DE1608394C - Verfahren und Tauchmasse zur Herstellung von Gießformen nach dem Wachsau sschmelzverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Formen auf der Basis von Graphit für den Präzisions- oder Feinguß mit verlorenem Modell nach dem sogenannten Wachsausschmelzverfahren für den Abguß von schwer vergießbaren Metallen wie Titan, Zirkonium, Silicium, Hafnium, Thorium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Uran.

Kolloidaler Graphit, insbesondere Aufschlämmungen von kolloidalem Graphit, wurden bereits in der Gießereitechnik als Kokillenschutzmasse angewandt. Der kolloidale Graphit bildet auf der Kokillenwand einen samtartigen Belag, an dem die Metallschmelze gleitet und einen Abguß bei niederer Temperatur ermöglicht.

Für den Abguß von reaktionsfähigen Metallgießlingen wurden schon Formen aus Graphitgranulat hergestellt. Auf dem Modell wird dazu ein dünner Schlamm des Graphitgranulats als Haftschicht für die eigentliche Form aufgetragen, woraufhin das mit dieser Haftschicht versehene Modell eingeformt wird in eine trockene Mischung von Graphit und einem Kunststoffpulver. In diesem Gemisch beträgt der Kunststoffanteil etwa 40%. Beim Brennen der Form zersetzt sich das Kunststoffmaterial und bildet ein zusammenhaltendes Koksskelett. Diese Formen sind relativ rauh und porös, so daß die Qualität der Gießlinge zu wünschen übrig läßt.

Es wurde auch schon bereits ein Verfahren zur Herstellung von Präzisionsgießformen nach dem Wachsausschmelzverfahren, also mit verlorenem Modell, bekannt, wobei zum Aufbau der Gießform eine Aufschlämmung von Graphitgranulat und einem temporären Bindemittel angewandt wurde. Das Graphitmaterial hatte eine Körnung zwischen 0,4 mm bis herunter zu 37 μπι. Als Bindemittel wurden beträchtliche Mengen von Pechen und Kunststoffklebern angewandt.. Der Nachteil dieser Gießform liegt ebenfalls darin, daß sie nach dem Ausbrennen der organischen Bindemittel ein hochporöses Wandmaterial zurücklassen, so daß die Oberflächengüte der Gießlinge unzureichend ist. Die Putzarbeit ist daher sehr beträchtlich.

Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Herstellung von Formen nach dem Wachsausschmelzverfahren durch abwechselndes Aufbringen von Fein- und Rauhschichten aus Graphit und gegebenenfalls einem äußeren Wandbereich aus keramischem Material auf ein Modell, Entfernen des Modells und Brennen der Form. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß man für die Feinschichten bindend wirkenden kolloidalen Graphit verwendet. Man kann darüber hinaus auch nach dem Brennen der Form insbesondere die inneren Wandbereiche mit einer Aufschlämmung von kolloidalem Graphit imprägnieren, wenn erforderlich, kann nach mehrmaliger Imprägnierung nochmals gebrannt werden.

Die Erfindung betrifft schließlich auch noch eine Tauchmasse für die Feinschicht zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Formen in Form einer kolloidalen Dispersion von Graphit, gegebenenfalls enthaltend halbkolloidalen Graphit, Netzmittel oder Emulgator, wobei die Körnung des kolloidalen Graphits < 1 μΐη und die Körnung des halbkolloidalen Graphits 1 bis 20 μηι beträgt. Der Anteil an Graphit in dieser Tauchmasse soll zwischen 0,5 und 5, insbesondere 1 bis 3 Gewichtsprozent, liegen.

Der wesentliche Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt also darin, nicht, wie bereits bekannt, Graphitpulver oder -granulat zum Aufbau von Präzisionsgießformen anzuwenden, sondern kolloidalen Graphit. Bei der erfindungsgemäßen Anwendung von kolloidalem Graphit für die Feinschicht benötigt man in der Tauchmasse für die Feinschicht kein weiteres Bindemittel, wie dies bei den üblichen Ver-• fahren notwendig war, da in trockenem Zustand der kolloidale Graphit eine ausreichende Bindefähigkeit

ίο besitzt. Durch die Tatsache, daß erfindungsgemäß kein organisches oder anorganisches Bindemittel neben dem Graphitmaterial benötigt wird, werden die Formen sehr dicht und gleichmäßig und die Innenfläche der Form außerordentlich glatt. Die mit den erfindungsgemäßen Formen erhaltenen Gießlinge zeigen daher eine hervorragende Oberflächengüte und benötigen nur geringe Putzarbeiten. Das Ausformen bereitet keine Schwierigkeiten, denn nach Zerschlagen der Form trennt sich diese ohne Schwie-.

rigkeiten von der glatten Fläche des Gießlings.

Die Herstellung der Modelle bzw. der Modelltraube geschieht in üblicher Weise, wie sie im allgemeinen für die Investmenttechnik angewandt wird, und zwar aus Wachs oder einem Kunststoff, der sich durch Ausschmelzen, Ausbrennen, Lösen oder durch eine chemische Reaktion entfernen läßt. Meistens erfolgt die Modellherstellung durch Spritzen in den Modellkasten. Als Modellwerkstoff dient häufig Wachs, manchmal auch ein thermoplastischer Kunststoff oder deren Gemische.

Das Wachsmodell wird gereinigt und in die Masse für die Feinschicht getaucht oder diese aufgespritzt. Überschüssige Masse kann ablaufen.
Wie erwähnt, werden erfindungsgemäß nun abwechselnd eine Feinschicht und eine Rauhschicht aufgetragen. Als Feinschicht dient im allgemeinen eine Aufschlämmung von kolloidalem Graphit und Graphitpulver, gegebenenfalls mit Emulgator und Netzmitteln. Die Teilchengröße des kolloidalen Graphits liegt im allgemeinen unter 1 μπι. Man kann aus Ersparungsgründen bis zu 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise bis 30%, des kolloidalen Graphits durch halbkolloidalen Graphit, also mit einer Teilchengröße zwischen 1 und 20 μΐη ersetzen. In der Masse für die Feinschicht beträgt der Anteil an kolloidalem Graphit 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 3 Gewichtsprozent.

Als Emulgator können Tragantgummi oder verschiedene andere hydrophile Kolloide wie Gummiarten, Gelatine oder Alginate angewandt werden. Die zu verwendende Menge liegt zwischen 0,01 und 0,05 Gewichtsprozent.

Als Netzmittel kann man die verschiedensten anionischen oberflächenaktiven Mittel wie Natriumheptadecylsulfat, Alkylsulfate, Alkylarylsulfate und deren Salze anwenden. Der Anteil in der Masse für die Feinschicht beträgt 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent, der pH-Wert, der Masse soll zwischen 8,8 und 9,4 liegen.

Der Feststoffgehalt der Aufschlämmung als Feinschicht an kolloidalem und halbkolloidalem Graphit sowie Graphitpulver kann in weiten Grenzen schwanken. Sie wird in vielen Fällen durch die für die einfache Handhabung erforderliche Viskosität bestimmt sein. Der Anteil an kolloidalem oder halbkolloidalem Graphit des Feststoffgehalts soll jedenfalls mehr als 1,5 Gewichtsprozent betragen, um eine ausreichende Bindung der Schichten zu gewähr-

leisten. Aus wirtschaftlichen Erwägungen wird man jedoch im allgemeinen mit dem Anteil an kolloidalem oder halbkolloidalem Graphit nicht über 10% gehen. Man kann jedoch selbstverständlich auch bis 100°/o der Feststoffe in Form von kolloidalem oder halbkolloidalem Graphit anwenden, wenn dies aus speziellen Gründen erforderlich ist. Es erwies sich als zweckmäßig, die Masse für die Feinschicht hinsichtlich ihrer Gelierungszeit so einzustellen, daß für die Maßnahmen des Ablaufens überschüssige Masse und Besanden mit dem Granulat der Rauhschicht etwa 10 bis 24 Minuten zur Verfügung stehen. Man- kann jedoch auch mit sehr schnell gelierenden Massen arbeiten. In diesem Falle braucht nicht nach jeder Rauhschicht getrocknet zu werden. Das Trocknen geschieht im allgemeinen bei einer Temperatur bis etwa 38⁰C in einer mit konditionierter Luft durchströmten Kammer.

Anschließend wird mit dem Material für die Rauhschicht aufgestreut oder besandet, wobei dieses dann an der feuchten Fläche der Feinschicht haftet. Als Material für die Rauhschicht dient, gröberer Graphit, z. B. mit einer Körnung zwischen 0,1 und 0,83 mm. Durch dieses Besanden wird eine vollständige Bedeckung der Feinschicht mit der Rauhschicht erreicht.

Die Körnung des Granulats für die Rauhschicht ist nicht kritisch und kann weitgehend schwanken. Im allgemeinen wird ein Graphitgranulat mit einer Körnung zwischen etwa 0,1 und 0,833 mm oder auch 0,4 bis 2,36 mm angewandt.

Die abwechselnde Aufbringung einer Fein- und Rauhschicht wird nun so lange wiederholt, bis die gewünschte Wandstärke der Form erreicht ist.

Manchmal erweist es sich als zweckmäßig, die Rauhschicht vor Aufbringung der nächsten Feinschicht anzufeuchten, und zwar mit einer Masse, die im wesentlichen einer verdünnten Masse für die Feinschicht entspricht und eine sehr viel geringere Viskosität aufweist, z. B. mit einem Feststoffgehalt von nur 25 bis 75% der Feinschichtmasse. Auf diese Befeuchtung erfolgt dann die Aufbringung der nächsten Feinschicht und Rauhschicht. Nach dem Trocknen erhält man eine Schale gewünschter Stärke mit ausreichender Festigkeit für den Abguß.

Die Wandstärke der Form hängt im allgemeinen ab von der Größe und dem Gewicht des abzugießenden Formkörpers sowie von dem zu vergießenden Metall. Im allgemeinen wird jedoch für nicht zu große Gießlinge eine Wandstärke von 6,5 bis 13 mm entsprechen. Sie wird im allgemeinen durch je 5 bis 10 Fein- und Rauhschichten aufgebaut.

Der Aufbau der Form über die gapze Wandstärke kann, wie bereits erwähnt, vollständig aus Graphit oder in den äußeren Schichten zum Teil aus keramischem Material oder in der Außenzone überhaupt aus Keramikmaterial erfolgen. In diesem Fall dienen als keramisches Material für die Feinschicht kolloidale Kieselsäure mit Zirkon und für die Rauhschicht Zirkon oder Korund, z. B. Aluminiumoxid - 1,3 mm, davon < 10% < 0,3 mm.

Die erfindungsgemäß hergestellte Form kann nun zum Abguß von reaktionsfähigen, warmfesten und schwer zu vergießenden Metallen wie Titan, Zirkonium, Silicium oder Tantal verwendet werden. Es ist häufig zweckmäßig, die Form vorzuwärmen. Wird nur auf unter 43O⁰C vorgewärmt, so braucht hier noch keine reduzierende oder inerte Atmosphäre zu herrschen. Wird jedoch auf höhere Temperatur vorgeheizt, so ist entweder Vakuum oder Schutzgas, zumindest jedoch nichtoxidierende Atmosphäre zu gewährleisten. In der Praxis wird häufig Argon, Stickstoff oder Kohlenoxid als Schutzgas angewandt.

Der Abguß erfolgt im allgemeinen im Vakuum, ebenso auch die Abkühlung in der Form bis auf eine Temperatur unter 430⁰C. Manchmal erscheint es auch zweckmäßig, zur schnelleren Erfüllung der

ίο Form das Schleudergießverfahren entsprechend abgewandelt anzuwenden.

Die erfindungsgemäßen Formen zeichnen sich durch besondere Temperaturbeständigkeit, hohe Maßhaltigkeit und gute Festigkeit, Abriebfestigkeit und Erosionsbeständigkeit gegenüber der Metallschmelze aus. Es kommt zu keinem Reißen der Form bei der . Abkühlung, die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmedurchgang der Form liegen sehr günstig, der Gießling kann während der ganzen Zeit, in der er in der Form ist, nicht oxidieren.

Sobald der Gießling auf eine Temperatur gekühlt ist, wo keine Oxydation mehr befürchtet werden muß, kann in üblicher Weise ausgeformt werden. Die Oberflächengüte des Gießlings ist hervorragend, es kommt zu keinem Anschweißen oder zu einer rauhen Oberfläche infolge Unebenheiten der Form.

Im folgenden werden einige Beispiele für die verschiedenen erfindungsgemäß angewandten Massen gegeben.

Masse für die Feinschicht:

1. 2,77 Gewichtsprozent kolloidaler Graphit mit 22% Feststoff in Wasser, 37,8% Graphitpulver, Körnung unter 74 μΐη, 0,174 Gewichtsprozent Tragantgummi als Emulator, 0,003 Gewichtsprozent Natriumheptadecylsulfat als anionisches Netzmittel,

2. 5 kg Wasser, 4 kg 22%ige Dispersion von kolloidalem Graphit, 40 kg Zirkoniumoxid < 44 μΐη und 250 cm³ Natriumheptadecylsulfat.

Graphitgranulat für die Rauhschicht:

1. 62% über 0,208 mm, 29% 0,147 bis 0,208 mm, 7% 0,104 bis 0,147 mm, 1 % 0,074 bis

0,104 mm und 1 % unter 0,074 mm.

Ein solches Granulat ist als Graphitpulver mit einer Körnung 0,1 bis 0,4 mm zu bezeichnen.

2. 1% über 2,362 mm, 14% 1,651 bis 2,362mm, 65% 0,833 bis 1,651 mm, 18% 0,417 bis

0,833 mm, 1% 0,208 bis 0,417 mm, 1% unter 0,208 mm.

Ein solches Granulat kann als Graphitgrieß mit einer Körnung zwischen 0,4 und 2,36 mm bezeichnet werden.

Als keramische Masse für die Feinschicht kann man eine Aufschlämmung von 8 1 kolloidaler Kieselsäure, 30%, spezifisches Gewicht 1,98, 74,8 kg Zirkon mit einer Körnung 99% < etwa 0,1 mm, 6,15 1 Wasser, 110 g Natriumfluorid verwenden.

Wie erwähnt, kann man nach Brennen der Form diese noch mit einer Aufschlämmung von kolloidalem Graphit imprägnieren. Dazu wird ein Graphit mit einer Teilchengröße < 1 mm angewandt. Man kann mehrmals Tauchen bis zur Erreichung der angestrebten Imprägnierung. Zweckmäßigerweise wird nach jedem Tauchvorgang getrocknet. Im allgemeinen erreicht die Imprägnierung nach 1 bis 10 Tau-

chungen eine weitgehende Abdichtung und Glättung der Innenfläche der Form. Nach mehreren Tauchungen, insbesondere nach Erreichung der angestrebten Imprägnierung, ist es häufig zweckmäßig, die Form nochmals zu brennen, und zwar in inerter oder reduzierender Atmosphäre zwischen 427 und 1207⁰C während etwa 15 bis 120 Minuten. Die so erhaltenen Formen sind so hart und dicht, daß sie einen Metallklang zeigen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Formen nach dem Wachsausschmelzverfahren durch abwechselndes Aufbringen von Fein- und Rauhschichten aus Graphit und gegebenenfalls im äußeren Wandbereich aus keramischem Material auf ein Modell, Entfernen des Modells und Brennen der Form, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Feinschichten bindend wirkenden kolloidalen Graphit verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Brennen die Form, insbesondere die inneren Wandbereiche der Form, mit kolloidalem Graphit imprägniert und gegebenenfalls nochmals brennt.

3. Tauchmasse für die Feinschicht zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt an kolloidalem Graphit, Körnung < Ιμΐη und gegebenenfalls halbkolloidalem Graphit mit einer Körnung 1 bis 20 μΐη.

4. Tauchmasse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des kolloidalen Graphits zwischen 0,5 und 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 3 Gewichtsprozent, beträgt.

5. Tauchmasse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise bis 30 Gewichtsprozent, des kolloidalen Graphits ersetzt sind durch den halbkolloidalen Graphit.