DE3120582C2

DE3120582C2 - Kokille mit wärmeisolierender Schutzschicht

Info

Publication number: DE3120582C2
Application number: DE3120582A
Authority: DE
Inventors: Jeanpierre Schleitheim Gabathuler; Tibor Thayngen Kugler; Marcus Dr. Siblingen Textor
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: LAUENER ENGINEERING AG THUN CH
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1981-05-23
Publication date: 1987-04-16
Also published as: GB2100636B; DE3120582A1; US4425411A; CH650425A5; AU8350182A; AU554483B2; CA1189283A; JPS57202940A; FR2506189A1; GB2100636A; JPH0420686B2

Abstract

Die Kokille weist auf ihrer Arbeitsfläche eine wärmeisolierende Schutzschicht aus submikronen Metalloxid-Partikeln auf. Das Beschichten kann durch Besprühen der auf mindestens auf 60 ° erwärmten Kokillenarbeitsfläche mit einem wäßrigen Sol eines Metalloxids erfolgen. Die Verwendung submikroner Metalloxid-Partikel ermöglicht den Aufbau von Schutzschichten mit sehr kleiner Dichte und demzufolge sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. Die Beschichtung kann überdies auf kostengünstige Weise aufgebracht und auch wieder entfernt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kokille zum Gießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, mit deren Kokillenarbeitsfläche bedeckender wärmeisolierender Schutzschicht, sowie auf ein Verfahren zum Beschichten der Arbeitsfläche einer Kokille.
Beim Gießen von Metallen in Kokillen wird die Schmelze zur Erstarrung in unmittelbaren Kontakt mit der Kokille gebracht, Aus Qualitätsgründen ist es dabei erforderlich, den Wärmeübergang beim ersten Kontakt zwischen Schmelze und Kokillenarbeitsfläche genau zu kontrollieren. Bei zu starkem Wärmeentzug wird häufig am Gußprodukt unerwünschte Kaltlaufbildung beobachtet. Ein starker anfänglicher Wärmedurchgang durch die Kokille bedeutet außerdem eine erhebliche thermische Wechselbeanspruchung, die zur Bildung von Brandrissen auf der Kokillenarbeitsfläche führen kann.
Es ist bekannt, zur Kontrolle des Wärmeüberganges zwischen Schmelze und Kokille die Kokillenarbeitsfläche mit einer wärmeisolierenden Schutzschicht zu überziehen.
Derartige Schutzschichten bestehen beispielsweise aus keramischen Werkstoffen, welche mittels Hochtemperaturspritzverfahren auf die Kokillenarbeitsfläche aufgetragen werden. Permanente keramische Schutzschichten weisen aber eine im Verhältnis zu ihren hohen Herstellungskosten geringe Lebensdauer auf.
Es sind auch wärmeisolierende Schutzschichten bekannt, die als Schlichten in Form einer wäßrigen Aufschlämmung von feingemahlenem Feuerfestmaterial auf die Kokillenarbeitsfläche aufgetragen werden. In der Praxis hat sich dabei als nachteilig erwiesen, daß eine nicht vollkommen gleichmäßige Belegung der Kokillenarbeitsfläche mit Schlichte eine unterschiedlich schroffe Anfangserstarrung im Gußprodukt bewirkt und damit zu Gußfehlern wie Oberflächenporosität und Oberflächenrissen führen kann. Zudem bilden handelsübliche Schlichten auf der Kokillenarbeitsfläche fest haftende Schutzschichten, die vor dem Auftragen einer neuen Schicht in einem aufwendigen Arbeitsgang vollständig entfernt werden müssen.
Außerdem ist aus der US-PS 33 57 481 ein "Verfahren zum Vermeiden von Erosionen aus Gußkokillenoberflächen" bekannt geworden, dem die Aufgabe zugrunde liegt eine Kokillenbeschichtung zu finden, welche eine Beschädigung von Kokille und Gußoberfläche verhindert. Die Lösung wurde darin gesehen, feuerfeste Teilchen von etwa µm-Größe in ein Bindemittel aus einem SiO₂-Sol und einem Kieselsäure-Sol einzulagern und dieses Gemenge in einer Dicke von einigen Hundert µm auf die Kokille aufzutragen. Die Hauptanforderungen an diese Schicht bestehen in guter Haftfähigkeit und hoher Härte.
Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe zu lösen, die Kokillenbeschichtung zu finden, die den Wärmeübergang vom erstarrenden Metall zur Kokille gezielt dämpft und verhältnismäßig einfach von der Kokille wieder zu entfernen ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schutzschicht im wesentlichen aus submikronen Oxidpartikeln einer Größe von 5 bis 50 nm des Aluminiums, Magnesiums, Titans, Zirkons oder aus submikronen SiO₂-Partikeln besteht, die jeweils einzeln oder in Mischung eingesetzt sind. Ein wesentlicher Unterschied der Schutzschicht gemäß der Erfindung gegenüber derjenigen nach der US-PS 33 57 481 ergibt sich bei der Partikelgröße. Die Schutzschicht gemäß der US-PS besteht, was die Partikelgröße anlangt, im wesentlichen aus drei Komponenten:

- Die eigentlichen Feuerfestteilchen, beispielsweise aus SiO₂ oder Al₂O₃ in einer Größe von einem "Bruchteil" eines µm bis zu 150 µm (100 mesh) oder gar 500 µm,
- eine erste Bindemittelkomponente aus SiO₂ mit einer Partikelgröße von 5 bis 150 µm, vorzugsweise 10 bis 50 µm,
- eine zweite Bindemittelkomponente aus Kieselsäure, mit einer Partikelgröße von unter 5 µm.

Es trifft zu, daß Schichten dieser Zusammensetzung - unabhängig von der Partikelgröße bei einer Dicke von mehreren 100 µm oder gar wenigen mm - wärmedämmend wirken.
Vorliegender Erfindung kommt der Verdienst zu, aufzuzeigen, daß auch Schichtdicken von wenigen µm - je nach Anforderung sogar ab 0,1 µm - bei erfindungsgemäßer Zusammensetzung zum Ziel führen und überdies mancherlei Vorzüge gegenüber dickeren Schichten aufweisen. Dank der geringen Dichte der erfindungsgemäßen Schutzschicht konnte bei derart dünnen Filmen bereits eine, insbesondere in der ersten Phase der Erstarrung, - einige msec -, erfolgende Luftpolsterwirkung festgestellt werden. Dies führte beim Gießen einer Aluminiumlegierung mit 2% Mg und 1% Mn auf mit 0,1 µm beschichtete Kupferkokillen an der Gußoberfläche zu einer Erhöhung der Dendritenarmabstände (DAS) von 3 µm zu 6 bis 7 µm; diese illustriert eine erhebliche Erstarrungsverzögerung. Bei vielen Anwendungen ist die Beschränkung einer derartigen milderen Erstarrung und des damit verbundenen Gußgefüges auf eine dünne Oberflächenzone sehr erwünscht.
Die Dichte der erfindungsgemäß verwendeten Schutzschicht, - sie beträgt bei Verwendung von SiO ₂ etwa 0,2 g/cm³ und bewegt sich bei den anderen genannten Metalloxiden in ähnlicher Größenordnung, - wurde ermittelt, indem einerseits die Gewichtsdifferenz einer beschichteten Kupferfolie nach dem Trocknen der Schicht festgestellt und andererseits die Schichtdicke optisch - im Interferenzverfahren - ausgelotet wurde. Die geringe Dichte erklärt sich aus der sehr lockeren, einen geringen Vernetzungsgrad aufweisenden Schichtstruktur; etwa 90% der Schicht besteht aus Luft. Die erfindungsgemäße Verwendung der submikronen Metalloxid-Partikel zur Beschichtung der Kokillenarbeitsfläche ermöglicht den Aufbau dünner Schutzschichten mit sehr kleiner Dichte und demzufolge sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit. Zur Erzielung einer gewünschten Wärmedämmung genügen daher schon kleine Mengen an Metalloxid- Partikeln pro Einheit der Kokillenarbeitsfläche.
Besondere Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Schutzschicht aus Oxid-Partikeln weist vorzugsweise eine Masse von 0,002 bis 2 mg/cm² Kokillenarbeitsfläche auf. Nach einem Verfahren zum Beschichten der Arbeitsfläche einer Kokille wird die Kokillenarbeitsfläche mit einem wäßrigen Sol des Oxides benetzt und die Wasserphase anschließend abgedampft. Bei einer besonders vorteilhaften Durchführung des Verfahrens wird die Kokillenarbeitsfläche auf eine Temperatur von mindestens 60°C erwärmt und anschließend mit dem wäßrigen Sol besprüht bzw. in dieses eingetaucht, wobei diese Vorgänge mehrmals wiederholt werden können. Die Dicke der Beschichtung kann hierbei über die Konzentration des wäßrigen Sols und die Sprühzeit bzw. die Anzahl Eintauch- und Trockenzyklen in weiten Grenzen variiert werden.
Als wäßriges Sol kann dabei ein Kieselsäuresol eingesetzt werden. Handelsübliche Kieselsäuresole, die im allgemeinen eine Konzentration von etwa 10 bis 30 Gew.-% SiO₂ und gegebenenfalls bis zu etwa 1,5 Gew.-% Al₂O₃ aufweisen, können je nach gewünschter Dicke der Beschichtung beliebig mit Wasser verdünnt werden. Die mit diesem Verfahren auf die Kokillenarbeitsfläche aufgebrachten Schutzschichten weisen eine Dichte von etwa 0,2 g/cm³ auf, was bei einer Masse von 0,002 bis 2 mg/cm²Kokillenarbeitsoberfläche eine entsprechende Schichtdicke von 0,1 bis 100 µm ergibt.
Die Schutzschicht aus den submikronen Metalloxid-Partikeln zeigt während des Gießbetriebes eine genügende Haftung auf der Kokillenarbeitsfläche. Auf der Oberfläche des Gußproduktes bzw. auf der Kokillenarbeitsfläche verbleibende Partikel lassen sich nach dem Gießvorgang mühelos mit Druckluft oder Druckwasser entfernen.
Die Beschichtung mit den submikronen Metalloxid-Partikeln ist für alle Arten von Kokillen geeignet, wobei die Kokillenarbeitsfläche glatt oder aufgerauht sein kann.
Bei feststehenden Gießformen wie Druckgieß- und Masselgießkokillen wird zweckmäßigerweise die nach jedem Abguß noch heiße Arbeitsfläche der Kokillen, gegebenenfalls nach vorgängigem Entfernen der verbrauchten Schutzschicht, durch Beaufschlagen mit Druckluft bzw. Druckwasser mit dem wäßrigen Sol besprüht. Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung von Versuchsergebnissen näher erläutert.
Sprühversuche auf eine auf etwa 100°C erwärmte Kupferplatte haben ergeben, daß eine Beschichtung von 0,005 mg SiO₂/cm² Oberfläche durch Besprühen mit einem 0,1%igen Kieselsäuresol bereits nach einer Sprühzeit von 3 s erreicht ist. Zur Erzielung einer Beschichtung von 0,2 mg SiO₂/cm² Oberfläche durch Besprühen mit einem 1%igen Kieselsäuresol war eine Sprühzeit von 15 s erforderlich.
Kupferplatten wurden nach Erwärmen auf etwa 100°C mit einem 1%igen Kieselsäuresol unterschiedlich lange besprüht, wobei Beschichtungen von 0,002 bis 2 mg SiO₂/cm² Oberfläche der Kupferplatten erzeugt wurden.
Auf die beschichteten Kupferplatten wurde Aluminiumschmelze einer Temperatur von 680°C aufgegossen. Nach dem Erkalten des erstarrten Metalls wurden die Dendritenarmabstände des Gußgefüges bestimmt. Hierbei stellt sich heraus, daß schon eine Beschichtung von 0,002 mg SiO₂/cm² Oberfläche der Kupferplatte im Vergleich zu einer unbeschichteten Platte zu einem erheblichen Anstieg der Dendritenarmabstände führt, was dem ausgezeichneten Wärmeisolationsvermögen der aus SiO₂-Partikeln aufgebauten Schutzschicht zuzuschreiben ist.
Bei mehrmaligem Aufgießen von Aluminium wurde eine langsame Abnahme der Beschichtung festgestellt, da bei jedem Abguß eine gewisse Menge an SiO₂-Partikeln am erstarrten Metall haften bleibt.

Claims

1. Kokille zum Gießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, mit deren Kokillenarbeitsfläche bedeckender wärmeisolierender Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht im wesentlichen aus submikronen Oxidpartikeln einer Größe von 5 bis 50 nm des Aluminiums, Magnesiums, Titans, Zirkons oder aus submikronen SiO₂-Partikeln besteht, die jeweils einzeln oder in Mischung eingesetzt sind.

2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Oxid-Partikeln eine Masse von 0,002 bis 2 mg je cm² Kokillenarbeitsfläche aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Kokille mit beschichteter Arbeitsfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokillenarbeitsfläche mit einem wäßrigen Sol eines Oxides benetzt und die Wasserphase anschließend abgedampft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokillenarbeitsfläche auf eine Temperatur von mindestens 60°C erwärmt und mit dem wäßrigen Sol besprüht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokillenarbeitsfläche auf eine Temperatur von mindestens 60°C erwärmt und in das wäßrige Sol eingetaucht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als wäßriges Sol ein Kieselsäuresol eingesetzt wird.