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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese Erfindung bezieht sich auf
einen Vollformprozess zum Herstellen von Aluminiumgussstücken und
insbesondere auf ein Beschichten des Vollformmodells mit einer hitzebeständigen Beschichtung,
die vom Aluminiumgussstück
leicht entfernbar ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das "Vollformverfahren" oder Gießverfahren mit verlorenem Schaummodell
ist in der Technik gut bekannt und weist prinzipiell die Schritte
auf: (1) Vorbereiten (z. B. Formen) eines Modells aus einem flüchtigen Material
wie z. B. expandiertem Polystyrol [EPS]; (2) Beschichten des Modells
mit einer hitzebeständigen
Beschichtung (d. h. etwa 0,25 mm bis etwa 1,5 mm dick), um das Modell
zu versteifen, eine Grenzschicht zwischen der Oberfläche des
Modells und dem Sand zu schaffen und die Metallfüllrate zu steuern; (3) Trocknen der
Beschichtung; (4) Umhüllen
des Modells in einem Bett aus nicht gebundenem Sand, um eine Form
um das Modell zu schaffen; (5) Gießen von geschmolzenem Aluminium
in die Form, um das Modell zu verdampfen und ein Gussstück zu schaffen,
das die Gestalt des Modells nachbildet; und (6) Entfernen des Sandes
vom und aus dem Gussstück.
Je nach der verwendeten bestimmten Aluminiumlegierung und der gewünschten endgültigen Mikrostruktur
kann das Gussstück
im Verlauf einer Wärmebehandlung
nach einem Guss in Wasser abgeschreckt werden oder nicht. A319-Aluminiumlegierungen
beispielsweise werden im Verlauf einer T-S-Wärmebehandlung häufig in
Wasser abge schreckt, um ihre maschinelle Bearbeitbarkeit und Maßhaltigkeit zu
verbessern.
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Beschichtungen von EPS-Modellen umfassen
typischerweise Schlämme
bzw. Breie auf Wasserbasis (d. h. etwa 45–70 Gew.-% Feststoffe) einschließlich verschiedener
Kombinationen von (1) hitzebeständigen Stoffen
wie z. B. Silica, Aluminiumoxid, Chromat, Mica, Zirkon, Quarz, Olivin,
Aluminosilicate oder hohle Mikroglaskugeln, (2) Bindemitteln wie
z. B. Lehm und verschiedene Polymere, (3) grenzflächenaktiven
Stoffen, (4) thixotropen Mitteln und (5) Dispergiermitteln. Auf
trockner Basis umfassen die Beschichtungen etwa 80 Gew.-% bis etwa
98 Gew.-% hitzebeständige
Stoffe, etwa 0,5–18
Gew.-% Bindemittel und etwa 2 Gew.-% grenzflächenaktive Stoffe/Dispergierstoffe
und thixotrope Mittel. Die Permeabilität der Beschichtung wird durch die
Größe und Form
der hitzebeständigen
Partikel gesteuert und dient dazu, die Rate zu steuern, mit der
flüssige
und gasförmige
Pyrolyseprodukte in den Sand entweichen, was wiederum die Rate steuert,
mit der das Aluminium in die Form eindringt. Die Beschichtungen
werden am üblichsten
aufgetragen, indem das Modell in diese getaucht wird, können aber
auch auf das Modell gesprüht,
gebürstet
oder gepumpt werden. Obgleich Wasser der üblichste Träger für die hitzebeständigen Stoffe
ist, können
auch andere Träger
verwendet werden, die mit dem Modell kompatibel (z. B. nicht löslich) sind.
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Unglücklicherweise haftet die hitzebeständige Beschichtung,
die auf das Vollformmodell aufgetragen wird, an der Oberfläche des
Aluminiumgussstücks
und ist schwer, zeitraubend und teuer zu entfernen. Dies ist insbesondere
der Fall, wenn die Beschichtung aus den inneren Kanälen komplizierter
Gussstücke
wie z. B. Verbrennungsmotorblöcken
oder -köpfen entfernt
werden muss. Einige bekannte Techniken zum Entfernen zumindest eines
Teils der Beschichtung beinhalten (1) thermische Schockbehandlung
der Beschichtung, indem das heiße
Gussstück
unmittelbar nach einem Guß in
Wasser getaucht wird, (2) Strahlen des Gussstückes (z. B. mit einem Kunststoff-
oder Keramikstrahlmittel), (3) Schrubben des Gussstücks in einem
umgerührten
wässrigen
Brei mit abrasiven Partikeln, (4) Abklopfen des Gussstücks mit
einem Hammer (oder mehreren Hämmern),
(5) Eintauchen des Gussstücks
in ein mit Ultraschall umgerührtes
Wasserbad, (6) Abstrahlen des Gussstücks mit einem Wasser- oder Dampfstrahl
und (7) Tauchen des Gussstücks
in ein Bad aus geschmolzenem Salz.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist ein
einfacher Prozess zum leichten und wirtschaftlichen Entfernen einer beliebigen
hitzebeständigen
Beschichtung eines Modells, die nach der Entfernung des Sandes an
einem Vollformgussstück
aus Aluminium haftet. Die Erfindung ist insbesondere dadurch vorteilhaft,
dass sie eine Entfernung der Beschichtung in Bereichen des Gussstücks (z.
B. interne Kanäle)
gestattet, die für
herkömmliche
mechanische Mittel zum Entfernen der Beschichtung unzugänglich sind.
Die Erfindung behandelt ein Beschichten des Vollformmodells mit
einer hitzebeständigen
Beschichtung, die eine sauervergasbare Verbindung enthält, die
bei der Gießtemperatur
thermisch stabil ist (d. h. sich nicht zersetzen wird), und nach
einem Guss die Herstellung eines Kontaktes (z. B. Tauchen, Sprühen etc.)
des beschichteten Gussstücks
mit einer anorganischen oder organischen sauren Spüllösung, um
die Verbindung in eine Unmenge von Gasblasen zu dissoziieren, die sprudeln
und die Beschich tung aufbrechen, um ihre Entfernung zu erleichtern.
Die thermisch stabile sauervergasbare Verbindung wird vorzugsweise
ein anorganisches Carbonat, hier eher vorzugsweise ein Alkalimetallcarbonat
(d. h. Calcium-, Natrium-, Kalium- und Lithiumcarbonat) und am meisten
bevorzugt Calciumcarbonat aufweisen. Solche Carbonate sind billig
und bilden mit dem Anion der Säure
lösliche
Nebenprodukte, was eine Entfernung vom Gussstück weiter erleichtert. Die
am meisten bevorzugte Verbindung ist Calciumcarbonat, das im Träger für den hitzebeständigen Stoff
unlöslich
ist und sich als Feststoff direkt aus dem Brei auf das Modell ablagert.
Das Calciumcarbonat wird auf einer trockenen Basis vorzugsweise
in Konzentrationen von etwa 20 Gew.-% in der Beschichtung verwendet.
Die Partikelgröße des Calciumcarbonats
kann somit gesteuert und als Mittel verwendet werden, um die Geschwindigkeit/Aggressivität der Reaktion
zu steuern. Calciumcarbonat wird vorzugsweise eine Partikelgröße von weniger
als etwa 5 μm
aufweisen, um eine große
Reaktionsoberfläche
für eine
sehr aggressive Reaktion zu schaffen. Lösliche Carbonate wie z. B.
Natrium-, Kalium- und Lithiumcarbonat können ebenfalls verwendet werden,
obgleich zumindest einige dieser Carbonate sich im Wasserträger für den hitzebeständigen Stoff
zersetzen werden. Die löslichen
Carbonate werden aus dem Träger ausfällen, wenn
die Beschichtung getrocknet wird.
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Das Gussstück wird vorzugsweise in ein
Bad der Säure
eingetaucht. In einer Ausführungsform
dient die Säurebehandlung
zu dem alleinigen Zweck, die Beschichtung zu entfernen, und die
Behandlung kann vorgenommen werden, während das Gussstück entweder
heiß oder
kalt ist. In einer anderen Ausführungsform, d.
h. bei der das Gussstück
ohnehin als Teil eines Wärmebehandlungsvorgangs
abgeschreckt werden muss, wird das Abschreckmittel (z. B. Wasser)
gesäuert,
so dass eine Entfernung der Beschichtung zu der gleichen Zeit erreicht
wird, zu der das heiße
Gussstück
gerade abgeschreckt wird.
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Praktisch jede beliebige Säure kann
verwendet werden, solange sie nicht die Oberfläche des Gussstücks angreift,
und kann schwache Säuren
wie z. B. Essigsäure
oder verdünnte
starke Säuren
wie z. B. inter alia Phosphor- oder
Salzsäure
einschließen.
Verdünnte
Phosphorsäure
wird bevorzugt, da sie für
die umgebende Anlage weniger zersetzend als viele andere Säuren und
dennoch beim Entfernen der Beschichtung genauso effektiv ist. Eine
Dissoziation der vergasbaren Verbindung ist mit den stärkeren Säuren schneller
als mit den schwächeren
Säuren.
Die Säure
wird für
eine schnelle Dissoziation der Verbindung und ein aggressiveres Aufbrechen
der Beschichtung vorzugsweise einen pH von weniger als etwa 2,5
aufweisen.
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BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die Erfindung wird besser verstanden,
wenn sie im Licht der folgenden ausführlichen Beschreibung gewisser
Gesichtspunkte davon betrachtet wird, die im folgenden in Verbindung
mit dem bevorzugten vergasbaren Zusatzstoff CaCO3 geliefert
wird.
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Die hitzebeständigen Beschichtungen der vorliegenden
Erfindung werden vorzugsweise etwa 15% bis etwa 25% Trockengewicht
Calciumcarbonat aufweisen. Unterhalb etwa 15% gibt es zu wenig Carbonat
für eine
schnelle effektive Entfernung der Beschichtung. Oberhalb etwa 25
Gew.-% werden keine signifikanten zusätzlichen Vorteile beobachtet,
und eine nicht erwünschte
Verdrängung
der hitzebeständigen
Komponente der Beschichtung findet statt. Die genaue Konzentration
der vergasbaren Verbindung in der Beschichtung für eine beliebige gegebene Situation
hängt davon
ab, welche Verbindung, welche Säure
und welche Säurekonzentration
verwendet wird, und kann durch Routineexperimente bestimmt werden.
Das gleiche gilt für
die Konzentration der Säure,
die, wie Tests gezeigt haben, von konzentriert bis sehr verdünnt (wie
z. B. 100 Teile Wasser auf 1 Teil Säure) variieren kann.
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Es wurden mehrere Tests durchgeführt, um
verschiedene Gesichtspunkte der Erfindung zu demonstrieren. Drahtsiebe
mit Siebweite 100 wurden in Testscheiben mit einem Durchmesser von
6,5 cm (2 und 9/16 Inch) geschnitten. Die Scheiben wurden (1) in
mehrere verschiedene Beschichtungsbreie getaucht, (2) 90 Minuten
lang bei 93°C
(200°F)
getrocknet und (3) gewogen. Die Breie wiesen handelsübliche Beschichtungen auf
Mica-Basis von den
Unternehmen Borden und Ashland (1) ohne einen Zusatz von Calciumcarbonat
und (2) mit dem Zusatz von gemahlenem Kalkstein (z. B. Calciumcarbonat)
auf, der eine geringe Menge (d. h. etwa 1,5 ± %) Magnesiumcarbonat enthielt.
In einer Reihe von Tests enthielten die getrockneten Beschichtungen
20 Gew.-% Kalkstein. In anderen Tests wurden verschiedene Kalksteinkonzentrationen
verwendet. Einige der getrockneten Proben wurden ebenfalls 30 Minuten
lang bei 500°C
(932°F)
gebrannt, um die thermischen Bedingungen zu simulieren, die während eines
Aluminiumgusses erfahren werden, und wieder gewogen. Die Permeabilität der gebrannten
und nicht gebrannten, mit einer Beschichtung mit 20% CaCO3 beschichteten Siebe wurde dann unter Verwendung
eines elektrischen oder Schwimmertrommelperimeters einer herkömmlichen Gießerei gemessen,
wie z. B. in "Innovations
in Controlling the Lost Foam",
Modern Casting, Januar 1996, beschrieben ist. Tabelle I zeigt die
Ergeb nisse jener Tests, nämlich
dass bei 20 Gew.-% Calciumearbonat enthaltenden Beschichtungen die
Permeabilitäten
zwischen den gebrannten und nicht gebrannten Proben unverändert sind.
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TABELLE
I
Permeabilität
von Sieben (in AFS-Permeabilitätseinheiten)
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Proben der gleichen, 20% CaCO3 haltigen beschichteten Siebe wurden dann
0,5 bis 1 Minute lang in verschiedene Waschlösungen getaucht, getrocknet
und gewogen. In den Proben mit den CaCO3 haltigen
Beschichtungen trat eine heftige Blasenbildung auf, die die Unversehrtheit
der Beschichtung aufbrach. Tabelle II zeigt die Ergebnisse eines
solchen Tests, und konkret dass auf der Basis des prozentualen Anteils
der entfernten ursprünglichen
Beschichtung eine 20 Gew.-% Calciumcarbonat enthaltende Beschichtung
18-mal effektiver entfernt wurde, wenn sie in eine verdünnte Waschlösung mit
Phosphorsäure
(d. h. 1 Teil H3PO4 auf
25 Teile H2O) getaucht wurde, als eine Beschichtung,
die kein Carbonat enthielt und in die gleiche Waschlösung getaucht
wurde, und nahezu 900-mal effektiver als eine in eine nichtsaure
Waschlösung
getauchte carbonatfreie Beschichtung.
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TABELLE
II
Prozent (gemäß Trockengewicht)
eines durch einen Spülschritt
entfernten Beschichtungsrests
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Tabelle III zeigt die Prozent der
20% CaCO3 haltigen Beschichtung, die von
den Sieben in Waschlösungen
mit Phosphorsäure
mit verschiedenen H3PO4-Konzentrationen
entfernt wurden. Die Daten zeigen, dass 89% oder mehr der CaCO3 haltigen Beschichtungen mit sehr verdünnten und
konzentrierten Waschlösungen
entfernt wurden, während
nur etwa 20% der carbonatfreien Beschichtungen mit nur den am stärksten konzentrierten
sauren Waschlösungen
entfernt wurden.
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TABELLE
III
Prozent (gemäß Trockengewicht)
eines unter Verwendung verschiedener Säurestärken entfernten Beschichtungsrests
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In einer weiteren Reihe von Tests
wurde die Konzentration des CaCO3 und der
Säure in
der Spülung variiert.
Tabelle IV zeigt die Effekte verschiedener Konzentrationen des Carbonats
in einer säurefreien
Spülung,
einer 1 Teil HP3O4 auf
25 Teile H2O enthaltenden Spülung und
einer Spülung,
die 1 Teil HP3O4 auf
50 Teile H2O enthält. Die Daten zeigen, dass
eine säurefreie
Spülung
keinen Effekt auf die Beschichtung hat, während in der sauren Spülung bei
Konzentrationen das Calciumcarbonats nahe 20% deutlich mehr von
der Beschichtung entfernt wird als bei Konzentration nahe 10% oder
weniger.
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TABELLE
IV
Prozent (gemäß Trockengewicht)
eines unter Verwendung verschiedener Carbonatkonzentrationen entfernten Beschichtungsrests
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Obgleich die Erfindung in Form ihrer
gewissen spezifischen Ausführungsformen
offenbart wurde, soll sie nicht darauf, sondern vielmehr nur auf
den Umfang beschränkt
sein, der in den folgenden Ansprüchen
dargelegt ist.