DE2311795A1 - Verfahren zur herstellung von gussformen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von gussformenInfo
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Description
"Verfahren zur Herstellung von Gußformen"
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gußformen
und insbesondere von Formen, die zum Gießen von hochreaktiven Metallen, wie Titan, Zirkon, Hafnium, Niob und Legierungen,
die diese Metalle enthalten, geeignet sind.
Bisher "wurden zum Gießen von derartigen reaktiven Metallen,
wie Titan und Titanlegierungen, Graphitformen verwendet, die
jedoch vieles zu wünschen übrig lassen. Aus Graphit gearbeitete Formen sind selbst zum Gießen von relativ einfachen Formstücken
zu teuer und nicht zum Gießen von komplizierteren Formstücken, wie sie heutzutage benötigt werden, geeignet.
Zur Behebung dieser Nachteile wurde Graphit in körniger Form vermischt mit einem geeigneten Bindemittel,durch Stampfen mit
einem geeigneten Formstück in innigen Kontakt gebracht und bei erhöhten Temperaturen von oberhalb etwa 538° C (1QOO0F)
gebrannt. Dieses Brennen steigert nicht nur die Herstellungskosten der Formen, sondern führt auch zu einem Schrumpfen und
Sichverziehen der Form, was der normalerweise angestrebten Präzision der Foremen abträglich ist.
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Die Verwendung von Formen, wie sie "bislang hergestellt wurden,
gleichgültig ob sie aus Graphitblöcken herausgearbeitet wurden
oder aus körnigem, granulärem Graphit unter Verwendung eines Bindemittels hergestellt wurden, führten zu Oberflächenfehlern
bei den gegossenen Gegenständen, wie Fließfiguren und, negativen Schäden, die sich ebenfalls auf die Kosten der Gußstücke
addieren·
Ziel der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Gußformen bereitzustellen, die besonders für
den Guß von reaktiven Metallen, wie Titan, Zirkon, Hafnium, Niob und Legierungen davon, geeignet sind und die eine mehr
oder weniger komplizierte Formung aufweisen, die bei üblichen Gußverfahren unter der Anwendung üblicher Gußvorrichtungen eingesetzt
werden können und das zu Formen führt, die eine größere Präzision aufweisen und Gußstücke ergeben, die frei von
Fehlern sind und die von den Musterformstücken, um die herum sie geformt werden, leicht abgetrennt werden können, und wobei
das erfindungsgemäße Verfahren relativ einfach und in kurzer
Zeit durchgeführt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Gußformen
besteht nun darin, daß man eine Mischung aus
a) - einem hitzebeständigen oder feuerfesten Material, wie körnigem
(granulärem) Graphit und/oder Olivinsand,
b) einem wasserlöslichen Bindemittel und
c) Wasser
herstellt, aus dieser Mischung die Gußform formt, die Form bei
einer Temperatur, die höher liegt als der Siedepunkt von Wasser, jedoch nicht so hoch liegt, um zu einer zerstörenden Dampfentwicklung
zu führen, brennt und die gesamte Arbeitsoberfläche der Form mit einem thermisch isolierenden Überzug aus"'einem
feinen, hitzebeständigen Pulver und einem Bindemittel überzieht.
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Die Mischung wird vorzugsweise um ein Formstück herumgeformt,
das in einen Formkasten eingebracht wird, indem man die Mischung
um das Formstück in den Formkasten stampft., wobei sich die angestrebte Form ausbildet. Die grüne oder ungebrannte
Form kann dann von dem Formstück abgehoben werden oder kann, wenn die Kompliziertheit des Formstücks es erfordert, gehärtet
werden, indem man sie mit Kohlendioxidgas behandelt, worauf man die abgetrennte Form brennt und mit dem thermisch isolierenden
Überzug, der vorzugsweise aus einem Material besteht, der mit dem geschmolzenen Metall nicht reagiert, überzieht. Die Form
kann, wenn sie nicht direkt eingesetzt wird, unter Bedingungen gelagert werden, die verhindern, daß die Form bis zur Verwendung
Feuchtigkeit aufnimmt.
Das Gießverfahren unter Anwendung der erfindungsgemäß -hergestellten Formen kann unter Anwendung üblicher Gußtechniken
durchgeführt werden. Beim Vergießen von Titan und Titanlegierungen wird vorzugsweise ein Schleudergußverfahren angewandt.
Wie bereits erwähnt, kann das bei der Herstellung der Stampfmasse verwendete hitze- oder feuerbeständige Material a) körniger
Graphit, b) eine Mischung von Graphit und Olivinsand sein, wobei der Graphit in der Mischung gewichtsmässig den
kleineren Anteil von bis hinab zu 25 % oder weniger ausmacht j oder c) wenn in der Mischung kein Graphit vorhanden ist, Olivinsand
sein, den man mit dem Bindemittel zusammen verwendet. Der thermisch isolierende Überzug, der auf die gebrannten Formen
aufgebracht wird, verbessert nicht nur die Qualität der mit Hilfe der aus Graphit gebildeten Formen erhaltenen Gußstücke
in beträchtlicher Weise, sondern führt auch zu einer größeren Freiheit hinsichtlich der Auswahl und des mengenmässigen
Einsatzes des hitzebeständigen Materials, das in der Mischung verwendet wird. Hierdurch ist die Verwendung großer Anteile
von Sand oder sogar eine vollständige Ausbildung der Form aus Sand und Bindemittel ohne Anwendung von Graphit möglich.
Obwohl ein volles Verständnis dieses Effekts nicht vorliegt, wird angenommen, daß die günstige Wirkung des Überzugs
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hinsichtlich der Verminderung der Oberflächenschaden der Gußstücke
und der Herbeiführung der Möglichkeit, höchst erfolgreich Formen zu verwenden, die nur geringe Graphitmengen enthalten,
darauf beruht, daß der Überzug die Wärmeübertragung über die Form/Metall-Grenzschicht verhindert oder verzögert,
wodurch eine Abschreckung verzögert wird. Bislang führen die
aus Graphit hergestellten Formen dazu, Metalle, wie Titan und Titanlegierungen (die relativ enge Liquidus/Solidus-Bereiche
aufweisen), abzuschrecken.
Die Teilchengröße des hitzebeständigen Materials ist nicht
kritisch, so daß sich geeignete Teilchengrößenverteilungen von etwa 50 bis 150, ausgedrückt in Feinheitsgraden der American
Foundrymans Society (AFS), erstrecken können. IDa Fall von
Graphit ist eine AFS-Feinheitszahl von etwa 70 ebenfalls ge-'
eignet.
Bei der Herstellung der Stampfmasse wird das hitzebeständige Material mit einem geeigneten wasserlöslichen Bindemittel, vorzugsweise Natriumsilikat, vermischt, das in flüssiger oder in
Pulverform verwendet werden kann. Gute Ergebnisse wurden mit
Hatriumsilikatpulver (Philadelphia Quartz GjD) erzielt. Fach dem Vermählen des Graphits mit dem Silikatpulver wird Wasser
zugesetzt, worauf das Ganze unter Ausbildung der Stampfmischung gemahlen wird, die eine Gebrauchsdauer von etwa 12 bis 24- Stunden
besitzt und vorzugsweise in frischem Zustand eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß ist Graphitpulver der gewünschten Feinheit,
das im Elektroofen hergestellt wurde und einen minimalen Aschegehalt
aufweist, geeignet. Z.B. kann Graphit mit einem Aschegehalt von·2 % oder weniger (Superior Graphite Co. grade 5018)
oder Union Carbide BB5 eingesetzt werden. o.
Nach dem Vermählen wird die Mischung aus dem hitzebeständigen
Material und dem Bindemittel geformt, indem man die Mischung
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auf das Formstück in den Formkasten einstampft. Nachdem man
das Formmaterial auf die Oberfläche des Formstücks aufgestampft hat* kann man, wie zuvor bereits beschrieben, die Form vorsichtig
in ungehärtetem Zustand (in grünem Zustand) abheben oder kann sie, wenn das Formstück zu kompliziert ist, zunächst härten,
indem man sie mit Kohlendioxidgas behandelt. Nachdem man die Form in ungehärtetem oder gehärtetem Zustand von dem Formstück
abgehoben hat, wird sie zur Entfernung des freien Wassers bei einer Temperatur gebrannt, die höher als der Siedepunkt
des Wassers, jedoch nicht so hoch liegt, daß eine übermässig heftige Dampfentwicklung eintritt, die eine Beschädigung der
Form zur Folge haben könnte. Torzugsweise wird die Form bei einer Temperatur oberhalb 1000C (212°F), jedoch bei einer Temperatur
von nicht mehr als etwa 14-3°C (2900F) erhitzt, um ein
vollständiges Aushärten der Form zu erreichen. Zur Erzielung der besten Ergebnisse erfolgt das Härten bei einer Temperatur
von etwa 121,10C (2500F) während einer Zeit von etwa einer
Stunde pro 2,54- cm (1 inch) Dicke des Formmaterials.
Nach dem Brennen oder Härten werden in üblicher Weise geeignete Einguß- und Steigöffnungen eingeschnitten, worauf die Form
im wesentlichen über die gesamte Arbeitsoberfläche mit einer Isolierschicht überzogen wird, die z.B. aus gebranntem Aluminiumoxid
(AIpO^) in einem Acrylbindemittel besteht. Obwohl
die Korngröße des Aluminiumoxids nicht kritisch ist, verwendet man vorzugsweise ein Material mit einer Korngröße von etwa
10 μ. Mit guten Ergebnissen wurde gebranntes Aluminiumoxid (Alpha-Phase) (Kaiser Chemicals, Baton Rouge, La., Typ KC8),
das zu einer Teilchengröße von weniger als 0,044 mm (-325 mesh) vermählen wurde, eingesetzt. Das Aluminiumoxidpulver
wird mit einem klaren Acrylbindemittel vermischt, so daß man eine Auf schlämmung mit einer zum Versprühen geeigneten Konsistenz
erhält. Hierfür zeigten sich Verhältnisse von etwa 1 kg Aluminiumoxid zu 1,211 Bindemittel als geeignet. Der Überzug
kann auch durch Auf mahlen oder durch Tauchen aufgebracht
werden. Üblicherweise wird der Überzug mit einer Dicke von etwa
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0,0025 "bis 0,0127 cm (0,001 Ms 0,005 inch) aufgetragen. Als
Acrylbindemittel kann man Polyäthyl- oder Polymethyl-methacry-«
lat in einem schnell verdampfenden Lösungsmittel, wie Äthylen-
dichlorid, einsetzen. Zu diesen Zwecken wurden die von der Firma Böhm & Haas Co., Philadelphia, Pa., erhältlichen Harze
Acryloid Hr. B82 und Nr. B72 mit gutem Erfolg verwendet.
Nach dem Auftragen des Überzugs kann die Form ihrem Verwen
dungszweck zugeführt werden. Wenn sie nicht direkt verwendet wird, kann sie unter Bedingungen, die eine Feuchtigkeitsauf-
nahme verhindern, gelagert werden. Vorzugsweise wird die Form bei einer Temperatur gelagert, die etwas oberhalb des Siede
punktes von Wasser liegt, wobei sich eine Temperatur von etwa 121,1°C (2500F) als geeignet erwiesen hat.
Mit den erfindungsgemäß hergestellten Formen erhält man Guß
stücke, die sich dadurch auszeichnen, daß sie weitgehend von Fließfiguren und anderen Oberflächenschäden frei sind. Diese
Verbesserungen zeigen sich besonders, wenn man hochreaktive Metalle, wie Titan und Titanlegierungen, unter Anwendung von
Formen, die im wesentlichen vollständig aus Graphit als hitze beständiges Material bestehen, zu Formstücken vergießt. Bessere
Gesamtergebnisse sind jedoch erzielbar, wenn der Graphit 50 % oder weniger des hitzebeständigen Materials ausmacht.
Die Verminderung des Graphit gehalt es scheint die Verwendung erheblich geringerer Bindemittelmengen möglich zu machen, so
daß es möglich wird, die Menge des flüchtigen Materials zu reduzieren, das anschließend entfernt werden muß, bevor die
Form überzogen und für den Verwendungszweck fertiggestellt werden kann.
Beim Gießen unter Anwendung der erfindungsgemäß hergestellten
Formen können übliche Gießverfahren verwendet werden, wobei das geschmolzene Metall mit einer Kraft in die Form einge
bracht wird, die ausreicht, um Gase aus dem Metall durch die Metall/Form-Grenzschicht und durch die Formwandung in die
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Formaussenseite zu drücken, die unter Vakuum gehalten wird. Bei
Anwendung des Schi eudergußve rf ahrens ergaben sich ausgezeichne
te Ergebnisse, wobei jedoch aufgrund der niedrig liegenden Formbrenntemperatur, die zu einer unvollständigen Abtrennung
der flüchtigen Materialien aus der Form führt, die etwa zwei fache Zentrifugalkraft angewandt werden sollte, die normaler
weise verwendet wird, wenn man Formen einsetzt, die aus Gra phit herausgearbeitet wurden. Die für die besten Ergebnisse
verwendete Drehzahl hängt von der Durchlässigkeit der Form, der Größe der Form und der Dicke des Gußstücks ab und kann vom
Fachmann leicht ermittelt werden.
Wegen der Reaktivität des geschmolzenen Metalls, z.B. des Ti
tans, nimmt eine sehr dünne Oberflächenschicht,des Gußstücks eine gewisse Menge Sauerstoff und Kohlenstoff auf, die jedoch
erwünschtenfalls leicht durch Sandstrahlen oder chemisches
Ätzen entfernt werden können. Die Dicke der verunreinigten Schicht kann in Abhängigkeit von der Dicke des Gußstückes etwa
0,0076 bis 0,0254 cm (0,003 bis 0,010 inch) betragen.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern,
ohne sie jedoch zu beschränken.
Graphit mit einer AFS-Feinheitszahl Nr. 60 und pulverförmiges
Natriumsilikat in einem Verhältnis von 100 Gewichtsteilen Graphit
und 18 Gewicht stellen Natriumsilikat wurden 5 Minuten in
einem Mischer (muller) vermischt. Dann wurden 12 Gewichtsteile Wasser zugesetzt und die Mischung weitere 3 Minuten unter
Ausbildung der Stampfmasse vermählen. Nach dem Einstampfen dieser Masse auf das Formmuster wurde die ungehärtete Form vorsichtig
abgehoben und während etwa 12 Stunden bei einer Temperatur von etwa 121,1°C (25O°F) gebrannt, bis im wesentlichen
das gesamte freie Wasser entfernt war. Dann wurden die erforderlichen Einguß- und Steig-Öffnungen in die Form eingearbeitet,
worauf diese mit einer Aufschlämmung, die aus einem Bin-
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demittel (Acryloid Nr. B 82 Röhm & Haas) in Äthylendichlorid
als Lösungsmittel und gebranntem Aluminiumoxid (Kaiser Chemicals KC 8) mit einer Korngröße von
<0,044- mm (325 mesh), die in einem Gewichtsverhältnis von 1 kg Aluminiumoxid zu 1 ,21 1
Bindemittel verwendet wurden, bis· zu einer Dicke von etwa 0,005 cm (0,002 inches) besprüht.
Die in dieser Weise hergestellten Formen wurden auf einem
Schleudergußtisch montiert und an die Aussenseiten der Formen wurde ein Vakuum von etwa 100 μ angelegt. Dann wurde geschmolzenes
Titan in üblicher Weise in die Formen gegossen, wobei jedoch der Schieudergußdrehtisch mit einem Durchmesser von 1,52A- m
(5 foot) mit einer Drehzahl von etwa 300 rpm in Rotation versetzt
wurde, um auf das fließende Metall eine Kraft von etwa 60g auszuüben. Die in dieser Weise erhaltenen Gußstücke waren
im wesentlichen frei von Fließfiguren und Oberflächenschäden. Aufgrund der Reaktivität des Titans nahm eine Oberflächenschicht
des Gußstücks mit einer Dicke von etwa 0,00?6 bis 0,0254- mm (0,003 bis 0,010 inch) Sauerstoff und Kohlenstoff
auf, die jedoch leicht durch Sandstrahlen (heavy grit blast) und Ätzen in einer 3 bis 5 %-igen Fluorwasserstoffsäurelösung
entfernt werden konnten.
In gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Formen hergestellt, mit dem Unterschied, daß die Stampfmasse aus den
im folgenden angegebenen Bestandteilen in den angegebenen Mengenverhältnissen
hergestellt wurde:
Gewichtsteile
| Graphit (AFS Nr. | 60) | 50 |
| Olivin (AFS Nr. | 120) | 50 |
| Natriumsilikat | 10 | |
| Wasser | 10 |
Die Form wurde gebrannt und mit einem Überzug versehen, worauf in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, Titangußstücke
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hergestellt wurden. Die erhaltenen Gußstücke waren ebenfalls
dicht und besaßen eine Oberflächenstruktur, die ebenso gut war wie die beim Vergießen von Eisen oder Aluminium unter Verwendung
von FormSandformen erhaltenen, die jedoch Netalle
darstellen, die viel einfacher vergossen werden können als Titan.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Natriumsilikat
als wasserlösliches Bindemittel bei der Herstellung der Stampfmasse beschrieben wurde, können andere wasserlösliche
Bindemittel ebenfalls eingesetzt werden. Z.B. kann Kaliumsilikat mit zufriedenstellenden Ergebnissen bei der Herstellung
von Formen verwendet werden, die zum Gießen von Gußstücken mit relativ dünnen Wandstärken geeignet sind.
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Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von Gußformen durch Vermischen eines körnigen, hitzeheständigen Materials mit einem
Bindemittel, Aufstampfen der Mischung auf ein Formstück und
Erhitzen der Mischung, währenddem sie sich mit dem Formstück in Berührung befindet, dadurch gekennzeichnet ,
daß man eine Mischung aus Graphit und/oder Olivinsand, einem wasserlöslichen Bindemittel und Wasser herstellt, eine Form
aus der Mischung formt, die Form bei einer Temperatur brennt, die höher als der Siedepunkt von Wasser, jedoch nicht so hoch
liegt, daß eine zerstörende Dampfentwicklung eintritt, und im wesentlichen die gesamte Arbeitsoberfläche der Form mit einem
thermisch isolierenden Überzug überzieht, der aus einem feinen hitzebeständigen Pulver und einem Bindemittel besteht.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das wasserlösliche Bindemittel Natriumsilikat oder Kaliumsilikat ist.
3· Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung um ein Formstück herum zu einer Form geformt wird, worauf man die Form vor dem Brennen von dem Formstück
abhebt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Form gehärtet wird, bevor sie von dem Formstück abgehoben wird.
5· Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Überzug enthaltene
hitzebeständige Pulver gebranntes Aluminiumoxid ist.
6· Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel des Überzugs ein
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Acrylbindeaittel ist.
7· Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße des hitzebeständigen
Materials sich von etwa 50 bis etwa 150 AFS-Einheiten
(American Foundrymans Society) erstreckt,
8· Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung im wesentlichen gleiche Gewichtsteile Graphitpulver und Olivinsand enthält.
9· Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch
gekennzeichnet, daß pro Gewichtsteil Graphitpulver 3 Gewichtsteile Olivinsand in der Mischung enthalten sind.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung vor dem Ausbilden der
Form vermählen wird und die Form bei einer Temperatur von bis zu etwa 14-30C (2900F) gebrannt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmischung zur Ausbildung der Form auf das Formstück
aufstampft, worauf man die Form vor dem Brennen von des Formstück abhebt.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Überzug eine Dicke von etwa 0,0025 bis etwa 0,0127 cm (0,001 bis 0,005 inch) aufweist.
13· Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße des pulverförmigen Graphits etwa 50 bis etwa 75 AFS-Einheiten und die Teilchengröße
des Olivinsandes etwa 70 bis etwa 150 AFS-Einheiten beträgt.
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