Verfahren zur Herstellung von Formmasken Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formmasken, mit welchen ins besondere Gussstücke wirtschaftlich und zweckent sprechend in komplizierten Formen und mit genau kontrollierten Dimensionen hergestellt werden können.
Verfahren zur Herstellung von Gussstücken mit nied rigen Kosten und mit hinreichend genauen Dimen sionen und komplizierten Formen waren bis jetzt Ge genstand ausgedehnter und fortgesetzter Forschung. Viele Verfahren sind schon bekannt, wie z. B. das Grün sandgiessverfahren, das Spritzgussverfahren, das Wachs ausschmelzverfahren und ähnliche. Aus verschiedenen Gründen, aber vor allem wegen den Kosten, haben solche Verfahren für die Herstellung von vielen Gegen ständen, wie z. B. von Turbinenschaufeln und ähnli chen, nur beschränkte Anwendung gefunden.
Präzisionsgussstücke können gemäss der vorliegen den Erfindung zu geringen Kosten, in grosser Anzahl und in genauen Dimensionen und komplizierten For men hergestellt werden. Dieses neue Verfahren weist mit dem bekannten Formmaskenverfahren eine gewisse Ähnlichkeit auf, aber es unterscheidet sich von diesem in wesentlichen Einzelheiten. Das Ziel dieser Einzel heiten ist die Herstellung von Gussstücken mit genauen Dimensionen und Formen mit besserer Oberflächen beschaffenheit und Feinheit.
Die nach dem neuen Ver fahren hergestellten Gussstücke weisen weiter eine ver besserte Dichte und Einheitlichkeit im Querschnitt auf, selbst wenn das Gussstück einen beträchtlichen Anteil von dünnwandigen Teilen aufweist. Diese Vorteile kön nen erzielt werden, trotzdem die Kosten des Produktes gesenkt werden können. Das neue Verfahren kann ganz oder teilweise für die Herstellung von grösseren Mengen von Gussstücken mechanisiert werden, so dass eine im wesentlichen kontinuierliche Produktion erzielt werden kann.
Im allgemeinen weist das Formmaskenverfahren, selbst nach der bisherigen Praxis, gegenüber anderen Metallgiessverfahren eine Reihe von Vorteilen auf, ins besondere hinsichtlich der Art und der Eigenschaften der hergestellten Gussstücke und hinsichtlich gewisser wirtschaftlicher Vorteile.
Im Vergleich zu anderen Giessverfahren, wie z.B. dem Grünsandgiessverfahren, lassen sich nach dem Formmaskenverfahren folgende Vorteile erzielen: Gussstücke mit besserer Oberflächen beschaffenheit, mit besseren Dimensionstoleranzen, mit dünnwandigeren Anteilen, ein Produkt, das relativ frei ist von Ein- oder Ausbrennungen (charakteristisch für das Grünsandgussverfahren). Durch den letztge nannten Vorteil werden reinere Gussstücke erzielt, wo mit die Anzahl der Fertigbearbeitungsoperationen re duziert werden kann,
wodurch eine Reduktion der Ab nützung der zur Fertigbearbeitung der Gussstücke ver wendeten Werkzeuge erreicht wird.
Das Giessen nach dem Formmaskenverfahren lässt sich durch geeignete Massnahmen wesentlich leistungs fähiger und wirtschaftlicher gestalten. Zum Beispiel können Masken in grosser Zahl im voraus hergestellt werden, und nachher bis zum Gebrauch gelagert wer den. Dadurch kann beim Formmaskenverfahren eine Mechanisierung erzielt werden. Es kann damit vor allem Arbeitszeit eingespart werden. Dadurch können die Kosten für die einzelne Form und somit auch für das Gussstück wesentlich gesenkt werden.
Wenn die dem Formmaskenverfahren innewohnen den Vorteile auch zu einem weiten Anwendungsbereich desselben geführt haben, so verbleibt doch noch ein weites Gebiet für weitere Verbesserungen des Verfah rens und der dabei hergestellten Produkte. Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in solchen Verbesse rungen.
Das Formmaskenverfahren, so wie es bis jetzt aus- geiibt worden ist, erfordert, dass das Modell bis zu einer Temperatur erwärmt wird, die genügt, um das harz artige Bindemittel in einen anhaftenden Zustand über zuführen. Weiter ist es erforderlich, die Härtung des harzartigen Bindemittels so weit vorzunehmen, dass eine bleibende Form entsteht. Es war deshalb bis jetzt not wendig, Modelle zu verwenden, die aus Metall bestan den, das auf Temperaturen über 316 C erhitzt werden komate. Im weiteren musste zusätzliche Wärme zuge führt werden, um die Formen auf der gewünschten Temperatur zu halten, damit sich das Bindemittel in der Maske auf der Modelloberfläche verfestigen konnte.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist unter anderem ein Verfahren zur Herstellung von Formmasken für die Metallgiesserei, gemäss welchem es möglich wird, die Masken herzustellen, ohne dass die Modelle auf er höhte Temperaturen erhitzt werden müssen.
Die Fliesscharakteristiken, wie sie für Masken mit guter Ausbildung der Einzelheiten erwünscht sind, sind irgendwie nicht in Übereinstimmung mit der Feinheit der Teilchen, wie sie bei der Herstellung von Masken mit einem hohen Grad an Oberflächenglattheit not wendig sind. Im weiteren wird die Anzahl der herstell- baren Masken aus einem gegebenen Modell beschränkt durch die Zeit, die benötigt wird, um das Material ein heitlich über dem Modell zu versprühen und durch die Zeit, die für die Hitzedurchdringung zur Verfestigung des Bindemittels benötigt wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die Einzelheiten des Modells in der Maske besser wiedergegeben werden, und zwar un abhängig von der Teilchengrösse. Auf diese Art lässt sich eine präzise Durchbildung der Einzelheiten sowohl als auch eine glatte Oberfläche in der Maske gleichzeitig erzielen. Im weiteren lässt sich durch das Verfahren ge mäss der vorliegenden Erfindung die Anzahl der herge stellten Masken pro Zeiteinheit und pro Muster wesent lich vergrössern. Dabei wird eine Maske mit hoher Dichte und Festigkeit erzielt, die der nachfolgenden Behandlung gut widerstehen kann. Dabei wird das Mo dell unmittelbar für den weiteren Gebrauch frei.
Die Bedingungen in der bisherigen Praxis des Form maskenverfahrens auferlegen weitere Einschränkungen in der Anpassungsfähigkeit des Verfahrens für den Ge brauch in der Herstellung von Präzisionsgussstücken, besonders wenn Abschnitte von dünnen Wänden in Randstellen des Gussstückes gebildet werden müssen, oder wenn dünne Wandabschnitte von wesentlicher Länge vorhanden sind. Man glaubt, dass ein Grund für diese Beschränkung darin zu suchen ist, dass die Masken bei ungefähr Raumtemperatur zum Giessen verwendet werden müssen. Andernfalls würde eine Zersetzung des die Maske zusammenhaltenden Bindemittels stattfin den, mit dem Ergebnis, dass die Maske ungeeignet wer den würde, im Falle sie für das Giessen auf eine erhöhte Temperatur vorgeheizt würde.
Wenn das Metall in die kalte Maske gegossen wird, besteht die Tendenz, dass sich an den Berührungsflächen mit den Maskenwänden Häute bilden, mit dem Ergebnis, dass der Fluss in die innersten Rücksprünge und in die dünnen Wandab schnitte manchmal blockiert wird und sich dann ein Gussstück bildet, das in seinem Querschnitt nicht ein heitlich ist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren, in welchem die gänzliche Füllung der Form sichergestellt wird, damit ein dichtes Produkt mit homogener Zusammensetzung im Quer schnitt erzielt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine trockene Formmasse zur Durchführupg des erfin dungsgemässen Verfahrens, eine poröse Maske, herge stellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren sowie eine Verwendung einer erfindungsgemäss hergestellten Formmaske.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert, in welcher Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfah rens gemäss der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Schnittseitenansicht der Vorrichtung von Teilen für die Druckformung der Maske; Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Teil einer geformten Maske; Fig. 4 eine Schnittansicht durch einen Teil der in richtiger Weise zusammengefügten Maskenteile, und Fig. 5 eine perspektive Ansicht einer hergestellten Maske mit mehreren Vertiefungen zeigt.
Bei dem nachstehend beschriebenen Verfahren wer den Maskenteile von kontrollierter Dicke trockenge- presst, und zwar aus Material, das eine ausgezeichnete Hitzeschockwiderstandsfähigkeit und Dimensionssta bilität bei erhöhter Temperatur aufweist. Dadurch wird es möglich, die Masken für den Giessvorgang auf höhere Temperaturen zu erhitzen, womit Gussstücke erzielt werden können, die neue und verbesserte Merkmale aufweisen. Dadurch können die einzelnen Verfahrens schritte in besserer Weise kombiniert werden, so dass eine grössere Produktion von Teilen möglich wird.
Bei der Herstellung der Maskenteile wird ein feuer festes Material verwendet, das in einem feinverteilten Zustand vorliegt und welches mit einem Vorbindemit- tel verbunden wird, welches unmittelbar nach der trockenen Kompression wirksam wird. Dadurch erhält das maskenartig geformte Produkt seine Festigkeit zwecks Aufrechterhaltung der Form der Maske wäh rend der nachfolgenden Behandlung. Das Produkt ent hält weiter ein feuerfestes Bindemittel, das wirksam wird, wenn dieses auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird und welches der geformten Masse Festigkeit und Dimensionsstabilität verleiht, wenn das geschmolzene Metall in die Maske gegossen wird. Eine bestimmte Menge des Formmaterials wird zur Kompression in eine Presse gegeben, in der ein Modellteil an einem Stempel angeordnet ist.
Dann wird das Material kom primiert und es fliesst dabei genügend, um jede Einzel heit des Modells anzunehmen und einen Maskenteil zu bilden, der durch das Vorbindemittel zusammengehal ten wird, das unter Druck sofort, ohne oder mit Er wärmen aktiv wird. Das so geformte Material hat eine genügende Kaltfestigkeit. Der Maskenteil wird aus der Presse entfernt und dann einer Hitzebehandlung unter- worfen, und zwar bei einer Temperatur, die genügt, da mit das feuerfeste Bindemittel bindet und im wesent lichen a11 das verflüchtigbare Material in der Maske zu eliminieren.
Die Temperatur soll dabei aber nicht so hoch sein, dass eine Glasbildung oder eine Sinterung des Bindemittels eintritt, die genügen würde, um die Permeabilität der Maske, ihre Form oder ihre Abmes sungen zu zerstören.
Die so hergestellten Formteile haben eine gute Hitzeschockbeständigkeit und eine gute Festigkeit. Sie werden dann vor oder nach der Hitzebehandlung in passender Weise zusammengefügt, um eine Form zu ergeben, die für den Giessvorgang bei höherer Tempe ratur geeignet ist. Durch die erhitzte Form wird die Fliessfähigkeit des Metalls während längerer Zeit er halten, was bewirkt, dass sich die Form besser füllt und sich ein dichtes Produkt bildet, das der Form besser entspricht und welches eine gute Oberflächenbeschaf fenheit aufweist, so dass im wesentlichen ein fertiger Körper entsteht. Wenn die Maskenteile in zusammen gefügter Weise einer Hitzebehandlung unterworfen werden, dann bewirkt die Hitzebehandlung zusätzlich die Verbindung der Teile untereinander.
Wenn die Zu sammensetzung nachher stattfindet, ist es notwendig, ein Bindemittel oder andere geeignete Mittel zu ver wenden, die das Zusammenhalten der zusammenge setzten Maskenteile bewirken. Wenn die Form bei er höhter Temperatur verwendet wird, können die durch Hitzebehandlung zusammengefügten Maskenteile di rekt bei dieser oder ungefähr bei dieser Temperatur der Hitzebehandlung für das Giessverfahren verwendet werden, andernfalls ist es notwendig, die zusammenge fügten Teile für den Giessvorgang wieder zu erhitzen.
<I>Beispiel 1</I> Zusammensetzung der Formmasse für die Masken herstellung: 95 Gew.-Teile kalzinierte Tonerde 3 Gew.-Teile Feldspat 2 Gew.-Teile Schlämmkreide 5 Gew.-Teile Paraffinwachs 95 Gew.-Teile Trichloräthylen Verfahren: Das Wachs wird bis zum Schmelzen er hitzt und dann durch langsamen Zusatz des Trichlor- äthylens in Lösung übergeführt.
Diese Lösung wird der Mischung der trockenen Pulver zugegeben und die gebildete Aufschlämmung wird zwecks Verkleinerung bis zu einer Teilchengrösse für ein Sieb mit lichter Ma schenweite von 0,040 mm oder weniger in eine Kugel mühle gegeben. Gewöhnlich werden für diesen Mahl vorgang ungefähr 24 Stunden oder etwas mehr benötigt.
Das Lösungsmittel, d. h. das Trichloräthylen, wird durch Verdampfen in offenen Pfannen aus dem gemah lenen Produkt entfernt, gegebenenfalls unter Hitzean wendung und vorzugsweise unter Rühren, um eine Trennung der Lösungsmittelphase von den festen Teil chen zu vermeiden. Andernfalls werden die Teilchen vom Wachsbindemittel nicht homogen überzogen. Das trockene Produkt wird pulverisiert, vorzugsweise bevor alles Lösungsmittel entfernt ist, denn wenn eine kleine Menge des Lösungsmittels verbleibt (ungefähr 3 bis 10 Gew. %), wird der Arbeitsaufwand für die Pulveri- sierung geringer.
Das trockene Produkt muss nicht wie der auf eine Teilchengrösse für ein Sieb mit lichter Ma schenweite von 0,040 mm zerkleinert werden. Es ist in der Tat erwünscht, das Produkt zu Kügelchen zu kom primieren, welche durch mechanische Mittel leichter den für die Formung benötigten Pressen zugeführt wer den können. Anschliessend wird das Produkt so ge trocknet, dass es nicht mehr als 1 bis 2 Gew. % Feuch tigkeit, bezogen auf die Feststoffe, enthält.
<I>Maskenbildung:</I> Die Maske 10 wird durch Kom pression einer abgemessenen Menge des trockenen Pulvers 12 zwischen der Matrize 14 und dem Modell teil 24 hergestellt, welche Teile in einem Hohlraum 16 untergebracht sind, in dem ein Druckkolben 18 ange ordnet ist. Dieser Kolben kann sich zwischen der nar- malen, der zurückgezogenen und der Formposition in einem Operationszyklus bewegen.
Die Presse besteht vorzugsweise aus einem Metall, das eine hochpolierte Oberfläche aufweist, damit die darauf geformte Maske leichter abgelöst werden kann und damit die Maske eine bessere Oberflächenbeschaffenheit erhält, welche sich dann wieder auf die Oberfläche des zu formenden Gussstückes überträgt.
Eine abgemessene Menge des Pulvers wird in den Hohlraum der Presse eingefüllt und unter einem Druck von 70 bis 1400 kg/cm' so gepresst, dass ein Volumen verhältnis von ungefähr 1:3 resultiert. Der Kolben wird dabei von der Normalstellung in die Formstellung und wieder zurückgebracht, wobei ein Maskenteil ent steht, der eine Wanddicke im Bereiche von 3,18 bis 12,7 mm aufweist.
Der Wachsfilm, der jedes Tonerdeteilchen überzieht, wird unter Kompression als Vorbindemittel wirksam und verbindet die einzelnen Teilchen untereinander zu einer kompakten Masse, die eine genügende Festigkeit aufweist, um einem Zusammenbruch oder einer Defor mation der geformten Maske unter normalen Behand lungsbedingungen widerstehen zu können. Der Masken teil 10 wird aus dem Hohlraum entfernt, damit die Formpresse für die Herstellung von weiteren Masken teilen frei wird.
Der Maskenteil 10 wird dann allein oder in Kom bination mit dem zugehörigen Maskenteil 20 einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 399 bis 1093 C unterworfen, und zwar so lange, bis ein fester poröser Zustand erreicht ist. In diesem Zustand ist das feuerfeste Bindemittel für die Bindung wohl zur Wirkung gekommen, jedoch ohne dass Glasbildung oder Sinterung in einem solchen Ausmasse auftritt, dass eine Schrumpfung oder ein wesentlicher Verlust der Durchlässigkeit der Maske zustande käme. Unter die sen Bedingungen wird das Wachs, welches den Masken teil vorübergehend in der gewünschten Form erhält, und jegliches andere verflüchtigbare Material aus der Maske abdestilliert oder ausgebrannt.
Eine solche De stillation oder ein solches Ausbrennen wird unter oxy dierenden Bedingungen durchgeführt, damit eine gänz liche Entfernung aus dem Maskenteil erzielt wird. Ge- wöhnlich werden diese Bedingungen durch die natür lichen Luftzüge in den Öfen und anderen Brennanlagen, in denen die Masken gebrannt werden, ohnehin ge schaffen. Das Brennen kann in Serien oder kontinuier lich vor sich gehen. Wenn bei einer Temperatur von 1038'C gebrannt wird, dann dauert die Behandlung 2 bis 10 Stunden, je nach der Wanddicke des Masken teils und der Masse des zu behandelnden Materials.
Das Maskenpaar 10 und 20, das durch oder nach der Hitzebehandlung zusammengefügt worden ist, wird allein oder zusammen mit anderen Maskenteilen in ge eigneter Form angelegt und in einen Gruppenkasten verbracht und mit geeigneten Eingusstrichtern, Ein güssen, Steigern, Einlagen und Läufen versehen, damit das Metall in den Maskenteil gegossen werden kann.
Das Giessen, das Kühlen, das Entfernen der Gussstücke und das Reinigen derselben sind im wesentlichen ähn lich wie beim konventionellen Formmaskenverfahren, mit der Ausnahme, dass gemäss einer bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung die Masken bei einer gewünschten erhöhten Temperatur gehalten werden oder sonst auf eine erhöhte Temperatur erhitzt werden, um das Metall in die Masken zu giessen. Dies mit dem Ergebnis, dass das Metall fähig ist, die Maske im wesentlichen gänzlich zu füllen. Dabei wird ein festes und dichtes Gussstück erhalten, das die Oberfläche der Maskenwände in allen Einzelheiten wiedergibt.
Ein solches Gussstück erfordert wenig zusätzliche Ober flächenbehandlung.
Der Hauptbestandteil der Formmaske ist ein feuer festes Material, welches durch die kalzinierte Tonerde gemäss dem beschriebenen Beispiel oder ein anderes Material wie Siliziumoxyd, Zirkoniumsilikate, Beryl- liumerze, Thoriumoxyd, Zirkonium, Kyanit, Mullit, Sillimanit und andere hoch reaktive Oxyde und Silicate und Erze von feuerfesten Metallen repräsentiert wer den kann. Diese Materialien können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden.
Es ist ge funden worden, dass als feuerfeste Komponente ein feuerfestes Material verwendet werden kann, das auf einer Glasplatte einen Schüttwinkel von 10 bis 30' auf weist. Die feuerfeste Komponente stellt gewöhnlich 80 bis 96 Gew. % des Formmaskenmaterials dar. Sie sollte einen Schmelzpunkt aufweisen, der höher ist als die Temperatur des zu giessenden Metalls, damit ein Zu sammenbruch der geformten Maske vermieden werden kann. Es empfiehlt sich, ein feuerfestes Material zu ver wenden, das einen Schmelzpunkt oberhalb des Erwei- chungspunktes eines Segerkegels 32 aufweist.
Im Falle, dass das feuerfeste Material gebundenes Wasser oder andere verflüchtigbare Komponenten enthält, ist es notwendig, das Material zu kalzinieren oder anderswie zu behandeln, damit das verflüchtigbare Material vor der Formung der Maske entfernt wird, ansonst das ver- flüchtigbare Material während des Brennvorganges ab getrieben wird, was eine Schrumpfung und einen mög lichen Zusammenbruch der Maske bewirkt. Es ist auch möglich, dass das verflüchtigbare Material erst befreit wird, wenn das geschmolzene Metall bei noch höherer Temperatur in die Maske gegossen wird.
Dadurch wird dann ein weiterer Zusammenbruch oder eine Verflüch tigung bewirkt, die in der Bildung eines Produktes von unannehmbaren Eigenschaften resultiert.
Im vorangehenden Beispiel wird ein feuerfestes Ma terial verwendet, dessen Teilchen ein Sieb mit lichter Maschenweite von 0,04 mm passieren können. Die Teilchengrösse ist für das Verfahren nicht begrenzt, aber es wird vorgezogen, Teilchen von kleiner Dimension zu verwenden, damit die Herstellung einer geformten Maske mit exakten Einzelheiten und einer maximal glatten Oberfläche sichergestellt ist. Teilchen von grö sserer Dimension können gebraucht werden, aber es ist nicht erwünscht, Teilchen zu verwenden, die nicht ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,36 mm passieren.
Als Vorbindemittel können natürliche und synthe tische Wachse verwendet werden, wie Carnauba-Wachs, Bienenwachs, Petroleumwachs, Alkoholwachse, Orga- nosilicon-Polymere und ähnliche;
Petroleumdestillate und Kohlenteerrückstände; Asphalt, Kolophonium und Teere; natürliche Harze und Gummi, wie Manila- kopal, Tragacanth, Gummi arabicum, Karaya, Cou- maron- und Indenharze und ähnliche;
synthetische Harze vom wärmehärtbaren und vom thermoplasti schen Typ, wie Phenolformaldehyd, Harnstofformal- dehyd, Resorcinformaldehyd, Polyesterharz und ähn liche wärmehärtbare Harze von Polyvinylalkohol, Poly- vinylacetat, Polyvinylbutyrat, Polyäthylacrylat, Poly- butylmethacrylat, Polystyrol von niederem Molekular gewicht, Zellulosepropionat-Butyrat,
Butylzellulose, Polyäthylen, Polybutylen und ähnliche thermoplasti sche Harze; Kohlenhydrate, Proteine wie Casein, Zein, Alginate, Albumine, Gelatinen, animalische Leime, Stärken. Es kann auch ein anorganisches Bindemittel system, wie Borax, Natriumsilicat, Natriumteträborat, Feldspat, Aluminiumphosphat und ähnliches verwen det werden.
Vorzugsweise werden ein oder mehrere organische Bindemittel, am besten Paraffin oder Pe troleumwachse, verwendet, da die Vorbindemittel- komponente die Hauptkosten des zur Maskenformung verwendeten Materials ausmacht. Es ist unerwünscht, so viel Bindemittel zu verwenden, dass eine übermässige Schrumpfung und damit Zerstörung der geformten Maske stattfinden würde, nachdem das Bindemittel während des anschliessenden Brennens aus der Maske ausgebrannt oder abdestilliert wird. Beste Resultate werden erzielt, wenn das Bindemittel in einer Menge von 3 bis 7 Gew. % der Formzubereitung verwendet wird.
In gewissen Systemen können bis hinunter zu 2 % Bindemittel und in anderen bis hinauf zu 10 % Bin demittel verwendet werden. Es ist jedoch unerwünscht, mehr als 12 Gew. % Bindemittel zu verwenden, es sei denn, dass das Bindemittel während des nachfolgenden Brennens entfernt wird oder sich bei der während des Giessvorganges herrschenden Temperatur verflüchtigt.
Um eine homogene Verteilung des Vorbindemittels in der Maskenformzubereitung zu erzielen, ist es am besten, das Bindemittel in Lösung in einem Verdün nungsmittel zuzugeben, wobei die Teilchen der feuer festen Materialien vollkommen benetzt werden können, womit jedes Teilchen eine dünne Schicht des Vorbinde mittels erhält. Um eine Unhomogenität in der Vertei lung zu verhindern, ist es wünschenswert, die Teilchen in homogener Mischung mit der Lösung zu halten, ins besondere während der Eliminierung des Verdünnungs mittels. Dies geschieht am besten durch fortlaufendes Rühren.
Aus anderen als wirtschaftlichen Gründen ist es vorzuziehen, ein Lösungsmittelsystem zu verwenden, das durch Verdampfung aus offenen Pfannen bei unge fähr Raumtemperatur eliminiert werden kann, um eine im wesentlichen gänzliche Trocknung zu erzielen. Die teuren Lösungsmittel können durch zahlreiche be kannte Verfahren wieder zurückgewonnen werden. Vom Standpunkt der Sicherheit und der Kosten ist es jedoch vorzuziehen, ein wässriges System zu verwenden, das die wasserlöslichen Vorbindemittel in Lösung ent hält.
Wo das Vorbindemittel in die zur Verteilung ge nügend feine Teilchengrösse übergeführt werden kann, können wässrige Emulsionen oder Dispersionen ver wendet werden, aber es ist wünschenswert, die Verwen dung des Vorbindemittels mit grossen Teilchen zu ver meiden, da die geformte Maske dann in gewissen Ge bieten einen ungenügenden Bindemittelgehalt aufweist, während überschüssiges Vorbindemittel in anderen Regionen gegenwärtig ist und dort während des Bren nens und während des Gebrauches Schwierigkeiten ver ursacht.
Als feuerfeste Bindemittel können Materialien wie Glasfritte, Feldspat, Borax, Borate, Natriumtetraborat und ähnliche Materialien verwendet werden, die einen Schmelzpunkt unter 1371 C aufweisen und die keine Deformation oder Schrumpfung der geformten Maske während der Hitzebehandlung verursachen. Um die Gefahren der Schrumpfung und des Verziehens weiter zu vermindern, ist es vorteilhaft, eine Minimalkonzen tration des Bindemittels zu verwenden, die genügt, um die gewünschten Hitzeschockcharakteristiken ohne Di mensionsveränderungen zu ergeben.
Beste Resultate werden erzielt, wenn das feuerfeste Bindemittel in einer Menge von 3 bis 7 Gew. % der Formzubereitung ver wendet wird. Es kann aber auch so wenig wie 2 Gew. und soviel wie 10 Gew. % des feuerfesten Bindemittels verwendet werden. Mehr als 10 Gew. % des feuerfesten Bindemittels können dann verwendet werden, wenn die in der Kombination gegenwärtigen feuerfesten Mate rialien besonders feuerfest sind, wobei die Kombina tion die gewünschten thermischen Merkmale geben kann.
Zum Beispiel können 10 Gew. % und bis zu 12 Gew. % Feldspat verwendet werden, wenn Thorium- oxyd in der feuerfesten Komponente enthalten ist.
Die Komponenten können in konventioneller Weise kombiniert werden. Im Falle die feuerfesten Ma terialien in der gewünschten Teilchengrösse vorliegen, ist eine weitere Zerkleinerung nicht notwendig. Andern falls kann eine Zerkleinerung auf zahlreiche Arten er zielt werden, wie z. B. durch den Gebrauch einer Kugel- oder Walzenmühle, oder mittels eines Mahlsteines.
Im folgenden werden weitere Beispiele von Zu sammensetzungen gegeben, die für die Herstellung von Formmassen verwendet werden können: <I>Beispiel 2:</I> Zusammensetzung der Formmasse für die Masken herstellung: 94 Gew.-Teile Zirkonium 5 Gew.-Teile Polyvinylalkohol (mittlerer Viskosität)
1 Gew.-Teil Siliziumoxyd 5 Gew.-Teile Glasfritte 100 Gew.-Teile Wasser In der oben angegebenen Formmasse wird der Poly- vinylalkohol in Wasser aufgelöst und die anderen Ma terialien werden dann zu dieser Lösung zugegeben und die Teilchen werden mittels einer Kugel- oder Rollen mühle so zerkleinert, dass sie ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,040 mm passieren können.
<I>Beispiel 3</I> 40 Gew.-Teile Siliziumoxyd 50 Gew.-Teile kalzinierte Tonerde 10 Gew.-Teile Feldspat 4 Gew.-Teile Kolophonium 90 Gew.-Teile Äthylalkohol Das Kolophonium wird im Äthylalkohol aufgelöst und die anderen Materialien werden dieser Lösung zu gegeben und das Ganze wird gemahlen; (Korngrösse entsprechend einer lichten Siebmaschenweite von 0,040 mm).
<I>Beispiel 4</I> 90 Gew.-Teile Magnesiumoxyderz (Korngrösse entsprechend einer lichten Siebmaschenweite 0,16 mm) 10 Gew.-Teile Feldspat (Korngrösse entsprechend einer lichten Siebmaschenweite <B>0,16</B> mm) 5 Gew.-Teile Glasfritte 5 Gew.-Teile Phenolformaldehydharz in wasser löslichem A-Zustand 5 Gew.-Teile Natriumtetraborat (Korngrösse ent sprechend einer lichten Siebmaschenweite 0,16 mm) 90 Gew.-Teile Wasser.
Das Phenolformaldehydharz wird in Wasser auf gelöst und die anderen Materialien werden dieser Lö sung zugemischt und das Ganze wird dann getrocknet, um die gewünschten Kügelchen zu ergeben, wie sie für den Formvorgang ohne vorgängiges Mahlen verwendet werden können.
Von den in den obigen Rezepten angegebenen feuer festen Materialien können normalerweise viele gebun denes Wasser enthalten. Sie müssen deshalb vor der Einverleibung in die Formmasse kalziniert werden, um das gebundene Wasser und andere verflüchtigbare Be standteile zu entfernen. Der Formmasse können auch andere Materialien wie Pigmente und Füllmittel ein verleibt werden, aber der Anteil an solchen Füllmitteln und Pigmenten sollte 5 Gew. % der Zubereitung nicht übersteigen.
Wenn mehr als 2 Gew. % und vorzugsweise mehr als 3 Gew. % Wachs oder ein anderes organisches Vor bindemittel in der getrockneten Formmasse vorhanden sind, dann genügt dies meistens, um eine genügende Fliessfähigkeit zu erzielen, damit die Maske praktisch nach jedem konventionellen Pressverfahren gebildet werden kann, wie z. B. durch Spritzguss, Strangpressen und dergleichen. Die Masse wird dabei in den das Mo dell enthaltenden Hohlraum der Presse gebracht.
Der Begriff Pressen , wie er im vorliegenden gebraucht wird, soll auch alle anderen Druck anwendenden Ver- formungsverfahren einschliessen. Beim Kompressions- pressverfahren bildet der Stempelteil der Presse das Modell und die getrocknete Formmasse wird mittels eines Druckkolbens oder eines anderen Körpers darauf gepresst, damit das Material zu fliessen beginnt und sich an die Oberflächen des Modells eng anschmiegt, um so ein kompakter Maskenteil zu formen. Bei der Kom pressionsformung ist es vorteilhaft, ein federndes Glied zu verwenden, wie z.
B. ein Gummidiaphragma, das durch hydraulische Mittel betätigt wird, oder einen Gummiblock 24, der am Ende des Druckkolbens ange bracht ist, so dass die Formoberfläche deformiert wer den kann, um der Form des Modells zu entsprechen. Dadurch wird die Oberfläche der Maske verbessert und sie entspricht dem Muster genauer und ist von im we sentlichen einheitlicher Dicke und Dichte. Demgemäss kann mit weniger Formzubereitung eine bessere Maske erhalten werden.
Im beschriebenen Verfahren ist es nicht notwendig, erhitzte Modelle zu verwenden; da das Vorbindemittel bei innigem Kontakt mit den Teilchen bei der Kom pression wirksam wird und so die kompakte Form bil det; dies ist jedoch von Vorteil, wenn ein wärmehärt- bares Bindemittel verwendet wird, das durch Hitze ver festigt werden soll. Es können deshalb Modelle oder Stempelteile verwendet werden, die aus anderen Mate rialien als Metall bestehen, und zwar ohne Beschränkung hinsichtlich des Schmelzpunktes des Materials, wie Plastik, Holz und ähnliche. Wenn Metall verwendet wird, können niedrig schmelzende Legierungen oder Metall gebraucht werden, welche es erlauben, die Stem pelteile oder die Muster in billiger Weise und in Massen herzustellen. Dies geschieht z.
B. durch Spritzguss von Aluminium, Kontaktverformung oder ein ähnliches Verfahren. Auf diese Weise kann auch das Produkt selbst wieder als Modell verwendet werden.
Die Oberflächen des Stempels können vor der Maskenformung mit einem Trennmittel behandelt wer den, wie einer Organosilikon-Flüssigkeit oder Pulver, um die Ablösung der geformten Maske zu erleichtern. Wenn ein solches Trennmittel gebraucht wird, ist es nicht notwendig, die Stempeloberfläche zwischen jeder Formungsoperation zu schmieren, da das Trennmittel über mehrere Formungsoperationen wirksam ist.
Er hitzte Formstempel können gewünschtenfalls verwen det werden, wenn ein Bindemittel verwendet wird, das bei erhöhten Temperaturen besser wirksam ist; das er findungsgemässe Verfahren stützt sich jedoch nicht auf die Umwandlung eines wärmehärtenden Bindemittels in einen verfestigten Zustand, wie dies in den bisher verwendeten Formmaskenverfahren der Fall war, da das Bindemittel während der nachfolgenden Press- operation eliminiert wird.
Blosse Kompression, die ge- nügt, um eine kompakte Masse zu bilden, die nachher entfernt und gebrannt werden kann, ist alles, was erfor derlich ist, wodurch eine Maskengrossproduktion von einer einzigen Form möglich wird.
Die Wanddicke der geformten Maske ist nicht auf einen bestimmten Wert festgestellt. Es genügt, wenn die Maskenwände genügende Festigkeit aufweisen, um einem Zusammenfall während des Einbrennens und während des Gebrauches zu widerstehen. Eine Wand dicke von ungefähr 3,18 mm scheint das Minimum zu sein, und es wird vorgezogen, Masken mit einer Wand dicke von ungefähr 6,35 bis 12,7 mm herzustellen. Grössere Dicken können wohl gebraucht werden, aber es wird dadurch nur ein geringer oder überhaupt kein Vorteil erzielt, es sei denn, dass die Maske so geformt ist, dass sie ein ausnehmend grosses Volumen an Giess metall aufzunehmen hat, oder dass sie ohne Rückhalt oder Stütze gebraucht wird.
Im Vergleich zu den nach den bekannten Verfahren hergestellten Masken sind die auf die beschriebene Art hergestellten Masken relativ undurchlässig. Es ist des halb wünschenswert, das flüchtige Material während der nachfolgenden Brennoperation im wesentlichen gänzlich zu entfernen. Es ist weiter wünschenswert, eine übermässige Glasbildung oder Sinterung des feuerfesten Materials zu verhindern, da eine solche Sinterung nicht nur die Permeabilität der Maske weiter reduzieren würde, sondern sie würde auch eine Umlagerung der Materialien bewirken mit dem Ergebnis, dass eine un kontrollierte Schrumpfung und Deformation eintreten würde.
Die geformte Maske kann als semipermeable Struktur bezeichnet werden, die genügend Permeabili- tät aufweist, damit die entstehenden Dämpfe und Gase daraus entweichen können. Für den Fall, dass grössere Permeabilität erwünscht ist, kann die Formmasse so zubereitet werden, dass sie 10 Vol. % eines verbrenn baren Materials wie Holzmehl, Sägemehl oder ein ähn liches Material enthält, das darin homogen verteilt ist.
Der geformte Maskenteil kann in Serien oder in einem kontinuierlichen Verfahren in einem öl- oder gasbeheizten Ofen gebrannt werden. Auch eine elek trische Widerstandsheizung oder ein Strahlungsbrenner ist möglich, um den Ofen zu heizen. Die Minimum temperatur sollte dabei genügen, um das Vorbinde mittel zu verflüchtigen und das feuerfeste Bindemittel zu sintern oder in einen festen porösen Zustand über zuführen. Die Temperatur darf hingegen nicht so hoch sein, dass das keramische Bindemittel in eine flüssige Phase übergeführt wird, die eine Verglasung mit sich brächte.
Im allgemeinen liegt die Temperatur im Bereich von 399 bis 1316'C und vorzugsweise in einem Bereich von 816 bis 1093'C. Wenn der geformte Maskenteil über die Destillationstemperatur oder über die ther mische Zersetzungstemperatur (ungefähr 260'C für die meisten organischen Materialien) erhitzt wird, dann kommen die organischen Komponenten des Vorbinde mittels heraus und brennen, bis sie gänzlich entfernt sind, im allgemeinen unter oxydierenden Bedingungen. Solange das Bindemittel weniger als 10 Gew. % des geformten Maskenteils ausmacht, kann dieses ohne feststellbare Dimensionsänderungen des Produktes ent fernt werden.
Wenn die Temperatur erhöht wird, bis das feuerfeste Bindemittel den porösen Zustand er reicht, dann werden das Vorbindemittel und jegliche andere verflüchtigbare Materialien eliminiert und es entsteht eine Maske, die im wesentlichen aus kerami schen Materialien besteht. Dieser Maskenteil weist eine gute Hitzeschockwiderstandsfähigkeit und gute Dimen sionsstabilität bei erhöhten Temperaturen auf, so dass der Maskenteil im nachfolgenden Giessverfahren in heissem Zustande verwendet werden kann.
Die Masken können auf Ziegeln oder gruppiert oder in Behältern mit losen Zusatzstoffen oder mit Sand darum herum gebrannt werden. Das Brennen innerhalb der für den porösen Zustand bestimmenden Temperatur kann endlos fortgesetzt werden, aber es ist nicht er wünscht, den Maskenteil übermässig lange über die Zeit hinaus zu brennen, die notwendig ist für die Entwick lung des gewünschten porösen Zustandes (ungefähr 1 bis 10 Stunden, je nach Temperatur und Materialien).
Eine gewisse Verglasung kann toleriert werden, so lange sie nicht genügt, um Dimensionsänderungen oder die Impermeabilität der Maske für Gase zu bewirken. Wie bereits betont worden ist, ist die nach dem beschrie benen Verfahren geformte Maske semipermeabel im Vergleich zu den Masken, die nach den bisherigen Ver fahren hergestellt worden sind. Die Maske ist aber ge nügend durchlässig, damit sie den kleinen Anteil von flüchtigen Stoffen, die beim Giessen entstehen können, bewältigen kann.
Im weiteren können die Gase und Dämpfe durch die Trennfugen der aneinandergefügten Maskenteile entweichen, und es ist deshalb am besten, die Masken so zu formen, dass die Trennfugen die dem Eintritt am meisten entfernten Teile passieren.
Die Maskenteile können wie beschrieben getrennt gebrannt werden und nachher mittels geeigneten Binde mitteln, Klammern oder losen Aggregaten zusammen gefügt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Maskenteile vor dem Brennen zusammengefügt, damit durch das Brennen eine Haf tung entsteht, die genügt, um die Teile zusammenzu halten. Wenn die Masken in zusammengefügter Weise gebrannt werden, können die geformten Maskenteile durch geeignete Klebemittel oder durch einen feuer festen oder organischen Zement zusammengehalten werden. Es ist auch möglich, die Teile während des Brennens mittels Klammern, Bolzen oder ähnlichem oder durch Stützen oder durch Einbetten der Teile in losen Sand zusammenzuhalten.
Wenn die Teile getrennt gebrannt werden, können sie nachher mit einem geeig neten feuerfesten Zement zusammengefügt werden, der in kleinen Mengen an den gemeinsamen Kanten aufge bracht wird. Sie können auch durch Stützung in den Behältern mit losen Aggregaten zusammengehalten werden.
Wenn die geformten Masken in zusammengefügter Weise gebrannt werden, dann können die erhitzten Formmasken für den Giessvorgang vom Vorbrennofen direkt auf die Giessebene gebracht werden, wo das ge- schmolzene Metall in den Hohlraum gegossen wird. Wenn die Maskenteile getrennt gebrannt werden oder wenn man die Masken auf eine tiefere Temperatur hat abkühlen lassen, dann können sie vor dem Giessen auf geheizt werden, wobei das geschmolzene Metall in die Hohlräume gegossen wird, wenn die Masken eine er höhte Temperatur aufweisen. Diese Verfahrensweise stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar. Das Me tall kann auch in die Formen gegossen werden, wenn die Masken eine niedrigere Temperatur oder sogar Raumtemperatur aufweisen.
Die Hitzeschockwiderstandsfähigkeit der auf diese Weise hergestellten Masken bewirkt, dass die zusam mengestellten Masken auf eine Temperatur erhitzt werden können, die näher bei der derjenigen des ge schmolzenen Metalles oder niedriger als die Schmelz temperatur oder die Verglasungstemperatur des feuer festen Bindemittels liegt. Alternativ können auch ge formte Masken bei niedrigeren Temperaturen bis hin unter zur Raumtemperatur verwendet werden, wenn das Metall in den Hohlraum gegossen wird.
Wenn die Formen auf erhöhte Temperatur erhitzt werden, kön nen die Metalleim allgemeinen bei einer um 38 bis 93'C niedrigeren Temperatur gegossen werden, als dies für andere Gussverfahren notwendig ist, d. h. also bei un gefähr 1649 bis<B>1871'C</B> für die meisten Stahlsorten und speziellen Legierungen, wie sie in der Präzisionsgiesserei verwendet werden. Da die Methode des Schmelzens und Giessens des Metalles für das vorliegende Verfahren von den bisher verwendeten Techniken in manchen Formverfahren nicht wesentlich abweicht, ist eine aus führliche Beschreibung hierüber nicht notwendig.
Da die Gewinnung der Gussstücke aus den Behältern oder Formen nach der üblichen Praxis vor sich geht, kann auf eine Beschreibung ebenfalls verzichtet werden. Es sei bloss darauf hingewiesen, dass das Verfahren durch die erfindungsgemässen Verbesserungen leichter durch führbar wird und dass genauer geformte Gussstücke er halten werden. Eines der wesentlichsten Vorteile der Er findung ist die Herstellung von Masken für den Ge brauch bei erhöhter Temperatur mit dem Ergebnis, dass das Metall in alle Vertiefungen, sich verengenden und wieder erweiternden Partien vordringen kann. Das Metall kann dadurch auch Öffnungen mit kleinem Querschnitt durchfliessen und die Form gut ausfüllen.
Der Gebrauch von geformten Masken bei erhöhter Temperatur in der Metallgiesserei bewirkt auch die Eli mination von Dampfphasen, die sich öfters bilden und an den feinen Teilchen hängen bleiben, die die Ober flächen der Form bilden. Er verhindert auch die Bildung von Dämpfen, welche die Tendenz haben, den Ober flächen des gegossenen Metalles anzuhaften und so Fehler in den gebildeten Gussstücken verursachen.
Das Metall kann in eine einzige Form oder in eine zusammengefügte Gruppe von Formen gegossen wer den, die einen gemeinsamen Einguss und Läufe aufweist, die vom gegossenen Produkt leicht entfernt werden können. Die Masken können vertikal um einen Zentral zulauf gruppiert werden, der einen seitlichen Fluss des geschmolzenen Metalles in die Formen bewirkt, oder sie können in Gruppen für einen vertikalen Fluss des Metalles in die Formen angeordnet sein. Die Glattheit der Oberflächen der Gussstücke erlaubt die Trennung von den Masken und anderem Trägermaterial, die ohne Schwierigkeit und ohne die Verwendung einer speziellen Ausrüstung vor sich geht.
Das gebildete Produkt be nötigt wenig oder gar keine Nachbehandlung der Ober fläche oder maschinelle Behandlung. Die Gussstücke sind auch in den Einzelheiten so durchgebildet, dass sie beinahe als solche direkt verwendet werden können.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung liegt in der Tatsache, dass, wenn einmal geeignete Modelle für die Pressen geformt sind, die Masken in sehr schneller Weise mit diesen Modellteilen hergestellt werden kön nen. Es sind keine erhitzbaren Modelle notwendig und die für das Trockenpressen notwendige Ausrüstung ist wohlbekannt und in der Plastik- und Keramikindustrie leicht zugänglich.
Im weiteren hat die Elimination der verdampfbaren Materialien aus der geformten Maske zur Folge, dass das geschmolzene Metall in die Masken gegossen wer den kann, während diese eine erhöhte Temperatur auf weist. Dabei wird die Erzeugung von Gasen und Dämp fen im wesentlichen gänzlich eliminiert im Vergleich mit den bisherigen Formmaskenverfahren, bei welchen das flüssige Metall in die Masken gegossen wird, welche immer noch ihre harzartigen Bindemittel und andere verflüchtigbare Materialien enthalten, die während des Giessverfahrens teilweise freigesetzt werden und die Qualität des gegossenen Produktes beeinträchtigen.
Nach den bekannten Verfahren war es deshalb notwen dig, hochdurchlässige Masken zu verwenden, durch welche die Gase und Dämpfe entweichen konnten. Solche hochdurchlässige Masken waren jedoch unfähig, dem Gussstück die Oberflächenbeschaffenheit und die Einzelheitenausbildung zu verleihen, die mit erfin dungsgemäss hergestellten Masken erzielt werden kann. Bei den bekannten Verfahren wurden die flüchtigen Stoffe bei verschiedenen Temperaturen aus den geform ten Masken freigesetzt, was Fehler in den geformten Produkten bewirkte. Dies bewirkte nicht nur eine Ab nahme der Ausbeute an annehmbaren Gussstücken, sondern es vergrösserte auch die Kosten der Nachbe handlung der annehmbaren Gussstücke.