DE1216493B

DE1216493B - Verfahren zur Herstellung von Schalengiessformen fuer das Praezisionsgiessverfahren

Info

Publication number: DE1216493B
Application number: DEP30276A
Authority: DE
Inventors: Claude Harrison Watts
Original assignee: Precision Metalsmiths Inc
Current assignee: Precision Metalsmiths Inc
Priority date: 1961-10-17
Filing date: 1962-10-02
Publication date: 1966-05-12
Also published as: NL283756A; GB971134A; US3165799A; FR1351426A; GB971133A; CH407418A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Deutsche Kl.: 31 c - 5/01

Nummer: 1216 493 ■ ü_?

Aktenzeichen: P 30276 VI ä/3i c

Anmeldetag: 2. Oktober 1962

Auslegetag: 12. Mai 1966

^abt3

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung von in neuerer Zeit entwickelten monolithischen Schalengießformen für das Präzisionsgießen von Metallgußstücken mit Hilfe von verlorenen Modellen, welches auch unter der Bezeichnung Modellausschmelz- bzw. Modellherauslöseverfahren bekannt ist. Sie betrifft im besonderen die Herstellung der Formschalen selbst.

Das beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1067 570 bekannte Schalengießformherstellungsverfahren wird üblicherweise wie folgt durchgeführt.

1. Die Wachs- oder Kunststoffmodelle werden mit einem Eingußsystem zusammengebaut. Der gesamte, aus dem Einguß und den Modellen bestehende Modellbaum ist aus ausschmelzbarem bzw. herauslösbarem Material hergestellt.

2. Der nächste Schritt besteht darin, daß die Modelle und der Einguß mit einer feuerfesten bzw. hitzebeständigen Formmasse so umkleidet werden, daß eine keramische Formschale entsteht.

Die Bildung einer keramischen Formschale um den Modellbaum wird in der Weise bewerkstelligt, daß der Modellbaum mehrfach in eine feuerfeste Formmassenaufschlämmung von gesteuerter Viskosität getaucht und jeweils anschließend ein sorgfältiges gerichtetes Entschlammen bzw. Ablaufenlassen zur Erzielung eines gleichmäßigen Überzuges vorgenommen wird, worauf der genannte Überzug mit grobkörnigem feuerfestem Material bestreut bzw. beworfen wird. Auf diese Weise wird ein Überzug aus keramischem Material mit in seine Oberfläche eingebetteten feuerfesten Materialteilchen erhalten. Dieser Überzug wird gehärtet, und zwar im allgemeinen durch Lufttrocknung, um das Trägermaterial für das Bindemittel wegzudampfen. Nachdem der erste Überzug ausreichend trocken und hart ist, werden die Stufen des Tauchens, Entschlämmens bzw. Ablaufenlassens, Bestreuens bzw. Bewerfens mit feuerfestem Material und Trocknens so lange wiederholt, bis eine keramische Formschale mit einer Dicke von etwa 6,5 bis 13 mm um den Modellbaum aus den Modellen und dem Einguß gebildet ist.

Die für das Tauchen verwendete feuerfeste Formmassenaufschlämmung besteht aus einem Bindemittel, einem flüssigen Träger und einem feuerfesten Materialpulver bzw. Materialstaub. Diese Bestandteile werden in passenden Mengenverhältnissen zu einer Aufschlämmung, deren Viskosität für die vorzunehmenden Stufen des Tauchens und Entschlämmens bzw. Ablaufenlassens geeignet ist, vermischt.

Verfahren zur Herstellung von Schalengießformen für das Präzisionsgießverfahren

Anmelder:

Precision Metalsmiths, Inc.,

Cleveland, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. S. G. Beszedes, Patentanwalt,
Dachau bei München, Am Heideweg 2

Als Erfinder benannt:
Claude Harrison Watts,
Lyndhurst, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Oktober 1961
(145 713)

Im allgemeinen werden die beiden folgenden Systeme von flüssigem Träger und Bindemittel verwendet:

L Silicasol in einem Wassersystem.
2. Hydrolysiertes Äthylsilikat in einem Alkoholsystem.

Beide genannten Systeme sind bereits für Formmassen zur Herstellung von feuerfesten Schalengießformen verwendet worden.

Es sind auch Bindemittel aus Natriumsilikat und Polyvinylalkohol bekannt.

Das verwendete feuerfeste Materialpulver hat gewöhnlich eine Teilchengröße von bis zu 149/*. SiIiciumdioxyd, geschmolzener Quarz, geschmolzenes Aluminiumoxyd, plättchenförmiges Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd und Zirkon gehören zu den am häufigsten verwendeten Stoffen.

Das Bestreu- bzw. Bewerf material hat im allgemeinen eine sehr viel höhere Teilchengröße als das in der Formmassenaufschlämmung verwendete feuerfeste Materialpulver. Als Material für das Bestreuen bzw. Bewerfen werden im allgemeinen körniges Zirkon, Hartfeuerporzellan bzw. geschmolzenes Siliciumdioxyd, Siliciumdioxyd, verschiedene Aluminiumsilikattone bzw. -schamotte, darunter Mullit, Sillimanit usw., geschmolzenes Aluminiumoxyd, plättchenför-

609 568/444

miges Aluminiumoxyd und ähnliche Stoffe verwendet. Gewöhnlich werden sechs bis acht Tauchungen vorgenommen, um eine Formschalendicke von 6,5 bis 13 mm zu erreichen.

Während das oben beschriebene Verfahren bei einer Reihe von Formkörpern zufriedenstellende Ergebnisse geliefert hat, ist es bekanntlich eines der Hauptziele bei dieser besonderen Stufe des Metallgießens, eine große Mannigfaltigkeit von sehr unterschiedlichen Fprmkörpern mannigfacher komplizierter Gestalt, darunter ungewöhnliche Ausführungen von Kernlöchern, Langlöchern bzw. Schlitzen, Blind- bzw. Sacklöchern sowie anderweitigen kleinen Öffnungen zu erzeugen. Auf diesem Gebiet vermochte der Stand der Technik insbesondere im Falle von Schalengießformen keine zu befriedigenden Ergebnissen führenden geeigneten Verfahren und Werkstoffe zu schaffen.

Die verschiedenen Vor- und Nachteile, die mit den beiden Grundverfahren, nämlich dem Investmentverfahren und dem Schalengießformherstellungsverfahren bzw. Tauchverfahren, verbunden sind, sind bekannt. Bei dem erstgenannten Verfahren werden die ausschmelzbaren bzw. herauslösbaren Modelle vollständig mit einer Masse von investment- bzw. Umkleidungsmaterial bedeckt und davon umgeben. Bei dem neueren Schalengießf ormherstellungsyerf ahrep dagegen werden die Modelle wiederholt getaucht, bis um den Modellbaum eine Formschale von ausreichender Dicke aufgebaut ist.

Beim Investoentverfahren ist es gewöhnlich nicht schwierig, sich der Rüttel- bzw. Vibratipnstechnik und ähnlicher Verfahrensweisen in Verbindung mit einer Investment-Formmassenaufschlämmung, die ausreichend dünn ist, um in sämtliche kleinen Lücken und Hohlräume einer komplexen bzw. komplizierten Modellgestalt einzudringen und diese vollständig auszufüllen, zu bedienen. Das einzige bei der Herstellung von Investmentformen auftretende Problem besteht darin, daß sichergestellt werden muß, daß die Investment-Formmassenaufschiämmung auch die innersten Bereiche bzw. Vertiefungen sämtlicher Hohlräume erreicht. Wenn dafür gesorgt ist, daß die Formmassenaufschlämmung sämtliche Vertiefungen, Hniterschneidungen, Höhlungen usw. erreicht, so kann sie durch, nichts von dort wieder herausgebracht werden, und es wird fqlglich eine vollkommene und fehlerfreie Gießform erhalten. Bei diesem Verfahren, bei welchem die Modelle während der Bildung der Form aus der Formmassenauf schlämmung nicht entfernt werden, besteht also kein Problem bezüglich des Hineinbringens der Formmassenaufschlämmung in die engen Durchgänge bzw. Hinterschneidungen der Modelle, da die Formmassenaufschlämmung einfach dünn genug gemacht werden kann, um dieses Ziel ohne Hinauslaufen der Formmassenaufschlämmung zu erreichen. Ein solches Investmentverfahren, bei welchem der Modellbaum in einen eine dünne FormmassenaufscMämmung enthaltenden Formkasten eingebracht und die Formmasse härten gelassen wird, ohne daß der Modellbaum aus dem Formkasten entfernt wird, ist aus dem Buch von H. Allendorf, »Präzisionsgießverfahren mit Ausschmelzmodellen«, 2. Auflage, 1958, S. 136 bis 137, bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Entfernung der in die Aussparungen der Modelle eingeschlossenen Luftblasen Vakuum angewandt. Es ist jedoch nicht vorgesehen, daß die Wiederherstellung des Normaldruckes so bewerkstelligt wird, daß die Formmassenaufschlämmung ganz in die verbliebenen Hohlräume gedrückt wird, vielmehr wird das Vakuum so lange aufrechterhalten, daß <1μΓ-ρη das Wiederherstellen des Normaldruckes ein Hineinrücken der Formmasse in enge Durchgänge bzw. Hinterschneidungen der Mo-S delle nicht möglich ist, wras bei einem solchen Investmentverfahren auch gar nicht nötig ist. Es wird nämlich keine Formmassenaufschlämmung, welche so dick ist, daß sie in die Modelldurchgänge bzw. -hintersehneidungen gedrückt bzw. gezwungen werden muß,

ίο verwendet, sondern, wie bereits erwähnt, die bei Investmentverfahren üblichen Formmassenaufschläm-

. mungen, die dünn genug sind, um ohne Hilfsmittel in die Modelldurchgänge bzw. -hinterschneidungen zu fließen. Auch von dem Aufbringen von verschiedenen Schichten mit verschiedenen Viskositäten oder gar ausgewählten Viskositäten ist keine Rede.

Im Gegensatz zum Investmentverfahren kann die Formmassenaufschlämmung bei der Herstellung von keramischen Sehalengießformen nicht einfach dünn

ao genug gemacht werden, um in die Modelldurchgänge bzw. -hinterschneidungen zu fließen. Wird nämlich für die Herstellung einer Schalengießform eine wiederholte Tauchung angewandt, so bedeutet dies, daß, wenn die Formmassenaufschlämmung ausreichend dünn ist, μπι in die kleinen Hohlräume einer komplizierten Form zu gelangen, sie nach der Entfernung der Modelle aus dem Formmassenaufschlämmungsbad auch wieder herauslaufen kann. Wenn dagegen die Formmassenaufschlämmung so dickflüssig gemacht wird, daß sie in den kleinen Hohlräumen verbleibt, so bedeutet dies in der Regel, daß sie zu dickflüssig ist, um überhaupt dorthin zu gelangen, bzw. zumindest in dünnen Abschnitten nicht fest bzw. stark genug ist. Das Einbringen der dünnen Formmassenaufschlämmungen läßt sich nicht wiederholep, um eine Füllung aufzubauen, da, wenn die Öffnuung klein wird, sie nicht bestreut bzw. beworfen werden kann und im nicht bestreuten bzw. nicht beworfenen Zustand die dünne Formmassenaufschlämmung weiter ausfließt. Eine der Ursachen, die verhindern, daß die Hohlräume sich vollständig mit dickflüssigen Formmassenaufschlämmungen füllen lassen, besteht darin, daß der bei der vorherigen Tauchung erhaltene Überzug nach dem Trocknen bei der nächsten Tauchung Feuchtigkeit absorbiert, so daß die Aufschlämmung so weit eindickt, daß sie nicht mehr vollständig in die Tiefe der Hohlräume eindringen kann.

Ferner verbleiben nach dem Trocknen des vorherigen Überzuges infolge des Entweichens von Feuchtigkeit und Gasen viele Meine Poren. Dies ist natürlich für die Herstellung einer einwandfreien Formschale erwünscht, da auf diese Weise die fertige Schalengießform eine ausreichende Durchlässigkeit hat, so daß das Metall beim Gießen in die Schalengießform einfließen kann und die dort vorhandenen Gase durch die poröse Formschale entweichen können. Andererseits bringen diese winzigen Poren jedoch Probleme mit sich. Wird nämlich in die neue dickere Formmassenaufschlämmung getaucht, so verdrängt sie die in diesen kleinen Poren eingefangene Luft, und es tritt ein Brodeleffekt auf, durch den die sich ergebende Füllung geschwächt und ein vollständiges Füllen von engen Hohlräumen bzw. eng eingeschnittenen Löchern, Schützen und Hinterschneidungen verhindert wird, so daß keine feste und ununterbrochene Formschale entsteht, wes-. wegen das Metall beim Gießen durch den dünnen ersten Überzug hindurchtritt und das Gußstück zum Abfall wird. Die eingefangene Luft sammelt sich

häufig in größeren Blasen und verursacht eine Lücke, die ebenfalls dazu führt, daß die Gußstücke als Ausschuß verschrottet werden müssen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schalengießformen für das Präzisionsgießverfahren mit Hilfe von Ausschmelzmodellen mit engen Durchgängen bzw. Hinterschneidungen durch mehrfaches Eintauchen der Modelle in Formmassenaufschlämmungen aus feuerfesten Materialien, wobei man zwischen den Tauchungen in verschiedenen Formmassenaufschlämmungen die zuvor aufgebrachten Schichten trocknet bzw. härtet unter Anwendung von Vakuum, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man in einem zweiten Tauchvorgang eine Formmassenaufschlämmung mit der verhältnismäßig hohen Viskositat von 7000 bis 10 000 cP verwendet, während man für den ersten Tauchvorgang eine Formmassenaufschlämmung mit einer wesentlich niedrigeren Viskosität verwendet, die in die Höhlungen der Modelle einzudringen vermag, jedoch beim Herausheben aus der Aufschlämmung als ein Aufschlämmungsüberzug auf den Modellen erhalten bleibt, und beim zweiten Tauchvorgang bis ζμΐη Entfernen der im vorherigen Überzug eingeschlossenen Luft ein Vakuum anwendet und danach durch die Wiederherstellpng des Normaldruckes die Formmassenaufschlämmung ganz in die Hohlräume drückt. Sie bringt den erheblichen technischen Fortschritt mit sich, daß durch sie eine einwandfreie Füllung kompliziert ausgebildeter Hohlräume, Durchgänge bzw. Hinterschneidungen unter Bildung einer festen und ununterbrochenen Formschale beim Schalengießformherstellungsverfahren, wie sie für die Herstellung einer einwandfreien Schalengießform erforderlich ist, erreichen läßt, wobei die festgepackte Formmasse beim Härten auch an den genannten inneren Stellen, welche mit keinem feuerfesten Material mit größeren Körnern bestreut bzw. beworfen werden können, nicht bricht. Es werden also erfindungsgemäß bessere Schalengießformen mit Innenkernen und Durchgängen, die einwandfrei mit Formmasse gefüllt sind, um eine genügend feste und ununterbrochene Innenkernung für Gußteile von komplizierter Form zu liefern, hergestellt.

Der erfindungsgemäß verwendete Viskositätsbereich für die Formmassenaufschlämmung des zweiten Tauch-Vorganges, innerhalb dessen zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden, beträgt, wie bereits dargelegt, 7000 bis 10 000 cP. Niedrigere Viskositätswerte als 700OcP führen dazu, daß die Formmassenaufschlämmung beim Entschlammen bzw. Ablaufenlassen äusrinnt. Viskositätswerte von mehr als 10 000 cP ergeben im allgemeinen eine Formmassenaufschlämmung, die zu dickflüssig ist, um unter der Vakuumbehandlung fließfähig zu sein.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird für die Formmassenaufschlämmung des zweiten Tauchvorganges eine wäßrige Bindemittellösung aus kolloidalem Silicasol und Polyvinylalkohol, vorzugsweise in einem Anteil von etwa 0,5 bis 2 Gewichtsprozent, verwendet. Diese Bindemittellösungskombination ist an sich neu, technisch fortschrittlich und erfinderisch. Kolloidales Silicasol und Polyvinylalkohol haben zusammen eine synergistische Wirkung in bezug auf die Festigkeitseigenschaften. Diese Kombination von Bindemitteln hat sich für das Vakuumverfahren der Schalengießformherstellung als besonders gut geeignet erwiesen; ganz besonders vorteilhaft ist sie für schwierig geformte Innenkerne und komplizierte Formgebungen, die ungewöhnliche Anforderungen an die für diese Zwecke verwendeten Materialien und Bindemittel stellen. Zweckmäßigerweise wird für die Formmassenaufschlämmung des ersten Tauchvorganges eine wäßrige Bindemittellösung von kolloidalem Silicasol verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den ersten Tauchvorgang eine Formmassenaufschlämmung mit einer Viskosität von 1300 bis 1500 cP verwendet.

Zwischen dem Aufbringen des ersten und zweiten Überzugs können die Modelle zur Verminderung der Größe der in den Modellen vorhandenen Innenhohlräume in eine sehr dünnflüssige feuerfeste Foxmmassenaufschlämmung, vorzugsweise mit einer Viskosität yon 250 bis 300 cP, getaucht werden. Als andere Möglichkeit können zwischen dem Aufbringen des ersten und zweiten Überzuges die Modelle zur Verminderung der Größe der in den Modellen vorhandenen Innenhohlräume in die für den ersten Tauchvorgang verwendete Formmassenaufschlämmung unter Anwendung yon Vakuum getaucht werden.

Zweckmäßigerweise werden nach dem zweiten Tauchvorgang in üblicher Weise eine oder mehrere Tauchungen durchgeführt. Ferner ist es vorteilhaft, die Überzüge nach Tauch- und Entschlämmungsvorgängen zu besanden bzw. zu bewerfen.

Nach einer Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens wird auch bei einem oder mehreren Tauchyorgängen yor bzw. nach dem zweiten Tauchvorgang Vakuum angewandt.

Die Erfindung wird an Hand des folgenden, nicht al Beschränkung aufzufassenden Beispieles näher erläu„ tert.

Beispiel

Die Zusammensetzung der Lösung Nr. 1, welche für die Formmassenaufschlämmung für die erste Tauchung verwendet wurde, war wie folgt:

5990 cm³ Lösung von kolloidalem Silicasol mit einem Gehalt an 35°/o SiQ₂ auf Wasserbasis,

6 cm³ 75°/oiges Natriumsalz von Sulfobernsteinsäuredi-(2-äthylhexyl)-ester,

7,5 cm³ wäßrige Polymethylsiloxanemulsion.

Die genannten Stoffe wurden sorgfältig in einen geeigneten Mischbehälter eingemessen bzw. eingewogen und so lange miteinander verrührt, bis sämtliche Flüssigkeiten unter Bildung einer einheitlichen Lösung durch und durch vermischt waren. Die Lösung konnte unmittelbar für di e Zubereitung der Formmassenaufschlämmung verwendet werden.

Zusammensetzung der Formmassenaufschlämmung ' ' Nr. 1

4500 cm³ Lösung Nr. 1,

9,1 kg Zirkonitstaub »A« [ZrSiO₄]

(99°/o nut einer geringeren Teilchengröße als 44 μ),

6,4 kg geschmolzenes SiO₂ in Pulverform (Teilchengröße geringer als 44 μ).

Die Viskosität der Formmassenaufschlämmung wurde unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters auf einen Wert von 1300 bis 1500 cP eingestellt. Kleine Schwankungen der Teilchengröße und des

-spezifischen Gewichtes des Silicasol-Wasser-Systems sowie Schwankungen der Teilchengröße des feuerfesten Pulvers machen in der Regel geringe Zusätze von Lösung oder Pulver erforderlich, um die Viskosität auf einen Wert innerhalb des angegebenen Arbeitsbereiches einzustellen.

Die Formmassenauf schlämmung soll ständig gerührt werden, damit die feuerfesten Materialteilchen in Suspension gehalten werden.

Erster Verfahrensschritt

■ Die erste Tauchung erfolgte in der Weise, daß der •Modellbaum vollständig in die Formmassenauf schlämmung Nr. 1 getaucht und danach wieder herausgenommen wurde, worauf ein gerichtetes Entschlammen -bzw. Ablaufenlassen vorgenommen wurde, so daß sich ein gleichmäßiger Überzug ergab.

Der Baum mußte so weit entschlammt werden, daß durch das Aufbringen des feuerfesten Bestreu- bzw. Bewurfmaterials ein weiteres Entschlammen unterbunden wurde.

Es wurde mit körnigem Zirkon »G« (ZrSiO₄) mit einer Korngröße von etwa 0,13 mm bestreut bzw. beworfen. Dieser Verfahrensschritt kann entweder durch Aufsieben oder durch Drehen des Baumes unter einem Schüttelsieb oder durch Tauchen des Baumes in ein Fließbett aus Zirkonkörnern-bewerkstelligt werden.

- Der Modellbaum war nunmehr gleichmäßig mit einem Überzug aus der Formmassenauf schlämmung Nr. 1 und dem feuerfesten Zirkonbewurf versehen. In diesem Beispiel wurden Modelle mit "einem engen Langloch mit rundem Querschnitt und einem kleinen Verbindungsloch mit einer Basis im rechten Winkel zur Basis des Langloches verwendet.

Der erste Überzug wurde luftgetrocknet. Druckluftbzw. Gebläsetrocknung ist erwünscht, besonders für komplizierte Teile mit tiefen Hohlräumen bzw. Einschnitten oder anderweitigen Stellen, bei denen eine ausreichende Trocknung mit Schwierigkeiten verbunden ist.

• Nachdem der erste Überzug ausreichend getrocknet war, war der Baum für den nächsten Verfahrensschritt •bereit.

Neues Material für das Verfahren
Lösung Nr. 2

6750 cm³ wäßrige Lösung von kolloidalem SiIi⁴ casol mit einem Gehalt an 35 % SiO₂ auf Wasserbasis,
6 cm³ 15⁰I^gQS Natriumsalz von Sulfobern-

steinsäuredi-(2-äthylhexyl)-ester,
7,0 cm³ wäßrige Polymethylsiloxanemulsion, 784 g Polyvinylalkohollösung mit einem Gehalt an 720 g Polyvinylalkohol und, 6000 cm³ Wasser.

Diese Lösung enthielt einen Zusatz von. etwa 1 Gewichtsprozent Polyvinylalkohol. Polyviaylalkoholzusätze von etwa 0,5 bis 2 °/₀ haben eine Verbesserung der Grünstandfestigkeit der Formschale weit über das normalerweise züerwartende Ausmaß hinaus ergeben. Die Kombination eines Bindemittelsystems aus SiIicasol und Polyvinylalkohol ergab Formmassen, deren Grünstandfestigkeit größer war als die Summe der Festigkeitswerte, die bei Prüfstücken, welche jeweils unter getrennter Verwendung des einen und des anderen der genannten Bindemittel hergestellt wurden, erhalten wurden.

Zusammensetzung der Formmassenaufschlämmung Nr. 2 (für den zweiten Verfahrensschritt)

4000 cm³ Lösung Nr. 2,	149 μ ...	0,5 «/₀
	125 μ ...	1,7%
5,9 kg körniges Zirkon.	105 μ ...	15,8 %
Taschengrößenverteilung	88 μ ...	21,9 "/„
größer als	74 μ ...	27,0%
größer als	44μ...	32,0%
größer als	44μ ...	ο,ι%
größer als
größer als
größer als
gleiner als

7,3 kg Zirkonpulver mit 100 % Durchgang durch

ein Sieb mit einer Sieböffhung von 149 μ

ao und einer relativen Teilchengröße von 5 bis

10 μ, gemessen mit einem Fisher'schen

Sub-Sieb-Klassierer,

5,0 kg geschmolzenes Siliciumdioxyd in Pulverform mit 100% Durchgang durch ein Sieb mit einer Sieböffhung von 149 μ und einer

relativen Teilchengröße von 5 bis 10 μ, gemessen mit einem Fisher'schen Sub-Sieb-Klassierer.

Die Lösung und die feuerfesten Materialien wurden in einen mechanischen Mischer eingebracht und zu einer einheitlichen Aufschlämmung vermischt. Als für die meisten Anwendungszwecke geeignetste Viskosität hat sich der Wert von etwa 850OcP, gemessen mit einem Brookfield-Viskosimeter, erwiesen. Die Viskositätsermittlung wurde unter Verwendung einer Spindel Nr. 4 mit einer Drehgeschwindigkeit von 20 Umdrehungen pro Minute durchgeführt. Die Ablesung erfolgte auf der 0-100-Skala unter Verwendung eines Multiplikätionsfaktors von 100, um die von der Skala abgelesenen Werte in Viskositätswerte in Centipoise umzuformen.

Zu beachten ist auch, daß für die Formmassenaufschlämmung Nr. 2 5,9 kg körniges Zirkon als Teil des feuerfesten Materials verwendet wurden. Diese Teilchen waren gröber ,als die herkömmlichen Pulver, die üblicherweise für die Zubereitung von Schalengießformmassenaufschlämmungen verwendet werden. Die Teilchen waren nicht so groß, daß sie den glatten Fluß der Formmassenaufschlämmung während der Vakuumbehandlung behinderten. Ferner waren die Teilchen von runder Form, was den Fließvorgang ebenfalls erleichterte. Die Anwesenheit gröberer Korngrößen (etwa 0,13 mm) im Vergleich zur für das feuerfeste Mäterialpulver bzw. den feuerfesten Materialstaub verwendeten Teilchengröße von 5 bis 10 μ trägt zur Verstärkung und Verfestigung der keramischen Innenkerne, die durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildet werden, bei.

Für verschiedene Anwendungszwecke können mit einer Formmassenaufschlämmung, die unter Verwendung lediglich eines feuerfesten Materialpulvers mit einer relativen Teilchengröße von 5 bis 10 μ hergestellt worden ist, zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden. Der Zusatz von körnigem Zirkon zur Formmassenaufschlämmung ist daher nicht als unbedingt notwendige Maßnahme für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzu-

i 216 493

ίο

fassen. Für die meisten bisher erprobten Anwendungen hat sich jedoch dieser Zusatz als zweckmäßig erwiesen.

Prüfung von für den zweiten Verfahrensschritt
geeigneten Formmassenaufschlämmungen

Es wurde eine Reihe von Formmassenaufschlämmungen in der oben beschriebenen Weise zubereitet. Drei Arten von Formmassenaufschlämmungen wurden zubereitet:

1. Formmassenauf schlämmung auf Wasserbasis, welche lediglich ein Bindemittel aus Polyvinylalkohol (Polyvinylalkohol-Bindemittel) und feuerfestes Materialpulver enthielt.

2. Formmassenauf schlämmung auf Wasserbasis, welche lediglich ein Bindemittel aus Silicasol (SiIicasol-Bindemittel) und feuerfestes Materialpulver enthielt. Sieben verschiedene Dichten des SiIicasol-Bindemittels wurden geprüft.

3. Formmassenaufschlämmung auf Wasserbasis, welche ein Mischbindemittel aus Silicasol und Polyvinylalkohol und feuerfestes Materialpulver enthielt. Sieben verschiedene Dichten des im Mischbindemittel enthaltenen Silicasoles, welche dieselben wie die oben unter 2 waren, wurden geprüft.

Zusammensetzungen der der Prüfung unterworfenen, für den zweiten Verfahrensschritt geeigneten Formmassenaufschlämmungen

Lösung Nr. 3 — Konzentrierte Polyvinylalkohollösung 720 g Polyvinylalkohol,

6000 cm³ Wasser.

Formmassenaufschlämmung Nr. 2 A

500 cm³ Wasser,

58 g der obigen Lösung Nr. 3 (konzen

trierte Polyvinylalkohollösung),

0,4 cm³ 75°/oiges Natriumsalz von Sulfobernsteinsäuredi-(2-äthylhexyl)-ester,

0,475 cm³ wäßrige Polymethylsiloxanemulsion,

0,75 kg Zirkonpulver,

0,5 kg geschmolzenes Siliciumdioxyd in
Pulverform.

Formmassenaufschlämmung Nr. 2 B
500 cm³ Silicasol-Bindemittel,

0,475 cm³ wäßrige Polymethylsiloxanemulsion,

0,75 kg Zirkonpulver,

0,5 kg geschmolzenes Siliciumcioxyd in
Pulverform.

Formmassenaufschlämmung Nr. 2 C
500 cm³
58 g

Silicasol-Bindemittel,

der obigen Lösung Nr. 3 (konzentrierte Polyvinylalkohollösung),

0,4 cm³ 75°/₀iges Natriumsalz von Sulfobernsteinsäuredi-(2-äthylhexyl)-ester,

0,475 cm³ wäßrige Polymethylsiloxynemulsion,

0,75 kg Zirkonpulver,

0,5 kg geschmolzenes Siliciumdioxyd in
Pulverform.

Es wurden jeweils sieben verschiedene Formmassenaufschlämmungen mit verschiedenen Silicasoldichten, wie es in den Tabellen 1 und 2 angegeben ist, hergestellt.
Es wurden Biegeversuchsstäbe bzw. Bruchfestigkeitsversuchsstäbe, mit einer Länge von 15,24 cm, einer Breite von 2,54 cm und einer Dicke von 0,56 cm (wobei die Dicke von Probe zu Probe etwas schwankte, weswegen sie bei jedem Versuchsstück bei der Berechnung des Bruchmoduls aus den Bruchbelastungswerten gesondert gemessen wurde) wie folgt angefertigt. Es wurden Versuchsproben durch Tauchen der Versuchsstücke in die Formmassenaufschlämmung, Entschlammen bzw. Ablaufenlassen zu einem einheitlichen Überzug, Bewerfen bzw. Bestreuen und Trocken an der Luft hergestellt. Diese Verfahrensschritte wurden sechsmal wiederholt, und es wurden so Biegeversuchsstäbe bzw. Bruchfestigkeitsversuchsstäbe in der gleichen Weise wie Betriebsformschalen hergestellt. Die Prüfversuche wurden mit Hufe eines Gerätes, welches in »ICI Tentative Test Methods for Determining the Physical Properties of Proprietary Investments for Use in the Investment Casting Industry« beschrieben ist, vorgenommen.
Der Zerreißmodul in der Tabelle 1 wurde aus der in der Tabelle 2 angegebenen Biegebruchbelastung unter Verwendung der Formel

berechnet, wobei

Zerreißmodul =

(1,5) (Bruchbelastung in kg)) 10,3 cm)
W-(ty

W = Breite in Zentimeter,
t = Dicke in Zentimeter ist

und die Belastung in der Mitte einer Einspannlänge von 10,3 cm angesetzt wurde.

609 568/444

Tabelle 1

Silicasoldichte
1,075 I 1,190 ! 1,205 I 1,245 I 1,283 1,335 [ 1,375

Zerreißmodul der Formmasse 2 A (nur Polyvinylalkohol) in kg/cm²

Zerreißmodul der Formmasse 2 B (nur SiIicasol) in kg/cm²

Summe der Zerreißmodule von 2 A + 2 B in kg/cm² .„

Zerreißmodul der Formmasse 2 C (Polyvinylalkohol + Silrcasol) in kg/cm²

10,01

18,34

28,35

Bruchbelastung bei der Formmasse 2 A (nur Polyvinylalkohol) in kg

Bruchbelatung bei der Formmasse 2 B (nur Silicasol) in kg

Summe der Bruchbelastungen von 2 A + 2 B in kg

Bruchbelastung bei der Formmasse 2 C (Polyvinylalkohol -f- Silicasol) in kg

	1,190	Silicasoldichte	1,205	1,245 1,283	0,594	1,335
1,075	0,594	0,594	0,594	0,980	0,594
0,594	1,021	0,921	1,007	1,574	0,989
0,594	1,615	1,515	1,601	3,107	1,583
1,188	2,694	2,522	2,749		2,767
1,606

10,01

19,81

29,82

48,86 , 44,87

0,594
1,007
1,601
2,676

Tabelle 1 zeigt, daß die Kombination aus Polyvinylalkohol-Bindemittel + Silicasol-Bindemittel als Zerreißmodul in kg/cm² ausgedrückte Festigkeitswerte, die wesentlich größer sind, als es normalerweise auf Grund der Versuchsergebnisse unter gesonderter Verwendung jedes der beiden genannten Bindemittelsysteme zu erwarten wäre, ergibt.

Beispielsweise hatte die mit einer Kombination aus Polyvinylalkohol und Silicasol (Dichte = 1,283) hergestellte Formmasse 2C einen Zerreißmodul von 53,06 kg/cm². Bei der gesonderten Verwendung jedes Bindemittels ergab sich für die Formmasse 2 A ein Wert von 10,01 kg/cm² und für die Formmasse 2B (nur Silicasol, Dichte = 1,283) ein Wert von 16,94 kg/ cm², woraus ein Summenwert von 26,95 kg/cm² hervorgeht. Die Differenz von 53,06—26,95=26,11 kg/cm² entspricht einer Erhöhung der Festigkeit von 97°/₀ für die Kombination.

Die niedrigste prozentuale Erhöhung (50%) wurde beim Silicasol mit der höchsten Dichte (1,375) erhalten.

Der höchste Festigkeitswert wurde mit dem Silicasol mit einer Dichte von 1,283 in Kombination mit dem Polyvinylalkohol-Bindemittel erhalten.

Silicasol und Polyvinylalkohol zeigen also eine synergistische Wirkung.

Zweiter Verfahrensschritt

Die Formmassenaufschlämmung mußte vor ihrer Verwendung bei der Schalengießformherstellung vakuumbehandelt werden, um gelöste Luft und eingeschlossene Luft aus ihr zu entfernen. Im Interesse einer einwandfreien Vakuumbehandlung und Fertigung sollte eine leistungsfähige Vakuumpumpe, die bei einem trockenen System ein Vakuum von 2 mm Hg absolut zu erzeugen vermag und eine ausreichende Förderleistung (0,85 m³ pro Minute) hat, verwendet werden. Die Formmassenaufschlämmung muß während der Vakuumbehandlung heftig »sieden«.

Nach der anfänglichen Vakuumbehandlung stieg die Formmassenaufschlämmung um nicht mehr als etwa 2,5 cm, so daß die Fertigungsarbeit in Behältern normaler Größe durchgeführt werden konnte, ohne daß die Formmassenaufschlämmung sich ausdehnte und herausspritzte bzw. überlief.

Der Modellbaum wurde vollständig in die Formmassenaufschlämmung Nr. 2 eingetaucht und mittels einer geeigneten Einspannvorrichtung dort festgehalten, da anderenfalls der Modellbaum schwimmen oder an den Seiten anstoßen würde,, wodurch möglicherweise die Modelle abbrechen würden. Der Formmassenaufschlämmungsbehälter mit dem eingetauchten Modellbaum wurde in eine luftdichte Kammer eingebracht und unter Vakuum gesetzt. Die Vakuumbehandlung wurde so lange fortgesetzt, bis die Formmassenaufschlämmung zu »sieden« begann. Der Dampfdruck des Wassers bei 26⁰C beträgt 25,21 mm Hg: Eine Vakuumpumpe mit einer Förderleistung von 0,85 m³ pro Minute, -die bei trockenen Bedingungen ein Vakuum von 2 mm Hg absolut zu erzeugen vermag, kann unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen bei »siedender« Formmassenaufschlämmung ein angezeigtes Vakuum von 10 bis 16 mm Hg absolut erzeugen. Die Formmassenaufschlämmung soll etwa 1 Minute lang .unter Vakuum »sieden«. Während dieser Zeit wurde sämtliche Luft aus dem ersten Überzug entfernt, und die feuerfeste Oberfläche des ersten Überzuges wurde durch die »Siede«-Wirkung benetzt bzw. befeuchtet. Eine leichte Vibration bzw. Rüttelung während der Vakuumbehandlung ist manchmal erwünscht, um die Entfernung von Luftblasen aus der Formmassenauf-

Claims

13 14

schlämmung und um die Modelle herum zu erleich- bildeten Oberflächendetails gleichmäßig überzieht und tern. Nach 1 Minute dauernder Vakuumbehandlung füllt. Ein weiterer Vorteil einer anfänglichen Vakuumwurde allmählich Luft in die Kammer eingeführt, behandlung besteht darin, daß der getrocknete erste und die Formmassenaufschlämmung wurde durch Überzug dicht und im wesentlichen frei von Poren ist, Luftdruck in sämtliche Hinterschneidungen, Innen- 5 wie sie üblicherweise durch Entweichen von Gasen schlitze, Durchgänge, Kerne bzw. sonstige kompli- gebildet werden. Wenn dann daher der zweite feuerzierte Ausnehmungen und Hohlräume hineingepreßt. feste Überzug aufgebracht wird, so ist dieser frei von Dadurch sowie durch die Zusammensetzung der Luftblasen, wie sie beim Entweichen von in den Poren Formmassenaufschlämmung und ihre sorgfältig ge- des ersten Überzuges eingefangener Luft entstehen, steuerte Viskosität war es nunmehr möglich, den 10 Im Falle von Durchgängen von spezieller Größe Modellbaum so zu entschlammen, daß die über- und Gestalt, beispielsweise solchen mit verhältnisschüssige Formmassenaufschlämmung von den Außen- mäßig großen Öffnungen, wurde zur Verminderung teilen entfernt wurde, während die innen geformten der Größe derselben zusätzlich eine der im folgenden Kerne fest und dauerhaft blieben. Im allgemeinen beschriebenen Alternativverfahrensschritte durchgesind zu diesem Zeitpunkt eine Rüttelung oder ander- 15 führt:

weitige Hilfsmittel für die Entschlämmung nicht ange- ' Alternativverfahrensschritt
zeigt. Em normales gerichtetes Entschlammen bzw.

Ablaufenlassen ergab einen gleichmäßigen Außen- ■ Die Formmassenaufschlämmung, die Bewurf- bzw. überzug ohne Störung der die Innenkerne bildenden Bestreumaterialien sowie die anderen für die Schalenkeramischen Formmasse. ao gießformherstellung vorgenommenen Verfahrens-

Das Bestreu- bzw. Bewurfmaterial wurde auf den schritte waren im wesentlich so, wie es oben be-

Formmassenüberzug entweder durch Aufsieben oder schrieben ist, jedoch mit einer wesentlichen Aus-

durch Tauchen in ein Fließbett aufgebracht. Dann nähme. Diese bestand darin, daß nach dem ersten

wurde der Überzug etwa 1 Stunde lang durch Druck- Verfahrensschritt eine Tauchung in eine sehr viel

lufttrocknung aushärten gelassen. _a5 dünnere. Formmassenaufschlämmung als die beim

ersten Verfahrensschritt verwendete ohne Anwendung

Endbearbeitung _{von Vakuum} vorgenommen wurde, wodurch die

Es wurde nunmehr eine dritte Tauchung in die Durchgänge mit der genannten sehr dünnen Form-Formmassenaufschlämmung Nr. 2 vorgenommen. massenaufschlämmung ohne Anwendung von Druck Diese Tauchung erforderte gewöhnlich keine Vakuum- 30 gefüllt wurden. Zu diesem Zweck wurde die Formbehandlung, da sämtliche Innenbereiche und Hohl- massenaufschlämmung Nr. 1 unter Zusatz von mehr räume gefüllt waren. Lediglich ein einfaches Tauchen, Bindemittellösung und Einstellung auf eine Viskosität Entschlammen bzw. Ablaufenlassen und Bestreuen von 250 bis 300 cP verwendet. Diese Formmassenbzw. Bewerfen waren erforderlich. Das Entschlammen aufschlämmung, die auch enge Durchgänge bzw. wurde entweder in der Weise vorgenommen, daß der 35 Schlitze ohne Anwendung von Druck zu füllen verBaum einfach mit der Hand oder mechanisch gedreht mag, kann als Formmassenaufschlämmung Nr. 1 a wurde, so daß die überschüssige Formmassenauf- bezeichnet werden,
schlämmung durch Schwerkraft abfließen konnte,
oder in der Weise, daß zusätzlich zum Drehen ein Zweiter Alternativverfahrensschntt

leichtes Rütteln vorgenommen und dadurch der Ent- 40 Es wurde zwischen dem ersten Verfahrensschritt schlämmungsvorgang beschleunigt wurde. und dem zweiten Verfahrensschritt die Formmassen-Weitere Tauchungen wurden in der gleichen Weise aufschlämmung Nr. 1 unverändert verwendet und vorgenommen wie die dritte Tauchuhg, bis der Baum durch die Vakuumbehandlung und Aufhebung des etwa fünf- bis siebenmal getaucht war. Diese fünf Vakuums, wie es bezüglich der für die endgültige bis sieben Tauchungen reichen in den meisten Fällen 45 Füllung verwendeten Formmassenaufschlämmung aus; es kann jedoch je nach der Größe und Gestalt Nr. 2 beschrieben ist, aufgebracht,
der hergestellten Schalengießformen auch eine größere

oder kleinere Anzahl von Tauchungen vorgenommen Patentansprüche:
werden.

Wie es oben beschrieben wurde, wird im erfindungs- 50 1. Verfahren zur Herstellung von Schalengießgemäßen Verfahren die Vakuumbehandlung mit der formen für das Präzisionsgießverfahren mit Hilfe geschilderten Aufhebung des Vakuums lediglich bei von Ausschmelzmodellen mit engen Durchgängen der während des zweiten Tauchvorganges aufge- bzw. Hinterschneidungen durch mehrfaches Einbrachten feuerfesten Formmasse zwingend vorge- tauchen der Modelle in Formmassenaufschlämnommen. Während diese einmalige Vakuumbehand- 55 mungen aus feuerfesten Materialien, wobei man lung für viele Anwendungsbereiche der Erfindung zwischen den Tauchungen in verschiedene Formausreicht, können bestimmte Modellformen es wün- massenaufschlämmungen die zuvor aufgebrachten sehenswert machen, eine Vakuumbehandlung auch Schichten trocknet bzw. härtet, unter Anwendung während der ersten Tauchung sowie während irgend- von Vakuum, dadurch gekennzeicheiner oder mehrerer der nachfolgenden Tauchungen 60 net, daß man in einem zweiten Tauchvorgang vorzunehmen. Wenn beispielsweise das Modell korn- eine Formmassenaufschlämmung mit der verpliziert gestaltete Oberflächendetails, wie Ziffern oder hältnismäßig hohen Viskosität von 7000 bis oder andere Zeichen, aufweist, so kann es vorteilhaft 10000 cP verwendet, während man für den ersten sein, auch den ersten feuerfesten Überzug vakuum- Tauchvorgang eine Formmassenaufschlämmung zubehandeln. Dadurch wird das nachteilige Auftreten 65 mit einer wesentlich niedrigeren Viskosität vervon Luftblasen an der Oberfläche der Modelle ver- wendet, die in die Höhlungen der Modelle einzig hindert und auf diese Weise sichergestellt, daß die dringen vermag, jedoch beim Herausheben aus Formmassenaufschlämmung die kompliziert ausge- der Aufschlämmung als ein Aufschlämmungs-

überzug auf den Modellen erhalten bleibt, und beim zweiten Tauchvorgang bis zum Entfernen der im vorherigen Überzug eingschlossenen Luft ein Vakuum anwendet und danach durch die Wiederherstellung des Normaldruckes die Formmassenaufschlämmung ganz in die Hohlräume drückt.

2. Verfahren nach' Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Formmassenaufschlämmung des zweiten Tauchvorganges -eine wäßrige Bindemittellösung aus kolloidalem Silicasol und Polyvinylalkohol, vorzugsweise in einem Anteil von etwa 0,5 bis 2 Gewichtsprozent, verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Formmassenaufschlämmung des ersten Tauchvorganges eine wäßrige Bindemittellösung von kolloidalem Silicasol verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man für den ersten Tauch-Vorgang eine Formmassenaufschlämmung mit einer Viskosität von 1300 bis 1500 cP verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen dem Aufbringen des ersten und zweiten Überzuges die Modelle zur Verminderung der Größe der in den Modellen vorhandenen Innenhohlräume in eine sehr dünnflüssige feuerfeste Formmassenauf-

schlämmung, vorzugsweise mit einer Viskosität von 250 bis 300 cP, taucht.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen dem Aufbringen des ersten und zweiten Überzuges die Modelle zur Verminderung der Größe der in den Modellen vorhandenen Innenhohlräume "in die für den ersten Tauchvorgang verwendete Formmassenaufschlämmung unter Anwendung von Vakuum taucht.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem zweiten Tauchvorgang in üblicher Weise eine oder mehrere Tauchungen durchführt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man Überzüge nach Tauch- und Entschlämmungsvorgängen besandet bzw. bewirft.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man auch bei einem oder mehreren Tauchvorgängen vor bzw. nach dem zweiten Tauchvorgang Vakuum anwendet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 067 570;
H. Allendorf, »Präzisionsgießverfahren mit

Ausschmelzmodellen«, 1958, S. 112, 119, 120, 136

und 137.