DE1909165B2

DE1909165B2 - Verfahren zur herstellung poroeser metallformen

Info

Publication number: DE1909165B2
Application number: DE19691909165
Authority: DE
Inventors: Kunn Nagano Nakata (Japan)
Original assignee: Nishizawa, Gonichiro, Nagano (Japan)
Priority date: 1968-02-26
Filing date: 1969-02-24
Publication date: 1973-06-28
Also published as: US3605855A; DE1909165C3; DE1909165A1; GB1219379A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung poröser Metallformen, wobei ein durch Mischen und Kneten eines Metallpulvers und Natriumsilikat mit Metallteilchen als Hauptbestandteil hergestelltes Material auf einem in einem Formkasten gesetzten Modell geformt und verfestigt wird.

Aus der deutschen Patentschrift 608 751 sowie der britischen Patentschrift 866 372 ist es bereits bekannt, beim Herstellen poröser Metallformen ein durch Mischen und Kneten eines Metallpulvers und Natriumsilikat mit Metallteilchen als Hauptbestandteil hergestelltes Material auf einem in einem Formkasten gesetzten Modell zu formen und zu verfestigen, so daß eine hauptsächlich aus MetalHeilchen bestehende Form gebildet wird. Hierbei werden dem Ausgangsgemisch zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit jedoch Natriumsilikatanteile von etwa 10 ⁰Zo oder höher zugesetzt. Ferner ist es aus den deutschen Patentschriften 722 114, 888 602 sowie der deutschen Auslegeschrift 1182 780 bekannt, gespritzte, gegossene oder galvanisch niedergeschlagene Metallschalenformen mit flüssigen Metallen zu hinterfüllen. Hierbei wird dieses Hinterfüllen teilweise mit nicht zu hoch schmelzenden Metallen oder Metallegierungen durchgeführt, oder es muß ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als demjenigen des Schalenmaterials verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung billiger und genauer Metallformen, wobei dieses Verfahren billig durchzuführen sein und keinen erheblichen Zeitaufwand erfordern soll.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung poröser Melallform, wobei ein durch Mischen und Kneten eines Metallpulvers und Natriumsilikat mit Metallteilchen als Hauptbestandteil hergestelltes Material auf einem in einem Formkasten gesetzten Modell geformt und verfestigt wird, zeichnet sich dadurch aus, daß man einen Mischungsanteil von Natriumsilikat von weniger als 3 Gewichtsprozent verwendet und nach Bildung einer Schale das Modell entfernt und die Schale mit geschmolzenem Metall hinterfülh.

Das zu Hinterfüllen verwendete Metall erhitzt die

ίο Schale aus Metallteilchen, so daß diese Teilchen zuzammengelc'et und verbunden werden. Es wird nach seiner Verfestigung zu einem Stützmetall und trägt jomit wesentlich zur Verhinderung der Verformung der Schale aus Metallteilchen, der Erhöhung ihrer Lebensdauer und der Regelung der thermischen Leitfähigkeit bei. Das Material und die Gießcemperatur des geschmolzenen Metalls müssen unter Berücksichtigung der Dicke der Schale sowie der Art der Metailteilchen und des Metallpulvers bestimmt werden. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Metallteilchen sind gewöhnlicherweise Stahl-, legierte Stahl- oder Gußeisenteilchen. Es wird jedoch im allgemeinen ein hochkohlenstoffhaltiges Gußeisen bevorzugt.

Das Metallpulver ist vorzugsweise ein gemischtes Pulver mit Gehalten an Kupfer- und Kupferlegierungspulver oder Nickellegierungspulver. Um die Lötwirkung der Metallteilchen zu erleichtern, können die zu verwendenden Metallteilchen an der Oberfläche mit einem leicht zu lötenden Metall beschichtet sein. Bei dem erfmdungsgemäßen Verfahren verbinden sich die Schale und das geschmolzene Metall zu einem Stück in Form einer Metallform, welche durch die Lötwirkung des gemischten Metallpulvers fest verbunden und porös ist.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird nach dem Entfernen des Modells und vor dem Hinterfüllen ein exothermes Mittel auf den Teil der Schale aufgebracht, von welchem das Modell entfernt worden ist. Auf diese Weise wird wegen der Haftung durch die Lötwirkung und des Eindringens des geschmolzenen Metalls zwischen die Metallteilchen sowie durch das Zusammenwirken der Erhitzung durch das zum Hinterfüllen verwendete, geschmolzene Metall, welches nach späterer Verfestigung zu einem Stützmetall wird, und durch die Zündung und das Verbrennen des exothermen Mitteis fine fester verbundene, poröse Metallform erhalten. Das in der Erfindung zu verwendende exotherme Mittel is; eine aluminothermische Reaktionsmasse beliebiger Zusammensetzung, jedoch unter der Voraussetzung, daß diese während des Vorwärmens der Schale aus Metallteilchen nicht zündet, aber leicht bei derTemperatur des geschmolzenen Hinterfüllmaterials abbrennt. Die verwendete Menge solch eines exothermen Mittels kann so bemessen sein, daß die unzureichende Wärmemenge im Fall des Erhitzens der Schale aus Metallteilchen mit dem geschmolzenen Hinterfüllmaterial ausgeglichen wird. Sie kann etwa 1 g/cm² der Schale betragen.

Die Größe der Metallteilchen beträgt 0,1 bis 1.5 mm. Der Mischungsanteil des beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Natriumsilikats beträgt, unabhängig von dem Molverhältnis SiO₂/Na,,O,

weniger als 3 Gewichtsprozent und muß in Abhängigkeit von den Mischungsanteilen der Metallteilchen und solch anderer Zusätze, wie sie im folgenden erwähnt werden, in einem Bereich unter 3 Gewichts-

prozent erhöht oder erniedrigt werden. Natriumsilikat hat die Wirkung eines Flußmittels, welches unter hohen Temperaturen schmilzt, um die Lötverbindung der aus Metallteilchen bestehenden Schale zu erleichtern.

Um weiter die Lötverbindung der Metallteilchen _zu vervollkommnen, können sie vorzugsweise mit Flußmitteln, wie Borsäure oder Borax, gemischt oder bestrichen werden.

Es kann voneilhaft sein, den Raum, der nach dem Entfernen des Modells verbleibt, mit einem Stützsand auszufüllen, um die Schale beim Hinterfüllen mit dem geschmolzenen Metall abzustützen. Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verwendende Stützsand kann gewöhnlicher Formsand sein. Wenn jedoch ein Schalenformsand mit hoher Fließfähigkeit verwendet wird, ergeben sich Vorteile, indem beim Einließen eines geschmolzenen Metalls reduzierendes CO-Η as erzeugt wird, das die Oxydation der aus Metallu'üi-'hen bestehenden Schale verhindert und das ao Verlöten der Metallteilchen erleichtert.

Ims erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, hierin sind

F i c. 1 bis 5 eine Herstellungsfolge einer Metallform ohne Verwendung eines exothermen Mittels,

F 1 ■■!. 6 bis 8 eine Herstellungsfolge einer Metallfonv. entsprechend den Fig. 2 bis 4 unter Verwendung eines exothermen Mittels,

F i .ι. 9 eine mikroskopische Fotografie eines Gefüt:e'·. welches den gebundenen Zustand der Metall- 3= tei^'-^n in dem Querschnitt einer erfindungsgemä!.' herstellten Metallform wiedergibt.

Beispiele der erfindungsgemäßen Herstellung von Me'al'iormen werden im folgenden beschrieben. Die Aniv.ben in den Beispielen sind Gewichtsteile bzw. Gewichtsprozent.

Beispiel 1

Wie in F»g. 1 dargestellt ist ein Modell 2 auf einer Modellplatte 3 angeordnet und weiter ein Formkästen 4 mit einer Sandauskleidung 5 auf der Modellplatte 3 aufgestellt, um das Modell 2 einzuschließen.

Dann wird ein durch Mischen und Kneten von 100 Teilen Stahlteilchen von 0,20 bis 0,15 mm, 3 Teilen Kupferpulver von weniger als 10 Mikron und 3 Teilen Natriumsilicat (Molverhältnis 2,7) hergestelltes Material in 10 mm Stärke auf dem Modell geformt, welches bestrichen ist mit einer Vinylfarbe als einer Trennmasse. Das geformte Material wird unter Verwendung eines CO.,-Gases oder Alkohols verfestigt, um eine Schale 1 aus Metallteilcheri zu bilden. Dann wird das Modell 2 herausgezogen (wie in Fig. 2 dargestellt) und die Schale allmählich mit einem Brenner, wobei Wasser entfernt wird, bis auf etwa 300" C erhitzt. Nach dem Erhitzen wird der Formkasten 4, welcher die Schale aus Metallteilchen enthält, um 180° gedreht, ein anderer Formkasten 7, wie in Fig, 3 dargestellt, aufgesetzt und der Teil, aus welchem das Metall 2 entfernt worden ist, und der Raum, welcher durch den Formkasten 7 gebildet wird, mit einem Stützsand 6 gefüllt.

Anschließend wird die aus den Formkästen 4 und 7, die, wie vorstehend beschrieben, mit dem Stützsand 6 angefüllt -yurden, bestehende Anordnung gedreht und ein geschmolzenes Metall 8 in den Raum eingegossen, der durch die Rückseite der Schale aus Metallteilchen und dt; Sandauskleidung 5 gebildet wird.

Solch ein Zustand ist in Fig. 4 wiedergegeben. Nachdem das eingegossene geschmolzene Metall, z.B. geschmolzenes Gußeisen8 von 1500^: C. sich verfestigt hat, werden die Formkästen 4 und 7. die Sandauskleidung 5 und der Stützsand 6 entfernt, um eine hinterfüllte Metallform 9 fertigzustellen, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß folgende Materialien gemischt, geknetet und dann geformt wurden, um eine Schale zu erhalten.

Nickel-Chrom-Stahl-Teilchen von 0.43
bis 0.20 mm (C 0.35⁰Zo. Ni 3.0⁰O, Cr
0,6⁰O. Rest Fe) 100 Teile

Messingpulver von unter 10 Mikron

(Cu fiO°/o, Zn 40°/o) 7 Teile

Natrii-iiisilicat (Molverhältnis 2.7) 2 Teile

Es wurde eine hinterfüllte ^.^hale aus verlöteten Nickel-Chrom-Stahl-Teilchen erhallen.

Beispiel 3

Fegende Materialien wurden gemischt, geknetet und dann geformt, um eine Schale, wie im Beispiel 1 beschrieben, zu erhalten.

Weichstahlteilchen von 0.43 bis 0 20 mm

(Kohlenstoffgehalt 0.2° 0) 100 Teile

Selbstfließendes NickellegierungspuKer
von unter 10 Mikron (Ni 72* 0, Cr
12°o, B 2,S⁰O. Si 4.0« 0. Fe 3.5°.....
Co < 1 ° 0, COJ⁰O. Schmelzpunkt
1040-C) 10 Teile

Natriumsilicat (Molverhältnis 2.7) 2.2 Teile

Die Vonvärmtemperatur der Schal", betrug 450 C und die Temperatur des zu vergießenden geschmolzenen Gußeisens 1470 C. Es wurde eine verlötete und verbundene Metallform in Form einer hinterfüllten Schale erhalten.

Beispiel 4

Die folgenden Materialien wurden gemischt, geknetet und dann, wie im Beispiel 1 beschrieben, zu einer Schale geformt.

Gußeisenteilchen von 0.43 bis Ü.25 mm

(C 2,8° 0. Si 1.5°/o) 100 Teile

Messingpulver von unter 10 Mikron

(Cu 60"/o, Zn 4Ο·"ο) 7 Teile

Natriumsilicat (Molverhältnis 2,7) 2 Teile

Die Vorwän.itemperatur der Schaie betrug 200^c C und die Temperatur des geschmolzenen zu vergießenden Gußeisens 1400 C. Das Gießen erfolgte unter Argonatrnosphäre. Es wurde eine verlötete und verbundene hinterfüllte Metallform erhalten.

Im folgenden werden weitere Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Metallformen, aber unter Verwendung eines exothermen Mittels, beschrieben.

Beispiel 5

Ein durch Mischen und Kneten von 5 Gewichtsprozent Kupferpulver und 2 Gewichtsprozent Natriumsilicat mit hoch kohlenstoffhaltigen Stahlteilchen mit einer Größe von etwa 0,49 mm als Hauptbestand-

5 6

teil hergestelltes Material wurde in 10 mm Stärke, Auf diese Weise wurden die Oberflächen der

wie in F i g. 1 dargestellt, auf einem Modell 2 geformt. niedrigkohlenstoffhaltigen Stahlteilchen mit der selbst-

Methanol (ein Kohlendioxydgas oder Alkohol können schmelzenden Nickellegierung bedeckt, und das duk-

auch verwendet werden) wird in das geformte Ma- tile Gußeisen drang in die Hohlräume zwischen den

terial einsickern gelassen, um zum Erhalt einer 5 Stahlteilchen ein. wodurch eine fest verbundene

Schale 1 aus Metallteilchen ein Natriumsilicatgel zu hinterfiillte Metallform erhalten wurde, bilden. Dann wird, nachdem das Modell 2 entfernt

worden ist, wie in Fig. 6 dargestellt, ein exothermes Beispiel 7 Mittel 10 mit einer bestimmten Stärke auf die Oberfläche 11 der Schale aus Metallteilchen aufgetragen. io Die folgenden Materialien wurden gemischt, ge-Nachdem das exotherme Mittel 10 aufgebracht worden knetet und dann zu einer Schale, wie im Beispiel 5 ist, wird die Schale vorgewärmt, um ein Abschrecken beschrieben, geformt, des später eingegossenen geschmolzenen Metalls 8 zu Nickel-Chrom-Stahlteilchen von 0.43 bis verhindern. .,,.«.,. 0,20 mm (C 0,32·/., Ni 3.0·/., Cr 6·/.,

Das Vorwärmen kann mit solchen Mitteln wie 15 Rest Fe) 100 Teile

einem Wärmeofen oder einem Oasbrenner erfolgen. Neusilberpulver von unter Ίο Mikron'

Die Vorwärmung wird jedoch vorzugsweise nut Hilfe _(Cu ^,^ _Nj ,₈,_{/>t Zn lg%) 5 TeHe}

eines Wärmeofens durchgeführt. Die bevorzugte Vor- Natriumsilicat (Molverhältnis 2,7) 1,7 Teil«

Wärmtemperatur beträgt etwa 250° C.

Der Formkasten 4, welcher die Schale aus Metall- ** Dte Anwendung eines exothermen Mittels erfolgte teilchen enthält und wie vorstehend beschrieben be- wie im Beispiel 5 beschrieben. Die Vorwärmtempehandelt worden ist, und das exotherme Mittel 10 ratur der Schale betrug 250° C. Als geschmolzenes werden um 180 gedreht, ein anderer Formkasten? Metall wurde ein duktiles Gußeisen mit 3,3·/. Kohlenwird wie in Fig. 7 dargestellt angeordnet, und der stoff und 1.8«. Silicium bei 1430°C verwendet Das Teil, von welchem das Modell 2 entfernt worden ist. 45 exotherme Mittel wurde 13 Sekunden, nachdem das und der Raum, welcher von dem Formkasten 7 ge- geschmolzene duktile Gußeisen eingegossen worden bildet wird, werden mit Stützsand 6 angefüllt. war, gezündet und verbrannt.

Wenn die in obiger Weise gebildete Anordnung Das duktile Gußeisen drang in die Hohlräume zwi-

wieder gedreht und, wie in F i g. 8 dargestellt, ein ge· sehen den Nickel-Chrom-Stahlteilchen ein, wodurch

schmoizencs rvieiaii 8 in den durch die Rückseite der 30 eine fest verbundene HinterfüHte Metallform erhalten

Schale 1 und der Sandauskleidung 5 gebildeten Raum wurde.

eingegossen wird, erhitzt sich die Schale 1 schnell, so Die hinterfiillte Metallform, weiche unter Ver-

daß das exotherme Mittel 10 auf der Oberfläche 11 wendung eines exothermen Mittels erhalten wurde,

der Schale zündet und verbrennt wodurch die ist in der Bindung zwischen den Metallteilchen fester,

Schale 1 schnell von beiden Seiten auf eine hohe 35 weist keine derartigen Fehler wie Rißbildung und Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre er- Herausfallen der Teilchen auf und hat eine hohe

hitzt wird. Das geschmolzene Metall 8 wird daher Lebensdauer.

leicht in die Zwischenräume zwischen den Metall· Fig.9 ist eine vergrößerte Fotografie eines Geteilchen der Schale 1 eindringen, wodurch die ent- füges, das den verbundenen Zustand der Metallsprechenden Metallteilchen fest miteinander ver- 4* teilchen im Querschnitt einer Metallform zeigt Diese bunden werden und eine hinterfüllte Metallform 9, Form wurde durch Gießen geschmolzenen Gußeisens wie in Fig. S dargestellt, fertiggestellt wird. mit einer Zusammensetzung von 3,6*/. Kohlenstoff.

2,2· · Silicium, 0,5«/· Mangan, 0,15·/· Phosphor und

Beispiel 6 0,07·/· Schwefel in eine aus einem durch Mischen

45 von 5·/· Kupferpulver und 2·/· Natriumsilicat mit

Die folgenden Materialien wurden gemischt, ge- hochkohlenstoffhaltigen Stahlteilchen mit einem

knetet und dann zu einer Schale, wie im Beispiel 5 Kohlenstoffgehalt von 1.0· · hergestellten Material

beschrieben, geformt gebildete Schale aus Metallteilchen, die durch das

NiedrigkohtenstoflhaltigeStalilteOcliea ^ASiJ!? ^""^Tf¹ OJ^eiß verlötei wm OMm»!»«Ha flCöoteftaeff- ** ⁰^¹ «A™«*«* wurden, eAalten. Dieses F»to zeigi

Shallι 0 2·Μ löffle»*«»- ^ _eineo ^amad, in welchem das vermischte Kupfer

rWhld'Nikni^'i: SS^fT^/^?Α^ ? T* S *?

p SerWhmelzendesNickenegienMg^ui: SS^fT^/^?Α^ ? T* S *?

rWhmelzendesNickenegienMg^ui: SSnfi^fT^/^?Α^ ? T S ?

ver von weniger als 10 Mikron Metansberzug b auf der Oberfläche: der^Metall-

(Ni 72·/., Cr I2C B 2,8·/., Si 4,0·/., ÄÜT", ^*ΪΛ ^· ""ί ^ ^Metf^teüchen

Fe 3,5·/Γ CoI^C 0,5·/.: Sehmeb- ^{M do}S* ¹^³¹ Jf⁰**"¹* miteinander verbunden.

punkt 1040⁰C) 3 Teile Bean Vergleich einer nach dem ertmdtmgsgemäßen

Natriumsilicat(Mohüiiä&Ä 2,7)'.'.'.'.'.". UTeile ^^^!^^^ Metallform und einer dttrch

^x übliches Metallgießen erhaltenen Metallform durch

Die Anwendung eines exothermen Mittels erfolgte Gießversuche wurde festgestellt, daß die MetaTIforni

wie im Beispiel 5 beschrieben. Die Vorwänntempera- 60 nach der Erfindung sogar in 300 kontinuierlichen

tür der Schale betrug 300⁰C. Als geschmolzenes Einsätzen keine Rißbfldung zeigt, daß aber die

Metall wurde ein duktiles Gußeisen mit 3,5·/· Kohlen- Metallform, die nach dem üblichen Verfahren her-

stoff und 23·/· Silicium bei 1430° C verwendet Das gestellt worden ist, schon nach 10 Einsätzen Risse

exotherme Mittel wurde 10 Sekunden, nachdem das aufweist Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

geschmolzene duktile Gußeisen eingegossen worden 65 hergestellte Metallform besitzt daher eine hohe

war, gezündet und verbrannt Lebensdauer.

Hierzu 1 Jöiatt zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung poröser Metallformen, wobei ein durch Mischen und Kneten eines Metallpulvers und Natriumsilikat mit Mctallteilchen als Hauptbestandteil hergestelltes Material auf einem in einem Formkasten gesetzten Modell geformt und verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Mischungsanteil von Natriumsilikat von weniger als 3 Gewichtsprozent verwendet und nach Bildung einer Schale das Modell entfernt und die Schale mit geschmolzenem Metall hinterfülh.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallteilchen mit Flußmitteln lischt oder bestreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Entfernen des Modells und vor dem Hinterfüllen ein exothermes Mittel auf den Teil der Schale aufbrät, von .velchem das Modell entfe; :t worden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß man Teilchen aus Stahl. Stahllegierungen oder Gußeisen als Metallteilchen verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Pulver aus Kupfer, Kupferlegierungen oder Nickellegierungen als Metallpul .er verwendet.