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EP1993755B1 - Formtrennschicht für das giessen von nichteisenmetallen - Google Patents

Formtrennschicht für das giessen von nichteisenmetallen Download PDF

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Publication number
EP1993755B1
EP1993755B1 EP07722819.5A EP07722819A EP1993755B1 EP 1993755 B1 EP1993755 B1 EP 1993755B1 EP 07722819 A EP07722819 A EP 07722819A EP 1993755 B1 EP1993755 B1 EP 1993755B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
release agent
mold release
mold
layer
permanent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP07722819.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1993755A1 (de
Inventor
Manfred Laudenklos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gelita AG
KS Huayu Alutech GmbH
Original Assignee
Gelita AG
KS Aluminium Technologie GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gelita AG, KS Aluminium Technologie GmbH filed Critical Gelita AG
Publication of EP1993755A1 publication Critical patent/EP1993755A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1993755B1 publication Critical patent/EP1993755B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/22—Dies; Die plates; Die supports; Cooling equipment for dies; Accessories for loosening and ejecting castings from dies
    • B22D17/2209—Selection of die materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/05—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
    • C23C22/06—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
    • C23C22/34—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6 containing fluorides or complex fluorides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/73—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/73—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process
    • C23C22/74—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process for obtaining burned-in conversion coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/73—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process
    • C23C22/77—Controlling or regulating of the coating process

Definitions

  • the invention relates to a metallic, iron-containing permanent mold with a coating which can be acted upon by a liquid or a flowable aluminum material. Moreover, the invention relates to a release agent for producing such a layer, and to a method for producing such a layer on a surface of a permanent mold.
  • release agents for trouble-free operation.
  • various requirements set forth below are imposed on the release agents used in the process.
  • the release agent must serve to assist the metal flow, resulting in a uniform filling of the permanent mold and at the same time the release agent is used to improve the final formability of the cast parts.
  • the release agent serves to avoid residues on the permanent mold, which can lead to inaccuracies in the form.
  • the release agent During the pouring of the material into the permanent mold, no excessive gas formation may occur during the decomposition of the release agent, which would lead to a porosity of the molded parts.
  • the release agent must ultimately contain no dangerous or toxic substances. Depending on the fulfillment of these requirements, the quality of the release agent is measured.
  • boron nitride A long known and used in release agents material is boron nitride (BN), which is similar in structure to its crystal structure as graphite. Like graphite, it has a low wettability compared to many substances, such as silicate melts or molten metals. Therefore, there are many studies on non-adherent layers based on boron nitride in order to use them for casting processes. The problem with this use, however, is that it is not possible to permanently apply boron nitride to forms, in particular of a complex nature.
  • a method for permanent application of a temperature-stable, corrosion-resistant mold release layer is in DE 198 42 660 A1 described. Here, a boron nitrite powder is applied by means of electrostatic coating on the surface of a permanent mold.
  • a wear protection layer is known, are integrated in the functional materials in a binder matrix.
  • This so-called functional coating consists of an inorganic matrix phase, which consists at least largely of a phosphate, and a functional material embedded therein, for example, a metal, graphite, a hard material, a dry lubricant, a Alumina, a silicon carbide, etc. may be.
  • a liquid component which may be, for example, water, a functional material in powder form and is added to produce a phosphate with phosphoric acid.
  • Such a composite matrix solution with the liquid component and the phosphate may also be referred to as gel due to their consistency.
  • the material After coating a material with this matrix solution, the material undergoes a heat treatment, so that a firmly adhering functional coating is formed on the base material.
  • the object of the present invention is to develop a long-term stable layer on a metallic, iron-containing permanent form, which enters into a chemical bond with the base material of Treasureform and thus meets the requirements for a release agent or even goes beyond these requirements, by casting errors by the Formation of oxide skins during the casting process can be avoided. Moreover, it is an object of the invention to provide a release agent for producing such a layer, which is inexpensive to produce and easy to apply without the expense of equipment. Another object of the invention is to provide a method capable of producing such a layer and by means of Damage to the layer are easily healed.
  • the requirements for a release agent in the form of a long-term stable layer are particularly well met.
  • the metal flow is supported to the effect that the oxide skin of the aluminum material is broken up by the structural parts protruding from the layer and the liquid aluminum material can easily be distributed in the permanent form below the oxide layer.
  • the layer thus offers optimum conditions for filling the permanent mold.
  • the sliding parts of the form boron nitride (BN) serve as a sliding surface for the liquid or flowable aluminum and thus support the metal flow, they also serve at the same time to improve the Endform Marie of the cast components.
  • a firmly adhering layer is formed, wherein the solid composite is produced by the chemical bonding of the fluorides with the iron of the permanent material of the permanent mold.
  • This type of firm bonding of the layer with the base material of the permanent form prevents residues from adhering to the permanent mold, which could lead to dimensional inaccuracies.
  • Another advantage of the layer according to the invention is that the layer is excited at elevated temperatures to an increased polymerization. As a result, longer polymers form, on the one hand increase the adhesion and cohesion and on the other hand increase the elasticity of the layer.
  • the long-term stable and firmly adhering layer is therefore extremely elastic at higher temperatures, as occur during filling of the permanent mold, and can follow the changes in shape of the permanent mold elastically and thus advantageously without damage to the layer.
  • the release agent according to the invention offers the advantage that it can be produced cost-effectively on the basis of demineralized water and, on the other hand, is easy to apply to the tool due to its viscosity. in the simplest case, the release agent can be sprayed on the permanent mold. In addition, the release agent meets the requirements for a release agent in that no toxic substances are included, which can be disposed of only at high cost.
  • the object according to the invention with regard to the method for producing a layer is achieved in that the surface is first subjected to the release agent according to one of claims 6 to 13, and that subsequently the permanent mold is heated to a temperature of at least 200 ° C.
  • the fluoride chemically bonds with the iron of the base material and the zirconium fluoride forms polymers which form a firmly adhering layer on the surface of the permanent mold.
  • the advantage here is that the release agent, which consists of a completely desalinated water, at this temperature is already completely evaporated from the layer and thus there is no or very little gas formation when filling the permanent mold.
  • the polymerization is supported in increasing the temperature, so that as described above, another advantageous effect of the layer is generated.
  • the use of gelatin is particularly advantageous since this nanoparticles are formed independently.
  • the layer is very easy to heal, since defects in the layer are immediately lashed out after a renewed application of the permanent mold with the release agent.
  • new iron fluoride is formed and by the temperature of the permanent form zirconium fluoride polymerizes, so that the layer completely heals.
  • a layer is formed which has a thickness of about 1 to 80 .mu.m, layer thicknesses between 30 and 50 .mu.m are preferred, but this in turn Deployment case is dependent.
  • the layer thickness is dependent on the application, that is, on the casting process, wherein the thinnest layers are used for die casting and the thickest layers for low pressure. During die casting, the thinnest layers are applied, since here a good heat transfer to the permanent mold is deliberately set, in order to allow rapid solidification of the casting. In the combined so-called squeeze-casting process, an average thickness is set, since in this case the casting mold is slowly filled and then subjected to a high pressure.
  • the existing on the surface of the permanent mold layer is chemically connected by means of the iron fluoride with the base material.
  • the iron fluoride thus acts as an adhesive between the layer and the base material.
  • the structural parts of the form Al 2 O 3 and / or SiO 2 and / or TiO 2 and / or ZrO 2 have a size of about 80 nm until 200nm and hook against each other and form a layer on the base material.
  • the term structural parts is selected specifically, since particles are preferably used which are not smooth but have a structured surface.
  • the primary parts of the form Al 2 O 3 and / or SiO 2 and / or zinc oxide and / or titanium dioxide and / or zirconium dioxide and / or cerium oxide, which are present in a size of 1 nm to 10 nm, preferably and very easy.
  • the much larger sliding parts of the boron nitrite lie between the structural parts in the layer and are held by the composite of structural parts with polymers. Because of its fractile structure, the layer thus constructed has a self-interlocking effect, but the essential bond between the iron fluoride and the structural parts, the primary parts and the sliding parts is created by the polymerized zirconium fluoride.
  • the chains of the polymers provide the cohesion between the chemically bound iron fluoride, the structural parts, the primary parts and the sliding parts.
  • the polymers used according to the invention polymerize at about 200 ° C. and have a glazing temperature of about 830 ° C.
  • the liquid aluminum has a temperature of about 730 ° C and thus does not reach the glazing temperature of the polymers. It is thus an extremely stable, created for the casting of aluminum materials very suitable system as a layer structure.
  • the iron fluorides serve as an adhesive to the base material of the permanent mold and the primary parts are advantageously used to close the gaps between the structural cells, thus producing a very smooth surface. An adhesion of the liquid casting material is thus almost almost impossible.
  • the Structural parts are available in a size of 80nm to 200nm and stand out as edges from the layer.
  • the structurally highly structured structural parts tear cracks in the oxide layer of the liquid aluminum and grind the oxide skin, so that the oxide skin is crushed into minute parts and thus not present as lattice defects in the structural structure of the casting.
  • An advantage of the structural parts used according to the invention is thus that the oxide skin is destroyed and comminuted.
  • the sliding parts which are in the form of boron nitride, are much larger in size than the primary and structural parts.
  • the structural parts form the structural parts with a weight percentage of up to 10% in the liquid release agent, the largest part of the layer.
  • the primary parts serve as fillers for the interstices and thus serve to smooth the layer.
  • the sliding parts present in a proportion by weight of up to 5%, are finely distributed in the structural parts and also occur on the surface of the layer. Due to the number of sliding parts, these do not form the largest surface of the layer but are very finely distributed, so that they serve as a lubricant for a casting but primarily for demolding the permanent mold and for removing the casting.
  • the removal from the mold is advantageously facilitated by the use of the layer according to the invention, since, on the one hand, a very smooth surface is present on the layer through the structural parts and the smoothing primary parts and, at the same time, a lubricant is provided by the sliding parts.
  • the zirconium fluoride polymerizes and a long-term stable layer is formed on the surface of the permanent mold.
  • a usual temperature for preheating during die casting is a temperature between 220 ° C and 280 ° C, so that here an optimum temperature for the polymerization of the release agent is present.
  • the preheating temperatures are still above 300 ° C, so that a layer is also formed here.
  • the liquid metal at a temperature of about 720 ° C to 730 ° C when casting aluminum is below the glass transition temperature. But the Thixocasting is above 200 ° C and thus the use of the layer according to the invention in this method is also conceivable.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine metallische, eisenhaltige Dauerform mit einer Beschichtung, die mit einem flüssigen oder einem fließfähigen Aluminiumwerkstoff beaufschlagbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Schicht, sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer derartigen Schicht auf einer Oberfläche einer Dauerform.
  • Auf Grundlage der überaus hohen Korrosion, die gängige metallische Werksstoffe gegenüber Aluminium und anderen Nichteisenmetallen bei typischen Verarbeitungstemperaturen zeigen, müssen Kontaktstellen zwischen dem Nichteisenmetall und der Dauerform mit sogenannten Trennmitteln behandelt sein, damit ein störungsfreier Betrieb möglich ist. Insbesondere aber nicht ausschließlich bei Druckgussprozessen, die durch die Anwendung hoher Temperaturen und Drücke gekennzeichnet sind, werden an die dabei eingesetzten Trennmittel verschiedenste im Folgenden aufgeführte Anforderungen gestellt. So muss das Trennmittel zur Unterstützung des Metallflusses dienen, was zu einer gleichmäßigen Befüllung der Dauerform führt und gleichzeitig dient das Trennmittel zur Verbesserung der Endformbarkeit der gegossenen Teile. Darüber hinaus dient das Trennmittel zur Vermeidung von Rückständen auf der Dauerform, was zu Ungenauigkeiten in der Form führen kann. Während des Eingießens des Werkstoffes in die Dauerform darf keine übermäßige Gasbildung bei der Zersetzung des Trennmittels erfolgen, was zu einer Porosität der Formteile führen würde. Das Trennmittel darf letztendlich auch keine gefährlichen oder toxischen Substanzen enthalten. Je nach Erfüllung dieser Anforderungen wird die Güte des Trennmittels bemessen.
  • Ein seit langem bekannter und in Trennmitteln eingesetzter Werkstoff ist Bornitrit (BN), der von seiner Kristallstruktur her ähnlich aufgebaut ist wie Graphit. Wie Graphit weist er gegenüber vielen Substanzen, wie beispielsweise silikatischen Schmelzen oder auch Metallschmelzen eine geringe Benetzbarkeit auf. Daher gibt es viele Untersuchungen zu nicht anhaftenden Schichten auf Basis von Bornitrit, um diese für Gießprozesse zu nutzen. Das Problem bei dieser Nutzung ist jedoch, dass es nicht gelingt, Bornitrit in Substanz auf Formen, insbesondere komplexer Natur, dauerhaft aufzutragen. Ein Verfahren zum dauerhaften Auftragen einer temperaturstabilen, korrosionsbeständigen Formtrennschicht ist in der DE 198 42 660 A1 beschrieben. Hierbei wird ein Bornitrit-Pulver mittels elektrostatischer Beschichtung auf die Oberfläche einer Dauerform aufgebracht.
  • Es wurde ebenfalls versucht, Bindemittel auf anorganischer Basis herzustellen, in die Bornitrit eingebunden ist. In der US 6,051,058 wird die Herstellung von Bornitritschutzschichten mit Dicken von 0,2 bis 0,7 mm auf Feuerfestmaterialien für das kontinuierliche Gießen von Stählen beschrieben. Dabei wird Bornitrit in einer Größenordnung von 20 bis 50 Gew.-% mit Hilfe von Hochtemperaturbindem in Form einer wässrigen Beschichtungslösung auf Basis von Metalloxyden der Gruppe Zr02, Zirkonsilikaten, als AlzO3, SiO2 und Aluminiumphosphaten auf das Feuerfestmaterial gebunden.
  • Um den Verschleiß und die Korrosion von Werkstoffen zu unterdrücken, ist aus der DE 101 24 434 A1 eine Verschleißschutzschicht bekannt, in der Funktionswerkstoffe in einer Bindermatrix eingebunden sind. Diese sogenannte Funktionsbeschichtung besteht dabei aus einer anorganischen Matrixphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem darin eingebetteten Funktionswerkstoff, der beispielsweise ein Metall, Graphit, ein Hartstoff, ein Trockenschmierstoff, ein Aluminiumoxid, ein Siliziumkarbid, etc. sein kann. Beschrieben ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung dieser Funktionsbeschichtung, wobei in eine flüssige Komponente, die beispielsweise Wasser sein kann, ein Funktionswerkstoff in Pulverform gelöst und zur Erzeugung eines Phosphates mit Phosphorsäure versetzt wird. Eine derartig zusammengesetzte Matrixlösung mit der flüssigen Komponente und dem Phosphat kann auf Grund ihrer Konsistenz auch als Gel bezeichnet werden. Nach dem Beschichten eines Werkstoffes mit dieser Matrixlösung erfährt der Werkstoff eine Wärmebehandlung, so dass sich eine festhaftende Funktionsbeschichtung auf dem Grundwerkstoff ausbildet.
  • Des Weiteren ist aus der US 3,770,465 eine Formschlichte bekannt, welche aus Wasser und Kaliumzirkonfluorid sowie einem Binder aus Phenolharz oder Zirkonstaub oder ähnlichem in trockener Form besteht. Hierdurch sollen glatte Oberflächen auf den Formen entstehen, was ein Eindringen von Metall beim Gießprozess verhindern soll.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine langzeitstabile Schicht auf einer metallischen, eisenhaltigen Dauerform zu entwickeln, die eine chemische Bindung mit dem Grundwerkstoff der Dauerform eingeht und somit den Anforderungen an ein Trennmittel genügt oder sogar über diese Anforderungen hinaus geht, indem Gießfehler durch die Bildung von Oxidhäuten beim Gießprozess vermieden werden. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Schicht bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen und einfach und ohne Vorrichtungsaufwand zu applizieren ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, das in der Lage ist eine derartige Schicht zu erzeugen und mittels dem Beschädigungen an der Schicht leicht ausheilbar sind.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe in Bezug auf eine Beschichtung einer Dauerform wird dahingehend gelöst, dass auf mindestens einer Oberfläche der Dauerform eine Schicht bestehend aus
    • chemisch mit einem Grundwerkstoff der Dauerform gebundenem Eisenfluorid,
    • Strukturteilen einer oder mehrerer der Verbindungen Al2O3, SiO2, TiO2 und ZurO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200nm und
    • einem die Strukturteile zumindest bereichsweise umschließenden Polymer aus polymerisiertem Zirkoniumfluorid vorhanden ist.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält die Schicht zusätzlich:
    • Primärteile der Form Al2O3, SiO2, TiO2, ZnO, ZrO2, CeO2 in einer Fraktion von 2nm bis 80nm, und/oder
    • Gleitteile der Form Bornitrit, in einer Fraktion von 2µm bis 15µm und/oder
    • Glimmer, als silikatisches Mineral.
  • Durch die erfindungsgemäße Schicht auf der metallischen Dauerform werden die Anforderungen an ein Trennmittel, in Form einer langzeitstabilen Schicht besonders gut erfüllt. So wird der Metallfluss dahingehend unterstützt, dass durch die aus der Schicht herausstehenden Strukturteile die Oxidhaut des Aluminiumwerkstoffes aufgebrochen wird und sich der flüssige Aluminiumwerkstoff unterhalb der Oxidschicht sehr leicht in der Dauerform verteilen kann. Die Schicht bietet somit optimale Bedingungen für das Befüllen der Dauerform. Die Gleitteile der Form Bornitrit (BN) dienen als Gleitebene für das flüssige oder fließfähige Aluminium und unterstützen somit den Metallfluss, sie dienen darüber hinaus gleichzeitig zur Verbesserung der Endformbarkeit der gegossenen Bauteile.
  • Auf der Oberfläche der Dauerform wird eine festhaftende Schicht gebildet, wobei der feste Verbund durch die chemische Bindung der Fluoride mit dem Eisen des Grundwerkstoffes der Dauerform erzeugt wird. Durch diese Art der festen Bindung der Schicht mit dem Grundwerkstoff der Dauerform wird vermieden, dass Rückstände auf der Dauerform haften bleiben, was zu Maßungenauigkeiten führen könnte. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schicht ist es, dass die Schicht bei höheren Temperaturen zu einer vermehrten Polymerisation angeregt wird. Hierdurch bilden sich längere Polymere, die einerseits die Haftung und den Zusammenhalt erhöhen und andererseits die Elastizität der Schicht erhöhen. Die langzeitstabile und festhaftende Schicht ist somit bei höheren Temperaturen, wie sie während des Befüllens der Dauerform auftreten, äußerst elastisch und kann den Formänderungen der Dauerform elastisch und somit vorteilhafterweise ohne eine Beschädigung der Schicht folgen.
  • In Bezug auf das Trennmittel wird die erfindungsgemäße Aufgabe dahin gehend gelöst, dass das Trennmittel aus einem vollständig entsalzten Wasser gebildet ist und die folgenden Bestandteile enthält:
    • eine oder mehrere der Verbindungen Natriumlauge, Kaliumlauge und Aluminiumchlorid,
    • einen Binder aus Zirkoniumfluorid, bevorzugt in der Form H2ZrF6,
    • einen Anteil an Strukturteilen einer oder mehrerer der Verbindungen Al2O3, SiO2, TiO2 und ZrO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200nm und
    • ein organisches Dispergiermittel, vorzugsweise Gelatine.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Trennmittel zusätzlich:
    • einen Anteil an Primärteilen der Form Al2O3, SiO2, TiO2, ZnO, ZrO2, CeO in einer Fraktion von 1nm bis 10nm und/oder
    • einen Anteil an Gleitteilen der Form BN und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid, in einer Fraktion von 2µm bis 15µm und/oder
    • Glimmer.
  • Das erfindungsgemäße Trennmittel bietet zum einem den Vorteil, dass es auf Grundlage von vollentsalztem Wasser kostengünstig herzustellen ist und andererseits auf Grund seiner Viskosität einfach auf das Werkzeug zu applizieren ist. im einfachsten Fall kann das Trennmittel auf die Dauerform aufgesprüht werden. Darüber hinaus entspricht das Trennmittel den Anforderungen an ein Trennmittel dahingehend, dass keine toxischen Substanzen enthalten sind, die nur mit hohen Kosten entsorgt werden können.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe in Bezug auf das Verfahren zur Erzeugung einer Schicht wird dahingehend gelöst, dass die Oberfläche zuerst mit dem Trennmittel, gemäß einen der Ansprüche 6 bis 13, beaufschlagt wird und dass anschließend die Dauerform auf eine Temperatur von mindestens 200°C erwärmt wird. Durch diese Erwärmung geht das Fluorid eine chemische Bindung mit dem Eisen des Grundwerkstoffes ein und das Zirkoniumfluorid bildet Polymere, die eine festhaftende Schicht auf der Oberfläche der Dauerform bilden. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Trennmittel, das aus einem vollständig entsalztem Wasser besteht, bei dieser Temperatur bereits vollständig aus der Schicht ausgedampft ist und es somit zu keiner oder nur sehr geringen Gasbildung beim Befüllen der Dauerform kommt. Darüber hinaus wird die Polymerisation bei der Erhöhung der Temperatur noch unterstützt, so dass wie oben beschrieben ein weiterer vorteilhafter Effekt der Schicht erzeugt wird. Der Einsatz von Gelatine ist dabei besonders vorteilhaft, da hierdurch selbstständig Nanopartikel gebildet werden.
  • Sollte es darüber hinaus zu einer Beschädigung der Schicht kommen, so ist die Schicht sehr leicht ausheilbar, da nach einem erneuten Applizieren der Dauerform mit dem Trennmittel Fehlstellen in der Schicht unmittelbar ausgehellt werden. Dabei wird neues Eisenfluorid gebildet und durch die Temperatur der Dauerform polymerisiert das Zirkoniumfluorid, so dass die Schicht vollständig ausheilt.
  • Auf der Oberfläche, die bevorzugt natürlich die Seite der Dauerform ist, die dem herzustellenden Gussteil entspricht, wird eine Schicht gebildet, die in einer Dicke von ca. 1 bis 80 µm aufweist, bevorzugt sind Schichtdicken zwischen 30 und 50 µm, was aber wiederum vom Einsatzfall abhängig ist. Die Schichtdicke ist abhängig vom Einsatzfall, dass heißt vom Gießverfahren, wobei beim Druckguss die dünnsten und beim Niederdruck die dicksten Schichten verwendet werden. Beim Druckguss, werden die dünnsten Schichten aufgetragen, da hier ein guter Wärmeübergang zur Dauerform bewusst eingestellt wird, um eine schnelle Erstarrung des Gießteils zu ermöglichen. Bei dem kombinierten sogenannten Squeeze-Casting-Verfahren wird eine mittlere Dicke eingestellt, da hierbei die Gießform langsam gefüllt und anschließend mit einem hohen Druck beaufschlagt wird. Hierbei ist somit ein geringerer Wärmeübergang zur Dauerform nützlich. Beim Niederdruckgießen hingegen sind dicke Schichten vorteilhaft, da hier die Form relativ langsam befüllt wird und ein langsames Abkühlen des Gussteils von Vorteil ist. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße, mit einer Beschichtung versehene Dauerform natürlich auch für das Schwerkraftgießen einsetzbar.
  • Die auf der Oberfläche der Dauerform vorhandene Schicht ist chemisch mittels des Eisenfluorids mit dem Grundwerkstoff verbunden. Das Eisenfluorid wirkt somit als Haftmittel zwischen Schicht und Grundwerkstoff. Die Strukturteile der Form Al2O3 und/oder SiO2 und/oder TiO2 und/oder ZrO2 besitzen eine Größe von etwa 80nm, bis 200nm und verhaken sich gegeneinander und bilden eine Schicht auf dem Grundwerkstoff. Hierbei ist der Begriff Strukturteile gezielt ausgewählt, da bevorzugt Teilchen eingesetzt werden, die nicht glatt sind sondern eine strukturierte Oberfläche aufweisen. In die Lücken zwischen den Strukturteilen lagern sich die Primärteile der Form Al2O3 und/oder SiO2 und/oder Zinkoxid und/oder Titandioxid und/oder Zirkoniumdioxid und/oder Ceroxid, die in einer Größe von 1nm bis 10nm vorliegen, bevorzugt und sehr leicht ein. Die sehr viel größeren Gleitteile des Bornitrits liegen zwischen den Strukturteilen in der Schicht und werden durch den Verbund aus Strukturteilen mit Polymeren gehalten. Die so aufgebaute Schicht hat bereits auf Grund seines fraktilen Aufbaus eine in sich verklammernde Wirkung, die wesentliche Bindung zwischen dem Eisenfluorid und den Strukturteilen, den Primärteilen und den Gleitteilen wird aber durch das polymerisierte Zirkoniumfluorid geschaffen. Die Ketten der Polymere stellen den Zusammenhalt zwischen dem chemisch gebundenen Eisenfluorid, den Strukturteilen, den Primärteilen und den Gleitteilen her. Je stärker die Dauerform erhitzt wird und somit ebenfalls die Schicht, je länger werden die Polymerketten, so dass bei steigender Temperatur die Elastizität der Schicht zunimmt. Die erfindungsgemäß eingesetzten Polymere polymerisieren bei ca. 200°C und besitzen eine Verglasungstemperatur von ca. 830°C. Das flüssige Aluminium besitzt eine Temperatur von ca. 730°C und reicht somit nicht an die Verglasungstemperatur der Polymere heran. Es ist somit ein äußerst stabiles, für das Gießen von Aluminium-Werkstoffen sehr gut geeignetes System als Schichtaufbau geschaffen.
  • Die Eisenfluoride dienen als Haftmittel zum Grundwerkstoff der Dauerform und die Primärteile werden vorteilhafterweise dazu eingesetzt, die Lücken zwischen den Strukturtellen zu schließen, um somit eine sehr glatte Oberfläche zu erzeugen. Ein Anhaften des flüssigen Gießwerkstoffes ist somit nahezu fast unmöglich. Die Strukturteile liegen in einer Größe von 80nm bis 200nm vor und stehen als Kanten aus der Schicht heraus. Vorteilhafterweise reißen die an ihrer Oberfläche stark strukturierten Strukturteile Risse in die Oxidschicht des flüssigen Aluminiums und zerreiben die Oxidhaut, so dass die Oxidhaut in kleinste Teile zerrieben wird und somit nicht als Gitterfehler im Gefügeaufbau des Gussteils vorliegen. Ein Vorteil der erfindungsgemäß eingesetzten Strukturteile ist somit, dass die Oxidhaut zerstört und zerkleinert wird.
  • Die Gleitteile die in der Form als Bornitrit vorliegen, besitzen eine sehr viel größere Größe als die Primär- und die Strukturteile. Erfindungsgemäß bilden die Strukturteile mit einem Gewichtsprozentanteil von bis zu 10 % im flüssigen Trennmittel den größten Teil der Schicht. Die Primärteile dienen als Füllmittel für die Zwischenräume und dienen somit der Glättung der Schicht. Die Gleitteile, in einem Gewichtsanteil von bis zu 5 % vorliegend, sind fein verteilt in die Strukturteile eingelagert und treten ebenfalls an der Oberfläche der Schicht heraus. Auf Grund der Anzahl der Gleitteile, bilden diese nicht die größte Oberfläche der Schicht sondern liegen feinst verteilt vor, so dass sie als Gleitmittel zum einem beim Gießen aber vornehmlich zum Entformen der Dauerform und zur Entnahme des Gussteils dienen. Das Entformen wird durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Schicht in vorteilhafterweise erleichtert, da zum einem durch die Strukturteile und die glättend wirkenden Primärteile eine sehr glatte Oberfläche an der Schicht vorhanden ist und gleichzeitig durch die Gleitteile ein Schmiermittel zur Verfügung gestellt wird.
  • Die Versuche haben gezeigt, dass durch die Zugabe von Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Aluminiumchlorid und die Einstellung eines pH-Wertes von 4 bis 5 eine optimale Bildung der Schicht erzeugt wird.
  • Erfindungsgemäß wird die kalte Dauerform mit dem Trennmittel beaufschlagt, in dem das Trennmittel aufgesprüht und die Dauerform erhitzt wird. Ab einer Temperatur von ca.200°C polymerisiert das Zirkoniumfluorid und es kommt zu einer Bildung einer langzeitstabilen Schicht auf der Oberfläche der Dauerform. Eine übliche Temperatur zum Vorheizen beim Druckgießen ist eine Temperatur zwischen 220°C und 280°C, so dass hier eine optimale Temperatur zur Polymerisation des Trennmittels vorhanden ist. Beim Niederdruckguss und Squeeze-Casting liegen die Vorheiztemperaturen noch über 300°C, so dass auch hier eine Ausbildung einer Schicht gewährleistet ist. Das flüssige Metall mit einer Temperatur von ca. 720°C bis 730°C beim Gießen von Aluminium liegt unterhalb der Glasübergangstemperatur. Aber auch das Thixocasting liegt oberhalb von 200°C und somit ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Schicht bei diesem Verfahren ebenso vorstellbar.

Claims (15)

  1. Metallische, eisenhaltige Dauerform, insbesondere eine Dauerform aus Stahl, die mit einem flüssigen oder fließfähigem AluminiumWerkstoff beaufschlagbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf mindestens einer Oberfläche der Dauerform eine Schicht bestehend aus
    - chemisch mit einem Grundwerkstoff der Dauerform gebundenem Eisenfluorid,
    - Strukturteilen einer oder mehrerer der Verbindungen Al2O3, SiO2, TiO2 und ZrO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200nm und
    - einem die Strukturteile zumindest bereichsweise umschließenden Polymer aus polymerisiertem Zirkoniumfluorid vorhanden ist.
  2. Dauerform nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Schicht Gleitteile der Form Bornitrid und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid von 2µm bis 15µm vorhanden sind.
  3. Dauerform nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Schicht Primärteile der Form Al2O3, SiO2, ZnO, ZrO2, TiO2, CeO, in einer Fraktion von 2nm bis 80nm vorhanden sind, wobei die Primärteile in den Lücken zwischen den Strukturteilen eingelagert sind.
  4. Dauerform nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schicht in einer Dicke von 1 µm bis 80 µm, vorzugsweise einer Dicke von 25µm bis 60µm, auf der Oberfläche vorhanden ist.
  5. Dauerform nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dauerform eine Dauerform für ein Druckguss-, Niederdruckguss-Schwerkraftguss- oder Squeeze-Casting-Verfahren ist.
  6. Trennmittel zur Herstellung einer Schicht auf einer Dauerform,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Trennmittel aus einem vollentsalzten Wasser gebildet ist und die folgenden Bestandteile enthält:
    - eine oder mehrere der Verbindungen Natriumlauge, Kaliumlauge und Aluminiumchlorid,
    - einen Binder aus Zirkoniumfluorid,
    - einen Anteil an Strukturteilen einer oder mehrerer der Verbindungen Al2O3, SiO2, TiO2 und ZrO2 von 80nm bis 200nm vorhanden ist und
    - ein organisches Dispergiermittel, vorzugsweise Gelatine.
  7. Trennmittel zur Herstellung einer Schicht auf einer Dauerform nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Trennmittel ein Anteil an Gleitteilen der Form Bornitrit und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid, in einer Fraktion von 2µm bis 15µm, vorhanden ist.
  8. Trennmittel nach einem oder beiden der Ansprüche 6 und 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Trennmittel ein Anteil an Primärteilen der Form Al2O3, SiO2, ZnO, ZrO2, CeO, TiO2 und/oder Glimmer in einer Fraktion von 2nm bis 80nm vorhanden ist.
  9. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Trennmittel ein pH-Wert von 4 bis 5 eingestellt ist.
  10. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anteil des Binders im Trennmittel kleiner oder gleich 5 Gew.% ist.
  11. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anteil der Strukturteile im Trennmittel kleiner oder gleich 10 Gew.% ist.
  12. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anteil der Primärteile im Trennmittel kleiner oder gleich 3 Gew.-% ist, vorzugsweise zwischen 1 Gew.-% und 3 Gel.-% liegt.
  13. Trennmittel nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
    dadurch gekennzeichet, dass
    der Anteil der Gleitteile im Trennmittel kleiner oder gleich 5 Gew.% ist.
  14. Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einer metallischen, eisenhaltigen Oberfläche einer Dauerform mittels eines Trennmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Oberfläche zuerst mit dem Trennmittel beaufschlagt wird und dass anschließend die Dauerform auf eine Temperatur von mindestens 200°C erwärmt wird, so dass eine chemische Bindung des Fluorids mit dem Eisen des Grundwerkstoffes und eine Polymerisation des Binders erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Beschädigung in der Schicht mittels eines erneuten Applizierens der Dauerform mit dem Trennmittel ausgeheilt wird.
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