DE1204780B - Verfahren zur Herstellung von duennwandigen feuerfesten Giessformen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^TWS^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

B22d

Deutsche Kl.: 31c-5/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

M 41863 VT a/31 c

18.Juni 1959

11. November 1965

Dünnwandige Schalenformen aus feuerfesten Stoffen für den Präzisionsguß von Metallgegenständen werden hergestellt, indem man zerstörbare Modelle in eine Aufschlämmung von feuerfesten Stoffen taucht, die feuerfesten Stoffe auf den Modellen trocknet, den Vorgang bis zur Bildung einer genügenden Stärke der Form wiederholt und dann die Modeihnasse zerstört oder entfernt und die Form brennt.

Hinsichtlich der Trocknung der Schalenformen müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen angewendet werden. Insbesondere ist es bekannt, die Trocknung in einem Luftstrom bei relativ niedrigen Temperaturen durchzuführen, um Risse, Blasenbildungen und Abblätterungen der Formen zu vermeiden. Gewöhnlieh wurde hierbei bei Raumtemperatur gearbeitet, da sich bei höheren Temperaturen, bei denen die Trockengeschwindigkeit größer ist, auch die Gefahr der Rißbildung erhöht.

Man hat auch schon versucht, Modelle aus erstarrtem Quecksilber zu verwenden, was bedeutet, daß die Temperatur der Trockenluft nicht höher als der Schmelzpunkt des Quecksilbers liegen kann.

Bei Anwendung von niedrigen Trockentemperaturen erhöht sich natürlich die Trockenzeit beträchtlieh, so daß man bei bekannten Verfahren zum Aufbau von Schalenformen aus mehreren Schichten aus keramischem Material mindestens 15 Stunden benötigt.

Bei den bekannten Verfahren tritt weiterhin der Nachteil auf, daß beim Trocknen der ersten Überzugsschicht auf dem Modell infolge der Verdampfung des Wassers eine Temperaturerniedrigung auftritt, was zu einer Kontraktion des Modells führt. Ist die erste Überzugsschicht trocken, so nehmen die Schicht und das Modell wieder die Temperatur des Trockenluftstromes an, das Modell dehnt sich aus und der Überzug bekommt Risse. Dasselbe geschieht, wenn die nachfolgenden Überzugsschichten aufgebracht werden. Man hat bereits versucht, durch Trocknung mit einem Luftstrom mit relativ hoher Feuchtigkeit die durch die Verdampfung des Wassers hervorgerufenen Temperaturschwankungen zu vermindern, mußte jedoch dafür relativ hohe Trocknungszeiten in Kauf nehmen.

Es wurde nun gefunden, daß man erfindungsgemäß mehrschichtige dünnwandige, feuerfeste Gießformen auf einem zerstörbaren Modell in weniger als 3 Stunden aufbauen, trocknen, brennen und für den Guß herrichten und Gußstücke mit einer verbesserten Oberfläche und einer regelmäßigen Korngröße erhalten kann.

Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen
feuerfesten Gießformen

Anmelder:

Edward Joseph Meilen jun.,

Cleveland Heights, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Meissner

und Dipl.-Ing. H. Tischer, Patentanwälte,

München 2, Tal 71

Als Erfinder benannt:

Edward Joseph Meilen jun.,

Cleveland Heights, Ohio;

Robert J. de Fasselle, Willoughby, Ohio;

John M. Webb,

Lake Lucerne, Chagrin Falls, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. Juni 1958 (742 554)

Das Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem das Modell bis zur gewünschten Dicke mit Überzügen aus einer Aufschlämmung feuerfester Stoffe in einem flüssigen Medium versehen, gegebenenfalls jeder Überzug noch in feuchtem Zustand mit feuerfesten Stoffen bestäubt und dann jeder Überzug in einem Luftstrom getrocknet wird, worauf das Modell von der getrockneten feuerfesten Umhüllung getrennt und letztere als Form gebrannt wird, ist da-

4.5 durch gekennzeichnet, daß man die einzelnen Überzugsschichten mit einem von Schicht zu Schicht wärmeren Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von mehr als 5 m/sec und bei einer Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als 55% trocknet, wobei Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt und Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes so eingestellt werden, daß die Naßkugeltemperatur der Trocknungsluft konstant bleibt.

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Vorzugsweise wird bei der Trocknung die Temperatur des Luftstromes von etwa 24° C für die erste Schicht bis auf etwa 46,5° C für die letzte Schicht erhöht und die Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als etwa 55% für die erste Schicht bis auf nicht weniger als etwa 15°/» für die letzte Schicht erniedrigt.

Im allgemeinen geht man bei der Herstellung der Formen so vor, daß man das Modell bei einer Einstelltemperatur eine hinreichend lange Zeit lagert, bis es gleichmäßig diese Temperatur angenommen hat. Im allgemeinen wird als Einstelltemperatur die Raumtemperatur (etwa 21 bis 27° C) gewählt. Man kann jedoch je nach den Umständen auch höhere oder niedrigere Temperaturen als Einstelltemperaturen wählen. Dann taucht man das Modell in eine Aufschlämmung aus feuerfestem Material, die auf der Einstelltemperatur gehalten wird, ein und trocknet den feuerfesten Überzug auf dem Modell, indem man ihn mit einem Luftstrom behandelt, dessen Naßkugeltemperatur der Einstelltemperatur entspricht und dessen Trockenkugeltemperatur mindestens etwa 3° C oberhalb der Einstelltemperatur, d. h. bei etwa 24° C, liegt. Unter Naßkugeltemperatur versteht man die an einem mit einem feuchten Tuch umwickelten, im Luftstrom rotierenden Thermometer gemessene Temperatur, die niedriger ist als die an einem entsprechenden Thermometer ohne feuchtes Tuch gemessene Trockenkugeltemperatur. Sobald der erste Überzug trocken und bevor die Trockenkugeltemperatur der Luft erreicht ist, wird das Modell wieder in eine auf der Einstelltemperatur gehaltene Aufschlämmung aus feuerfesten Stoffen eingetaucht, und das Trocknen und Eintauchen wird wiederholt, bis genügend Überzüge auf dem Modell abgelagert und getrocknet sind. Die Trockenkugeltemperatur wird mit steigender Festigkeit der Form von Schicht zu Schicht erhöht, wobei die höchstzulässige verwendet wird, um die Trocknung zu beschleunigen. Zugleich wird der Wasserdampfdruck in der Luft erniedrigt und die Trocknungsgeschwindigkeit des Luftstromes erhöht. Dies ist wünschenswert, da jede nachfolgende Schicht eine Grünform mit höherem Flüssigkeitsgehalt ergibt. Somit gibt dieser Mechanismus gleiche Trocknungszeiten für jeden Überzug.

Zum Beispiel kann der erste Überzug bei einer Naßkugeltemperatur von 24° C rasch und doch sicher mit einer Luft getrocknet werden, die eine Trockenkugeltemperatur von etwa 32° C hat. Der zweite und der dritte Überzug können vorteilhafterweise bei einer Trockenkugeltemperatur von etwa 35° C getrocknet werden, der vierte und der fünfte Überzug bei einer Trockenkugeltemperatur von etwa 38° C und der sechste und der siebente Überzug bei einer Trockenkugeltemperatur von etwa 41° C. Gleichzeitig wird auf jeder Stufe die Luftfeuchtigkeit vermindert, d. h. von etwa 55% für die erste bis auf etwa 15 % für die letzte Stufe. Der Temperaturanstieg beträgt ungefähr 3° C für jede Stufe, kann jedoch in gewissen Fällen der jeweiligen keramischen Masse, der Modellmasse und der Gestalt der Form angeglichen werden.

Die Trockenkugeltemperatur liegt maximal 3 bis 19,5° C über der Naßkugeltemperatur, kann also bei einer Einstelltemperatur (= Naßkugeltemperatur) von 27 bis zu etwa 46,5° C betragen. Die Trockenkugeltemperaturen, die bei einer Naßkugeltemperatur von etwa 24° C verwendet werden können, betragen ungefähr 27 bis 43,5° C in Abhängigkeit von der Auftragsmenge der Schalenform. Im allgemeinen sind lediglich Temperaturen von 3 bis ungefähr 11° C über der Naßkugeltemperatur für das beschleunigte Trocknen der ersten feuerfesten Schicht zulässig, ohne daß die Schicht platzt, und Temperaturen bis zu 22 oder 28° C über der Naßkugeltemperatur sind nur nach der Aufbringung der letzten Schicht auf das Modell zulässig.

ίο Der erste und der zweite Überzug können rasch und doch sicher mit Luft getrocknet werden, die eine relative Feuchtigkeit von 45 bis 55% aufweist. Der dritte und der vierte Überzug können mit Vorteil mit einer relativen Feuchtigkeit von 35 bis 45%, der fünfte und der sechste Überzug mit einer relativen Feuchtigkeit von 25 bis 30% und der letzte Überzug mit einer relativen Feuchtigkeit von 15 bis 25% getrocknet werden.
Zur Aufschlämmung der feuerfesten Stoffe für die Überzüge auf dem Modell wird gewöhnlich Wasser verwendet. Man kann jedoch auch Alkohol oder Difluordichlormethan (Freon) oder andere halogenierte Kohlenwasserstoffe als Aufschlämmungsmedium verwenden.

Von großer Wichtigkeit ist natürlich auch, daß man bei einer fixierten oder veränderlichen Basis die Tunnelquerschnitte für den Lufttrocknungskanal so gestaltet, daß bei einer Mindestmenge strömender Luft immer eine minimale Fläche eingehalten und eine maximale Geschwindigkeit erreicht wird.

Die hier betrachteten besonderen Trockenvorrichtungen haben Kammern mit Querschnitten von etwa 0,28 bis 0,37 m², und die Luftmengen betrugen etwa 4,72 bis 7,1 m³ in der Sekunde je Kammer, obwohl auch niedrigere Luftvolumina von etwa 1,9 m³/sec angewendet werden können. Die Strömungsgeschwindigkeit, berechnet aus dem Kammerquerschnitt und der in der Sekunde durchströmenden Luftmenge, beträgt also im Normalfall etwa 17 bis 19 m/sec. In jedem Fall soll aus ökonomischen Gründen eine Mindestgeschwindigkeit von etwa 4 bis 5 m/sec verwendet werden.

Die erste Schicht der Schalenform hat eine Stärke von etwa 0,013 bis 0,05 cm und wird, wenn sie noch feucht ist, vorteilhafterweise mit feinen feuerfesten Teilchen bestäubt oder besandet. Die Teilchen treffen in einer dichten, gleichmäßigen Wolke mit großer Kraft auf den feuchten Überzug auf und werden darin gut eingebettet. Diese Kraft ist natürlich nicht so groß, daß die erste Schicht im feuchten Zustand vom Modell losgebrochen wird oder abbröckelt. Diese Arbeitsweise wird bei den nächsten Schichten wiederholt, wobei die Stärke der Schichten im allgemeinen etwa 0,013 bis 0,05 cm beträgt. Die Schichtstärke kann manchmal auch etwa 0,5 cm erreichen, besonders wenn nur zwei oder drei Schichten aufgebracht werden. Die letzte Schicht braucht nicht unbedingt mit feuerfesten Teilchen besandet zu werden. Das macht die nachfolgende Handhabung der Formen leichter und verhindert, daß kleine feuerfeste Teilchen etwa in den Formhohlraum fallen.

Solange der Überzug noch etwas Wasser enthält, hält man für den Überzug und die Modellmasse eine konstante Temperatur aufrecht, nämlich die Naßkugeltemperatur der Trockenluft. Selbst nachdem die äußere Oberfläche des keramischen Überzuges knochentrocken geworden ist und ihre Temperatur

sich der Trockenkugeltemperatur genähert hat, kann der keramische Überzug etwa 0,1 mm unter der Oberfläche für eine relativ kurze Zeit noch kühl sein. Somit werden nach der vorliegenden Erfindung die Wärmeübertragungseigenschaften des keramischen Materials selbst ausgenutzt.

Anstatt das Modell in eine Aufschlämmung einzutauchen, kann man die feuerfeste Aufschlämmung erfindungsgemäß auch auf das Modell aufspritzen. Hierbei müssen die Temperaturen der Aufschlämmung so eingestellt sein, daß die Temperatur des auf dem Modell abgeschiedenen nassen feuerfesten Überzuges gleich der Einstelltemperatur ist.

Nach dem Trocknen wird das Modell zerstört oder aus den feuerfesten Überzügen entfernt, und die grüne Form wird schließlich zur fertigen Schalenform gebrannt.

Das im allgemeinen angewendete Modellmaterial ist ein speziell für diesen Zweck entwickeltes, im Handel erhältliches Wachs; auch Kunststoffe, wie Polystyrol, Polyurethane oder Acrylatpolymere, können verwendet werden. Die Modellmasse wird entweder ausgeschmolzen oder, wenn es sich um einen nichtschmelzbaren Kunststoff handelt, ausgebrannt.

25 Beispiel

Ein zerstörbares Modell einer Turbinenschaufel für ein Düsentriebwerk mit einer Temperatur von 24° C wurde in eine wäßrige keramische Aufschlämmung von 24° C eingetaucht, wobei sich eine erste feuerfeste Schicht mit einer Stärke von etwa 0,013 cm bildete. Die Zusammensetzung der keramischen Aufschlämmung für die erste Schicht ist nachstehend angegeben:

Keramische Aufschlämmung Bestandteile

Hoch- und Tieftemperaturbindemittel

Kolloidales Siliciumdioxyd 15 1

Verdickungsmittel

Methylcellulose 20 g

Keramisches Material

Zirkondioxyd 45,36 kg

Erste Schicht

Zweite Schicht

Dritte Schicht

Vierte Schicht

Fünfte Schicht

Sechste Schicht

Siebente (letzte) Schicht..

Naßkugeltemperatur

(⁰C)

Luft

Trockenkugel temperatur (⁰C)

24 24 24 24 24 24 24

32 35 35 38 38 41 41

40

45

Die Aufschlämmung kann für die weiteren Schichten durch Zugabe von etwa 7 1 Wasser zum obigen Ansatz verdünnt werden. Die aus der obigen Aufschlämmung erzeugte erste nasse Schicht wurde schnell mit einer dichten, gleichmäßigen Wolke aus feingemahlenen Teilchen von hochwertiges SiO₂ enthaltendem Glas bestäubt, dessen Teilchengröße etwa 0,074 bis 0,42 mm betrug. Die bestäubte nasse feuerfeste Schicht auf dem zerstörbaren Modell wurde dann an einer Förderkette aufgehängt, die 46 cm in der Minute zurücklegte, und durch einen Trockenofen bewegt. An der Form vorbei wurde Luft mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 15,2 m/sec in den Trockentunnel geblasen, der einen Querschnitt von 0,23 m² hatte. Die Luft hatte eine Trockenkugeltemperatur von 32° C und eine Naßkugeltemperatur von 24° C.

Das Tauchen, Bestäuben und adiabatische Trocknen wurde unter Verwendung der im folgenden angegebenen Trockentemperaturen für jede nachfolgende Schicht wiederholt.

Danach wurden das Modell und die Form in einen Brennofen von 820 bis 1040° C eingebracht, in dem die Oberflächenschicht des Modells direkt an der Schalenform rasch schmolz und die Modellmasse leicht und schnell aus der ungebrannten Schalenform herausfloß. Ein Teil des geschmolzenen Modells floß durch die sehr porösen Wände der Form. Innerhalb von 5 Minuten wurde das Modell aus der Form entfernt und über einen falschen Boden auch aus dem Ofen entfernt. Die Form wurde dann weitere 15 Minuten bei 820 bis 1040° C gebrannt, wobei die Form zwischen dem Schmelzen des Modells und dem Brennen der Schalenform nicht aus dem Ofen genommen zu werden brauchte.

Danach wurde die glatte, permeable keramische Schalenform auf Zimmertemperatur abgekühlt und aufbewahrt und vor dem Gießen in vorgeheizten öfen mit einer vorherbestimmten Temperatur erhitzt.

Die Porosität oder Permeabilität, die durch Zersetzung und Ausbrennen der Bindemittel beim Brennen erzeugt wird, erleichtert sehr die Entfernung des zerstörbaren Modells, da die Modellmasse teilweise durch die Wände der Form hindurchdringt. Es können auch andere feuerfeste Überzugsmassen an Stelle der im Beispiel angegebenen Masse verwendet werden. Soll das zur Herstellung der Überzugsauf schlämmung verwendete Wasser durch ein anderes flüssiges Dispersionsmedium, z. B. Wasser-Alkohol-Mischungen oder Alkohol, ersetzt werden, müssen die für die Trocknungsatmosphäre nötigen Eigenschaften, die oben erwähnt wurden, geändert und auf die jeweilige Flüssigkeit eingestellt werden, um ein adiabatisches Trocknen zu erzielen.

Erfindungsgemäß sind Quarz, Aluminiumoxyd, Siliciumcarbid, Graphit, Aluminiumsilikat, Feuerstein, Zirkonsilikat und feingemahlenes Glas mit einem Gehalt an hochwertigem Siliciumdioxyd als feuerfeste Stoffe geeignet.

Vorzugsweise wird kolloidales Siliciumdioxyd als Bindemittel verwendet, doch kann man auch andere Bindemittel, wie Äthylsilikat, verwenden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen feuerfesten Gießformen auf einem zerstörbaren Modell, wobei das Modell bis zur gewünschten Dicke mit Überzügen aus einer Aufschlämmung feuerfester Stoffe in einem flüssigen Medium versehen, gegebenenfalls jeder Überzug noch in feuchtem Zustand mit feuerfesten Stoffen bestäubt und dann jeder Überzug in einem Luftstrom getrocknet wird, worauf das Modell von der getrockneten feuerfesten Umhüllung getrennt

und letztere als Form gebrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die einzelnen Überzugsschichten mit einem von Schicht zu Schicht wärmeren Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von mehr als 5 m/sec und bei einer Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als 55% trocknet, wobei Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt und Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes so eingestellt werden, daß die Naßkugeltemperatur der Trocknungsluft konstant bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur des Luft-

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stromes (Trockenkugeltemperatur) von etwa 24° C für die erste Schicht bis auf etwa 46,5° C für die letzte Schicht erhöht und die Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als etwa 55⁰Io für die erste Schicht bis auf nicht weniger als etwa 15% für die letzte Schicht erniedrigt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 923 933, 939 529;
»Gießereitechnik«, 1955, S. 187;
H. Allendorf, »Präzisionsgießverfahren mit
Ausschmelzmodellen«, 1956, S. 145 bis 147.

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