DE69214022T2 - Giessform - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gußform zum Gießen von geschmolzenen Materialien, wobei die Gußform von einer vorbestimmten Form ist und einen Gußformhohlraum einer vorbestimmten Größe und Form aufweist, wobei ein Material der Gußform Quarzpartikel aufweist
• Eine derartige Gußform ist aus der JP-A-50 029 421 bekannt. Die bekannte Gußform ist aus geschmolzenem SiO&sub2;, Zirkonsand und Al&sub2;O&sub3;-Sand gebildet, imprägniert mit Materialien, z.B. Borax- und Borsäuren, die bei Erwärmung glasige Produkte bilden, und/oder Materialien wie z.B. Holzpulver und Graphite. Die bekannte Gußform wird zum Gießen von Stahl verwendet.
• Gußformen werden in verschiedenen Prozessen zur Herstellung von Gußteilen eingesetzt. Ein Verfahren zum Herstellen von Gußteilen, z.B. gegossenen Keramikformen, verwendet die folgenden grundlegenden Schritte:
• a) Schmelzen eines Ausgangsmaterials wie Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-SiO&sub2;- Keramik oder Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-Keramik mittels eines Elektroofens oder einer anderen Einrichtung zum Schmelzen von Außgangsmaterial;
• b) Einführen des geschmolzenen Keramikmaterials in eine Gußform, z.B. durch Eingießen; und
• c) Abkühlen des geschmolzenen Keramikmaterials in eine feste Form.
• Der oben beschriebene grundlegende Prozeß wird auf das Gießen von Metallen als auch auf das Gießen von jeglichem Material angewandt, das zunächst von einem festen Ausgangsmaterial durch Anwendung von Wärme in ein flüssiges Material umgewandelt werden muß, um zu ermöglichen, daß das Ausgangsmaterial in einen Gußformhohlraum einführbar ist, der die gewünschte vorbestimmte Form des gegossenen Endproduktes aufweist. Bei dieser Art des Gießens kann es wünschenswert sein oder nicht wünschenswert sein, das Gußteil in der Gußform zu isolieren, so daß die Abkühlgeschwindigkeit gehemmt bzw. verringert ist, d.h. das Gußteil wird geglüht, während es sich verfestigt und wird hiernach relativ langsam auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.
• Zur Herstellung dieser Art von Gußteilen sind einige Gießprozesse verfügbar. Beim Sandguß ist die Gußform aus Sand mit eineni vorab gebildeten Hohlraum hergestellt, in den das geschmolzene Material eingeführt wird, gewöhnlich durch Eingießen. Der Genau-Guß ist eine Variation des Sandgusses, wobei ein Muster oder Modell der letztlich gewünschten Form aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt wird wie Wachs oder Kunststoff. Der Sand wird um das Muster oder Modell herum gepackt. Wenn das geschmolzene Material in die Gußform eingegossen wird, schmilzt das Material mit niedrigem Schmelzpunkt und geht gewöhnlich in den gasförmigen Zustand über, wobei die Form des Modelles oder Musters innerhalb des Sandes durch das geschmolzene Metall ersetzt wird. Masken-Guß ist dem Sandguß prinzipiell ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Gußform wiederverwendbar ist und/oder erheblich mehr kleinere Details in der Gußform vorgesehen sein können. Bei dem Masken-Guß ist die Gußform gewöhnlich aus einem feuerfesten Material wie Graphit, einem feuerfesten Metall oder einer feuerfesten Keramik, wie z.B. einer nicht-oxidierten Keramik und Sand, die miteinander durch ein temporäres Polymerharzbindemittel verbunden sind, um eine mehr oder weniger feste Gußform zu erzeugen und der erhöhten Temperatur des geschmolzenen Materials widerstehen zu können, das in jene Gußform einzuführen ist. Die Masken- Gußform kann sorgfältig maschinenbearbeitet werden, um kleine Details vorzusehen, und/oder die Masken-Gußform kann dazu ausgelegt sein, nach der Verfestigung von dem Gußteil abgebaut zu werden, derart, daß die Masken-Gußform intakt entfernt wird, um wiederverwendet zu werden.
• Beim Sandgußprozeß wird eine Gußform üblicherweise gebildet, indem Sand geformt wird, der aus variierenden Mengen an Silikasand und Ton besteht. Silikasand besteht hauptsächlich aus Quarz, wobei die Nomenklatur hier verwendet wird, um einen Formsand anzugeben, der einen geringen Anteil an Ton besitzt oder frei von Ton ist. Dem Silikasand wird ein Harz als ein temporäres organisches Bindemittel hinzugefügt. Das Harz wird in den Sand hineingerührt und mit diesem vermischt, so daß im wesentlichen jeder Sandpartikel leicht beschichtet wird. Das Harz, das als ein organisches Bindemittel mit Silikasand-Formmaterial verwendet wird, ist gewöhnlich ein Phenol- oder Furan-Harz, das dem Silikasand in einer Menge von etwa 5 Gew.-% des Sandes hinzugefügt wird. Das organische Bindemittel wird ausgebrannt (oxidiert und im gasförmigen Zustand abgeführt), wenn das geschmolzene Hochtemperaturmaterial in die Gußform eingeführt wird. Das organische Bindemittel kann ausgehärtet werden, indem die geformte Gußform vorab erwärmt wird, bevor das geschmolzene Material eingeführt wird; das Aushärten gewährleistet die strukturelle Integrität der Gußform während des Einführens des geschmolzenen Materials. Obwohl Silikasand aus verschiedenen Quellen weltweit sehr leicht verfügbar ist, und zwar in großen Mengen und zu günstigen Preisen, ist es zum Zwecke einer besseren Effizienz und Kostenreduktion wünschenswert, den Silikasand so häufig wie möglich für neue Gußformen wiederverwenden zu können.
• Es werden herkömmlich verschiedene Arten von Natur-Silikasand verwendet, bei jenen Anwendungen jedoch, bei denen die Eingießtemperatur des geschmolzenen Materials sehr hoch ist, wird gewöhnlich "Flattery"-Silikasand in einer sehr hohen Reinheit verwendet. Hochreiner Silikasand besteht nahezu vollständig aus α-Quarz-Partikeln (SiO&sub2;-Partikeln). SiO&sub2; hat einen sehr hohen Temperatur- und Oxidations- oder Verbrennungswiderstand und ist im wesentlichen auch sonst relativ inert gegenüber chemischen Reaktionen. Selbst in jenen Fällen, bei denen SiO&sub2; über dessen Schmelzpunkt hinaus erwärmt wird, z.B. durch die Einführung des geschmolzenen Materials, fließt das SiO&sub2; nicht, da dessen Schmelzviskosität recht hoch ist. Wenn daher ein gewisser Anteil einer Hohlraumoberfläche der Gußform aus Silikasand geschmolzen wird, kann die Gußform ihre Funktion dennoch im wesentlichen erfüllen, so daß ein akzeptierbares Gußteil erzeugt wird.
• Wie zuvor erwähnt, ist SiO&sub2; gegenüber chemischen Reaktionen relativ inert. Dies ist bedeutsam fur ein Gußformmaterial zum Gießen von geschmolzenen Hochtemperaturmaterialien. Wenn das Gußformmaterial reaktiv ist, wird es sich "festfressen" oder wird auf das Gußteil aufgeschweißt, wodurch das Entfernen des Gußteils aus der Gußform und eine darauffolgende Reinigung ziemlich arbeitsintensiv werden. Es hat sich über viele Jahre durch Erfahrung gezeigt, daß SiO&sub2; eine vernachlässigbare Reaktivität mit geschmolzenem Metall und keramischen Materialien aufweist, so daß das Festfressen im wesentlichen ein unbedeutsames Problem ist. Um es anders auszudrücken, SiO&sub2; hat sehr gute Gußformfreigabeeigenschaften. Dies führt in Kombination mit den anderen Eigenschaften von SiO&sub2; dazu, daß Silikasand ein relativ gutes und wünschenswertes Gußformmaterial liefert.
• Wenn das geschmolzene Material in eine Gußform eingegossen wird, beginnt die Gußform, die sich auf einer sehr viel geringeren Temperatur befindet, Wärme von dem eingegossenen Hochtemperaturmaterial zu absorbieren. Dies führt dazu, daß sich die Oberflächentemperatur des geschmolzenen Materials benachbart zu den Gußformhohlraumoberflächen sofort signifikant reduziert, wohingegen die Innentemperatur des geschmolzenen Materials relativ hierzu wesentlich höher bleibt. Das schnelle, nahezu sofortige Abkühlen der Oberflächen des geschniolzenen Materials führt zu einem Schrumpfen. Das Innere des geschmolzenen Materials schrumpft jedoch nicht mit derselben Geschwindigkeit oder um dasselbe Maß. Auf der anderen Seite wird die Gußform durch das geschmolzene Material erwärmt, so daß sich die Gußform insbesondere an jenen Oberflächen benachbart zu dem geschmolzenen Metall ausdehnt. Mit anderen Worten neigt das geschmolzene Metall des Gußteiles dazu, bei seiner Verfestigung zu schrumpfen, während die Form gleichzeitig dazu neigt, sich auszudehnen. Die Ausdehnung der Gußform ist jedoch nicht gleichförmig; die längeren Ausdehnungen des Gußformhohlraumes neigen dazu, sich mit einer größeren Geschwindigkeit auszudehnen als die Ecken, die Bereiche von Formübergängen und die kürzeren Gußformhohlraumausdehnungen. Dieses Phänomen kann dazu führen, daß sich die Gußform in der Längserstreckung insgesamt ausdehnt, wobei die längeren Ausdehnungen, insbesondere von größeren Gußformen, dazu neigen, sich auf eine konvexe Art und Weise zu verwerfen, was zu einer entsprechenden konkaven Verformung der benachbarten Oberflächen des sich verfestigenden Gußteiles innerhalb des Gußformhohlraumes führt.
• Als Ergebnis des Gußformverlängerungsphänomens, in Verbindung mit dem Schrumpfen des Gußteiles, bilden sich gelegentlich Brüche an den Kanten und Brüche in Ecken und/oder Formübergangsbereichen an den Oberflächen des Gußteiles aus. Die Brüche sind das Ergebnis von Spannungen in dem Gußteil; die Spannungen verursachen manchmal, daß das Gußteil zerbricht, entweder während des Abkühlens innerhalb der Gußform oder hiernach, wenn sich das Gußteil im Gebrauch befindet. Im Falle von größeren Gußformen bilden sich, wie zuvor erwähnt, konkave Abschnitte gelegentlich an den flachen oder sich ausdehnenden Oberflächen des Gußteiles. Wenn größere Gußteile herzustellen sind, ist die Gußform zur Kompensierung des nicht gleichförmigen Verlängerungsphänomens der Gußform und ihrer Probleme hinsichtlich Verwerfungen und konvexer Verformung mit einer entgegengesetzten Verwerfung ausgestaltet, die in die Oberflächen eingebaut ist, so daß das Verlängerungsphänomen dazu neigen wird, die flachen und/oder sich ausdehnenden Oberflächen zu strecken. Um dies zu erreichen, ist die Oberfläche des Gußformmusters auf eine konvexe Weise so geformt, daß ein entsprechendes konkaves Muster in der Gußformoberfläche erzeugt wird. Es ist manchmal möglich, die konkaven Oberflächen an dem Gußteil zu eliminieren, dies erfordert jedoch die Anwendung eines kostenintensiven Diamantschleifprozesses, wenn das Gußteilmaterial Keramik ist.
• Silikasand hat ein relativ hohes Maß an thermischer Leitfähigkeit. Daher hat die herkömmliche Gußform, die aus Silikasand hergestellt ist, eine zum Abkühlen von Gußteilen recht adäquate Eigenschaft, und zwar sowohl dann, wenn sich das geschmolzene Metall verfestigt und nachdem die Verfestigung erfolgt ist. Zusätzlich tritt ein weiteres Phänomen auf; es erfolgt eine kristalline Phasentransformation, die in der kristallinen Quarzstruktur auftritt (und die nachstehend genauer beschrieben werden wird). Die kristalline Phasentransformation ist ihrer Natur nach endotherm, wodurch eine weitere Dissipation der Wärme weg von dem geschmolzenen Material innerhalb des Gußformhohlraumes hervorgerufen wird. Auf der anderen Seite dehnt sich der Silikasand selbst aus, wenn er die Transformation erfährt.
• Dies führt zu den Brüchen an den Kanten und zu den konkaven Oberflächen.
• Die kristalline Phasentransformation von Silika ist ein seltsames Phänomen, das teilweise die Natur des Verlängerungsphänomens erklärt, das bei Silikasandgußformen angetroffen wird. Natürlicher Silikasand besteht aus der kristallinen α-Quarzform von SiO&sub2;. Wenn er bis auf 573º erwärmt wird, transformiert das α-Quarz in β-Quarz bei einer Volumenausdehnung von etwa 1,35 %. Bei 1250ºC transformiert das β-Quarz in β-Kristobalit, einhergehend mit einer weiteren Volumenausdehnung von etwa 17,4 %. Bei 1700ºC transformiert das β-Quarz in Quarzglas, die glasartige, nichtkristalline Form von SiO&sub2;, einhergehend mit einer weiteren Volumenausdehnung in der Größenordnung von 20 %. Daher hängt die disproportionale Ausdehnung, d.h. das Verlängerungsphänomen von Silikasandgußformen, in starkem Maße von der diskreten Temperatur von jedem Partikel des Silikasandes der Gußform ab.
• Wenn das geschmolzene Material mit einer Temperatur von 1700ºC oder mehr in eine Silikasandform (α-Quarz) eingeführt wird, wird jeder Partikel des Sandes in der Gußform in kurzer Zeit erwärmt, und zwar einige sofort und einige weniger schnell, und es werden gemäß der Temperatur, auf die jeder lokale Bereich erwärmt worden ist, diskrete Transformationsschichten und -taschen ausgebildet. Demzufolge geht die Gußform in eine mehrschichtige, nicht-homogene Struktur über, die aus verschiedenen Transformationsschichten und -taschen der verschiedenen kristallinen und nicht-kristallinen Formen von SiO&sub2; gebildet ist.
• Es ist ein weiteres Phänomen entdeckt worden. Wenn ein geschmolzenes Keramikniaterial in eine herkömmliche Silikasandgußform eingeführt wird, brechen und zerbrechen sofort einige der Silikasandpartikel von der Oberfläche des Gußformhohlraumes sofort, wobei einige von diesen in feines Pulver und Staub aufgelöst werden, und zwar sogar vor dem Auftreten irgendeiner kristallinen Phasentransformation. Dieses Phänomen wird durch den Wärmeschock von der sofortigen, extremen Temperaturveränderung hervorgerufen, die sich aus der Strahlungserwärmung der Oberflächenpartikel des Silikasandgußformhohlraumes durch das geschmolzene Keramikmaterial ergibt. Beispielsweise werden normalerweise geschmolzenes Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-Sio&sub2;-Keramikmaterial oder geschmolzenes Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-Keramikmaterial in eine herkömmliche Silikasandgußform bei Temperaturen von über 1900ºC eingegossen. Die gebrochenen oder zerbrochenen Stücke aus Silikasandpartikeln als auch ein gewisser Teil des feinen Pulvers und Staubs werden in das geschmolzene Keramikmaterial mitgerissen, was eine Kontamination verursacht, die letztlich zu einer verminderten strukturellen Integrität des fertiggestellten Gußteiles führen kann. Zusätzlich neigt ein gewisser Teil des feinen Pulvers und Staubs dazu, in den Räumen zwischen den verbleibenden Silikasandpartikeln der Gußformhohlraumoberfläche zu verklumpen. Dies vermindert die Permeabilität der Gußform. Daher werden die Gase, die aus dem geschmolzenen Keramikniaterial austreten, und die ansonsten durch die permeable Struktur der Gußform entweichen könnten, sowohl innerhalb der Struktur des Gußteiles als auch an dessen Oberfläche eingefangen. Diese eingefangenen Gase bilden Blaslöcher oder Hohlräume, die die strukturelle Integrität des fertigen Gußteiles weiter reduzieren.
• Es besteht noch ein weiteres Problem, das sich aus dem vorstehenden Wärmeschockphänomen ergibt. Die Erzeugung einer erheblichen Menge von gebrochenen oder zerbrochenen Partikeln, als auch von Partikeln, die anbrechen und später aufbrechen, wenn der Silikasand zur Wiederverwendung erneut verarbeitet wird, und die Erzeugung einer erheblichen Quantität an feinem Pulver und Staub führen dazu, daß ein wesentlicher Anteil jenes Silikasandes nicht mehr wiederverwendet werden kann. Der Grund hierfür liegt einfach darin, daß die kleineren Partikel und Feinteile mit einer Größe von weniger als etwa 0,3 mm [48 Mesh] dazu führen, daß der Silikasand zur weiteren Verwendung zu impermeabel wird, solange der verwendete Sand nicht neu gesiebt wird.
• Unglücklicherweise ist es als Daumenregel bekannt, daß etwa die Hälfte des gebrauchten Silikasandes Partikel und Feinteile mit einer Größe von weniger als etwa 0,3 mm [48 Mesh] aufweist, so daß lediglich etwa die Hälfte des herkömmlichen, in einer Gußform verwendeten Silikasandes zur Wiederverwendung herangezogen werden kann. Wenn das Recycling-Verhältnis einhalb ist, d.h. 50 %, wird jeder Sandpartikel im Mittel lediglich zweimal gebraucht, bevor dessen Entsorgung notwendig ist. Dies basiert auf der folgenden Berechnung; 1 + 0,5 + 0,5² + 0.5³ + ... = 1/(1 - 0,5) = 2. Jene Hälfte, die nicht wieder herangezogen werden kann, ist Abfallmaterial, das entsorgt werden muß und durch neuen, jungfräulichen Silikasand ersetzt werden muß, was zusätzliche Kosten hervorruft.
• Zusätzlich zu den vorstehenden Problemen ruft die Erzeugung einer derart großen Menge an feinem Pulver und Staub ein beträchtliches Umweltproblem am Arbeitsplatz als auch an dem Entsorgungsort hervor. Daher muß eine teure und aufwendige Ausrüstung installiert, betrieben und gewartet werden, um die durch die Erzeugung der relativ großen Mengen an feinem Pulver und Staub aus Silikasand hervorgerufenen Umweltprobleme zu handhaben.
• Es sind Versuche unternommen worden, Aluminiumpartikel zur Bildung einer Gußform zu verwenden. Die logische Grundlage für dieses Bemühen liegt darin, daß Aluminium in seinem kristallinen Zustand stabil ist. Aluminium ist mit anderen Worten frei von kristallinen Phasentransformationen über den gesamten Temperaturbereich, dem eine Gußform zum Bilden von Keramikgußteilen ausgesetzt ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Aluminium als Gußformmaterial nicht geeignet ist, da es sich an den Gußteilen festfrißt, denn Aluminium neigt dazu, gegenüber sowohl geschmolzenen Keramikniaterialien als auch geschmolzenen Metallen wesentlich reaktiver zu sein.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Probleme zu überwinden, eine ökonomische Gußform zum Gießen bereitzustellen, in der eine wesentlich geringere Quantität an feinem Pulver und Staub erzeugt wird, und die konsistente Herstellung von Gußteilen höherer Qualität zu ermöglichen.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Gußform zum Gießen von geschmolzenem Material, wobei die Gußform eine vorbestimmte Form und einen Gußformhohlraum vorbestimmter Größe und Form aufweist. Das zur Bildung der Gußform verwendete Basismaterial ist Quarzglas in der Form von Partikeln. Die Quarzglaspartikel und optional andere Materialien werden verwendet, um die Gußform zu bilden. Die Gußform kann zum Gießen von Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-SiO&sub2;- Keramikmaterialien verwendet werden. Das Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-SiO&sub2;-Keramikmaterial kann ZrO&sub2; in einem Bereich von etwa 25 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, insbesondere etwa 33 Gew.-% enthalten. Die Gußform kann auch zum Gießen von Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-Keramikmaterialien verwendet werden. Die Keramikmaterialien können vor ihrer Einführung in die Gußform durch einen elektrischen Ofen oder eine andere geeignete Heizeinrichtung in einen geschmolzenen Zustand umgewandelt werden. Das durch die Gußform hergestellte Keramikgußteil kann ein schmelzgeformter Ziegel sein. Die Gußform kann einen im wesentlichen rechteckförmigen Parallelepiped-Hohlraum haben. Die Größen der zur Bildung der Gußform verwendeten Quarzglaspartikel liegen vorzugsweise zwischen 0,3 mm [48 Tyler- Mesh] und 2,4 mm [8 Tyler-Mesh). Die Gußform kann auch ein organisches Bindemittel in einem Bereich von etwa 0,5 - 5 Gew.-% des Gewichtes der verwendeten Quarzglaspartikel aufweisen. Die Gußform kann unter anderem gebildet werden durch Härten, d.h. durch Versteifen oder Aushärten des organischen Bindemittels, und das organische Bindemittel kann gehärtet werden, indem eine Mischung aus den Quarzglaspartikeln und dem organischen Bindemittel über ein erwärmtes Metallmuster ausgespritzt wird, um die Gußform zu bilden. Alternativerweise kann die Gußform durch einen herkömmlichen Maskenformprozeß gebildet werden. Eine weitere Alternative besteht darin, die Gußform durch ein Vakuumsaugverfahren zu bilden. Das organische Bindemittel kann ein Furanharz sein. Alternativerweise kann das organische Bindemittel ein Phenolharz sein. Eine weitere Alternative besteht darin, daß das organische Bindemittel ein Wasserglas ist. Es kann eine langsam abkühlende Schicht um die Gußform herum gebildet werden, und die langsam abkühlende Schicht kann aus Quarzglaspartikeln gebildet sein. Tatsächlich können die Quarzglaspartikel der Gußform und die der kühlenden Schicht im wesentlichen dieselbe Größe haben. 95 Gew.-% oder mehr der zur Herstellung der Gußform verwendeten Quarzglaspartikel können wiederverwendet werden, wenn eine neue Gußform gebildet wird.
• Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die Ansprüche.
• Das zur Bildung der Gußform der vorliegenden Erfindung verwendete Quarzglas weist im wesentlichen keine kristalline Phasentransformation auf, da Quarzglas die stabile morphologische Form von SiO&sub2; ist. Daher erfolgt im wesentlichen keine Gußformausdehnung, und das oben angegebene Verlängerungsphänomen ist im wesentlichen eliminiert. Daher leiden die erzeugten Gußteile nicht an einer konkaven Verformung oder an Kanten- und/oder Eckenbrüchen (oder anderen Brüchen in den Bereichen von Formübergängen). Dies ermöglicht die konsistente Erzeugung von präzisen Gußteilen hoher struktureller Integrität und mit dimensionsmäßig engen Toleranzen. Die zur Bildung der Gußform der vorliegenden Erfindung verwendeten Quarzglaspartikel sind gleichermaßen oder sogar etwas mehr chemisch inert im Vergleich zu dem α-Quarz herkömmlicher Silika-Sandgußformen, so daß sich kein Problem hinsichtlich der Reaktivität und des sich hieraus ergebenden Gußformfestfressens ergibt. Die zur Bildung der Gußform der vorliegenden Erfindung verwendeten Quarzglaspartikel sind im Vergleich zu α-Quarzpartikeln herkömmlicher Silika- Sandgußformen über den Temperaturbereich&sub1; dem die Gußform auszusetzen ist, physikalisch wesentlich stabiler. Im Ergebnis ist das oben beschriebene Wärmeschockphänomen im wesentlichen reduziert, tatsächlich nahezu vollständig eliminiert. Daher sind auch die mit der Erzeugung von großen Mengen an feinem Pulver und Staub einhergehenden Probleme sämtlich eliminiert. Da die Probleme hinsichtlich der Erzeugung von feinen Pulvern und Staub in starkem Maße eliminiert sind, das Wärmeschock- Phänomen also überhaupt nicht auftritt, bleibt die Permeabilität der Gußformen über den Gußprozeß hinreichend, um Gase zu entlüften, die aus dem in den Gußformhohlraum eingeführten, geschmolzenen Material während dessen Verfestigung austreten. Daher sind auch die Probleme hinsichtlich Blaslöchern vollständig eliminiert. Gleichzeitig ist das Einschließen von Unreinheiten in das geschmolzene Material als Ergebnis des Wärmeschock- Phänomens nicht mehr ein signif ikantes Problem. Schließlich können aufgrund der Tatsache, daß das Wärmeschockproblem vollständig ausgelöscht ist, die Quarzglaspartikel der Gußform der vorliegenden Erfindung immer wieder recycelt und neu verwendet werden, im Mittel zwanzig (20) mal, verglichen mit den zwei (2) mal im Mittel, die herkömmliche Silika-Sandpartikel (α-Quarz-Partikel) recycelt und wiederverwendet werden können.
• Die zur Bildung der Gußform der vorliegenden Erfindung verwendeten Quarzglaspartikel liegen vorzugsweise in einem Größenbereich von etwa 0,3 mm [48 Mesh] bis 2,4 mm [8 Mesh] (Größenangaben nach Tyler Screen Mesh). Wenn eine wesentliche Menge der Quarzglaspartikel kleiner ist als 0,3 mm [48 Mesh] hat die Gußform eine relativ schlechte Permeabilität, so daß Gasblasen leicht an der Oberfläche und innerhalb der Gußteile eingefangen werden, was zu Hohlräumen und/oder Blaslöchern im Inneren der Gußteile führt. Die Permeabilität der Gußform wird direkt proportional zu der Zunahme der Menge der Partikel mit einer kleineren Größe als 0,3 mm [48 Mesh] reduziert. Andererseits tendiert die Verwendung von Partikeln mit einer größeren Größe als etwa 2,4 mm [8 Mesh] dazu, die Festigkeit und strukturelle Integrität der Gußform zu reduzieren, was in manchen Fällen dazu führt, daß die Gußform während der Handhabung und des Eingießens des geschmolzenen Materials in den Gußformhohlraum in sich zusammenfällt. Die Festigkeit und die strukturelle Integrität der Gußform werden direkt proportional zu der Zunahme der Menge der Partikel mit einer größeren Größe als etwa 2,4 mm [8 Mesh] reduziert.
• Zur Unterstützung der Bildung der Gußform der vorliegenden Erfindung können Furanharz, Phenolharz und/oder Wasserglas sowie herkömmliche organische Bindemittel verwendet werden, die bei der Bildung von Silika-Sandgußformen eingesetzt werden. Das Verhältnis an zu dem Silika-Glas zugesetztem organischem Bindemittel liegt vorzugsweise in eineni Bereich von etwa 0,5 - 5 Gew.-% der Quarzglaspartikel. Die Gußform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch Ausspritzen des Gußformmaterials (die Mischung aus Quarzglaspartikeln und organischem Bindemittel) über ein erwärmtes Metallmuster geformt werden, uni das organische Bindemittel zu härten. Alternativerweise kann die Gußform der vorliegenden Erfindung durch einen herkömmlichen Maskenformprozeß gebildet werden, entweder separat oder mittels einer automatisierten Maskenformmaschine als Teil eines automatisierten Maskenformprozesses. Als dritte Alternative kann die Gußform durch ein herkömmliches Vakuumsaugverf ahren gebildet werden. In einem solchen Fall wird den Quarzglaspartikeln kein Bindemittel zugesetzt. Es können auch andere Gußform-Herstellungsprozesse und -techniken verwendet werden, die Fachleuten bekannt sind.
• Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Quarzglaspartikel sind kommerziell leicht verfügbar, da sie in größeren Mengen zur Verwendung als Füllmaterial bei Herstellungsprozessen zum Verpacken von Halbleiterprodukten beziehen, hergestellt werden.
Beispiel
• Es wurde ein Gußformmaterial vorbereitet, indem einer Menge von Quarzglaspartikeln einer Größe von 0,4 mm [+40 Mesh] - 1,7 mm [10 Mesh] eine relativ kleine Menge an organischem Bindemittel aus Furanharz hinzugefügt wurde. Das Verhältnis von den Quarzglaspartikeln hinzugefügtem organischem Bindemittel aus Furanharz betrug 1,5 Gew.-% bezogen auf das Gewicht der verwendeten Quarzglaspartikel. Es wurde eine kubische Gußform mit inneren Gußformhohlraumabmessungen von 250 x 400 x 1500 mm mit einer Wanddicke von 30 mm gebildet. Eine Oberfläche der Gußform von 400 x 500 mm wurde als die obere Oberfläche der Gußform positioniert. Durch diese obere Oberfläche wurde ein Loch mit einem Durchmesser von 150 mm gebildet. Ein herkömmlicher zylindrischer Beschickungskopf wurde durch das Loch montiert. Das externe Ende des Beschickungskopfes wurde freigelegt, um einen Einguß zu bilden, durch den das geschmolzene Material eingegossen werden konnte. Um die Form herum wurden Quarzglaspartikel derselben Größe wie jene des Gußformniaterials herum gepackt, um als langsam abkühlende, glühende Schicht zu dienen, die die Außenseite der Gußform umgibt.
• In einem elektrischen Ofen wurde Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-SiO&sub2;-Keramikmaterial mit 33 Gew.-% ZrO&sub2; bei 1900ºC geschmolzen. Dieses geschmolzene Material wurde in die Gußform eingegossen und für etwa eine Woche geglüht (langsam abgekühlt), bevor das Gußteil aus der Gußform entfernt wurde. Das hergestellte Gußteil war vollständig frei von Blaslöchern, hatte keine erfaßbaren Brüche und zeigte keinen erfaßbaren Nachweis für ein Festfressen. Die Seiten waren im wesentlichen glatt, ohne einen erfaßbaren Nachweis einer konkaven Verformung. Die diniensionsniäßige Genauigkeit der Gußteile lag nicht nur innerhalb der akzeptierbaren Toleranz, sondern lag im wesentlichen direkt auf den Konstruktions-Nennabmessungen, etwas, das nahezu niemals bei Gußteilen auftrat, die unter Verwendung von herkömmlichen Silika- Sandgußformen hergestellt wurden. Eine Wiederholung dieses Beispiels erzeugte konsistent genaue Abmessungen, die sämtlich gut innerhalb der Konstruktionstoleranzen lagen, was eine dimensionsmäßige Konsistenz bedeutet, von der man virtuell vorher bezüglich Gußteilen nichts gehört hat, die unter Verwendung von herkömmlichen Silika-Sandgußformen (α-Quarzgußformen) hergestellt wurden.
• Die zur Bildung der Beispielgußform verwendeten Quarzglaspartikel wurden in Wasser gewaschen, getrocknet und gesiebt, um das feine Pulver und den Staub und alle Partikel mit einer kleineren Größe als 0,4 mm [40 Mesh] herauszutrennen. Es wurde festgestellt, daß nur zwei Gew.-% der verwendeten Quarzglaspartikel eine geringere Grsße hatten als 0,4 mm [40 Mesh], wobei 98 % der verwendeten Partikel eine Größe von 0,4 mm [40 Mesh] oder größer aufwiesen. Mit anderen Worten konnten 98 % der verwendeten Quarzglaspartikel wiederverwendet werden. Darauf folgende Tests zeigten, daß in keinem Fall weniger als 95 % der verwendeten Quarzglaspartikel wiederverwendbar waren.
• Die thermische Leitfähigkeit von Quarzglas ist geringer und langsamer als jene von Silika-Sand. Sie beträgt z.B. 65 % der thermischen Leitfähigkeitsrate von natürlichem Silika-Sand. Dies wird teilweise durch die Tatsache erklärt, daß Quarzglas eine Dichte von 2,21 gm/cm³ aufweist, die geringer ist als die Dichte von 2,65 gm/cm³ von Silika-Sand. Die Dichte der Quarzglasgußform bleibt stabil im Gegensatz zu den Dichtevariationen, die bei herkömmlichen Silika-Sandgußformen auftreten, wenn kristalline Phasentransformationen auftreten. Demzufolge absorbiert die Gußform aus Quarzglaspartikeln eine geringere Wärmemenge (in Kalorien) per Zeiteinheit als eine herkömmliche Gußform aus Silika-Sand, wobei die Absorptionsrate konsistent bleibt. Daher absorbiert die Quarzglasgußform nicht plötzlich Wärme aus dem geschmolzenen Material und/oder der sich verfestigenden Gußform, ein Phänomen, das auftritt, wenn herkömmliche Silika-Sandgußformen verwendet werden und die endotherme kristalline Phasentransformat ion plötzlich auftritt. Zusätzlich ist der Koeffizient der thermischen Ausdehnung von Quarzglas 5,5 - 5,8 x 10&supmin;&sup7; was einen derart kleinen Wert darstellt, daß die thermische Ausdehnung der Gußform im wesentlichen ignoriert werden kann. Daher können Gußteile mit einer hohen dimensionsmäßigen Genauigkeit und frei von konkaven Flächen und Brüchen unter Verwendung einer Quarzglasgußform hergestellt werden.
• Wie es zuvor angedeutet wurde, sind die zur Herstellung der Gußform der vorliegenden Erfindung verwendeten Quarzglaspartikel chemisch und physikalisch stabil, so daß es kaum eine Aufgliederung jener Partikel in zerbrochene Ohips, feines Pulver oder Staub gibt. Wenn geschmolzenes Material in die Gußform eingegossen wird, gibt es nahezu keine abgebrochenen oder zerbrochenen Bestandteile, die in das geschmolzene Material mitgerissen werden können, was zu einer Kontamination des fertiggestellten Gußteiles führen kann. Daher sind die Gußteile reiner und können mit größerer Sicherheit die durch ihre Konstruktion vorgegebenen Fähigkeiten aufweisen, z.B. Fähigkeiten und Eigenschaften hinsichtlich der Feuerfestigkeit.
• Aufgrund des geringen Vorkommens des Aufbrechens von Partikeln können, wie oben angegeben, die Quarzglaspartikel viele Male als Gußformmaterial wiederverwendet werden. Es muß lediglich eine geringe Menge an neuen, jungfräulichen Quarzglaspartikeln als neues Gußformmaterial zur Unterstützung der gebrauchten Quarzglaspartikel hinzugefügt werden. Wenn das Recycling-Verhältnis von gebrauchten Quarzglaspartikeln 95 % beträgt, können diese im Mittel 20 mal gemäß folgender Berechnung verwendet werden; 1 + 0,95 - 0,95² + 0,95³ + ... = 1/(1 - 0,95) = 20. Dieser Wert ist zehnfach größer als das Recycling-Verhältnis, das sich bei herkömmlichen Silika-Sandpartikeln (α-Quarzpartikeln) ergibt, die für Gußformen verwendet werden. Dieser Vorteil hinsichtlich der Dauerhaftigkeit kompensiert die Tatsache, daß das Quarzglas achtfach teurer ist als herkömmlicher Silika-Sand (α-Quarz).
• Darüber hinaus zeigt die Tatsache, daß die großen Mengen an feinem Pulver und Staub eliminiert werden können, daß die Kosten, die mit dem Kauf, dem Betrieb und der Wartung von Staubfängern und zugeordneter Ausrüstung einhergehen, im wesentlichen eliminiert werden können, und daß die Kosten des Entfernens von großen Mengen von feinem Pulver und Staub wesentlich reduziert werden können. Daher ist der Kostenvorteil sogar noch größer.
• Schließlich ist die Gesamtwirtschaftlichkeit der Verwendung von Quarzglaspartikeln als Gußformmaterial unter Berücksichtigung der Tatsache recht überzeugend, daß konsistent bessere Gußteile und beträchtlich weniger Ausfallprodukte erzeugt werden können.
• Obwohl im vorstehenden die derzeit bevorzugte Ausführungsform und die derzeit beste Möglichkeit der Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, gibt es viele Variationen und Alternativen für die Anwendung der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich daher, daß der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung lediglich durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims (9)

1. Gußform zum Gießen von geschmolzenen Materialien, wobei die Gußform von einer vorbestimmten Form ist und einen Gußformhohlraum einer vorbestimmten Größe und Form aufweist, wobei ein Material der Gußform Quarzpartikel aufweist, dadurch gekennzeichnet&sub1; daß die Gußform nur aus Quarzglaspartikeln mit oder ohne Bindemittel besteht, wobei die Form geeignet ist zum Gießen von einem Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-SiO&sub2;-Keramikmaterial oder einem Al&sub2;O&sub3;- SiO&sub2;-Keramikmaterial.

2. Gußform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Form des Gußformhohlraumes einen im wesentlichen rechteckförmigen Parallelepiped aufweist.

3. Gußform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Quarzglaspartikel der Gußform zwischen 0,3 mm (48 Tyler mesh) und 2,4 mm (8 Tyler mesh) liegt.

4. Gußformnachanspruchl, dadurchgekennzeichnet, daß die Gußform ein organisches Bindemittel in einer Menge von 0,5 bis 5 Gew.-% aufweist.

5. Gußform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform kein Bindemittel aufweist und durch ein Vakuumsaugverfahren geformt ist.

6. Gußform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform eine langsam abkühlende Schicht aufweist, die die Gußform umgibt.

7. Gußform nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die langsam abkühlende Schicht aus Quarzglaspartikeln gebildet ist.

8. Gußform nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglaspartikel der Gußform und die der langsam abkühlenden Schicht im wesentlichen dieselbe Größe aufweisen.

9. Gußform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 95 % oder mehr der Quarzglaspartikel bei der Bildung einer neuen Gußform wiederverwendbar sind.