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EP1929069A2 - Formtrennschicht für das giessen von nichteisenmetallen - Google Patents

Formtrennschicht für das giessen von nichteisenmetallen

Info

Publication number
EP1929069A2
EP1929069A2 EP06805662A EP06805662A EP1929069A2 EP 1929069 A2 EP1929069 A2 EP 1929069A2 EP 06805662 A EP06805662 A EP 06805662A EP 06805662 A EP06805662 A EP 06805662A EP 1929069 A2 EP1929069 A2 EP 1929069A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
release agent
phosphate
permanent mold
layer
parts
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.)
Ceased
Application number
EP06805662A
Other languages
English (en)
French (fr)
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
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 KS Aluminium Technologie GmbH filed Critical KS Aluminium Technologie GmbH
Publication of EP1929069A2 publication Critical patent/EP1929069A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C3/00—Selection of compositions for coating the surfaces of moulds, cores, or patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/56—Coatings, e.g. enameled or galvanised; Releasing, lubricating or separating agents
    • 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
    • B22D17/2007—Methods or apparatus for cleaning or lubricating moulds
    • 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
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/18—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • 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
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/28—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using solids, e.g. powders, pastes
    • 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
    • C23C22/74—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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

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.
  • 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 mold.
  • 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 usage, however, is that it can not manage boron nitride in Substance on forms, in particular of complex nature, to apply permanently. A method for the permanent application of a temperature-stable, corrosion-resistant mold release layer is described in DE 198 42 660 A1. In this case, a boron nitrite powder is applied to the surface of a permanent mold by means of electrostatic coating.
  • DE 101 24 434 A1 discloses a wear protection layer in which functional materials are incorporated 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, an aluminum oxide, a silicon carbide, ect. can 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 mold, which forms a chemical bond with the base material of Treasureform and thus meets the requirements of a release agent or even goes beyond these requirements.
  • Another object of the invention is to provide a method capable of producing such a layer and easily curable by the damage to the layer.
  • the object according to the invention with respect to a coating of a permanent mold is achieved in that on at least one surface of the permanent mold a layer consisting of
  • a polymer comprising polymerized monoaluminum phosphate and / or monozinc phosphate and / or monomagnesium phosphate and / or sodium phosphate and / or boron phosphate, which at least partially surrounds the iron phosphite, the structural parts and the primary parts, is present.
  • the layer additionally contains:
  • 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 plane for the liquid or flowable aluminum and thus support the metal flow, they also serve at the same time to improve the final formability of the cast components.
  • a firmly adhering layer is formed, the solid composite being formed by the chemical bonding of the phosphates to the iron of the Base material of the permanent form is produced, preferably phosphates are used.
  • 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 object according to the invention is achieved in that the release agent is formed from a completely desalted water and contains the following constituents:
  • an organic and / or inorganic dispersant preferably gelatin.
  • the release agent additionally contains:
  • 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.
  • the release agent can be sprayed onto the permanent mold.
  • 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 5 to 14, and that subsequently the permanent mold is heated to a temperature of at least 200 ° C.
  • the phosphate chemically binds with the iron of the base material and the monoaluminum phosphates and / or monozinc phosphates and / or monomagnesium phosphate and / or mono-manganese phosphate and / or boron phosphate form polymers which form a firmly adhering layer on the surface of the permanent mold form.
  • 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.
  • Gelantine preferably has the task of making a coordinated contribution to balancing the potential for dispersing and accelerating the reaction.
  • the gelatin in the binder phase reference is hereby made to the Richardson-Ellingham diagram, which is known on the one hand and on the other hand
  • Magnesium and calcium as main constituents of the gelatin serve to stabilize the structural parts and primary parts during the dissolution of the hot base material through the coating, so that a control of the bonding of the coating to the green is possible.
  • the gelatin is present in proportions of 0.5 wt .-% to 5 wt .-% in the release agent and is thus detectable at least in trace amounts in the coating of the functional component. Should the layer also be damaged, then the layer can be healed very easily, since defects in the layer are healed immediately after renewed application of the permanent mold with the release agent. Here, new iron phosphite is formed and the temperature of the permanent polymerizes the phosphate, 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 Deployment case is dependent.
  • the layer thickness depends on the application, that is, on the casting process, with the thinnest layers being used for die casting and the thickest layers being used for low pressure.
  • 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.
  • 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 iron phosphite with the base material.
  • the iron phosphite thus acts as an adhesive between the layer and the base material.
  • the structural parts of the form of Al 2 O 3 and / or SiO 2 and / or TiO 2 and / or ZrO 2 having a size of about 80 nm to 200 nm, and interlock with 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 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.
  • the layer thus constructed Due to its fractile structure, the layer thus constructed has already lost its inherent However, the essential bond between the iron phosphite and the structural parts, the primary parts and the sliding parts is provided by the polymerized phosphate, which is formed from the polymerized monoaluminum phosphate and / or Monozinkphosphat and / or monomagnesium phosphate and / or sodium phosphate and / or boron phosphate.
  • the chains of the polymers provide the cohesion between the chemically bonded iron phosphite, the structural parts, the primary parts and the sliding parts. The more strongly the permanent mold is heated and thus likewise the layer, the longer the polymer chains become, so that with increasing temperature the elasticity of the layer increases.
  • the polymers employed in this invention Sieren polymerized at about 200 0 C and have a glass transition temperature of about 830 0 C.
  • the liquid aluminum has a temperature of about 730 ° C and thus does not reach the glass transition 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 phosphites 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 parts, thus producing a very smooth surface. An adhesion of the liquid casting material is thus almost almost impossible.
  • the structural parts are in a size of 80nm to 200nm and stand as edges out of 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 are used as a lubricant for casting but primarily for demolding the permanent mold and for removal serve 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 experiments have shown that by the addition of an acid buffer of the form of sodium hydroxide and / or potassium hydroxide and / or aluminum chloride and the adjustment of a pH of 4 to 5, an optimal formation of the layer is produced.
  • the acid buffer thus serves to delay the reaction and to ensure a uniform course of the reaction.
  • the cold permanent form is applied to the release agent in which the release agent is sprayed and the permanent mold is heated.
  • the mono aluminum phosphates and / or mono zinc phosphate and / or mono magnesium phosphate and / or sodium phosphate and / or boron phosphate polymerize and there is a formation of a long-term stable layer on the surface of the permanent mold.
  • a common temperature for preheating during die casting is a temperature between 220 0 C and 28O 0 C, so that here an optimum temperature for the polymerization of the release agent is present.
  • the preheating temperatures are about 300 0 C, so that a formation of a layer is also ensured here.
  • the liquid metal with a temperature of about 720 0 C to 730 0 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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Abstract

Die Erfindung betrifft eine metallische, eisenhaltige Dauerform, insbesondere eine Dauerform aus Stahl, die mit einem flüssigen oder fließfähigen Aluminiumwerkstoff beaufschlagbar ist und bei der mittels eines Trennmittels eine Schicht zum Schutz der Dauerform und zur Erzielung eines optimalen Gießergebnisses erzeugbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Trennmittel zur Erzeugung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schicht.

Description

B E S C H R E I B U N G
Formtrennschicht für das Gießen von Nichteisenmetallen
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 Ungenauigkei- ten 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 Hochtemperaturbindern in Form einer wässrigen Beschichtungs- lösung auf Basis von Metalloxyden der Gruppe ZrO2, Zirkonsilikaten, als AI2O3, 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, ect. 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.
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. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Schicht bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen und einfach und ohne Vorrichtungsauf- wand 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 Eisenphosphit,
- Strukturteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2, und/oder TiO2 und/oder ZrO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200nm,
- Primärteile der Form AI2O3, SiO2, TiO2, ZnO ZrO2, CeO2 in einer Fraktion von 2nm bis 80nm und zumindest Spuren einer organischen und/oder anorganischen Gelantine, als Dispergiermittel und
- einem das Eisenphosphit, die Strukturteile und die Primärteile zumindest bereichsweise umschließenden Polymer aus polymerisiertem Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat vorhanden ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält die Schicht zusätzlich:
- 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 Phosphate mit dem Eisen des Grundwerkstoffes der Dauerform erzeugt wird, wobei bevorzugt Phosphate eingesetzt werden. 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:
- einen Anteil der Form Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Alumi-niumchlorid,
- eine phosphathaltigen Binder der Form Monoaluminiumphosphat und/oder Monozink- phosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Mono-Natriumphosphat und/oder Borphosphat und
- einen Anteil an Strukturteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2, und/oder TiO2 und/oder in einer Fraktion von 80nm bis 200nm, einen Anteil an Primärteilen der Form AI2O3, SiO2, TiO2, ZnO, ZrO2, CeO in einer Fraktion von 1 nm bis 10nm und
- ein organisches und/oder anorganisches Dispergiermittel, vorzugsweise Gelantine.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Trennmittel zusätzlich:
- 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 einem der Ansprüche 5 bis 14, beaufschlagt wird und dass anschließend die Dauerform auf eine Temperatur von mindestens 2000C erwärmt wird. Durch diese Erwärmung geht das Phosphat eine chemische Bindung mit dem Eisen des Grundwerkstoffes ein und die Monoaluminiumphosphate und/oder Monozinkphosphate und/oder Mono- Magnesiumphosphat und/oder Mono-Manganphosphat und/oder Borphosphat bilden 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 Gelantine ist dabei besonders vorteilhaft, da hierdurch selbstständig Nanopartikel gebildet werden.
Als wesentlich ist ebenfalls der Einsatz eines organischen Dispergiermittels zu werten. Eingesetzt wird insbesondere eine Gelantine, die unter dem Markennamen „Gelita" vertrieben wird. Hauptbestandteile dieser Gelantine sind Calzium mit einem Anteil von 3950 mg je kg und Magnesium mit einem Anteil von 1500 mg je kg, der Rest besteht aus organischen und anorganischen Bestandteilen. Die Gelantine hat bevorzugt die Aufgabe, für einen Potentialen Ausgleich beim Dispergieren und zur Reaktionsbeschleunigung einen abgestimmten Beitrag zu leisten. Zur Erläuterung des Potentialausgleichs der Gelantine in der Binderphase wird hiermit auf das Richardson-Ellingham-Diagramm Bezug genommen, das einerseits bekannt ist und aus dem andererseits die Potentialdifferenzen der einzelnen eingesetzten chemischen Verbindung ablesbar sind. Magnesium und Calzium als Hauptbestandteile der Gelantine, dienen hierbei zum Stabilisieren der Strukturteile und Primärteile beim Anlösen des heißen Grundwerkstoffs durch die Beschichtung, so dass eine Steuerung des Anbindens der Beschichtung an den Grundwerkstoff möglich ist. Die Gelantine liegt mit Anteilen von 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% im Trennmittel vor und ist somit zumindest in Spurenanteilen in der Beschichtung des Funktionsbauteils nachweisbar. 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 ausgeheilt werden. Dabei wird neues Eisenphosphit gebildet und durch die Temperatur der Dauerform polymerisiert das Phosphat, 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 Eisenphosphits mit dem Grundwerkstoff verbunden. Das Eisenphosphit wirkt somit als Haftmittel zwischen Schicht und Grundwerkstoff. Die Strukturteile der Form AI2O3 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 AI2O3 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 verklam- mernde Wirkung, die wesentliche Bindung zwischen dem Eisenphosphit und den Strukturteilen, den Primärteilen und den Gleitteilen wird aber durch das polymerisierte Phosphat geschaffen, das sich aus dem polymerisierten Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat bildet. Die Ketten der Polymere stellen den Zusammenhalt zwischen dem chemisch gebundenen Eisenphosphit, 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 polymeri- sieren bei ca. 2000C und besitzen eine Verglasungstemperatur von ca. 8300C. 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 Eisenphosphite dienen als Haftmittel zum Grundwerkstoff der Dauerform und die Primärteile werden vorteilhafterweise dazu eingesetzt, die Lücken zwischen den Strukturteilen 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 eines Säurepuffers der Form 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. Der Säurepuffer dient somit zur Verzögerung der Reaktion und zum gleichmäßigen Reaktionsablauf.
Erfindungsgemäß wird die kalte Dauerform mit dem Trennmittel beaufschlagt, in dem das Trennmittel aufgesprüht und die Dauerform erhitzt wird. Ab einer Temperatur von ca. 2000C polymerisieren die Monoaluminiumphosphate und/oder das Monozinkphosphat und/oder das Monomagnesiumphosphat und/oder das Natriumphosphat und/oder das Borphosphat 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 2200C und 28O0C, so dass hier eine optimale Temperatur zur Polymerisation des Trennmittels vorhanden ist. Beim Niederdruckguss und Squeeze- Casting liegen die Vorheiztemperaturen noch über 3000C, so dass auch hier eine Ausbildung einer Schicht gewährleistet ist. Das flüssige Metall mit einer Temperatur von ca. 7200C bis 7300C 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

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Metallische, eisenhaltige Dauerform, insbesondere eine Dauerform aus Stahl, die mit einem flüssigen oder fließfähigem Aluminium-Werkstoff beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Oberfläche der Dauerform eine Schicht bestehend aus chemisch mit einem Grundwerkstoff der Dauerform gebundenem Eisenphosphit, Strukturteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2, und/oder TiO2 und/oder ZrO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200nm und
Primärteilen der Form AI2O3, SiO2, ZnO, ZrO2, TiO2, CeO, in einer Fraktion von 2nm bis 80nm, wobei die Primärteile in den Lücken zwischen den Strukturteilen eingelagert sind, und in der Beschichtung zumindest Spuren eines organischen und/oder anorganischen Dispergiermittels vorhanden sind und einem das Eisenphosphit, die Primärteile und die Strukturteile zumindest bereichsweise umschließenden Polymer aus polymerisiertem Monoaluminium- phosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat vorhanden ist.
2. Dauerform nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht Gleitteile der Form Bornitrid und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molyb- dändisulfid, in einer Fraktion von 2μm bis 15μm vorhanden sind.
3. Dauerform nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht in einer Dicke von 1 μm bis 80 μm, vorzugsweise einer Dicke von 25 μm bis 60 μm, auf der Oberfläche vorhanden ist.
4. Dauerform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerform eine Dauerform für ein Druckguss-, Niederdruckguss-, Schwerkraftgussoder Squeeze-Casting-Verfahren ist.
5. Trennmittel zur Herstellung einer Schicht auf einer Dauerform, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel aus einem vollentsalzten Wasser gebildet ist und die folgenden Bestandteile enthält: einen Anteil der Form Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Aluminiumchlorid,
- einen phosphathaltigen Binder der Form Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Mono- Natriumphosphat und/oder Borphosphat und
- einen Anteil an Strukturteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2 und/oder TiO2 und/oder ZrO2 Jn einer Fraktion von 80nm bis 200nm, vorhanden ist und/oder Primärteilen der Form AI2O3, SiO2, ZnO, ZrO2, CeO, TiO2 und/oder Glimmer in einer Fraktion von 2nm bis 80nm vorhanden ist, ein organisches und/oder anorganisches Dispergiermittel, vorzugsweise Gelanti- ne.
6. Trennmittel nach Anspruch 5, 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
7. Trennmittel nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Trennmittel ein pH-Wert von 4 bis 5 eingestellt ist.
8. Trennmittel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Binders im Trennmittel kleiner oder gleich 5 Gew.-% ist.
9. Trennmittel nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Strukturteile im Trennmittel kleiner oder gleich 10 Gew.-% ist.
10. Trennmittel nach einem oder mehreren den Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Primärteile im Trennmittel kleiner oder gleich 3 Gew.-% ist und vorzugsweise zwischen 1 Gew.-% und 3 Gew.-% liegt.
11. Trennmittel nach einem oder mehreren den Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Gleitteile im Trennmittels kleiner oder gleich 5 Gew.-% ist.
12. Trennmittel nach einem der Ansprüche 5 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Gelantine im Trennmittel zwischen 0,5 Gew.-% und 5 Gew.-% liegt.
13. Trennmittel nach einem der Ansprüche 5 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass in der Gelantine zumindest Calzium und Magnesium enthalten ist.
14. Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auf einer metallischen, eisenhaltigen Oberfläche einer Dauerform mittels eines Trennmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zuerst mit dem Trennmittel, beaufschlagt wird und dass anschließend die Dauerform auf eine Temperatur von mindestens 2000C erwärmt wird, so dass eine chemische Bindung des Phosphats 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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