DE2459088A1 - Monolithische form fuer den praezisionsguss mit verlorenem modell - Google Patents

Description

Monolithische Form für den Präzisions°.uß mit verlorenem

Modell

Die Erfindung betrifft eine monolithische Form und deren Herstellung für den Präzisionsguß, wobei die Form aus inneren und äußeren Schalen aufgebaut ist, deren wesentliche Bestandteile ein keramisches feuerfestes Material und ein anorganisches Bindemittel ist. Die Zwischenschalen zwischen den inneren und äußeren Schalen enthalten einen flüchtigen organischen Binder. "Wird nun die Form erhitzt, so verflüchtigt sich das Bindemittel der Zwischenschalen, so daß diese in ungebundenem Zustand vorliegen. Uach "dem Abguß ist das Entformen besonders einfach, ohne daß es zu einer Beschädigung des Gießlings kommt.

Für den Präzisionsguß wird bekanntlich das Verfahren mit verlorenem Modell angewandt. Dieses Verfahren hat sich besonders bewährt beim Präzisionsguß zur Herstellung von Turbinenschaufeln und -flügeln wie auch anderen komplexen Teilen. Bei dem üblichen Gußverfahren mit verlorenem Modell wird ein entfernbares Modell aus Wachs, Kunststoff oder einem anderen Material gebildet. Diese einzelnen Modelle, insbesondere für kleinere TeUe₁werden zu sogenannten Modelltrauben zusammengefaßte Die Modelle bzw. die Mo-

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trauben werden dann in eine Aufschlämmung eines keramischen Materials, enthaltend kolloidale Kieselsäure oder ein anderes anorganisches Bindemittel, getaucht (Tauchmasse bzw. Schicht).Auf die nasse Tauchschicht wird mit körnigem feuerfesten Material gesandet und dann getrocknet. Diese abwechselnde Aufbringung von Tauchschicht und Sandschicht mit anschließendem Trocknen geschieht im allgemeinenj bis die so gebildete Schale ausreichende Dicke hat. Dann wird das Modell durch Erwärmen entfernt (ausgeschmolzen), schließlich die Form auf eine Temperatur gebracht, wo der Silicatbinder seine Wirksamkeit entfaltet unter Bildung einer starken Bindung des Materials der keramischen Tauchschicht

dem
mit der Sandschicht zu einer monolithischen Masse. Nun kann die Form auf Gießtemperatur aufgeheizt werden. Nach dem Abguß erstarrt das Metall in der Form; die Festigkeit der Form kann zu diesem Zeitpunkt größer sein als die des Metalls. Dies führt oft zu einer sogenannten "Heißrissigkeit" der G-ießlinge. Nach dem Abkühlen wird die Form abgeschlagen auf mechanische oder pneumatische Weise,in einem Salzbad oder durch Sandstrahlen und dergleichen.

Diese übliche Entformung des G-ießlings hat verschiedene Nachteile. Die hohe Amplitude von mechanischen Schwingungen, die notwendig sind für eine mechanische Zerstörung der Form, kann zu einem Brechen des G-ießlings führen. Das Ausformen in einem Salzbad oder durch Sandstrahlen benötigt ungebührlich lange Zeit und wirkt sich auch nachteilige auf die Gießhaut aus, indem eine gewisse Erosion der Oberfläche und ein Angriff auf die- Korngrenzen stattfindet.

Die Erfindung betrifft nun neue Formen und deren Herstellung für den Präzisionsguß nach dem Wachsausschmelzverfahren bei verlorenem Modell, wobei eine Form ausreichender Festigkeit und Stabilität für den direkten Abguß erreicht wird, die sich jedoch leicht und ohne Beschädigung des Gießlings entfernen läßt. Ein weiterer

darin
Vorteil üegt, daß zumindest Teile der in der Form enthaltenen Materialien wiedergewonnen und wiederverwertet v/erden können. Bei den erfindungsgemäßen Formen wird die Gefahr der Heißrissigkeit oder einer Rißbildung beim Abschlagen der Formen vom Gießling vermiedene

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Bach der Erfindung wird ein Modell, insbesondere Wachsmodell, in eine 1. Tauchmaske, enthaltend feines feuerfestes Material und anorganisches Bindemittel wie Silicatbinder, getaucht. Auf die feuchte Tauchschicht wird mit körnigem feuerfestem Material gesandet und dann getrocknet. Diese drei Verfahrensschritte werden so oft wiederholt, bis die innere Schale die gewünschte Stärke hat. Es wird dann in eine 2. Tauchmasse getaucht, deren Hauptbestandteile feines Feuerfestmaterial und ein organisches flüchtiges Bindemittel ist, woraufhin wieder gesandet und getrocknet wird und man diese Verfahrensstufen bis zur erwünschten Stärke der mittleren Schale wiederholt.

Zum Aufbau der äußeren Schale werden die Maßnahmen zum Aufbau der inneren Schale wiederholt.

l/vird nun die Form nach Entfernen des Modells vorgewärmt, so verflüchtigt sich das organische Bindemittel der mittleren Schale, das heißt es wird ausgebrannt oder verdampft. Die mittlere Schale liegt nun ohne Bindemittel zwischen den äußeren und inneren Schalen vor.

Nach dem Abguß läßt sich die erfindungsgemäße Form leicht vom G-ießling trennen, indem die äußere Schale in die mittlere Schale fallen kann, woraufhin die dünne innere Schale noch entfernt werden muß. Damit wird die Heißrissigkeit unterbunden und es kommt zu keiner Rißbildung beim Abschlagen der Form.

Die Erfindung wird an den beiliegenden Figuren weiter erläutert:

Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Form mit ihrem Wachsmodell nach der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Schema des Herstellungsverfahrens einschließ-. lieh des Abgusses.

Es ist die Zusammensetzung der Schichten für den Formaufbau und deren Aufbringung von Bedeutung.

Bei dem Begriff "Modell" kann es sich um das Modell eines einzelnen Gegenstandes oder um eine sogenannte Modelltraube handeln.

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Die Modelle bestehen aus üblichen hierfür angewandten Stoffen, die durch Tn/arme oder Chemikalien entfernbar sind. Liegen in einer Form mehrere Modelle vor, so sind diese mit Läufen verbunden (US-PS 3 266 106). Soll die Modelltraube mehrere Male getaucht werden, so ist eine Aufhängung hierfür zweckmäßig.

Ein Beispiel für eine 1. Tauchmasse ist: 8 dm kolloidale Kieselsäure-Lösung, 30$ig (Dichte 1,198), 74,8 kg (165 lbs) Zirkon (99$<43 yum), 6,15 dm⁵ Wasser und 110 g Natriumfluorid.

Modell oder Modelltraube werden zuerst von Schmutz, Flocken oder dergleichen befreit und dann in die gut dispergierte 1. Tauchmasse vollständig eingetaucht. Um die Ausbildung von Lufttaschen zu vermeiden, dreht man zweckmäßigerweise das Modell oder die Modelltraube in der Masse. Man kann aber die Tauchmasse auch aufspritzen.

Man läßt dann überschüssige Tauchmasse ablaufen, überprüft die vollständige Bedeckung aller Flächen mit dem Tauchüberzug und ergänzt gegebenenfalls mangelnde Bedeckung aufgrund von Lufttaschen.. Die Tauchschicht soll zweckmäßigerweise gleichmäßige Stärke haben. Das Ablaufen ist innerhalb weniger Minuten beendet ·, es darf jedenfalls nicht solange dauern, daß bereits ein Trocknen der Tauchschicht stattfindet, weil sonst die Haftung der Sandschicht nicht ausreicht.

Als Material für die 1. Besandung kann man beispielsweise Tonerdepulver anwenden mit folgender Siebanalyse: 100 fo <0,3 mm, < 3 °/° < 0,149 mm; besser als 90 fi 0,177 bis 0,250 mm.

Auf die feuchte Tauchschicht wird nun die Besandungsmasse im wesentlichen gleichmäßig aufgetragen. In der Praxis wird man den Auftrag der Besandungsmasse über ein Sieb vornehmen, auf das die Besandungsmasse durch eine Rütteldosierung gleichmäßig aufgegeben wird. Die Besandungsmasse haftet auf der feuchten Tauchschicht und dringt teilweise in diese ein, so daß es zu einer integrierten Schicht auf dem Modell kommt.

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Nun wird angetrocknet und dann das Tauchen und Besanden so oft wiederholtj bis die innere Schale 12 auf dem Modell 10 (Pig.1) die gewünschte Stärke hat. I¹Ur den Abguß von Metallteilen normalen Gewichts ist eine solche Wiederholung des Tauchens und Besandens zweckmäßig. Nach ausreichendem Trocknen wird das Ganze in eine 2. Tauchmasse für den Aufbau der mittleren Schale 14 getaucht. Im. folgenden werden Beispiele für eine 2. Tauchmasse angegeben.

2. Tauchmasse

Tonerde < 44 /am '

Polyvinylalkohol (7,26 $ige wässrige Lösung) Kartoffelstärke 3$ige Lösung Anionisches Hetzmittel

Tonerde C 44 /am

Polyvinylalkohol (7,26$ige wässrige Lösung)

Anionisches Netzmittel

Zirkon /- 37/um

Polyvinylalkohol (7,26 $ige wässrige Lösung)

Kartoffelstärke 3/^ige Lösung Anionisches Netzmittel Antischaum-Kolloid

Zirkon < 37 /am

Polyvinylalkohol (7,26 jiige wässrige Lösung)

Anionisches Netzmittel Antischaum-Kolloid

Tonerde -'- 44 /um

Kolloidale Graphitlösung (22$ Feststoffe)

Wasser

Anionisches Netzmittel Tragantgummi—Lösung

3500	ο·	j
1033	σ
938	CT Ώ	•7.
42	cm	J
3500	ο· η
2000	S
42	cm	■7.
4040	O"	J
1033	fan	3
938
42	cm
21	cm	ό •ζ
4040	σ·	J
1975	CT "	lbs
42	cm	lbs
21	cm	lbs
122,	7	cm^
10,	7	cm
26,	3
418,	0
456,	0

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Zirkon ^£· 44 /um . 33,0 lbs

Kolloidale Graphitlösung (22 % Feststoffe

in Wasser 8,8 lbs

Wasser 11,0 lbs

Anionisches Netzmittel 200,0 cm^j

Tragantgummi-Lösung 300,0 cnr

Zirkon < 44/Uia 160,0 lbs

latex ' 280,0 cm3

Wasser 140,0 cm|

Tragantgummi-Lösung 300,0 cm*

Anioniscb.es Netzmittel 400,0 cm 2

Octylalkohol 49,0 cm-⁵

Bei den in den Tauehmassen E,3? und G genannten Tragantgummi-Lösungen handelt es sich um eine Lösung von 445 g Tragantgummi-Pulver, 5 g Natriumbenzoat in 20 kg Wasser.

Als anionisches Netzmittel kann man beispielsweise Natriumheptadecyl· sulfat anwenden.

Als Antischaum-Kolloide eignen sich Handelsprodukte.

Die Aufbringung der 2. Tauchmasse geschieht so wie der 1. Tauchmasse. Ein wesentlicher Unterschied zwischen der 1. und 2. Tauchmasse besteht in dem angewandten Bindemittel. Die 1. Tauchmasse enthält ein kolloidales silicatisch.es Bindemittel. Die 2. Tauchmasse enthält vorzugsweise ein organisches flüchtiges bzw. zersetzbares Bindemittel wie Polyvinylalkohol. Unter dem Begriff "organisches flüchtiges Bindemittel" versteht man eine organische Verbindung, die beim Erhitzen oder auf andere Weise verflüchtigt und/oder ausgebrannt werden kann. Durch die Anwendung eines organischen flüchtigen Bindemittels ist es möglich ,.eine mittlere Schale in der Form aufzubauen, deren Bindemittel später entfernt wird, so daß eine mittlere Schale zwischen innerer und äußerer gebundener Schale und zwar dichter Packung jedoch ungebunden vorliegt.

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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zweckmäßigerweise jedoch nicht notwendigerweise das Modell angefeuchtet und man dafür im wesentlichen die gleiche Masse wie die Tauch* masse jedoch mit geringerer Viskosität anwendet. Pur das Anfeuchten verdünnt man die Tauchmasse auf einen G-esamtfestst off gehalt von etwa 25 bis 75 °/o. Darüberhinaus kann man das Modell mit der Innenschale 12 nach dem Trocknen in die Benetzungsmasse eintauchen, womit man ein besseres Eindringen und Benetzen der überzo~ genen Fläche vor dem Tauchen in die 2. Tauchmasse erreicht. Das Eintauchen in die 2. Tauchmasse erfolgt unmittelbar nach diesem Benetzen.

ITach dem Tauchen in die 2. Tauchmasse kann diese wieder von der aufzubauenden Form ablaufen und wird gesandet und getrocknet. Die Verfahrensstufen Benetzen, Tauchen, Besanden und Trocknen werden ein oder mehrere Male wenn notwendig wiederholt, bis die mittlere Schale 14 die gewünschte Stärke hat. Pur die Besandung kann man die gleiche Masse wie für die innere Schale anwenden.

Für bestimmte Anwendungsgebiete und insbesondere bei der Herstellung großer Formen ist es wünschenswert, der 2. Tauchmasse eine sehr geringe Menge in der Größenordnung von 0,125 .Gew.-^ eines kolloidalen Kieselsäurebinders zuzusetzen, die das organische flüchtige Bindemittel enthält. Die Anwesenheit des silicatischen Binders verhindert, daß die mittlere Schale nach Entfernen des flüchtigen Binders vollständig pulverförmig wird· Der geringe Anteil an Kieselsäurebinder in der 2: Tauchmasse erhöht nicht die Festigkeit oder dergleichen, sondern gestattet ein Verschmieren oder Reparieren der Form wenn erforderlich. Im folgenden wird eine Zusammensetzung für eine 2. Tauchschicht mit silicatischem Bindemittel gegeben.

Zirkonpulver Antischaum-Kolloid Anionisches Netzmittel Kolloidale Kieselsäure 30$ige

Polyvinylalkohol (7,26 #ig)

Wasser , g

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70	kg3
500
720	cm^
242	cm
13,	6 kg
8,	45 kg

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Die Zusammensetzung der 3. Tauchmasse zum Aufbau der äußeren Schale 16 kann - muß aber nicht - der der 1. Tauchmasse entsprechen. Auch die Aufbringung geschieht in der gleichen Weise. Im allgemeinen v/endet man jedoch eine gröbere Besandungsmasse an. Ist nun die äußere Schale 16 in der gewünschten Stärke aufgebaut, so v/ird die Form festiggetrocknet.

Als Beispiel für die Anzahl der aufzubringenden Tauchschichten für die einzelnen Schalen bei durchschnittlichen Gießgewichten kann man sagen, daß man für die innere Schale 12 zwei Tauchschichten, für die mittlere Schale 14 drei Tauchschiehten und für die äußere Schale 16 zwei Tauchschichten gleicher Zusammensetzung wie in der Innenschale anwenden kann. Für schwerere Gußstücke oder größere Formen kann man - wenn erforderlich - die Schalenstärke erhöhen.

Fach dem Trocknen wird die Form erwärmt,um das Modell zu entfernen (entwachsen) (US-PS 3 266 106). Im allgemeinen geschieht das Entwachsen der Form durch Brennen bei höherer Temperatur. Während dieses Brennvorgangs entwickelt das Bindemittel in Form von kolloidaler Kieselsäure in der äußeren und inneren Schale 12,16 eine starke Bindung der keramischen Tauch- und Sandschicht zu einer monolithischen Masse. Gleichzeitig verflüchtigt sich oder brennt aus das organische Bindemittel der mittleren Schale 14, so daß diese ungebunden zwischen den gebundenen inneren und äußeren Schalen vorliegt.

Das Entwachsen

dererfindungsgemäßen]?orm kann auch bei einer niederen Temperatur in der Größenordnung von 93 bis 205⁰C durchgeführt v/erden. Dieses Entwachsen ist möglich aufgrund der hohen Grünfestigkeit der erfindungsgemäßen Form.

Wird bei einer niederen Temperatur entwachst, so muß man die Form - wie in Fig. 2 angedeutet - erhitzen, um die restlichen Anteile an Wachs und das organische Bindemittel zu entfernen und gleichzeitig die silicatische Bindung zur Wirksamkeit zu bringen. Dies geschieht im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen 548 und 157O⁰C.

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JTun ist die Form gebrauchsfähig, wird vorgewärmt und dann zum Abguß gebracht. Während des Vorwärmen-s und Abgießens nimmt die Festigkeit der Form nicht in einem solchen Ausmaß zu, daß ein übermäßiges Härten.stattfindet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Form liegt darin, daß während des Abkühlens die relativ dünne Innenschale 12 zusammenfallen kann, so daß es nicht zur Heißrissigkeit des Gießlings kommt.

Mach "vollständigem Abkühlen des Gießlings wird ausgeformt; dazu benötigt,man-nur eine geringe Amplitude von mechanischen Schwingungen,"' da die dünnere äußere Schale 16 leicht bricht. Die mittlere Schale, die ja nicht gebunden ist¹, fällt ab und kann ,gegebenenfalls als Rücklaufmaterial wieder nutzbar gemacht werden«· Ebenso Teicht lassen sich die Teile der inneren Schale aufbrechen.

Die erhaltenen Gießlings sind relativ frei an Formmaterial, Heißrissen und Brüchen durch' das Abschlagen der Formen:. Die Notwendigkeit eines Sandstrahlens für das Putzen wird minimal gehaltene . ■ ..-■·■-·

Patentansprüche,

E 0-^8:2-7:-/:.0^:5.9=2:

Claims (6)

1. Patentansprüche

   1, Monolithische I¹ prm für den Präzisionsguß nach dem Verfahren mit verlorenem Modell aus abwechselnden Tauch- und Sandschichten, wobei die Tauchsehiehten ein feines feuerfestes Material und ein anorganisches Bindemittel und die Sandschichten ein körniges feuerfestes Material enthalten, dadurch g e If e η η zeichnet, daß sie aufgebaut ist aus einer inneren und einer äußeren Schale im wesentlichen gleicher Zusammensetzung und gleichen Aufbaus aus einer oder mehreren Tauch- und Sandschichten und sich zwischen der inneren und der äußeren Schale eine mittlere Schale beftndat, die aus feinem feuerfestem Material besteht und nicht gebunden ist·
2. 2. Verfahren zur Herstellung der 3?O.rm, nach Anspruch 1 nach der Investmentteehnik durch abwechselndes Aufbringen von Tauehrmassen und Besandungsmassen für die innere, die mittlere und die äußere Schale, wobei die Tauchmassea für die innere und äußere Schale neben f einem· feaerfestern: Material ein anor ganisches Bindemittel, insbesondere kollo:id<ale^; Kieselsäure, enthalten, dadurch g e k e η η ζ e i e h η e t , daß man für. die Tauch schicht der mittleren Schale nejben dem feine«., feuerfesten Material ein organisches flüchtiges· oder zfirSiStzllctoes- Bindemittel
3. 3·, Verfahren nach;: Anspruch- 2U, diadiurch: g; e k e n. n. ζ eic h_: η e t: ,,. dt# man;, als; organischem· Bindiemittel alkohol, Bflanjse.iigummen;,_; Stärken: oder Eunststoff-üarbices' ver-
4. 4.. Verfahren nasb; Ajispruio^: 3,,_; daäteßh,, g^ e k e n- n;. -ζ e i G h η e t: _fJ_ daß mam ztuaätzliah: zu· däesi organischen Bindemtttel;. noch, etwa: 0*125 fiewi-^; einas atiorganischen Bindemitt-els

   anwendet.

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5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4» dadurch, gekennzeichnet, daß man die getrocknete rohe Form brennt zum Entwachsen, Entfernen des organischen Bindemittels aus der mittleren Schale und Ausbildung der keramischen Bindung aus dem anorganischen Bindemittel der inneren und äußeren Schale.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch g e.k e η η zeichnet , daß man aus der getrockneten Form bei 93 bis 205⁰C das Modell ausschmilzt und auf 548 bis 157O⁰C zur Entfernung des organischen Bindemittels erhitzt.

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