei 950 °C, Abbindeexpansion = 0 %.
HV 0.5 = 340 in the 25 μm distance in the edge regions (ie similar to Example 1). No alpha case on the surface. Average surface roughness below 6 μm, optically clear surface.
Thermal expansion = 0.4% at 950 ° C, setting expansion = 0%.

Anwendungsbeispiel 3Application example 3 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 1.1. 20 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest= Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)1.1. 20% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces of Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 3.2 80 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)3.2 80% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
Zusammensetzung der Mischflüssigkeit für die AbbindereaktionComposition of the mixing liquid for the setting reaction

  • 1.2. 10 % wässrige Lanthan(III)-acetat, La(Ac)3·aq , (mit einem La2O3-Gehalt von w(La2O3)=35,9 %) in Vermischung mit einer 20 %i gen La(NO3)3·6H2O,
    22 ml auf 100 g der Keramikpulvermischung (3.1. und 3.2.)
    1.2. 10% aqueous lanthanum (III) acetate, La (Ac) 3 · aq, (with a La 2 O 3 content of w (La 2 O 3 ) = 35.9%) in admixture with a 20% La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O,
    22 ml per 100 g of ceramic powder mixture (3.1 and 3.2)

Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 5 h.
Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB = 35
Setting reaction to the green mold after 5 h.
Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 35

Ergebnisse zum Beispiel 3:Results for example 3: Für den Titanfeinguß:For the titanium casting:

HV 0,5 = 340 im 25 µm-Abstand im Randbereichen (also ähnlich wie in Beispiel 1). Keine alpha-case auf der Oberfläche. Mittlere Rauhtiefe unter 6 µm, optisch blanke Oberfläche.

  1. a) Thermische Expansion = 0,58 % bei 950 °C bei 22 ml Mischflüssigkeit auf 100 g Keramikpulver,
  2. b) Thermische Expansion = 0,75 % bei 950 °C bei 18 ml Mischflüssigkeit auf 100 g Keramikpulver.
HV 0.5 = 340 in the 25 μm distance in the edge regions (ie similar to Example 1). No alpha case on the surface. Average surface roughness below 6 μm, optically clear surface.
  1. a) Thermal expansion = 0.58% at 950 ° C with 22 ml of mixed liquid per 100 g ceramic powder,
  2. b) Thermal expansion = 0.75% at 950 ° C with 18 ml of mixed liquid per 100 g ceramic powder.

Die gemessene Dilatometer-Funktion für den Fall b) ist in der Figur 3 dargestellt. Erkennbar ist zunächst eine geringe Schwindung von -0,2 % (200 °C) durch die Abgabe von freiem Wasser und Wasser aus Hydraten. Anschließend werden im Temperaturbereich die Salze zu La2O3 zersetzt. Das Ausdehnungsverhalten ist (vorteilhafterweise, da der Aufbau von Wärmespannungen hierdurch vermieden wird) nahezu linear.
In beiden Fällen a) und b) liegt die Abbindeexpansion bei 0 % .
The measured dilatometer function for case b) is in FIG. 3 shown. First, a slight shrinkage of -0.2% (200 ° C) by the release of free water and water from hydrates can be seen. Subsequently, in the temperature range, the salts are decomposed to La 2 O 3 . The expansion behavior is (advantageously, since the construction of thermal stresses is thereby avoided) almost linear.
In both cases a) and b) the setting expansion is 0%.

Die Verwendung eines Nitrates in Verbindung mit einem Acetat (oder anderen organischen Oxo-Salz-Komponente) hat den Vorteil der starken Verminderung von Stickoxiden NOx bei der Nitratzersetzungsreaktion im Ofen während des Brennprozesses (Umweltaspekt). NOx wird durch die Acetatkomponente zur N2 reduziert.The use of a nitrate in conjunction with an acetate (or other organic oxo-salt component) has the advantage of greatly reducing nitrogen oxides NO x in the nitrate decomposition reaction in the furnace during the firing process (environmental aspect). NO x is reduced by the acetate component to N 2 .

Anwendungsbeispiel 4Application Example 4 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 4.1. 20 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest = Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)4.1. 20% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces of Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 4.2. 80 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)4.2. 80% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
Zusammensetzung der Mischflüssigkeit für die AbbindereaktionComposition of the mixing liquid for the setting reaction

  • 4.3. 20 % wässrige Yttrium(III)-nitrat, Y(NO3)3·6H2O,
22 ml auf 100 g der Keramikpulvermischung (4.1. und 4.2.)
  • 4.3. 20% aqueous yttrium (III) nitrate, Y (NO 3 ) 3 .6H 2 O,
22 ml per 100 g of ceramic powder mixture (4.1 and 4.2.)

Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 4 h, Abbindeexpansion bei 0 %. Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB=30Setting reaction to green mold after 4 h, setting expansion at 0%. Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 30

Für den Titanfeinguß:For the titanium casting:

HV 0,5 = 330 im 25 µm-Abstand im Randbereichen. Keine alpha-case auf der Oberfläche. Mittlere Rauhtiefe unter 6 µm, optisch blanke Oberfläche.HV 0.5 = 330 in the 25 μm spacing in the edge areas. No alpha case on the surface. Average surface roughness below 6 μm, optically clear surface.

Thermische Expansion = -0,3 % bei 950 °C. Die Keramiken sintern im Temperaturbereich oberhalb 800 °C zu festen Scherben, was zu einer festeren Form führt. Dies ist durch die negative thermische Expansion erkennbar, die Hinweise auf strukturelle Änderung der Keramikmatrix enthält.Thermal expansion = -0.3% at 950 ° C. The ceramics sinter in the temperature range above 800 ° C to solid shards, resulting in a firmer form. This can be seen by the negative thermal expansion, which contains indications of a structural change of the ceramic matrix.

Anwendungsbeispiel 5Application Example 5 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 5.1. 20 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest= Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)5.1. 20% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces of Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 5.2. 70 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)5.2. 70% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
  • 5.3. 10 % ZrO2, unstabilisiert, Kornfraktion 100 µm5.3. 10% ZrO 2 , unstabilized, grain fraction 100 μm
Zusammensetzung der Mischflüssigkeit für die AbbindereaktionComposition of the mixing liquid for the setting reaction

  • 5.4. 20 % wässrige Yttrium(III)-nitrat, Y(NO3)3·6H2O,
22 ml auf 100 g der Keramikpulvermischung (5.1., 5.2. und 5.3.)
  • 5.4. 20% aqueous yttrium (III) nitrate, Y (NO 3 ) 3 .6H 2 O,
22 ml per 100 g of the ceramic powder mixture (5.1., 5.2 and 5.3.)

Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 4 h, Abbindeexpansion 0 %. Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB = 30Setting reaction to green mold after 4 h, setting expansion 0%. Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 30

Für den Titanfeinguß:For the titanium casting:

HV 0,5 = 340 im 25 µm-Abstand im Randbereichen. Keine alpha-case auf der Oberfläche. Mittlere Rauhtiefe unter 8 µm, optisch blanke Oberfläche.
Thermische Expansion = -0,32 % bei 950 °C . Die Keramiken sintern im Temperaturbereich oberhalb 800 °C zu festen Scherben, was zu einer festeren Form führt. Dies ist durch die negative thermische Expansion erkennbar, die Hinweise auf strukturelle Änderung der Keramikmatrix enthält.
HV 0.5 = 340 in the 25 μm spacing in the edge areas. No alpha case on the surface. Average surface roughness below 8 μm, optically clear surface.
Thermal expansion = -0.32% at 950 ° C. The ceramics sinter in the temperature range above 800 ° C to solid shards, resulting in a firmer form. This can be seen by the negative thermal expansion, which contains indications of a structural change of the ceramic matrix.

Anwendungsbeispiel 6Application Example 6 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 6.1. 20 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest= Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)6.1. 20% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces of Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 6.2. 80 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)6.2. 80% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
Zusammensetzung der Mischflüssigkeit für die AbbindereaktionComposition of the mixing liquid for the setting reaction

  • 6.3. 10 % wässrige Yttrium(III)-acetat-Lösung, Y(CH3COO)3·aq,
22 ml auf 100 g der Keramikpulvermischung (6.1., 6.2.)
  • 6.3. 10% aqueous yttrium (III) acetate solution, Y (CH 3 COO) 3 .aq,
22 ml per 100 g of ceramic powder mixture (6.1., 6.2.)

Die verwendete Verbindung Y(CH3COO)3 .aq enthält Yttrium(III)-oxid mit einem Gehalt von w(Y2O3) = 36 %.
Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 4 h, Abbindeexpansion 0 %.
Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB=30
The compound Y (CH 3 COO) 3 .aq used contains yttrium (III) oxide with a content of w (Y 2 O 3 ) = 36%.
Setting reaction to green mold after 4 h, setting expansion 0%.
Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 30

Für den Titanfeinguß:For the titanium casting:

HV 0,5 = 335 im 25 µm-Abstand im Randbereichen. Keine alpha-case auf der Oberfläche. Mittlere Rauhtiefe unter 8 µm, optisch blanke Oberfläche.
Thermische Expansion = +0,30 % bei 950 °C . Die Keramiken sintern im Temperaturbereich oberhalb 800 °C zu festen Scherben, was zu einer festeren Form führt.
HV 0.5 = 335 in the 25 μm spacing in the edge regions. No alpha case on the surface. Average surface roughness below 8 μm, optically clear surface.
Thermal expansion = + 0.30% at 950 ° C. The ceramics sinter in the temperature range above 800 ° C to solid shards, resulting in a firmer form.

Anwendungsbeispiel 7Application example 7 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 7.1. 19,6 % Calcium-Aluminat
    (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest= Spuren/Verunreinigungen Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O +
    Li2O + SiO2)
    7.1. 19.6% calcium aluminate
    (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces / impurities Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O +
    Li 2 O + SiO 2 )
  • 7.2. 78,14 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)7.2. 78.14% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
  • 7.3. 0,26 % Lithiumacetat-dihydrat7.3. 0.26% lithium acetate dihydrate
  • 7.4. 2,0 % Zirkoniumcarbid (ZrC), Korngröße < 25 µm7.4. 2.0% zirconium carbide (ZrC), particle size <25 μm
Zusammensetzung der Anmischflüssigkeit für die Abbindereaktion:Composition of the mixing liquid for the setting reaction:

  • 7.5. 5 % ige Lanthan(III)-acetat-Lösung, La(Ac)3·1,5 H2O im Lösungsmittel Ethanol-Wasser. Das Lanthan(III)-acetat hat einen La2O3-Gehalt von w(La2O3)=47 %.7.5. 5% lanthanum (III) acetate solution, La (Ac) 3 · 1.5 H 2 O in ethanol-water solvent. The lanthanum (III) acetate has a La 2 O 3 content of w (La 2 O 3 ) = 47%.
  • 7.6. Lösungsmittel : 43 Vol-% Ethanol mit Wasser7.6. Solvent: 43% by volume ethanol with water
  • 7.7. Maleinsäure-Gehalt : 2,3 % im Lösungsmittel 7.5.7.7. Maleic acid content: 2.3% in solvent 7.5.

Das Lithiumacetat-dihydrat kann auch in der Anmischflüssigkeit gelöst werden. Die Konzentrationen werden so gewählt, dass den Einbettmassenbreien die gleichen Lithium-Konzentrationen vorliegen. Das Abbinde- und Expansionsverhalten ändert sich nicht.
Angewendet wurden 21 ml Anmischflüssigkeit auf 100 g der Keramikpulvermischung (siehe Zusammensetzung der Mischung 7.5. bis 7.7.)
The lithium acetate dihydrate can also be dissolved in the mixing liquid. The concentrations are chosen so that the same concentrations of lithium are present in the potting sludge. The setting and expansion behavior does not change.
21 ml of mixing liquid were applied to 100 g of the ceramic powder mixture (see composition of the mixture 7.5 to 7.7.)

Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 5 h.Setting reaction to the green mold after 5 h.

Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB = 37Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 37

Ergebnisse zum Beispiel 7:Results for example 7:

Aus diesen Komponenten wird der Einbettmassenbrei angerührt (1 min) und dann ein Wachsobjekt (=späterer Hohlraum für ca. 30 g Ti) ummantelt. Die Abbindereaktion beginnt nach 6 min. Es bildet sich innerhalb von 5 h bei Raumtemperatur durch eine Aushärtungsreaktion die grüne Gussform aus. Diese grüne Gussform wird mit ca. 500 °C/h auf 850 °C aufgeheizt bei 850 °C 1 h lang gebrannt. Es bildet sich die gebrannte (zu Gießverfahren geeignete) Gussform aus. Die Vorwärmetemperatur der Gussform für den Ti-Guss lag bei 600 °C.From these components, the embedding pulp is stirred (1 min) and then a wax object (= later cavity for about 30 g of Ti) sheathed. The setting reaction begins after 6 min. It forms within 5 h at room temperature by a curing reaction from the green mold. This green mold is heated to 850 ° C at about 500 ° C / h and fired at 850 ° C for 1 h. It forms the burned (suitable for casting) mold. The preheating temperature of the mold for Ti casting was 600 ° C.

Die mittlere Rauhigkeit des Titangussteiles lag unter 5 µm. Auf der Oberfläche war keine alpha-case Schicht. Die Oberfläche war metallisch blank. Sie schillerte wegen der Anlauffarbe schwach gelblich. Dies das ist optisch betrachtet eine sehr positives Zeichen für die unterdrückte keine Reaktion Metall/Keramik-Einbettmasse. HV 0,5 liegt für Titan im Randbereich bei HV 0,5= 330.The average roughness of the titanium casting was less than 5 μm. There was no alpha-case layer on the surface. The surface was metallic bright. She shimmered pale yellowish because of the tarnish. This is visually a very positive sign for the suppressed no reaction metal / ceramic investment. HV 0.5 for titanium is in the edge area at HV 0.5 = 330.

Das gleiche positive Gussergebnis wird mit der sehr biokompatiblen Titan-Zirkonium-Mangan
Ti57-Zr37-Mn6 (Konzentrationsangabe für die Legierung in Atom-%) erzielt. Diese Legierung besitzt eine gemessene sehr niedrige Liquidtemperatur (praktisch identisch mit der Solidustemperatur) in Höhe von nur 1480 °C, so dass die Metall-Keramik-Reaktionen durch die niedrigere Gießtemperatur stark unterdrückt werden.
The same positive casting result comes with the highly biocompatible titanium-zirconium-manganese
Ti57-Zr37-Mn6 (concentration of the alloy in atomic%) achieved. This alloy has a measured very low liquid temperature (virtually identical to the solidus temperature) of only 1480 ° C, so that the metal-ceramic reactions are strongly suppressed by the lower casting temperature.

Überraschend war das thermische Ausdehnungsverhalten der Gussform, denn diese Anmischflüssigkeit enthält einen stark reduzierten Lanthan(III)-acetat-Gehalt gegenüber dem Anwendungsbeispiel 1 (siehe hierzu vergleichsweise Figur 2). In der Figur 4 ist Ausdehnungsverhalten dargestellt worden. Die Ausdehnung ist ab 200 °C zunächst bis 600 °C bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 500 °C/h nahezu linear. Dann findet eine starke Ausdehnung durch die Oxidation des ZrC's statt, so dass die Ausdehnung sprunghaft zunimmt. Sie verläuft bis zu 1,4 % bei 850 °C. Im Vergleich dazu beträgt im Anwendungsbeispiel 1 die Ausdehnung bei 850 °C 0,85 %, obwohl hier die Lanthan(III)-oxid-Konzentration in der Keramikmischung wesentlich höher liegt. Beim Sintern bei 850 °C ist eine kleine Volumenzunahme innerhalb von ½ h festzustellen (festigkeitssteigernde Sinterreaktion). Das Ausdehnungsverhalten ist - wie aus der Figur 4 erkennbar - bei Abkühlung nahezu linear (keine Sprünge etc.), so dass plötzliche Wärmespannungen vermieden werden. Dieses Ausdehnungsverhalten der Gussform lässt das Gießen äußerst präziser Gussteile zu, da die Schwindungen der Ti/Zr-Legierungen auf diese Weise kompensiert wird.The thermal expansion behavior of the casting mold was surprising, since this mixing liquid contains a greatly reduced lanthanum (III) acetate content compared to Application Example 1 (see in this respect, comparatively FIG. 2 ). In the FIG. 4 expansion behavior has been shown. The expansion is initially from 200 ° C to 600 ° C at a Heating rate of 500 ° C / h almost linear. Then, a strong expansion by the oxidation of the ZrC takes place, so that the expansion increases dramatically. It runs up to 1.4% at 850 ° C. In comparison, in Application Example 1, the expansion at 850 ° C is 0.85%, although here the lanthanum (III) oxide concentration in the ceramic mixture is much higher. When sintering at 850 ° C, a small volume increase within ½ h is observed (strength-increasing sintering reaction). The expansion behavior is - as from the FIG. 4 Recognizable - when cooled down, almost linear (no jumps, etc.), so that sudden thermal stresses are avoided. This expansion behavior of the mold allows the casting of extremely precise castings, since the shrinkage of the Ti / Zr alloys is compensated in this way.

Die Abbindeexpansion der "grünen Gussform" lag bei 0 % (=keine Abbindeexpansion), d.h. es trat auch keine Schwindung statt. Die Schwindung lag durch die Verwendung der Ethanol-Wasser-Lösung ebenfalls bei 0 %. Anstelle von Wasser-Ethanol- kann auch die organische Komponete aus 1-Propnaol, 2-Propanol, Methanol oder Aceton bestehen. Das thermische Ausdehnungsverhalten wird hiervon nicht beeinflusst. Es werden das (schwache) Schrumpfen des Einbettmassenbreis beim Abbindevorgang und die Abbindezeit positiv beeinflusst. Die Wahl des Lösungsmittels richtet sich nach den Löslichkeiten der jeweiligen Komponenten.The setting expansion of the "green mold" was 0% (= no setting expansion), i. there was no shrinkage. The shrinkage was also 0% due to the use of the ethanol-water solution. Instead of water-ethanol, the organic component can also consist of 1-propnaol, 2-propanol, methanol or acetone. The thermal expansion behavior is not affected by this. The (weak) shrinkage of the embedding pulp during the setting process and the setting time are positively influenced. The choice of solvent depends on the solubilities of the respective components.

Anwendungsbeispiel 8 Application Example 8 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 8.1. 19,0 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest= Spuren/Verunreinigungen Fe2O3
    + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)
    8.1. 19.0% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces / impurities Fe 2 O 3
    + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 8.2. 77,0 % MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)8.2. 77.0% MgO (grain fractions 20 μm to 100 μm)
  • 8.3. 1 % Lithiumlactat (wasserfrei)8.3. 1% lithium lactate (anhydrous)
  • 8.4. 3,0 % Zirkoniumcarbid (ZrC), Korngröße < 25 µm8.4. 3.0% zirconium carbide (ZrC), particle size <25 μm
Zusammensetzung der Anmischflüssigkeit für die Abbindereaktion:Composition of the mixing liquid for the setting reaction:

  • 8.5. 10 % ige Lanthan(III)-acetat-Lösung, La(Ac)3.aq in Wasser mit einem La2O3-Gehalt von
    w(La2O3)=35,9 %.
    8.5. 10% lanthanum (III) acetate solution, La (Ac) 3 .aq in water with a La 2 O 3 content of
    w (La 2 O 3 ) = 35.9%.
  • 8.6. 0,8 % essigsaure Lösung (Lösung 8.5.)8.6. 0.8% acetic acid solution (solution 8.5.)

Die essigsaure Lösung löst das basische Lanthan(III)-acetat zu einer klaren Lösung auf.
Das Lithiumlactat kann auch in der Anmischflüssigkeit gelöst werden. Die Konzentrationen werden so gewählt, dass den Einbettmassenbreien die gleichen Lithium-Konzentrationen vorliegen. Das Abbinde- und Expansionsverhalten ändert sich nicht.
Angewendet wurden 23 ml Anmischflüssigkeit auf 100 g der Keramikpulvermischung (siehe Zusammensetzung der Mischung 8.1. bis 8.4.) Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 3 h.
Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB = 39
The acetic acid solution dissolves the basic lanthanum (III) acetate to a clear solution.
The lithium lactate can also be dissolved in the mixing liquid. The concentrations are chosen so that the same concentrations of lithium are present in the potting sludge. The setting and expansion behavior does not change.
23 ml of mixing liquid was applied to 100 g of the ceramic powder mixture (see composition of the mixture 8.1 to 8.4.) Setting reaction to green mold after 3 h.
Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 39

Ergebnisse zum Beispiel 8:Results for example 8:

Die Gussergebnisse waren identisch mit denen aus Beispiel 7.The casting results were identical to those of Example 7.

Die außerordentliche große thermische Expansion wird über die Komponente ZrC (mit 3 Gew-%) und dem Zusatz Lithiumlactat (mit 1 Gew-%) herbeigeführt. Über diese Additive lässt sich das Ausdehnungsverhalten der erfindungsgemässen Einbettmasse einstellen. Die thermische Expansion liegt bei +2.2 % / 850 °C. In der Figur 5 ist Ausdehnungsverhalten dargestellt worden. Die erhöhte thermische Expansion ist notwendig um hohe Schwindungen bei bestimmten Ti/Zr- Legierungsteilen zu kompensieren.The extraordinary large thermal expansion is brought about by the component ZrC (with 3% by weight) and the addition of lithium lactate (with 1% by weight). These additives allow the expansion behavior of the Adjust the investment material according to the invention. The thermal expansion is +2.2% / 850 ° C. In the FIG. 5 expansion behavior has been shown. The increased thermal expansion is necessary to compensate for high shrinkage in certain Ti / Zr alloy parts.

Anwendungsbeispiel 9Application Example 9 Zusammensetzung der Keramikmischung für die Gussform:Composition of the ceramic mixture for the casting mold:

  • 9.1. 19,4 % Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest= Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2)9.1. 19.4% calcium aluminate (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 )
  • 9.2. 78,6% MgO (Kornfraktionen 20 µm bis 100 µm)9.2. 78.6% MgO (particle fractions 20 μm to 100 μm)
  • 9.3. 2,0 % Zirkoniumcarbid (ZrC), Korngröße < 25 µm9.3. 2.0% zirconium carbide (ZrC), particle size <25 μm
Zusammensetzung der Mischflüssigkeit für die AbbindereaktionComposition of the mixing liquid for the setting reaction

  • 9.4. 10 % wässrige Yttrium(III)-acetat-Lösung mit Y(CH3COO)3·aq , Yttrium(III)-oxid-Gehalt w(Y2O3) = 36 %.9.4. 10% aqueous yttrium (III) acetate solution with Y (CH 3 COO) 3 · aq, yttrium (III) oxide content w (Y 2 O 3 ) = 36%.
  • 9.5. 0,3 % Lithiumlactat in der wässrigen Lösung 9.4. aufgelöst9.5. 0.3% lithium lactate in the aqueous solution 9.4. disbanded

Angewendet wurden 22 ml Anmischflüssigkeit (9.4. und 9.5.) auf 100 g der Keramikpulvermischung (9.1. bis 9.3.).22 ml of mixing liquid (9.4. And 9.5.) Were applied to 100 g of the ceramic powder mixture (9.1 to 9.3.).

Abbindereaktion zur grünen Gussform nach 5 h.
Kugeldruckhärte der abgebundenen grünen Gussform (Brinell-Härte), HB=38
Setting reaction to the green mold after 5 h.
Ball hardness of the set green mold (Brinell hardness), HB = 38

Ergebnisse zum Beispiel 9:Results for example 9:

Die Gussergebnisse waren identisch mit denen aus Beispiel 7.The casting results were identical to those of Example 7.

Die thermische Expansion wird durch die Komponente ZrC (mit 2 Gew-%) und dem Zusatz Lithiumlactat (in der wässrigen Anmischflüssigkeit in 0,3 % iger Konzentration) verursacht. Über diese Additive lässt sich das Ausdehnungsverhalten der erfindungsgemässen Einbettmasse einstellen. Die thermische Expansion liegt bei +0.85 % / 850 °C. In der Figur 6 ist Ausdehnungsverhalten dargestellt worden. Sie liegt um rd. +0,50 % über der thermischen Expansion ohne ZrC [siehe Anwendungsbeispiel 6)]. Einbettmassen mit Y2O3 sind stabiler höhere (thermochemische Stabilität) als mit La2O3 oder ZrO2 , so dass hier höher schmelzende Ti/Zr-Legierungen zur Anwendung kommen.The thermal expansion is caused by the component ZrC (with 2% by weight) and the addition of lithium lactate (in the aqueous mixing liquid in 0.3% concentration). These additives can be used to adjust the expansion behavior of the embedding compound according to the invention. The thermal expansion is +0.85% / 850 ° C. In the FIG. 6 expansion behavior has been shown. It lies around rd. + 0.50% over thermal expansion without ZrC [see application example 6)]. Investments with Y 2 O 3 are more stable (thermochemical stability) than with La 2 O 3 or ZrO 2 , so that higher-melting Ti / Zr alloys are used.

In der Figur 7 wird exemplarisch das Zusammenwirken von ZrC und verschiedenen Lithiumsalzen in den Einbettmassen auf der Basis Calcium-Aluminat/MgO mit Lanthan(III)-acetat als Binder (Anmischflüssigkeit) dargestellt. Erkennbar ist die Steigerung der thermischen Expansion in den Gussformen durch das Zusammenwirken ZrC/Lithiumsalz. Damit kann jede Ti-oder Zr-Legierungen durch diese Präzisiongusstechnik hergestellt werdenIn the FIG. 7 exemplified is the interaction of ZrC and various lithium salts in the investment materials based on calcium aluminate / MgO with lanthanum (III) acetate as a binder (mixing liquid). Visible is the increase of the thermal expansion in the molds through the interaction ZrC / lithium salt. Thus, any Ti or Zr alloys can be produced by this precision casting technique

Weitere Ergebnisse:Further results:

Mit abnehmenden Anteil an Calcium-Aluminat (68 % Al2O3 + 31 % CaO, Rest = Spuren Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O + Li2O + SiO2) wird die Versprödungstendenz im Titangussteil größer, so dass bei einem 10 % igen Calcium-Aluminat-Anteil die HV-Härte im 25 µm -Randbereich des Ti-Gussteiles im Mittel auf HV 0,5 = 380 ansteigt. Damit ist aber noch nicht der Punkt der alpha-case-Bildung erreicht. Die Oberflächen der Gussteile waren ohne Risse und im Biegeversuchen (60°-Winkel) waren keine Sprödbrüche feststellbar.As the proportion of calcium aluminate decreases (68% Al 2 O 3 + 31% CaO, balance = traces of Fe 2 O 3 + MgO + Na 2 O + K 2 O + Li 2 O + SiO 2 ), the embrittlement tendency in the titanium casting increases , so that in a 10% calcium aluminate content, the HV hardness in the 25 .mu.m edge region of the Ti cast part increases on average to HV 0.5 = 380. But that's not the point of alpha-case formation. The surfaces of the castings were without cracks and in the bending tests (60 ° angle) no brittle fractures were detectable.

Analoge Ergebnisse wurden mit entsprechend anderen Yttrium(III)-oxosalzen [Yttrium(III)-nitrat, Yttrium(III)-acetat, etc.] in den Anmischflüssigkeiten, bei ähnlichen Zusammensetzungen der Keramikmischung [System Calcium-Aluminat-MgO-ZrO2], für die Gussformtechnik erhalten.Analogous results were obtained with other yttrium (III) oxo salts [yttrium (III) nitrate, yttrium (III) acetate, etc.] in the mixing liquids, with similar compositions of the ceramic mixture [calcium aluminate-MgO-ZrO 2 system ]. , obtained for the casting technique.

Figurenbeschreibung:Brief Description:

Figur 1FIG. 1
Härteverlauf im Randbereich zum Anwendungsbeispiel 1 mit dem Bindersystem Lanthan(III)-acetat/Calcium-AluminatHardness curve in the edge region for application example 1 with the binder system lanthanum (III) acetate / calcium aluminate
Figur 2FIG. 2
Thermisches Ausdehnungsverhalten einer Gussform zum Anwendungsbeispiel 1 mit dem Bindersystem Lanthan(III)-acetat/Calcium-AluminatThermal expansion behavior of a mold for application example 1 with the binder system lanthanum (III) acetate / calcium aluminate
Figur 3FIG. 3
Thermisches Ausdehnungsverhalten einer Gussform zum Anwendungsbeispiel 3 mit dem Bindersystem Lanthan(III)-acetat/Lanthan(III)-nitrat/Calcium-AluminatThermal expansion behavior of a casting mold for application example 3 with the binder system lanthanum (III) acetate / lanthanum (III) nitrate / calcium aluminate
Figur 4FIG. 4
Thermisches Ausdehnungsverhalten einer Gussform zum Anwendungsbeispiel 7 mit dem Bindersystem Lanthan(III)-acetat//Calcium-Aluminat mit den Additiven Lithiumacetat, Zirkoniumcarbid (2 Gew-% ZrC), Maleinsäure und dem Lösungsmittelgemisch Ethanol-WasserThermal expansion behavior of a casting mold for application example 7 with the binder system lanthanum (III) acetate // calcium aluminate with the additives lithium acetate, zirconium carbide (2% by weight ZrC), maleic acid and the solvent mixture ethanol-water
Figur 5FIG. 5
Thermisches Ausdehnungsverhalten einer Gussform zum Anwendungsbeispiel 8 mit dem Bindersystem Lanthan-(III)-acetat//Calcium-Aluminat mit den Additiven Lithiumacetat, Zirkoniumcarbid (3 Gew-% ZrC)und essigsaurer wässriger LösungThermal expansion behavior of a casting mold for application example 8 with the binder system lanthanum (III) acetate // calcium aluminate with the additives lithium acetate, zirconium carbide (3% by weight ZrC) and acetic acid aqueous solution
Figur 6FIG. 6
Thermisches Ausdehnungsverhalten einer Gussform zum Anwendungsbeispiel 9 mit dem Bindersystem Yttrium(III)-acetat//Calcium-Aluminat mit den Additiven Lithiumacetat, Zirkoniumcarbid (2 Gew-% ZrC), wässrige Lösung von Y(Ac)3·aqThermal expansion behavior of a casting mold for application example 9 with the binder system yttrium (III) acetate // calcium aluminate with the additives lithium acetate, zirconium carbide (2% by weight ZrC), aqueous solution of Y (Ac) 3 · aq
Figur 7FIG. 7
Thermische Expansion bei 800 °C in Abhängigkeit von der Zirkoniumcarbid-Konzentration (ZrC) in der Einbettmasse Calcium-Aluminat/MgO (im Massenverhältnis1:4) unter Anwendung verschiedener Lithiumsalze, Anmischflüssigkeit 10 %ige wässrige La(Ac)3·aq , w(La2O3)=35,9 Gew-%, 23 ml auf 100 g EinbettmasseThermal expansion at 800 ° C as a function of the zirconium carbide concentration (ZrC) in the investment material calcium aluminate / MgO (in the mass ratio 1: 4) using various lithium salts, mixing liquid 10% aqueous La (Ac) 3 · aq, w ( La 2 O 3 ) = 35.9% by weight, 23 ml per 100 g investment

Claims (16)

  1. Ceramic investment material consisting of an oxide-ceramic mixture and a binder system, for the production of moulds for precision castings of titanium, zirconium and alloys thereof, characterized in that the oxide-ceramic mixture substantially consists of calcium aluminate and magnesium oxide and optionally includes zirconium (IV) oxide and is bound with a binder system consisting of a mixing liquid and a mixture of ceramic particles, wherein the mixing liquid is an aqueous solution of trivalent metal oxosalts of at least one element of the group consisting of scandium, yttrium or lanthane, and the mixture of ceramic particles includes a calcium-aluminum mixed oxide which releases OH- ions in an aqueous solution, wherein the binder system during burning the mould is completely decomposed into metal oxides which are stable under the casting conditions of titanium, zirconium or alloys thereof.
  2. Ceramic investment material according to claim 1, characterized in that the oxide-ceramic mixture solely includes metal oxides which are thermochemically stable under the casting conditions of titanium, zirconium or alloys thereof.
  3. Ceramic investment material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the metal oxides of the oxide-ceramic mixture are oxides of the group consisting of Y2O3, La2O3, ZrO2, MgO, CaO and Al2O3 or mixtures thereof.
  4. Ceramic investment material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the binder system consists of compounds which after burning the mould are present as oxides of the group consisting of Y2O3, La2O3, ZrO2, MgO, CaO and Al2O3.
  5. Ceramic investment material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the investment material in the burnt condition produces moulds which guarantee a surface hardness of the parts cast of titanium, zirconium or alloys thereof below the embrittlement limit, especially that the surface hardness for TiF 35 as alloy HV is 0.5 < 400.
  6. Ceramic investment material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the investment material includes zirconium carbide.
  7. Ceramic investment material according to claim 6, characterized in that the investment materials include up to 5 % by weight of zirconium carbide.
  8. Ceramic investment material according to claim 6 or 7, characterized in that the investment material includes a lithium compound.
  9. Ceramic investment material according to claim 8, characterized in that the investment material includes Li2O and/or LiF as a lithium compound at a concentration between 0.01 to 2.0 % by weight.
  10. Ceramic investment material according to claim 8, characterized in that the investment material includes a lithium compound which is thermally dissociated at high temperatures and forms lithium oxide (Li2O).
  11. Ceramic investment material according to claim 10, characterized in that the investment material includes as a lithium compound at least one compound of the group consisting of lithium citrate, lithium benzoate, lithium acetate, lithium nitrate, lithium chloride, lithium lactate or lithium fluoride.
  12. Ceramic investment material according to one of the preceding claims, characterized in that as metal oxosalts in the binder system nitrates, nitrites, acetylacetonates, acetates, formiates or other well water-soluble carboxylates are used, wherein well water-soluble means a solubility > 3 % by weight.
  13. Ceramic investment material according to one of the preceding claims, characterized in that the calcium-aluminum mixed oxide in the binder system includes 20 to 40 % by weight of CaO and 60 to 80 % by weight of Al2O3.
  14. Ceramic investment material according to one of the preceding claims, characterized in that <5 % by weight of the employed oxides are present in the binder system at a grain size >90 µm.
  15. Ceramic investment material according to one of the preceding claims, characterized in that the oxide-ceramic mixture includes 8 to 30 % by weight of calcium aluminates at a grain size distribution of 5 to 150 µm, 70 to 92 % by weight of magnesium oxide at a grain size distribution of 5 to 200 µm, and 0 to 10 % by weight of zirconium (IV) oxide at a grain size distribution of 10 to 100 µm.
  16. Ceramic investment material according to one of the preceding claims, characterized in that the calcium aluminates employed in the oxide-ceramic mixture include 20 to 40 % by weight of CaO and 60 to 80 % by weight of Al2O3.
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