Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen Giessform. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen Giessform und eine nach dem Verfahren erhaltene Giess form.
Die Erfindung kann als Verbesserung der in den US-Patenten Nr. 2027932 von Ray und Nr.2380945 von Collins beschriebenen Erfindungen betrachtet werden.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung von hitzebeständigen, feuerfesten Formen, die beim Giessen von hochschmelzenden Metallen und Legierungen, wie Stahl, rostfreie Stähle, Nichteisenlegierun- gen wie rostfreie Kobalt-Chrom-Legierungen und andern hochschmelzenden Stoffen wie Platin, Platin-Iridium, Platin-Rhodiumlegie- rungen und dergleichen verwendet werden sollen.
Es ist bekannt, dass für das Giessen von hochschmelzenden Metallegierungen geeignete hitzebeständige Formmaterialien verwendet werden müssen, die den Giesstemperaturen der Legierungen widerstehen. Einer der wichtig sten hitzebeständigen Bestandteile solcher Formmassen ist das Siliziumdioxyd. Andere hitzebeständige Komponenten solcher Mi schungen sind Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd, gemahlene Siliziumdioxyd- oder Magnesium oxydziegel, geschmolzenesMagnesiumoxyd und viele andere, dem mit dem Hochtemperatur guss vertrauten Fachmann geläufige Stoffe.
Ausser der geeigneten Auswahl der hitze beständigen Komponenten ist es bei der Her- Stellung solcher Giessformen aber auch wesent lich, dass man ein Bindemittel verwendet, welches diese zusammenhält.
Es wurden hierzu gewisse Bindemittel typen, wie organische Silikate, inbesondere T etraäthylsilikat und verwandte Silikate, vor geschlagen. Die Verwendung solcher orga nischer Silikate als Bindemittel für die hitze beständigen Stoffe bietet wohl Vorteile beim Giessen verhältnismässig kleiner Gussstücke, hat aber auch gewisse Nachteile bei der Massenproduktion von Präzisionsgussstücken. Bei der Verwendung dieser organischen Sili kate ist es zum Beispiel erforderlich, Äthyl- alkohol oder Aceton oder andere Lösungs mittel als Verdünner zu verwenden.
Wenn nun, wie bei der Massenproduktion, grosse Mengen dieser Stoffe verwendet werden müssen, ist die Feuersgefahr sehr gross. Bei den gleichen Voraussetzungen ergeben sich auch noch andere Nachteile, wie die hohen Einstandskosten der organischen Silikate und die komplizierte Technik, die erforderlich ist, um die benötigten Hilfsstoffe mit den organi schen Silikaten zusammen zu verarbeiten, um diese in einen für die Verwendung als Binde mittel geeigneten Zustand überzuführen.
Andere Bindemittel, wie kolloidale Sili- ziumdioxyd, bieten gegenüber den organischen Silikaten Vorteile, doch sind sie nicht absolut alkalifrei, so dass das Alkali die Hitzebestän digkeit der Formmischung herabsetzen kann.
yTerwendet man sie als Tauchüberzug für Wachsmodelle, so machen sie eine mehrmalige Anwendung des Tauchmaterials erforderlich. Ausserdem wurde gefunden, dass diese kolloi dalen SiliziimZdioxy dlösungen in ihren Eigen schaften wechseln, verhältnismässig unstabil sind und ihre Eigenschaften beim Lagern ver ändern. Die Veränderungen können sie aber als Bindemittel für die Herstellung hitzebe ständiger Formen ungeeignet machen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, die Verwendung von entzünd lichen Stoffen und komplizierte Herstellungs methoden für das Bindemittel zu vermeiden sowie als Ausgangsmaterial für das Binde mittel verhältnismässig billige Produkte zu1 verwenden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Her stellung einer hitzebeständigen Giessform ist dadurch gekennzeichnet, dass man auf ein Modell einen Überzug aus einer Mischung aus zerkleinertem, hitzebeständigem Füllstoff und einem Bindemittel, das die Eigenschaft auf weist, durch saure Reaktionsprodukte nicht vom Modell abgelöst zu werden, aufbringt, dann diesen Überzug mit einer zur Bildung des Körpers der Giessform bestimmten Mi schung aus zerkleinertem, hitzebeständigem Füllstoff und einem nicht alkalisch reagieren den Bindemittel in innigen Kontakt bringt,
wobei dieses Bindemittel durch Umsetzung einer wässrigen Alkalisilikatlösung mit Mine ralsäure entstandenes Kieselsäuresol enthält, das Sol unter Bildung von hydratisierter Kieselsäure gelieren lässt, wodurch eine Bin dung zwischen den Füllstoffteilehen einerseits und zwischen letzteren und dem Überzug andrerseits entsteht, wonach man die Form trocknet und: das Modell daraus entfernt.
Bei der Herstellung von hitzebeständigen Giessformen war es bisher üblich, ein in ge eigneter Weise zerkleinertes, hitzebeständiges Material wie Siliziumdioxyd, Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Titandioxyd, Berylliumoxyd, Mullit, Sillimanit und Zirkonoxyd je nach seiner Beständigkeit gegenüber den Bedin gungen, denen die Form bei ihrer Verwen dung ausgesetzt wird, für sich allein oder aber in inerten, nicht schmelzenden Mischungen zu verwenden.
Solche Substanzen werden im nachstehenden als hitzebeständiges Füllmittel bezeichnet. Siliziumdioxyd in so feiner Ver teilung, dass es beispielsweise durch Siebe mit 1.0 bis 120 Maschen pro cm hindurchgeht. eignet sich für diesen Zweck besonders geit. Je feiner der Zerkleinerungsgrad des Füll mittels, desto besser eignet es sich natürlich zur Erzeugung von Gussstüeken mit glatter polierter Oberfläche. Der Füllstoff kann sich aus verschiedenen Korngrössen zusammen setzen, wodurch sich der Oberflächeneffekt beeinflussen lässt.
Durch geeignete Wahl der Korngrösse kann man auch Mischungen erhal ten, die sich durch Vibration wirksam ver dichten lassen und keine Schrumpfrisse auf weisen.
Zur Herstellung des Bindemittels für die Formmischung kann man als Alkalisilikat Natriumsilikat oder Alkalimetasilikat und als Säure Salzsäure verwenden. Man kann natür lich auch ein anderes Alkalisilikat und eine andere Säure verwenden.
Zweckmässig erfolgt die Herstellung des Bindemittels unter Verwendung von zwei Standardlösungen, zum Beispiel verdünnter Salzsäure und einer Lösung von Natrium silikat, die im geeigneten Mengenverhältnis vermischt werden, so dass man eine Lösung erhält, die die gewünschte Bindekraft für den hitzebeständigen Füllstoff besitzt. Wenn man die Silikatlösung zu einer Säurelösung gibt, bildet sich Kieselsäure.
Ein solches Bindemittel ist nicht,entzünd lich und sehr billig; da es aus Wasser und so billigen Stoffen wie Natriumsilikat und Salz säure hergestellt wird. Das bekannte Tetra- äthylsilikatbindemittel entsteht durch Hydro lyse von Tetraäthylsilikat, wobei beträchtliche .Wärme entwickelt wird. Beim Tetraäthyl- silikat besteht stets die Gefahr des Koehens und. der Verursachung von Bränden.
Das im vorliegenden Verfahren verwendete Binde mittel kann stets mit einem bestimmten Säure wert hergestellt werden, durch den die Ab bindungs- und Gelierungseigenschaften der bindemittelhaltigen Mischung recht genau festgelegt werden können. Diese genaue Ein- stellbarkeit der Abbindungs- und Gelierungs- eigenschaften steht im direkten Gegensatz zur Verwendung von Natriumsilikatlösung als Bindemittel.
Es war bisher sehr schwierig, die Abbindezeiten von Natriumsilikaten genau einzustellen, da eine Neigung zu verfrühter Gelbildung, Klumpenbildung oder aber zu Verzögerungen in der Gelbildung besteht.
Das beim vorliegenden Verfahren für die Bildung des Giessform-Körpers vewendete Bindemittel enthält keine alkalischen Substan zen wie Natriumhydroxyd oder dergleichen, die die Hitzebeständigkeit der Form beein trächtigen könnten. Solche alkalische Stoffe haben die Neigung, mit dem hitzebeständigen Teil des Überzugs zu reagieren, wobei bei hohen Temperaturen iiiedrigschmelzende Eu tektika entstehen, welche die Hitzebeständig keit des Überzugs herabsetzen. Das gesamte, für die Herstellung des Bindemittels verwen dete Alkalisilikat setzt sich mit der Säure unter Bildung von neutralen oder sauren Salzen um.
Die Ausgangsmaterialien für das Binde mittel sind stabil. So kann zum Beispiel erstarrtes Natriumsilikat wieder geschmolzen werden, wonach man es ohne Nachteil wieder verwenden kann.
Die bekannten Tauchüberzüge scheinen. von der erfindungsgemäss verwendeten Mi schung nicht beeinflusst zu werden, wenn diese darauf aufgebracht wird. Die in Frage kom menden Tauchüberzüge, die zum Beispiel Um setzungsprodukte einer wässrigenAlkalisilikat- lösung mit verdünnter Mineralsäure sind, sind alkalisch. Wird bei der Ausführung des vorliegenden Verfahrens eine saure Form masse verwendet, so findet beim Kontakt mit dem alkalischen Überzug offensichtlich eine Neutralisierung statt, wodurch der Überzug stabilisiert wird. Es besteht keine Neigung; dass der Überzug vom Bindemittel wegge waschen oder gelöst würde.
Dies ist ein ausser ordentlicher Vorteil, da reines Wasser und alkalische Bindemittel solche Überzüge und auch andere gewöhnlich für diese Zwecke ver wendete Überzüge wegwaschen. Die Verwen dung das genannten Bindemittels lässt auch die Verwendung von zwei Überzügen, wie sie sonst in der Technik der kolloidalen Silizium.. dioxydüberzüge üblich ist, vermeiden.
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Bindemittels gegenüber kolloidalem Silizium dioxyd besteht darin, dass es jederzeit in gleichmässiger Beschaffenheit hergestellt wer den kann. Bei den Siliziumdioxydüberzügexi ergaben sich bei verschiedenen Ansätzen stets Unterschiede im Alkaligehalt -und in den Gelierungseigenschaften.
Bei Verwendung einer gewöhnlichen Na triumsilikatlösung als Bindemittel für hitze beständige Formen wurde gefunden, dass ausser der Auswaschung oder Reaktion des Tauchüberzugs auch eine Neigung zur Krustenbildung auf den Formen besteht, wo durch auf den Formen ausserordentlich harte neben sehr weichen Stellen entstehen. Das bedingt die Bildung einer uneinheitlichen hitzebeständigen Form. Das hier verwendete Bindemittel scheint diese Nachteile nicht auf zuweisen und die erzeugten Formen sind durchwegs gleichmässig.
Überdies können die Standardlösungen der Säure und des Natriumsilikats in -grossen Mengen genau genormt und getrennt während langer Zeit aufbewahrt werden. Diese Lösun gen haben eine praktisch unbegrenzte Auf bewahrungsdauer und können jederzeit zur Bildung des gewünschten Bindemittels be nutzt- werden.
So kann man eine Natriumsilikatlösung herstellen, von der 25 cm3 beim Titrieren mit n I-ICl und Methylorange als Indikator 28,0 0,1 cm3 HCl erfordern.
Die Salzsäurelösung kann so eingestellt. sein, dass 25 cm3 derselben beim Titrieren mit n NaOH und Methylorange als Indikator 38,0 0,1,ems NaOH verbrauchen.
Fünfzig Liter dieser Salzsäurelösung wer den in ein mit Rührwerk versehenes Misch gefäss gegeben und unter kräftigem Rühren 53 Liter der Natriumsilikatlösung hineinge gossen. Die erhaltene Flüssigkeit ist das fer tige Bindemittel, von dem 100 em3 bei der Titration mit n NaOH unter Verwendung von Methylorange ale Indikator 8,00 0,10 cm3 NaOH verbrauchen.
Das fertige Bindemittel ist billig, nicht brennbar, -gestattet eine genauere Kontrolle, ist frei von freiem Alkali, das- die Hitzebe- #>,tändigkeit der Mischung herabsetzen könnte, und erfordert zum Beispiel bei Anwendung der dasselbe enthaltenden Formmischung als Tauchüberzug nur ein einmaliges Aufbringen des überzitgmaterials.
Ein weiteres Beispiel ist das folgende Durch Vermischen von 30 Vol.% chemisch reinem HCl und 70 Vol:O/o Wasser wird eine saure Lösung hergestellt.
Die Lösung des wasserlöslichen Silikats besteht aus 250/0 Natriumsilikat (enthaltend ungefähr 6,40io N a20 und 24,7 % S'02) und 75 Vol.0/m Wasser. Zur Herstellung des Bindemittels werden 25 ems der Säurelösung mit <B>25,
</B> cm3 der Sili- katlösung vermischt.
Ein weiteres Beispiel ist das folgende: Man stellt eine Säurelösung her durch Ver- mischen von 40 Vol.% chemisch reiner Chlor- wasserstoffsäure und 60 Vol.% Wasser,
ferner eine Silikatlösung aus 50% Natriumsilikat (enthaltend ungefähr 6,4% Na20 und 24,7% SiO2)
und 50% Wasser. Zur Herstellung des Bindemittels werden gleiche Volumteile dieser Lösungen miteinander vermischt.
Ein weiteres Beispiel ist das folgende: Gleiche Volumteile 50%iger Phosphor- säurelösung und einer Alkalisilikatlösung, wie sie in den vorangehenden Beispielen beschrie ben wurde, werden miteinander vermischt, wodurch man ein Bindemittel erhält, das gleich wie diejenigen der vorangehenden Bei spiele verwendet werden kann.
Ein weiteres: Beispiel ist das folgende: Man stellt eine Natriumsilikatläsung wie im ersten Beispiel beschrieben her, ferner eine Salpetersäurelösung von gleicher Normalität wie die Salzsäure im ersten Beispiel. 42,9 Liter Salpetersäurelösung werden mit 53,3 Liter der Natriumsilikatlösling vermischt, -am das Bindemittel herzustellen, dessen Säurewert bei Verwendung von Methylorange als Indikator 10,1 beträgt.
Um ein Material herzustellen, das für den oben genannten Überzug, zum Beispiel Tauch überzug, geeignet ist, stellt man die überzugs- mischung zum Beispiel derart her, dass man eine geeignete Menge eines zerkleinerten, hitzebeständigen Materials mit dem Natrium silikatbindemittel vermischt. Als hitzebestän diges Material oder hitzebeständigen Füllstoff verwendet man vorzugsweise fein vermahlenes Siliziumdioxyd (etwa 200 Maschen oder feiner).
Die Verwendung des fein zerkleiner ten hitzebeständigen Materials erzeugt einen glatten Überzug, was wiederum die Erzeugung eines Gussstückes mit sehr glatter Oberfläche und einem Maximum an Details, die im Modell zugegen waren, ermöglicht. Man kann auch andere hitzebeständige Füllstoffe, wie ge schmolzenen Quarz, geschmolzenes Alumi niumoxyd, Zirkon, Zirkonoxyd, Mizllit, ge schmolzene Magnesia und dergleichen, ver wenden.
Zur Erzeugung einer bis zu einem ge wünschten Grade biegsamen Formmischung kann man einen Weichmacher, vorzugsweise Glyzerin, zusetzen. Infolge seines hygroskopi schen Charakters verhindert das Glyzerin ein zu rasches Austrocknen des Überzugs und in folgedessen das Abspringen oder Abschiefern der Überzugsschicht vom Modell. Die ge eignetste Menge des Weichmachers liegt zwischen 0,1-20% des Flüssigkeitsgehaltes der Mischung.
Das Bindemittel, das heisst das durch Ver- mischen der Salzsäurelösung mit der Natrium silikatlösung erhaltene Produkt, wird vorzugs weise in solchen Mengen verwendet, dass die Form sowohl in trockenem als in gebranntem Zustand eine hohe Festigkeit besitzt.
Obschon es nicht unbedingt erwünscht ist, einen grossen Überschuss an Natriumsilikat zu verwenden, sollte dasselbe zweckmässig döch mindestens 10 % und vorzugsweise zwischen 10 und 40 0/0 des flüssigen Anteils ausmachen.
Als Geliermittel verwendet man vorzugs weise Salzsäure. Diese reagiert mit dem Na triumsilikat unter Bildung eines wasserhalti gen Kieselsäuregels. Mit dem gleichen Erfolg kann man auch andere Säuren, wie Salpeter-, Schwefel-, Phosphor-, Milchsäure und der- gleichen verwenden. ts empfiehlt sich, die Säuremenge möglichst gering zu halten. Der Gehalt, an freier Säure kann zwischen 0 und etwa 251/o des Flüssigkeitsgehaltes der hitze beständigen Mischung, die die primäre Über zugsmasse bildet, betragen.
Ein höherer Säuregehalt wird zweckmässigerweise vermie den, da er eine zu schnell verlaufende Gelie- rung bewirken könnte, was eine klumpige 21i- schung zur Folge hat, die unbefriedigende Überzüge und Formen liefert.
Um einen glatten Überzug der Modelle mit der hitzebeständigen Mischung zu gewähr leisten, kann man letzterer zweckmässigerweise ein Netzmittel, zum Beispiel ein Kohlen- wasserstoff-Sulfonat, zusetzen. Die Menge dieser Substanz kann zwischen etwa 0,01 und ungefähr 1,0% des Gesamtgewichtes der Mi- schung liegen. Man kann auch andere Netz mittel, wie zum Beispiel Natritim-dioctyl- sulfosuccinat, Sulfate von höheren Alkoholen usw., verwenden.
Zuviel Netzmittel kann z1 Blasenbildung in der Mischung führen, was dann rauhe Gussstücke zur Folge hat und des halb vermieden werden sollte.
Uni die Blasenbildung auf ein Minimum zu beschränken, ;setzt man der Mischung mit Vorteil ein Entschäumungsmittel, wie zum Beispiel Octylalkohol oder auch eine Mischung aliphatischer Ester, zu. Der Gehalt an dieser Komponente kann zwischen etwa 0,01% und etwa<B>0,100/a</B> liegen.
Eine typische Mischung, die sich zum Bei spiel zur Verwendung als hitzebeständige Überzugsmasse für Modelle und als Form= mischung eignet, ist folgende:
EMI0005.0036
Flintstein <SEP> 10,35 <SEP> kg
<tb> Wasser <SEP> 2830 <SEP> cm-'
<tb> Glyzerin <SEP> 225 <SEP> cm-3
<tb> Na-Silikat <SEP> (konz.) <SEP> 1350 <SEP> cm3
<tb> HCl <SEP> 10'%ig <SEP> 650 <SEP> ems
<tb> Kohlenwasserstoff sulfonatlösung <SEP> (7,5%ig) <SEP> 75 <SEP> cm3
<tb> Octylalkohol <SEP> 5 <SEP> ems Eine weitere derartige .Mischung weist folgende Zusammensetzung auf
EMI0005.0039
Plintstein <SEP> <B>10,25</B> <SEP> kg
<tb> Wasser <SEP> 2900 <SEP> cm3
<tb> Glyzerin <SEP> 450 <SEP> eins
<tb> Na-Silikat <SEP> (konz.) <SEP> 900 <SEP> cm3
<tb> HCl <SEP> 10 <SEP> o/oig <SEP> 650 <SEP> ems
<tb> Octylalkohol <SEP> 3 <SEP> cm3
<tb> Kohlenwasserstoff sulfonatlösung <SEP> (7,5 <SEP> %ig)
<SEP> 75 <SEP> cm-3 Ferner kann man für den gleichen Zweck folgende Mischung verwenden:
EMI0005.0042
Wasser <SEP> 290 <SEP> <B>cm-'</B>
<tb> Glyzerin <SEP> 45 <SEP> ems
<tb> Na-Silikat <SEP> (konz.) <SEP> 90 <SEP> <B>ems</B>
<tb> Salzsäure <SEP> (4,42 <SEP> gew: /oig) <SEP> - <SEP> 65 <SEP> em3
<tb> Octylalkohol <SEP> 0,3 <SEP> cm Kohlenwasserstoff stilfonatlösung <SEP> (7,50hig) <SEP> 7,5 <SEP> ems
<tb> Töpferflint <SEP> 1,035 <SEP> kg Ein weiteres Beispiel für eine derartige Mischung ist das folgende:
EMI0005.0046
Wasser <SEP> 290 <SEP> <B>ems</B>
<tb> Glyzerin <SEP> 45 <SEP> eins
<tb> Na <SEP> Silikat <SEP> (konz:) <SEP> 180 <SEP> ems
<tb> Salzsäure <SEP> (4,42 <SEP> gew.%ig) <SEP> 130 <SEP> cm3
<tb> Octylalkohol <SEP> 0,3 <SEP> ems
<tb> Kohlenwasserstoff sulfonatlösung <SEP> (7,5%ig) <SEP> 7,5 <SEP> eins
<tb> Töpferflint <SEP> 1,080 <SEP> kg Noch ein weiteres Beispiel ist das folgende:
EMI0005.0048
Wasser <SEP> 290 <SEP> <I>ems</I>
<tb> Glyzerin <SEP> 45 <SEP> cm3
<tb> Na-Silikat <SEP> (konz.) <SEP> 90 <SEP> ems
<tb> Salzsäure <SEP> (4,42 <SEP> Gew.O/a) <SEP> 65 <SEP> eins
<tb> Octylalkohol <SEP> 0,3 <SEP> eins
<tb> Kohlenwasserstoff sulfonatlösung <SEP> (7,5%ig) <SEP> 7,5 <SEP> eins
<tb> Töpferflint <SEP> 1,035 <SEP> kg Nach Vereinigung und inniger Ver mischung der Komponenten kann ein Modell vollständig mit einer der vorgenannten Mi schungen überzogen werden.
Nachdem dies erfolgt ist, empfiehlt es sich, den Überzug, solange er noch nass ist, mit hitzebeständigen Stoffen von soleher Korngrösse, dass: sie durch ein Sieb mit etwa 2d-40 Maschen pro eia hindurchgehen, zu bestreuen. Hierzu eignet sich vorzugsweise Flintstein, Siliziumdioxyd oder dergleichen.
Nachdem das Modell überzogen und der Überzug gegebenenfalls bestreut worden ist und getrocknet hat, bildet man um das über zogene Modell herum den Körper der Giess form aus hitzebeständigem Füllstoff und einem der oben angegebenen sauerreagieren den Bindemittel, lässt gelieren und trocknet, wonach man die Modellmasse durch Hitzeein wirkung entfernt, so dass in der Giessform eine Höhlung mit glatter und harter Oberfläche zurückbleibt, in welche sich dann das zu ver giessende hoehsehmelndie Metall bzw.
die Legierung mit ausgezeichneten Ergebnissen giessen lässt.
Das Material, das bei der Bildung des Körpers der Form als zweiter Überzug ver wendet wird, kann im allgemeinen irgendein geeigneter hitzebeständiger Füllstoff, in Ver.. Bindung mit dem erfindungsgemässen Binde mittel sein. Das hitzebeständige Material kann in fein zerkleinertem Zustand vorliegen und aus Siliziumdioxyd, Flint oder einem andern, dem Fachmann bekannten, hitzebeständigen Material bestehen.
Da das vorstehend verwendete angesäuerte N atriumsilikatbindemittel Wasser enthält, er fordert es eine sorgfältige Trocknung zwecks Entfernung der grossen in der Giessform ver bleibenden Wassermenge. Dies steht im direk ten Gegensatz zu einer Form, die unter Ver wendung von Tetraäthylsilikat als Binder her gestellt wurde, da letzteres im wesentlichen ein Alkohol-Siliziumdioxyd-Sol darstellt und der darin vorhandene Alkohol sichtlich leich ter verdampft,
um das als Bindemittel die nende Siliziumdioxyd abzuscheiden. Die er wähnte langsame Trocknung der erzeugten Formen ist angezeigt, um die Bildung. von Dampf zu vermeiden, der die Form zerreissen oder verzerren könnte.
Ein typischer Trock- nungsvorgang für solche Formen ist zum Bei spiel folgender Zuerst werden die Formen bei<B>55-60-</B> C vorgetrocknet, wonach man die Ofentempera- tur mit einer<B>250</B> pro Stunde nicht Über steigenden Geschwindigkeit bis auf 85-9511 C ; ansteigen lässt und die Trocknung während 12 Stunden fortsetzt.
Ein solcher Trocknungs- zyklus gestattet die Entfernung alles über schüssigen Wassers, ohne die Form zu schädi gen, und bringt das Siliziumdioxyd in eine solche Form, dass eine vollkommene Bindung der hitzebeständigen Formbestandteile statt findet, so dass man anschliessend eine voll ständige Ausbrennung bei hohen Temperatu ren durchführen kann, um die Modellmasse zu entfernen und die Form zur Aufnahme der geschmolzenen Legierung bereitzumachen.
Bei der Erzeugung des zweiten Überzugs für die Bildung des Giessform-Körpers, der sich von dem Überzug auf der Oberfläche der Giesshöhlung unterscheidet, wird der hitze beständige Mischungsbestandteil mit dem Natriumsilikatbindemittel vermischt, bis eine giessbare Konsistenz erreicht ist.
Das mit dem ersten Überzug versehene Modell wird in eine die äussern Umrisse des Giessform-Körpers be dingende Form eingebracht und diese Mi schung vorteilhafterweise unter Vibration um das überzogene Modell herum in diese Form gegossen, bis sie gefüllt ist, worauf man sie in einen andern Vibrator einsetzen und so lange darin belassen kann, bis eine vollständige Ver dichtung stattgefunden hat und das Binde mittel in das hydratisierte gieselsäuregel übergegangen ist.
Durch diese Vibrationsbe- handlung wird alle eingeschlossene Luft ent fernt und die hitzebeständige Komponente verdichtet, so dass sie einen dichten Form körper bildet, worauf man sorgfältig bei niedriger Temperatur trocknet und dann zur Dehydratisierung des Kieselsäuregels erhitzt.
Die Vibration soll eher eine verdichtende als eine vermischende Wirkung ausüben, und als Beispiel für den Grad der Vibrations- behandlung sei erwähnt, dass das Material auf dem ersten Vibrator so lange behandelt wird, bis es verdichtet und die meiste Luft entfernt ist.
Die Vibration auf dem zweiten Vibrator besteht in einer verhältnismässig feinen Vibra- tion in Vertikalrichtung, die so lange fort gesetzt wird, bis die Verdichtung beendigt ist, ferner vorzugsweise auch, bis alle Luft ent fernt ist und praktisch keine Flüssigkeit mehr nach oben steigt.
Der hitzebeständige Füllstoff für den zweiten Überzug kann einer der vorgenannten oder irgendein anderes geeignetes Material sein. Siliziumdioxyd ist zum Beispiel gut ge eignet. Man kann den Füllstoff aus verschie denen Korngrössen zusammensetzen, um den Oberflächeneffekt zu beeinflussen. Die An wendung eines Gemisches, das verschiedene Korngrössen enthält, eignet sich zur Her stellung einer Mischung, die sich auf dem Vibrator wirksam verdichten lässt oder zur Vermeidung von Schrumpfungen und Rissen.
Method for producing a heat-resistant casting mold. The invention relates to a method for producing a heat-resistant casting mold and a casting mold obtained by the method.
The invention can be viewed as an improvement on the inventions described in U.S. Patents No. 2027932 to Ray and No. 2380945 to Collins.
In particular, the invention relates to the production of heat-resistant, refractory molds that are used in the casting of refractory metals and alloys such as steel, stainless steels, non-ferrous alloys such as rustproof cobalt-chromium alloys and other refractory materials such as platinum, platinum-iridium, Platinum-rhodium alloys and the like are to be used.
It is known that for the casting of high-melting metal alloys it is necessary to use suitable heat-resistant molding materials which can withstand the casting temperatures of the alloys. One of the most important heat-resistant components of such molding compounds is silicon dioxide. Other refractory components of such mixtures include alumina, zirconia, ground silica or magnesia bricks, fused magnesia, and many other materials familiar to those skilled in high temperature casting.
In addition to the appropriate selection of the heat-resistant components, it is also essential when producing such molds that a binding agent is used that holds them together.
For this purpose, certain types of binders, such as organic silicates, especially tetraethylsilicate and related silicates, were proposed. The use of such organic silicates as binders for the heat-resistant materials offers advantages when casting relatively small castings, but also has certain disadvantages in the mass production of precision castings. When using these organic silicates, it is necessary, for example, to use ethyl alcohol or acetone or other solvents as thinners.
If, as in mass production, large quantities of these substances have to be used, the risk of fire is very great. Given the same conditions, there are also other disadvantages, such as the high cost of the organic silicates and the complicated technology required to process the required auxiliaries with the organic silicates to convert them into a medium for use as a binder appropriate state.
Other binders, such as colloidal silicon dioxide, offer advantages over organic silicates, but they are not absolutely alkali-free, so that the alkali can reduce the heat resistance of the molding mixture.
If you use them as a dip coating for wax models, you have to use the dip material several times. In addition, it was found that these colloidal silicon dioxide solutions change in their properties, are relatively unstable and change their properties on storage. However, the changes can make them unsuitable as binders for the production of heat-resistant molds.
The present invention now has the task of avoiding the use of inflammatory substances and complicated manufacturing methods for the binder and using relatively cheap products as the starting material for the binder.
The method according to the invention for producing a heat-resistant casting mold is characterized in that a coating of a mixture of comminuted, heat-resistant filler and a binder which has the property of not being detached from the model by acidic reaction products is applied to a model, then this coating with a mixture of crushed, heat-resistant filler and a non-alkaline reacting mixture intended to form the body of the casting mold brings the binder into intimate contact,
This binder contains silica sol formed by reacting an aqueous alkali silicate solution with mineral acid, which causes the sol to gel to form hydrated silica, creating a bond between the filler parts on the one hand and between the latter and the coating on the other hand, after which the mold is dried and: the Model removed from it.
In the production of heat-resistant casting molds, it has been customary to use a heat-resistant material such as silicon dioxide, aluminum oxide, magnesium oxide, titanium dioxide, beryllium oxide, mullite, sillimanite and zirconium oxide, depending on its resistance to the conditions, which the form in their conditions, which has been comminuted in a suitable manner Use is exposed to use on its own or in inert, non-melting mixtures.
Such substances will hereinafter be referred to as heat-resistant fillers. Silicon dioxide in such a fine distribution that it passes, for example, through sieves with 1.0 to 120 meshes per cm. is particularly suitable for this purpose. The finer the degree of comminution of the filler, the more suitable it is of course for producing castings with a smooth, polished surface. The filler can be composed of different grain sizes, which can influence the surface effect.
With a suitable choice of grain size, mixtures can also be obtained which can be effectively compacted by vibration and which do not show any shrinkage cracks.
Sodium silicate or alkali metasilicate can be used as the alkali metal silicate and hydrochloric acid can be used as the acid to produce the binder for the molding mixture. You can of course use a different alkali silicate and a different acid.
The binder is expediently produced using two standard solutions, for example dilute hydrochloric acid and a solution of sodium silicate, which are mixed in the appropriate proportions so that a solution is obtained which has the desired binding force for the heat-resistant filler. When the silicate solution is added to an acid solution, silica is formed.
Such a binder is not, inflammable Lich and very cheap; because it is made from water and such cheap substances as sodium silicate and hydrochloric acid. The well-known tetraethylsilicate binder is produced by hydrolysis of tetraethylsilicate, with considerable heat being developed. With tetraethyl silicate there is always the risk of boiling and. causing fires.
The binder used in the present process can always be produced with a certain acid value, by means of which the binding and gelling properties of the binder-containing mixture can be determined quite precisely. This precise adjustment of the setting and gelling properties is in direct contrast to the use of sodium silicate solution as a binding agent.
Up to now it has been very difficult to set the setting times of sodium silicates precisely, since there is a tendency for premature gel formation, lump formation, or delays in gel formation.
The binder used in the present process for the formation of the casting mold body does not contain any alkaline substances such as sodium hydroxide or the like which could impair the heat resistance of the mold. Such alkaline substances have a tendency to react with the heat-resistant part of the coating, with low-melting eu tectics being formed at high temperatures which reduce the heat-resistance of the coating. All of the alkali silicate used for the production of the binder reacts with the acid to form neutral or acidic salts.
The raw materials for the binding agent are stable. For example, solidified sodium silicate can be melted again, after which it can be used again without any disadvantage.
The well-known dip covers seem. not to be influenced by the mixture used according to the invention when it is applied to it. The dip coatings in question, which are, for example, reaction products of an aqueous alkali silicate solution with dilute mineral acid, are alkaline. If an acidic molding compound is used in the practice of the present process, neutralization obviously takes place on contact with the alkaline coating, whereby the coating is stabilized. There is no inclination; that the coating would wash away or loosened from the binder.
This is an enormous advantage, since pure water and alkaline binders wash away such coatings and also other coatings commonly used for these purposes. The use of said binder also allows the use of two coatings, as is otherwise customary in the art of colloidal silicon .. dioxide coatings, to be avoided.
Another advantage of the described binder over colloidal silicon dioxide is that it can be produced at any time with a uniform consistency. In the case of the silicon dioxide coatingsxi, there were always differences in the alkali content and in the gelation properties in different approaches.
When using an ordinary sodium silicate solution as a binder for heat-resistant molds, it was found that, in addition to the leaching or reaction of the dip coating, there is also a tendency to crust formation on the molds, which creates extremely hard and very soft spots on the molds. This causes the formation of a non-uniform heat-resistant shape. The binder used here does not seem to have these disadvantages and the shapes produced are consistently uniform.
In addition, the standard solutions of acid and sodium silicate in large amounts can be precisely standardized and stored separately for a long time. These solutions have a practically unlimited storage period and can be used at any time to form the desired binding agent.
In this way a sodium silicate solution can be produced, of which 25 cm3 require 28.0 0.1 cm3 HCl when titrating with n I-ICl and methyl orange as an indicator.
The hydrochloric acid solution can be adjusted. be that 25 cm3 of them use up 38.0 0.1 ems NaOH when titrating with n NaOH and methyl orange as an indicator.
Fifty liters of this hydrochloric acid solution were placed in a mixing vessel equipped with a stirrer and 53 liters of the sodium silicate solution were poured into it while stirring vigorously. The resulting liquid is the finished binder, of which 100 em3 consume 8.00 0.10 cm3 NaOH when titrating with n NaOH using methyl orange ale indicator.
The finished binder is cheap, non-flammable, allows more precise control, is free of free alkali, which could reduce the heat resistance of the mixture, and requires, for example, only a one-time application of the molding mixture containing the same as a dip coating Applying the coating material.
Another example is the following. An acidic solution is prepared by mixing 30% by volume of chemically pure HCl and 70% by volume: O / o water.
The solution of the water-soluble silicate consists of 250/0 sodium silicate (containing approximately 6.40io Na20 and 24.7% S'02) and 75 vol.0 / m water. To produce the binder, 25 ems of the acid solution with <B> 25,
</B> cm3 of the silicate solution mixed.
Another example is the following: An acid solution is prepared by mixing 40% by volume of chemically pure hydrochloric acid and 60% by volume of water,
also a silicate solution of 50% sodium silicate (containing approximately 6.4% Na20 and 24.7% SiO2)
and 50% water. To produce the binder, equal parts by volume of these solutions are mixed with one another.
Another example is the following: Equal parts by volume of 50% phosphoric acid solution and an alkali silicate solution as described in the preceding examples are mixed together, whereby a binder is obtained which can be used in the same way as those in the preceding examples .
Another example is the following: A sodium silicate solution is prepared as described in the first example, and a nitric acid solution of the same normality as the hydrochloric acid in the first example. 42.9 liters of nitric acid solution are mixed with 53.3 liters of the sodium silicate solution to produce the binder, the acid value of which is 10.1 when using methyl orange as an indicator.
In order to produce a material which is suitable for the above-mentioned coating, for example a dip coating, the coating mixture is prepared, for example, by mixing a suitable amount of a comminuted, heat-resistant material with the sodium silicate binder. Finely ground silicon dioxide (about 200 meshes or finer) is preferably used as the heat-resistant material or heat-resistant filler.
The use of the finely crushed heat-resistant material creates a smooth coating, which in turn enables the creation of a casting with a very smooth surface and a maximum of details that were present in the model. Other heat-resistant fillers such as fused quartz, fused aluminum oxide, zirconium, zirconium oxide, mitzlite, molten magnesia and the like can be used.
A plasticizer, preferably glycerine, can be added to produce a molding mixture that is flexible to the extent desired. As a result of its hygroscopic character, the glycerine prevents the coating from drying out too quickly and, as a result, the coating layer from peeling off or peeling off the model. The most suitable amount of plasticizer is between 0.1-20% of the liquid content of the mixture.
The binder, that is to say the product obtained by mixing the hydrochloric acid solution with the sodium silicate solution, is preferably used in such amounts that the mold has a high strength both in the dry and in the fired state.
Although it is not absolutely desirable to use a large excess of sodium silicate, it should expediently account for at least 10% and preferably between 10 and 40% of the liquid portion.
Hydrochloric acid is preferably used as the gelling agent. This reacts with the sodium silicate to form a water-containing silica gel. Other acids such as nitric, sulfuric, phosphoric, lactic and the like can also be used with the same success. It is advisable to keep the amount of acid as low as possible. The free acid content can be between 0 and about 251 / o of the liquid content of the heat-resistant mixture which forms the primary coating composition.
A higher acid content is expediently avoided, since it could cause gelation that runs too quickly, which results in a lumpy mixture that provides unsatisfactory coatings and shapes.
In order to ensure a smooth coating of the models with the heat-resistant mixture, a wetting agent, for example a hydrocarbon sulfonate, can expediently be added to the latter. The amount of this substance can be between about 0.01 and about 1.0% of the total weight of the mixture. Other wetting agents, such as, for example, sodium dioctyl sulfosuccinate, sulfates of higher alcohols, etc., can also be used.
Too much wetting agent can lead to the formation of bubbles in the mixture, which then results in rough castings and should therefore be avoided.
To limit the formation of bubbles to a minimum; it is advantageous to add a defoaming agent such as octyl alcohol or a mixture of aliphatic esters to the mixture. The content of this component can be between about 0.01% and about <B> 0.100 / a </B>.
A typical mixture that is suitable, for example, for use as a heat-resistant coating compound for models and as a form mixture, is the following:
EMI0005.0036
Flint stone <SEP> 10.35 <SEP> kg
<tb> water <SEP> 2830 <SEP> cm- '
<tb> Glycerine <SEP> 225 <SEP> cm-3
<tb> Na-Silicate <SEP> (conc.) <SEP> 1350 <SEP> cm3
<tb> HCl <SEP> 10% ig <SEP> 650 <SEP> ems
<tb> Hydrocarbon sulfonate solution <SEP> (7.5%) <SEP> 75 <SEP> cm3
<tb> Octyl alcohol <SEP> 5 <SEP> ems Another such mixture has the following composition
EMI0005.0039
Plint stone <SEP> <B> 10.25 </B> <SEP> kg
<tb> water <SEP> 2900 <SEP> cm3
<tb> Glycerine <SEP> 450 <SEP> one
<tb> Na-Silicate <SEP> (conc.) <SEP> 900 <SEP> cm3
<tb> HCl <SEP> 10 <SEP> o / oig <SEP> 650 <SEP> ems
<tb> Octyl alcohol <SEP> 3 <SEP> cm3
<tb> Hydrocarbon sulfonate solution <SEP> (7.5 <SEP>%)
<SEP> 75 <SEP> cm-3 The following mixture can also be used for the same purpose:
EMI0005.0042
Water <SEP> 290 <SEP> <B> cm- '</B>
<tb> glycerine <SEP> 45 <SEP> ems
<tb> Na-Silicate <SEP> (conc.) <SEP> 90 <SEP> <B> ems </B>
<tb> hydrochloric acid <SEP> (4.42 <SEP> wt: / oig) <SEP> - <SEP> 65 <SEP> em3
<tb> Octyl alcohol <SEP> 0.3 <SEP> cm hydrocarbon stilfonate solution <SEP> (7.50hig) <SEP> 7.5 <SEP> ems
<tb> Töpferflint <SEP> 1.035 <SEP> kg Another example of such a mixture is the following:
EMI0005.0046
Water <SEP> 290 <SEP> <B> ems </B>
<tb> glycerine <SEP> 45 <SEP> one
<tb> Na <SEP> Silicate <SEP> (conc. :) <SEP> 180 <SEP> ems
<tb> hydrochloric acid <SEP> (4.42 <SEP>% by weight) <SEP> 130 <SEP> cm3
<tb> Octyl alcohol <SEP> 0.3 <SEP> ems
<tb> Hydrocarbon sulfonate solution <SEP> (7.5%) <SEP> 7.5 <SEP> one
<tb> Töpferflint <SEP> 1,080 <SEP> kg Yet another example is the following:
EMI0005.0048
Water <SEP> 290 <SEP> <I> ems </I>
<tb> Glycerine <SEP> 45 <SEP> cm3
<tb> Na-Silicate <SEP> (conc.) <SEP> 90 <SEP> ems
<tb> Hydrochloric acid <SEP> (4.42 <SEP> wt. O / a) <SEP> 65 <SEP> one
<tb> Octyl alcohol <SEP> 0.3 <SEP> one
<tb> Hydrocarbon sulfonate solution <SEP> (7.5%) <SEP> 7.5 <SEP> one
<tb> Töpferflint <SEP> 1.035 <SEP> kg After combining and intimately mixing the components, a model can be completely covered with one of the aforementioned mixtures.
After this has been done, it is advisable to sprinkle the coating, while it is still wet, with heat-resistant materials of such a grain size that: they pass through a sieve with about 2d-40 meshes per egg. Flint stone, silicon dioxide or the like are preferably suitable for this.
After the model has been coated and the coating has been sprinkled and dried, if necessary, the body of the casting mold is formed around the model drawn from heat-resistant filler and one of the above-mentioned acid-reacting binders, allowed to gel and dry, after which the model mass is passed through The effect of the heat is removed, so that a cavity with a smooth and hard surface remains in the casting mold, into which the metal or metal to be cast can then be cast.
cast the alloy with excellent results.
The material which is used as the second coating in forming the body of the mold can generally be any suitable refractory filler in conjunction with the binder of the invention. The heat-resistant material can be in a finely comminuted state and consist of silicon dioxide, flint or another heat-resistant material known to the person skilled in the art.
Since the acidified sodium silicate binder used above contains water, it requires careful drying in order to remove the large amount of water remaining in the casting mold. This is in direct contrast to a form that was made using tetraethylsilicate as a binder, since the latter is essentially an alcohol-silicon dioxide sol and the alcohol present in it visibly evaporates more easily,
in order to deposit the silicon dioxide used as a binding agent. The slow drying of the shapes he mentioned is indicated to help the formation. avoiding steam that could tear or distort the shape.
A typical drying process for such molds is, for example, the following. First, the molds are pre-dried at <B> 55-60 </B> C, after which the oven temperature is set at <B> 250 </B> per hour not about increasing speed up to 85-9511 C; lets rise and the drying continues for 12 hours.
Such a drying cycle allows all excess water to be removed without damaging the mold, and brings the silicon dioxide into such a shape that the heat-resistant mold components are completely bonded, so that a complete burnout at high temperatures is then possible Ren can perform to remove the model mass and prepare the mold for receiving the molten alloy.
When producing the second coating for the formation of the casting mold body, which is different from the coating on the surface of the casting cavity, the heat-resistant mixture component is mixed with the sodium silicate binder until a pourable consistency is achieved.
The model provided with the first coating is placed in a shape that defines the outer outline of the casting mold body and this mixture is advantageously poured into this form with vibration around the coated model until it is filled, whereupon it is put into another vibrator can be used and left in it until complete compression has taken place and the binding agent has passed into the hydrated silica gel.
This vibration treatment removes all trapped air and compresses the heat-resistant component so that it forms a tight mold, which is then carefully dried at a low temperature and then heated to dehydrate the silica gel.
The vibration is intended to have a compacting rather than a mixing effect, and as an example of the degree of vibration treatment it should be mentioned that the material is treated on the first vibrator until it is compacted and most of the air is removed.
The vibration on the second vibrator consists of a relatively fine vibration in the vertical direction, which is continued until the compression is completed, further preferably also until all air has been removed and practically no more liquid rises.
The refractory filler for the second coating can be any of the foregoing or any other suitable material. For example, silicon dioxide is well suited. The filler can be composed of different grain sizes in order to influence the surface effect. The use of a mixture that contains different grain sizes is suitable for producing a mixture that can be effectively compacted on the vibrator or to avoid shrinkage and cracks.