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Masse zum Herstellen feuerfester Gießformen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Masse und ein Verfahren zum Herstellen feuerfester Formen, insbesondere
zum Gießen von hochschmelzenden Metallen und Legierungen, wie Stahl, nichtrostenden
Stählen, Nich:teisenlegierungen, nicht angreifbaren Kobalt-Chrom-Legierungen, Platin,
Platin-Iridium- oder Platin-Rhodium-Legierungen.
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Insbesondere dient die Erfindung dem Herstellen von Gießformen für
zahnärztliche Gußstücke, wie Gebisse, Gebißteile oder Elemente, knochenchirurgische
Gegenstände, Schmuckwaren und für den Präzisionsguß von technischen Gußstücken,
von Getriebeteilen oder Turbinenschaufeln. Doch soll die Erfindung nicht auf diese
Anwendungsarten begrenzt sein, sondern kann; auch auf anderen Gebieten angewendet
werden:.
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Beim Gießen. von hochschmelzenden Legierungen. werden feuerfeste Formmassen
verwendet, deren, hauptsächliche Bestandteile Kieselsäure, Tonerde, Zirkonerde,
gemahlenie Kieselsä:uresc.ha:motte, gemahlene Magnesiaschamotte, geschmolzene Magnesia
u. dgl. sind. Daneben sind Bindemittel zur Verbindung der einzelnen Teilchen der
feuerfesten Stoffe miteinander erforderlich.
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Gewisse Bindemittel, wie organische Silikate, insbesondere Tet.ra:äthyls.il-ikat,
sind beim Gießen kleinerer Teile, von Vorteil. Sie haben aber bei der Massenherstellung
von Gußstücken mit genauen Abmessungen gewisse Nachteile. So ist es notwendig, als
Verdünnungsmittel für diese Bindemittel brennbare organische Lösungsmittel, wie
Äthylalkohol oder Aceton, zu verwenden,. Dies bringt beim Anmachen großer .Mengen
der Formmasse eine beträchtliche Feuersgefahr mit sich. Andere Nachteile sind die
hohen Kosten dieser organischen Silikate und. die komplizierte Technik der Herstellung
der Formmaissen, mit diesen Silikaten.
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Nach der Erfindung werden keine brennbaren Stoffe für die Herstellung
der Formmasse verwendet sowie die komplizierte Herstellungsweise
vermieden,
da erfindungsgemäß als Bindemittel ein wäßriges. Kieselsäuresod mit einem verhältnismäßig
niedrigen Alkaligehalt von z. B. o,2 % Alkalioxyd verwendet wird. Ferner
kann dem Bindemittel noch ein Hilfsstoff in Mengen von etwa o,oi bi& 1 °/0:
zum Anregen der Gdbdldung aus, dem Sod nach dem Vermischen mit den Füllstoffen zugegeben
werden. Formmassen:, die unter Verw veendung dieser Bindemittel hergestellt wurden,
ermöglichen eine, sehr große Genauigkeit der Wiedergabe von Einzelheiten des ModeUs..
Auch, zeichnen sich die Formmassen durch außerordentlich glatte Gießoberflächen
aus-, so, daß sehr glatte Gußstücke erhaltenen; werden:. Die feuerfesten Füllstoffe,
wie säure, Tonerde, Magnesia,, Titanoxyd, B.erylli.umoxyd, Mullit, Sillimanit und
Zirkonerde, werden in feiner Verteilung angewendet. Zum Beispiel verwendet man Kieselsäure
mit einer Koirnfeinheit von 32 bis. 12o Maschen je Zentimeter. Je feiner das Korn
ist, um so: besser eignet sich, der Füllstoff für die Herstellung von: Formen für
Gußstücke mit glatten Oberflächen. Der Füllstoff kann auch: Teilchen verschiedener
Korngröße enthalten, und man. kann, durch geeignete Auswahl der Korngröße:nverteilung
die Glätte: der Oberfläche der erzeugten. Gußstücke beeinflussen. Die Auswahl der
Kornverteilung ist auch wichtig, wenn die eingefüllte Formmasse durch Rütteln auf
der Rüttelmaschine verdichtet werden, soll; um dichte Formen ohne Schrumpfungsrisse;
herzustellen. Z.um Verdichten der Formmasse geht man von einer gießbaren Mischung
aus Füllstoff und Bindemittel aus, füllt diese in bekannter Weisse um dass. Modell
herein in eine Rahmenform ein, bis. die Form gefüllt isst, rüttelt dann auf der
Rüttelmasohine in der einen Richtung und bringt sie dann in der anderen Richtung
unter Nach,fül-lung von Formmasse; zum Schwingen, bis die Form ganz gefüllt isst.
Durch dieses. Rütteln wird alle eingeschlossene Luft elitfernt, und die feuerfesten
Bestandteile der FOrmmas@se können sich gut absetzen und verdichten. Vorzugsweise
wird; auf der ersten Rüttelmaschine so lange: gerüttelt, bis die meiste Luft entwichen.
ist und bereits eine hohe Dichte des. MateTiails erzielt ist, worauf man auf der
zweiten Rüttelmaschine, vorzugsweise unter feinem senkrechtem Schwingen, die Masse
weiterhin verdichtet, bis die letzte Luft entwichen ist und keine Flüssigkeit mehr
an die Oberfläche steigt.
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Im Bindemittel muß die Kieselsäure in löslicher Form vorliegen. Als
solche dient erfindungsgemitß ein wäßriges Kieselsäuresol, das möglichst weitgehend
von Alkad.i befreit .sein muß. Derartige Kiesel;säure,soile lassen: sich leicht
mit weiterem Wasser als Verdünnungsmittel verdünnen, bzw. dispergieren. Diese Sode
oder Sollösungen bilden unter Wasserabgabe verhältnismäßig leicht 'Gele, die agglomemieren
und hierbei die festen Füllstoff.: der Formmasse miteinander, verbinden.
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Beim Trocknen, der gerüttelten; Formen bleibt die Kieselsäure aus
dem Kies,elsäuresoil als, hydraitisiertes Kiese:lsäuregel. zurück. Aus diesem Gell
wird beim. Erhitzen weiteres. Wasser entsprechend der Erhitzungstemperatur abgegeben.
wird. hierbei die Form auf etwa 1480 erhitzt, wobei dann alles Wasser abgegeben
wird, und das Bindenüttel besteht dann im wesentlichen aus Kieselsäure der Formel
Si 02. Diese Formen werden dann vor der Verwendung für das Gießen hochschmelzender
Metalle auf etwa 927 bis 12oo°, vorzugsweise auf etwa io4o° erhitzt. Nach: diesem
Brennen können die Foumen unmittelbar auf Raumtemperatur oder auf etwa 27o° gekühlt
werden. Vor dem Eingießen der Metadlschm@elze werden die Formen zweckmäßig erhitzt,
jedoch hängt diese Erhitzungstemperatur von den jeweiligen, Umständen aib. Hierbei
wird die durch das Erhitzen bedingte Ausdehnung der Form dazu benutzt, die Schrumpfung
der Gußstücke beim Ab,
kühlen auszugleichen.
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Wäßrige kodloddale Kieselsäuresole, die sich für die vorliegende Erfindung
eignen, sind z. B. unter den Handelsbezeichnungen »Na,lco,ag« und »Aquasol« erhältlich.
Die »Nalcoag-Lösungen« werden z. B., soweit bekannt ist, durch Eliminieren von Ammoniiak
oder Alkali.oxyd aus Ammonium- oder Alkalisilikatlösungen, z. B. Natriumsilikatlösungen
unter Aufrechterhad:tung gier Sogform hergestellt. Der restliche Gehalt an Alkalisilikat,
z. B. Natriumsilikat, gerechnet aJ Natriumcarbonat, geht hierbei bis. auf eitwa
o,2 °/oa zurück. Solche Sole enthalten normalerweise etwa 3 °/0 Kieselsäure, können:
jedoch durch Konzentrieren bis auf 18 bis 2q.0/0 Si 02 gebracht werden. Aquasod
enthält etwa 32 °/0 Feststoffe in stabüler Lösung.
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Der pH-Wert einer wäßrigen Kieselsäuresollö.sung wirkt sich, auf das.
Gelierverrnögen ans. Je höher der pH-Wert übler sieben liegt, um so stabiler ist
das Sod. Lösungen mit niedrigen p11-Werten, mit wenig über 7 oder darunter, sind
zu vermeiden,, wenn eine gute Lagerfähigkeit der Lösung erwünscht ist. Im allgemeinen,
kann der pH-Wert zwischen etwa 2 und 11 mehr oder minder schwanken. Lösungen mit
pH-Werten unter 7 sind, wenn sie mit Kohlendioxyd behandelt sind, selbst bei einem
pH-Wert von :2 noch stabil. Stabilisierungsmittel für Sollösungen bei pH-Werten
über 7 sind Natriumca,fbonat- oder Ammaniumverbindungen, wie Ammoniiak oder Am@moniumcarbonat.
Diese, Stabilisatoren: sind in kleiner Menge wirksam und können; z. B. im Fall des
Natriumcarbonats mit Kieselsäure unter Bildung von Natri.umsilikat reagieren, was
jedoch ohne Belang ist, da bei weitem die größte Menge der Kieselsäure in Form der
kolloidalen Kieselsäure verbleibt. Eine Änderung des pH-Wertes kann: das Sod zum
Übergang ins. Gel in einer kurzen oder längeren, jedoch regelbaren Zeit veranlassen.
Auch eine chemische Reaktion in der Lösung unter Bildung von Impfpunkten für die,
Gelierung durch Erzeugung einer Fällung ist ein Mittel, um die Gelierung anzuregen.
Wie gefunden wurde, sind einzelne Stoffe schon bei Zugabe in geringer Menge von
etwa o,oi bis 111/9 imstande, die Gelierung anzuregen. Diese Stoffe werden hier
äds. Gelierungsbeschleuniger bezeichnet. Als Gelierungsbeschleuniger kann eine Säure
bei
einer stabilen alkalischen, Sollösung bzw. ein Alkali bei einer
stabilen; saueren, Sollösung verwendet werden, wobei -diese leine Erniedrigung bizw.
Erhöhung des pH-Wertes bis zu einem. Gebiet gerin ge:rer Stabilität bewirken. Man
kann auch mehrere Beschleuniger verwenden. Der Beschleuniger muß über die Zeit,
in der ein stabiler Zustand, herrscht, zugegen sein. Man kann ihn z. B. beim Vermischen
des Sods mit dem Füllstoff zugleich mit diesem zuführen, wobei das Fortschreiten
der Gelierung durch die Wahl. der Stoffe zeitlich geregelt wird.
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Die Verwendung von Beschleunigern ist nicht notwendig, wenn das. Gelieren
von hochstabilen Sollösungen durch Abdunsten von Wasser aufs der geformten Mischung
durch Konzentrierung ein:-geleitet wird. jedoch wird die Beschleunigung des Gelierens
durch Zusätze bevorzugt, soi daß die Formen schnell von der Ummantelung bzw. vom
Modell oder beiden getrennt werden können, wodurch eine schnellere Herstellung,
insbesondere von. Verbundformen, ermöglicht wird. Versuche haben, ergeben, daß das
Abbinden der Formen mit einem Beschleuniger besser ist, da es sehr schwierig ist,
die Form auszutrocknen, wenn sie nicht schon durch die Gelbdldung abgebunden ist,
ohne d:aß ein Reißen der Form infolge Dampfbildung oder die Bildung einer harten
Schale infolge des Wan:d:erns des Bindemittels zur Oberfläche und Wegtrocknen: des
Wassers an der Oblerfläch,e eintritt.
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Die Verwendung von Beschleunigern, wird auch bei Formmassen bevorzugt,
die als Spritzmasisen dienen sollen. Bei Herstellung einer dünnflüssigen Formmaisse
aus feuerfeisten Füllstoffen und kolloid:aler Kieselsäurelösun g kann man. diese
auf das Modell aufspritzen, um eine erste Oberflächenschicht der Form zu bilden,
die die genaue Detailwiedergahe der Formfläche- sicherstellt.
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Geeignete Beschleuniger für wäßrige Kieselsäurekoilloide sind
[email protected],
Cailcium: Chlorid, Magnesium:oxyd, Magnesiumcarbonat, Ammoniumca:rbona,t, Naüriumcarb:onat,
Kohlen.-dioxyd, Salzsäure, Schwefelsäure und, ähnliche Stoffe, die auf den pH-Wert
der kolloidalen Lösung einwirken oder mit ihr unter Bildung .von Silikaten reagieren
können. Im wesentlichen scheinen alle elektrolytisch wirkenden Reagenzien gute Beschleuniger
zu sein. Ferner sind auch manche Stoffe, die übe-r-#haupt keine elektrolytische
Wirksamkeit besitzen, wie Magnesiiumoxyd, als Beschleuniger geeignet.
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Die Menge der als Bindemittel benutzten kolloidalen, Kieselsäurelösung
kann in weiten Grenzen, schwanken. Sie hängt von der Feinheit und der Art des feuerfesten
Füllstoffes, von der Konzentration der Kieselsäure in der Lösung und von dem Grad
der in der Formmischung gewünschten:.Plastizität ab. Zum Beispiel können roo Volumteile
mit einer Kornfeinheit von 32 Maschen je Zentimeter als feuerfesten Fültstoff und
22 bis 26 Volumteile wäßrige kolloidale Kiesels äurelösung mit 6°/o Feststoffen,
und einem pH-Wert von 8,5 zu einer gut bearbeitbaren Masse gemischt werden..
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Die G:elierun.gs.zeit ändert sich mit den angewen:-deten Bedingungen
und, auch mit Menge und Art des verwendeten
[email protected]. Diese werden; entsprechend
der gewünschten Gelierungszeit ausgewählt.
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Die, Formmasse kann auf viele Arten, verwendet werden. Wenn die Mischung
gießbar ist, so kann, sie um ein, Modell heru.mgegossen oder eingefüllt und. zur
Entfernung der Luft gerüttelt werden. Dies führt zu einem Anschlämmen eines Teils
der Mischung an die Oberfläche des Modells unter Erzeugung einer dichten glatten
Fläche, mit ansgezeichneter Detailwiedergabe.
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Eine Spritzmischung kann auf das Modell aufgespritzt und geliert werden..
Dann kann das, bedeckte Modell, abgebunden oder getrocknet, in eine weitere Menge
der gleichen oder einer verschiedenen: Mischung eingebettet werden. Auf diese Weise
kann bei Benutzung von Spritzdrücken von etwa 2,1 bis 5,6 kg/Cm2 eine, Schicht von,
ungefähr r mm Dicke aufgebracht werden.
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Modelle aus. schmelzbarem, flüchtigem oder brennbarem Material können
vollkommen ein.-geschloissen. werden, wonach das Modell durch Schmelzen oder Verflüchtigen
entfernt wird. Schmelzbare Stoffe für diesen. Zweck sind Wachs, Zinn, niedrigschmelzendeLegierungen
oder niedrig-oder hochschmelzende Metalle. Auch Modelle aus Harz, wie Poilymethylmeth:acrylat,
die seich, in, der Hitze zersetzen und verflüchtigen, können. eb,e@nfa,lls verwendet
werden. Länger andauerndes Erhitzen auf geeignete Temperaturen kamt: zum Abdestillieren,
des Methylm:ethaicirylats; als. Monomeres, unter Zurücklassung eines sehr geringen
Rückstandes, benutzt werden. Polystyrol kann in, einer ähnlichen Art wie Meithylmathacrylat
verwendet werden. Cadmium-Meta,ll für das Modell kann geschmolzen oder ans der einbettenden.
Form verflüchtigt weirden.
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Eine Mehrzahl von Formen oder Formteilen können. nach dem. Abbinden
vereinigt und mit weiterer Formmasse zu einer Mehrfachform z.usammengeb,aut werden.
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Ein Vorteil von wäßrigem kolloidalem Kie,selsäuresod als Bindemittel
nach der Erfindung ist, daß es keine lösende oder quellende Wirkung auf die Modelle
aus, den verschiedenen. Stoffen, wie Harzen oder kautschukartigen. Massen, ausübt,
die durch Alkohole oder andere organische, bei der Herstellung von Formen, verwendete
oder gebildete, Lösungsmittel angegriffen werden können.
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Ein weiterer Vorteil bei der Benutzung eines flüssigen, Kesel:sauresol
enthaltenden Bindemittels, ist das fast völlige Fehlen von Elektrolytsalzen, mit
Ausnahme der etwa: aIs. Beschleuniger für die Gel:ierung verwendeten, geringen Menge.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. Beispiel I Kieselsäure
(32 Maschen je Zentimeter oder feiner) . . . . . . . . . . . . . IOo,o g Magnesiumcarbonat
. . . . . . . . . . . 0159 Kolloidale Kieselsäu:relösung mit 6 Feststoffen,, Si
02, PH = 8,5 .... 26 ccm Gelierungszeit bei 37 ° . . . . . . . . .
. . . 45 Minuten
' Beispiel II Kieselsäure (Seesand oder gröber)
. . 23,09 Kieselsäure (32 Maschen je Zentimeter oder feiner) . . . . . . . . . .
. . . 77,09
Ammoniumcarbo@nat . . . . . . . . . . 0,39
Kolloidale Kieselsäure
(wäßrig, 12,6% Feststoffe Si02, pH = 8,6) 26 ccm Gelierungs.zeit bei 370 . . . .
. . . . . . . $o Minuten Beispiel III Kieselsäure (So Maschen je Zentimeter oder
feiner) . . . . . . . . . . . . . ioo,o g Ammoniumcarbonat . . . . . . . . . 0,2
g Kolloidale Kieselsäure (wäßrig, , 13,6 °/a Feststoffe Si 02, pH = i0,8)
26 ccm Gelierungszeit bei 37° . . . . . . . . . . . 75 Minuten, Beispiel IV (für
das. Sprühken) . Kieselsäure (i20 Maschen. je Zentimeter oder feiner) . . . . .
. . . . . . . ioo,o g Ko,lloiidale Kieselsäure (wäßrig, 13,6% Feststoffe S'02, PH
= i0,6) 26 ccm Beispiel V Kieselsäure (i20 Maschen je Zentimeter oder feiner) .
. . . . . . . . . . . .. ioo,o g Magnesiumoxyd . . . . . . . . . . . . o,oi g »Aquasol«
(32% Kieselsäure) ..... 27,0- g Die Mischungen sind als. Spritzmassen geeignet,
können bis auf 32% 5.i02 oder mehr konzentriert werden und weisen: eine gute Haltbarkeit
auf.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine nachgiebige Form
aus Polyvenylhalogenid über oder um ein Modell angebracht und die plastische Masse
nach der vorliegenden Erfindung in diese Form und gerüttelt. Das Rütteln verdichtet
die feuerfeste Masse, vertreibt die Luft, schafft die erwünschte Dichte der Form
und ergibt eine glatte Oberfläche. Mann, lä.ßt die Masse gelieren:. Die gelierte
Form wird. dann an der Luft getrocknet, um freies Wasser zu entfernen, während gehund:enes
Wasser mit dem zunächst gebildeten Kieselsäurebindemittel zurückbleibt. An Stelle
des Lufttrocknens. können Trockenöfen mit mäßiger Temperatur, wie 1000, verwendet
werden. Dann werden. die getrockneten Formen, wenn sie nicht unmittelbar für das
Gießen gebraucht werden, beiseite gestellt. Wenn sie benutzt werden. sollen, werden
die Formen auf eine hohe Temperatur, wie oben beschmieben., erhiitzt, entweder unter
Entfernung von irr der Kieselsäure gebundenem Wasser und unter Ausdehnung der Forma,
und sie werden zweckmäßig unmittelbar im erhitzten Zustand. mit dem geschmolzenen.
Metall gefüllt.
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Die Formen können groß oder klein sein.. Verhältnismäßig kleine Formen,
wie sie für Zahnprothesen oder Bijouteriewaren verwendet werden, ergeben vorzügliche
Erfolge. Verhältnismäßig kleine Formen,, wie sie für komplizierte Teile; wie Turbinenschaufedn
von. Abgasturboladern, verwendet werden, sind sehr vorteilhaft zur Herstellung genauer
Teile mit einer, sehr glatten. Ob:erfläche und bester Detailwiedergabe und podiertem
Aussehen, wodurch eine maschinelle und andere Bearbeitung undPodieren unnötig gemacht
oder auf ein Mindestmaß verringert werden.
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Große Formen sind gleichfalls gut zu verwenden, jedoch müssen natürlich
solche Formen., mit mehr Aufmerksamkeit behandelt worden, vor allem. beim Erhitzen,,
um eine Schädigung der Form beim Austreiben von restlichem oder gebundenem Wasser
zu vermeiden. ` Die durch Spritzen oder Rinteln einer Mischung hergestellten lufttrockenen
Formen weisen harte, glatte Oberflächen auf. Sie sind schwer ritzbar und gut wasserbeständig.
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Auf andere Weise, z. B. mit organischen Bindemitteln hergestellte
Formen können, muhe und., verglichen mit den Formen nach der Erfindung, minderwertige
Oberflächen haben. Solche Formen. können; bezüglich ihrer Oberflächeneigenschaften
verbessert werden,, dadurch, daß eine geeignete Menge der- kolloidalen Kieselsäurelösung,
vorzugsweise mit einem Gehalt an Beschleunigern, aufgetragen wird. Dann. können
solche Formen. an der Luft getrocknet oller erhitzt werden zur Umwandlung des wäßrigen
Gels in ein festes, nicht wUriges. hydratisiertes Gel und endlich unter Bildung
einer Deckschicht aus wasserfreier Kieselsäure auf der minderwertigen Form erhitzt
werden. Feuerfeste Kieselsäure oder andere Füller können in, jeder gewünschten Menge
der Masse zur Bildung der Oberfläche beigegeben werden. ES kann auf diese Weise
eine streichbare Masse hergestellt und verwendet werden, um eine rauh,e Oberfläche
einer solchen minderwertigen Form zu bedecken.