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Modellmaterial für das Präzisionsgießverfahren Die Erfindung betrifft
ein. Modellmaterial für das Präzisionsgießverfahren mit verlorenen Modellen.
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Ein für diese Zwecke geeignetes Modellmaterial muß folgende Eigenschaften
aufweisen: Es muß leicht schmelzbar sein, eine gute Gießfähigkeit aufweisen, während
des Erhitzens keine Änderungen seiner Eigenschaften erleiden, geringe Wärmeausdehnung
und geringen Schwund haben, sich leicht und schnell vollständig aus der Form entfernen
lassen und bei Raumtemperatur eine genügende Härte (Stoß-und Kratzfestigkeit) aufweisen,
um eine leichte Herstellbarkeit und eine gute Formbeständigkeit des Modellstückes
zu gewährleisten. Die bislang im Präzisionsgießverfahren hauptsächlich verwendeten
Wachse genügen diesen Anforderungen nur insofern, als sie sich leicht schmelzen
und gut vergießen lassen. Dagegen ist ihre Härte bei Raumtemperatur ungenügend,
bei Modellen mit stark gegliederten Oberflächen sowie bei solchen mit sehr feinen
und glatten Oberflächen liefern sie keine einwandfreien Gußstücke, und selbst bei
Wachsen mit ausgesprochen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist die Wärmeausdehnung
noch immer so groß, daß größere Modellstücke, beispielsweise mit einem Durchmesser
von etwa 500 mm, sich beim Erhitzen um etwa 3 mm ausdehnen, ehe sie zu schmelzen
beginnen. Diese relativ starke Wärmeausdehnung hat häufig ein Reißen oder eine sonstige
Beschädigung des unelastischen und widerstandsfähigen Überzuges zur Folge, mit dem
die Wachsmodelle umgeben werden, wenn sie beispielsweise zur Herstellung hohler
Gußstücke verwendet werden. Ferner nimmt das Ausschmelzen der Wachsmodelle aus der
durch den unelastischen Überschuß gebildeten Formschale eine relativ lange Zeit
von etwa 10 bis 12 Stunden bei einer Erhitzungstemperatur zwischen etwa 100 bis
120°G in Anspruch.
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Mit der Verwendung von löslichen Wachsen im Präzisionsgießverfahren
konnte zwar die mit dem Ausschmelzen der Wachse aus der durch den Überzug gebildeten
Formschale verbundene Wärmeausdehnung umgangen werden. Jedoch war erfahrungsgemäß
das Herauslösen der Wachse schwierig. Bisweilen war ein tagelanges Aufweichen in
Wasser erforderlich, und in manchen Fällen blieb sogar nach einem so ausgedehnten
Aufweichungsprozeß immer noch lösliches Wachs in der Formschale zurück. Gemäß einem
älteren Recht ist schon vorgeschlagen worden, diesen Aufweichungsprozeß bei löslichen
Wachsen durch Beimischung eines Zusatzmittels abzukürzen, das bei Berührung mit
der Lösungsflüssigkeit unter Gasentwicklung reagiert.
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Außer den verschiedenen Arten von löslichen und unlöslichen Wachsen
sind neben verschiedenen Arten von Kunststoffen unter anderem auch Salze vorgeschlagen
worden, die in heißen Lösungen ein sehr starkes, in kalten Lösungen dagegen ein
realtiv geringes Lösungsvermögen zeigen und die Fähigkeit besitzen, in derartigen
Lösungen beim Abkühlen unter Aufnahme von Kristallwasser zu einer mehr oder weniger
festen Kristallmasse zu erstarren. Jedoch weist diese Methode den Nachteil auf,
daß man erst nach langwierigen Versuchen die Temperatur und Konzentrationsverhältnisse
ermitteln kann, die zu einem genügend harten Modellstück führen. Es handelt sich
somit bei allen diesen Vorschlägen um solche sehr allgemeiner Art, die vom Fachmann
in allen Fällen ein mühsames Ausprobieren erfordern.
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Die Erfindung betrifft ein neues Modellmaterial zur Herstellung von
verlorenen Modellen für das Präzisionsgießverfahren, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß es aus einer Mischung von Alkalisalzen organischer Säuren und Alkalicarbonat
besteht. Dieses Modellmaterial besitzt alle Vorzüge der Wachse, ohne jedoch ihre
Nachteile zu haben, und kann durch Behandlung mit einer sauren Flüssigkeit
unter
CO2-Entwicklung in kurzer Zeit in Lösung gebracht werden.
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Die organischen Alkalisalze können sowohl allein als auch in Mischung
miteinander verwendet werden. Einige Beispiele hierfür sind die Kalium- und Natriumsalze
der Essig-, Ameisen-, Oxal-, Citronen-und/oder Weinsäure, wobei dem Natriumacetat
der Vorzug gegeben wird. Bevorzugt werden diejenigen organischen Alkalisalze, die
im eigenen Kristallwasser schmelzen.
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Als Alkalicarbonate kommen das Kalium- und Natriumcarbonat, vorzugsweise
in wasserfreier Form, in Frage, wobei dem Natriumcarbonat der Vorzug gegeben wird.
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Das Mischungsverhältnis beträgt vorzugsweise etwa 80 bis 60 Gewichtsprozent
organisches Alkalisalz und etwa 20 bis 40 Gewichtsprozent Alkalicarbonat.
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Bei der Herstellung von Modellstücken aus dem Material gemäß Erfindung
wird das organische Alkalisalz, beispielsweise kristallwasserhaltiges Natriumacetat
(CH$COONa - 3 H20), durch Erhitzen in einem Heizbad auf eine Temperatur oberhalb
des Schmelzpunktes -. beim Natriumacetat auf mehr als 58°C - vollständig geschmolzen
und in der - beim Natriumacetat kristallwasserhaltigen - Schmelze pulverförmiges,
wasserfreies Alkalicarbonat (z. B. Na2C0$) in dem gewünschten Mengenverhältnis zwischen
20 und 40 Gewichtsprozent zugesetzt. Die Mischung wird gut gerührt und in eine Metallform
gegossen. Innerhalb von 2 Minuten nach dem Vergießen kann das Modell aus der Form
herausgenommen werden.
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Ein aus einer Mischung von 70 Gewichtsprozent kristallwasserhaltigem
Natriumacetat und 30 Gewichtsprozent wasserfreiem Natriumcarbonat erhaltenes Modellstück
weist die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Eigenschaften auf
| Bruchfestigkeit (kg/cm2) ... 3,15 |
| Oberflächenhärte, Marten-. |
| sehe Prüfvorrichtung, |
| Ritzbreite (mm) . . . . . . . . 0,07 |
| Viskosität |
| (Redwoodsekunden) .... 65 (90°C) |
| Ausdehnung bei |
| Erstarrung (%) . . . . . . . . . 0,05 (Wert im Ver- |
| hältnis zu der |
| metallischen Form) |
| Wärmeausdehnung bei |
| 15 bis 55'C (0/0) . . . . . . . . 0,25 |
| Schmelzpunkt (°C) ....... 58 |
| Auflösungsgeschwindigkeit |
| in verdünnter Säure |
| (mm/min) . . . . . . . . . . . . . . 6,0 (10% HCl) |
Enthält die Metallform Kühleinrichtungen, können die Modellstücke in Serie tiergestellt
und der Metallform alle 1 bis 2 Minuten ein Modellstück entnommen werden. Im Gegensatz
zum Wachs braucht das Material gemäß Erfindung während des Vergießens und des Erstarrens
nicht unter Druck gehalten zu werden und liefert ein formgetreues Modellstück, da
seine Kontraktion praktisch gleich Null ist.
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Bei der Herstellung von hohlen Präzisionsgießformen wird das aus der
Salzmischung gemäß Erfindung erhaltene Modellstück zunächst mit einer Schicht eines
widerstandsfähigen Materials, das beispielsweise Siliciumdioxydsol als Binder enthält,
überzogen und der so gebildete Überzug zu einer Formschale gehärtet, beispielsweise
durch Behandlung mit gasförmigem Ammoniak. Der Überzug und damit die Formschale
kann, falls erforderlich, durch geeignetes Material noch weiterverstärkt werden.
Aus der so gebildeten Formschale wird das aus der Salzmischung bestehende Modellstück
gemäß Erfindung sehr einfach mittels saurer Flüssigkeit, z. B. Säure, unter Kohlendioxydentwicklung
herausgelöst, indem man das Modellstück mit dem Überzug beispielsweise in verdünnte
Säure taucht. Die Lösungsgeschwindigkeit beträgt für eine Natriumacetat-Natriumcarbonat-Mischung
bei Anwendung 10%iger Salzsäure etwa 6,0 mm/min. Die auf diesem Wege erhaltene Gießform
weist eine sehr genaue Hohlform auf.
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Nachfolgend soll an Hand eines Beispiels die Herstellung einer hohlen
Gießform für eine Turbinenschaufel beschrieben werden.
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Beispiel Kristallwasserhaltiges Natriumacetat wird in einem Gefäß
mittels eines Heizbades vollständig geschmolzen, sodann mit so viel pulverförmigem,
wasserfreiem Natriumcarbonat versetzt, bis in dem Gefäß ein Mischungsverhältnis
von 70 % Natriumacetat zu 30% Natriumcarbonat erreicht ist, und gerührt. Die Salzmischung
wird bei einer Temperatur von etwa 90 bis 95°C in eine mehrteilige Metallform für
Modelle vom Schaufeltyp, die neben einer Gießkammer Kühlkammern enthält, gegossen
und erstarren gelassen. Nach etwa 1 bis 2 Minuten kann das Modellstück vom Schaufeltyp
aus der Form herausgenommen werden.
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Die Verwendung der Salzmischung gemäß Erfindung zur Herstellung von
Modellstücken weist den üblichen Wachsen gegenüber den Vorteil auf, daß sowohl in
der Gieß- als auch in der Erstarrungsstufe kein Druck erforderlich ist und außerdem
bei der metallischen Form keine Korrekturwerte berücksichtigt zu werden brauchen,
da die Kontraktion der Salzmischung beim Erstarren praktisch gleich Null ist. Die
auf diese Weise erhaltenen Modellstücke sind vollständig formgetreu.
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In der gleichen Weise wird aus der Salzmischung gleicher Zusammensetzung
das Modellstück eines Gießkopfes hergestellt und beide Modellstücke miteinander
unter Verwendung der gleichen Salzmischung als Binder verbunden.
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Sodann wird an das Modellstück des Gießkopfes, ebenfalls mittels der
für die Modellherstellung verwendeten Salzmischung, eine Abdeckung, beispielsweise
aus Schamotte, angefügt, um das Modellstück aus der Salzmischung während der weiteren
Arbeitsvorgänge zur Herstellung der hohlen Gießform vor der unmittelbaren Berührung
mit heißen Flächen zu schützen.
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Danach wird das erhaltene Modellstück mit einem schnell erstarrenden
Überzugsmaterial überzogen, z. B. einem Siliciumdioxysol, aus 50 ccm Äthylsilikat
und 10 ccm verdünnter 0,5%iger Salzsäure, die miteinander vermischt werden, dann
mit etwa 100 ccm Wasser verdünnt und schließlich mit etwa 600 g pulverförmigem Aluminiumoxyd
versetzt werden, um die Widerstandsfähigkeit des fertigen Überzuges zu erhöhen.
Das Modellstück wird entweder mit der
Mischung überzogen oder in
sie eingetaucht und mit gasförmigem Ammoniak behandelt. Der Überzug erstarrt innerhalb
von 10 Sekunden. Diese Operation wird so oft wiederholt, bis der Überzug auf dem
Modellstück die gewünschte Dicke hat.
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Die Widerstandsfähigkeit der Überzuges kann noch weiter durch eine
Hinterfüllung erhöht werden. Hierzu wird das Modellstück mit dem Schamottedeckel
auf eine Vibrationsgrundplatte aufgesetzt, mit einem Formkasten umgeben, der mit
einer Mischung von Sand und organischem, synthetischem Harz gefüllt wird, und die
Platte in Vibration versetzt. Sodann werden Platte und Formkasten auf 230 bis 280°C
erhitzt, so daß der Sand mit dem synthetischen Harz erhärtet. Gleichzeitig wird
mit einer erhitzten Preßplatte von oben auf die Sandschicht ein Druck ausgeübt,
um die Sandschicht rund um die widerstandsfähige Überzugsschicht zu verdichten.
Danach wird das fertige Modell von Grund- und Preßplatte sowie vom Formkasten befreit.
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Anschließend wird die mit der Sandmischung verstärkte Form mit der
Öffnung nach oben in einem Behälter mit 10 o/oiger Salzsäure bei Raumtemperatur
eingebracht. Dabei löst sich das in der Salzmischung enthaltene Carbonat durch Neutralisation
unter CO2-Entwicklung und läßt eine Hohlform in der Schale zurück. Die für das Herauslösen
eines Modellstückes vom Schaufeltyp, das etwa 180 mm lang ist, benötigte Zeit beträgt
etwa 30 Minuten.
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Zur Entfernung des Natriumchlorids und der bei der Neutralisation
von Natriumcarbonat gebildeten Rückstände wird die Form mit Wasser gewaschen, was
etwa eine doppelt so lange Zeit in Anspruch nimmt wie das saure Herauslösen des
Modellstückes aus der Formschale.
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Danach wird die Form bei 200 bis 250°C getrocknet, was für eine Form
dieses Typs etwa 2 Stunden in Anspruch nimmt. Diese Zeit hängt jedoch von der Größe
der Form ab. Während des Trockenvorgangs werden gegebenenfalls noch nicht erhärtete
Teile der Sandschicht endgültig fest. Das Modellmaterial gemäß Erfindung ermöglicht
es, in sehr einfacher Weise ein vollständiges, formgetreues Modellstück innerhalb
von 1 bis 2 Minuten ohne Anwendung von Druck herzustellen, es sofort innerhalb ganz
kurzer Zeit mit einem widerstandsfähigen Überzug zu verkleiden und aus der gebildeten
Überzugsschale - gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung mit einem Sand-Kunstharz-Gemisch
- in einfacher und sehr schneller Weise herauszulösen. Diese Vorgänge sowie das
nachfolgende Waschen und Trocknen der gebildeten hohlen Gießform können innerhalb
so kurzer Zeit und auf so einfache Weise durchgeführt werden, daß sie sich für die
Serienherstellung eignen.