Verfahren zur Herstellung von Giessformen für Metallguss

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, mit Hilfe von Bindemitteln auf der Basis von Kieselsäureestern und feuerfesten Stoffen Gießformen für den Metallguß herzustellen. Dabei bilden Bindemittel und feuerfeste Stoffe einen fließfähigen Schlicker, der auf das Modell aufgebracht und anschließend besandet wird. Das Aushärten erfolgt mit Hilfe eines Härters.

In der DE-PS 23 49 593 wird ein Verfahren zur Herstellung von Gießformen für den Metallguß beschrieben, bei dem eine oder mehrere Schichten eines fließfähigen Schlickers auf Dauermodelle aufgespritzt und mit einer Schamotte-Schicht noch vor dem Aushärten hinterfüllt werden. Bei dieser Arbeitsweise enthält der Schlicker außer zusätzlichem Lösungsmittel und Antiabsetzmitteln noch den Härter, so daß der Schlicker innerhalb kurzer Zeit aushärten kann, bevor er, z.B. an einer steilen Wandfläche des Modells, abgeflossen ist.

Die genannte Verfahrensweise eignet sich besonders zum Gießen von Teilen mit großen Abmessungen, wobei die Oberflächenstruktur der Modelle maßgetreu und genau im Gußstück wiedergegeben wird. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei der Serienherstellung von Gießformen der Schlicker in dem Werkzeug stetig fester wird und im Laufe der Zeit die Austrittsrohre oder -öffnungen verstopft. Diese Verstopfungen beruhen auf der Tatsache, daß der Schlicker den Härter untergemischt enthält. Die naheliegende Lösung, den Härter dem Schlicker nicht unterzumischen und nachträglich zu härten, führt aus mehreren Gründen nicht zu dem gewünschten Erfolg: Entweder läuft der Schlicker an den vertikal angeordneten Außenwänden zu schnell vor dem Aushärten ab oder aber es führt die gleichzeitige Begasung mit einem Härter, wie z.B. Ammoniak, zu einer schwer zu lösenden Umweltbelastung.

Es bestand deshalb die Aufgabe-, Gießformen für den Metallguß, insbesondere zum Gießen von Teilen mit großen Abmessungen, herzustellen, bei dem auf Dauermodelle mittels eines geeigneten Werkzeuges in einer oder mehreren Schichten eine fließfähige keramische Masse aus feuerfesten Stoffen und einem Bindemittel auf Basis eines hydrolysierten Kieselsäureesters aufgebracht, anschließend besandet und gehärtet wird, bei denen die oben genannten Nachteile nicht oder nur in geringem Maße auftreten. In Erfüllung dieser Aufgabe wurde nun ein entsprechendes Verfahren gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Besandungsnittel den Härter enthält.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist es möglich, Gießformen für den Metallguß auch von größeren Modellen zu fertigen, ohne daß das Bindemittel vorzeitig in den Werkzeugen zum Aufspritzen des Bindemittels erhärtet und/oder dessen Rohre oder Austrittsöffnungen verstopft Es ist damit möglich, die für das Herstellen der Gießformen notwendigen Materialien längere Zeit zu lagern oder einmal angebrauchte Ausgangsmaterialien auch noch längere Zeit stehen zu lassen, ohne daß sie in der Zwischenzeit aushärten.

Das Aufbringen der fließfähigen keramischen Masse - die im folgenden auch als Schlicker bezeichnet wird - auf das Modell erfolgt auf an sich bekannte Weise mit Hilfe von Werkzeugen, die in der Schleuder-oder Spritztechnik an sich bekannt sind. Dabei tritt die Masse im allgemeinen unter Druck aus der Düse oder einer entsprechenden Austrittsöffnunö aus. Durch Hin- und Herführen über der Oberfläche des Modells wird die Masse auf der Oberfläche gleichmäßig verteilt und anschließend direkt besandet.

Die Besandung erfolgt mit einem gekörnten, feuerfesten Stoff, wie z.B. kalziniertem Kaolin oder Schmelzmullit. Die Korngröße des Besandungsmaterials liegt vorzugsweise zwischen 0,12 und 0,25 mm. Es können jedoch auch Fraktionen des Kornerößenspektrums zwischen 0,07 und 1 mm eingesetzt werden, die vorzugsweise so aufgebracht werden, daß die Fraktionen von innen nach außen hin gröber werden.

Das Besandungsmaterial wird in einem vorhergegangenen Arbeitsprozeß mit dem Härter vermischt. Die Menge des in dem Besandungsmaterials enthaltenen Härter hängt weit-Fehend von der Art des Härters ab. Im allgemeinen werden als Härter bei Raumtemperatur flüssige Amine eingesetzt, von denen etwa bis zu 2 Gew.-% gleichmäßig unter das Besandungsmaterial untergemischt werden können, ohne daß es zu einer Entmischung kommt. Gegebenenfalls wird dem Besandungsmaterial noch ein feinkörniges, hoch saugfähiges Material, wie.z.B. feinteilige Kieselsäure, z.B. Aerosil^®, mit untergemischt; dadurch bleibt die Rieselfähigkeit des Besandungsmaterials erhalten.

Das Besanduhgsmaterial wird nach Möglichkeit ebenfalls mit Hilfe von Werkzeugen, die aus der Spritz- und Schleudertechnik bekannt sind, auf die Schlickerschicht aufgespritzt. Selbstverständlich müssen Dimensionen der Düsen und Rohrleitungen in diesen Werkzeugen den Korngrößen des Besandungsmaterials angepaßt sein.

Die Besandung erfolgt unmittelbar nach dem Aufspritzen des Schlickers, so daß die einzelnen Körner des Besandungsmaterials in die Schlickerschicht eindringen können und vor dieser festgehalten werden. Die Menge des aufzubringenden Besandungsmaterials hängt von der Dicke der vorher aufgebrachten Schlickerschicht, die nach Möglichkeit im Millimeterbereich liegen soll, ab. Es wird so viel Besandungsmaterial aufgespritzt, bis dieses nicht mehr an der Oberfläche der aufgebrachten Schicht hängen bleibt. Nach durch geführter Besandung kann der Vorgang des Auftragens der Schlickerschicht mit anschließender Besandung in der beschriebenen Weise noch ein- oder mehrmals wiederholt werden, je nachdem, welche Gesamtdicke die vollständige Gießform haben soll. Die Gesamtdicke liegt im allgemeinen bei 4 bis 8 mm, sie kann jedoch auch noch dicker sein.

Der Schlicker enthält als Bindemittel ein teilkondensiertes, Hydroxylgruppen enthaltendes, Alkylsilikat. Entsprechende Alkylsilikate sind an sich bekannt; sie werden durch partielle Hydrolyse von teilkondensierten Alkylsilikaten hergestellt, die einen SiO₂-Gehalt zwischen 35 und 51 % besitzen und bis zu 10 Si-O-Gruppierungen enthalten. Bei der Teilhydrolyse, die an sich bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, entstehen bindungen mit einem Si0₂-Gehalt zwischen 8 und 35 %, vorzugsweise zwischen 18 und 25 Gew.-%. Diese Hydrolysate enthalten, statistisch verteilt, Ester- und Hydroxylgruppen

Die Alkylreste der genannten Alkylsilikate besitzen vorzugsweise 1 bis 8 Kohlenstoffatome.

Die genannten teilkondensidrten Hydroxylgruppen enthaltenden Alkylsilikate können teilweise durch teilkondensierte Alkoholate des Aluminiums, des Zirkoniums oder des Titans, oder durch Gemische dieser Verbindungen, ersetzt werden. Geeignete Verbindungen aus dieser Verbindungsklasse werden beispielsweise in der DE-PS 22 04 531 genannt. Auch Gemische dieser Alkoholate mit den oben genannten teilkondensierter Alkylsilikaten können eingesetzt werden.

Außer dem Bindemittel kann der Schlicker noch ein inertes organisches Lösungsmittel, in dem das Bindemittel löslich ist, enthalten. Es ist damit möglich, die Schlickerschicht länger feucht zu halten, so daß auf diese Weise die Zeit für die nachfolgende Besandung verlängert werden kann. Als Lösungsmittel besonders geeignet sind höher siedende Alkohole mit Siedepunkten von > 120 °C, wie z.B. die Alkylether des Ethylenglykols. Die Lösungsmittel werden, be- zo^gen auf das Bindemittel, in Mengen zwischen 5 und 50 Gew,-%, vorzugsweise zwischen 20 und 30 Gew.-%, eingesetzt.

Die in dem Schlicker weiterhin enthaltenen feuerfesten Stoffe sind vorzugsweise feuerfeste Oxide oder Silikate, wie die Elektroschmelzprcdukte auf der Basis von Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirkonoxid oder Nullit oder Mineralien wie Zirkonsilikat, Sillimanit, chromhaltige Sande oder Quarzsand oder ähnliche Stoffe als alleiniger Anteil oder in Mischung untereinander.

Diese feuerfesten Stoffe sind in dem Schlicker in Mengen zwischen 50 und 95 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 70 und 90 Gew.-% enthalten. Die Korngröße dieser Stoffe kann bis zu 0,12 mm betragen; im allgemeinen werden jedoch Korngrößen bis zu 0,07 mm eingesetzt, während der bevorzugte Bereich zwischen 0 und 0,04 mm liegt.

Der Schlicker kann weiterhin noch ein Antiabsetzmittel enthalten, wenn dies aufgrund der Zusammensetzung, der Korngröße und dem eingesetzten Material als notwendig erscheint, damit es nicht zu einer Entmischung zwischen Bindemittel und feuerfesten Stoff kommt. Als Antiabsetzmittel werden Stoffe verwendet, die aüs der Anstrichtechnik als Thixotropier- oder Verdickungsmittel bekannt sind. Bevorzugt verwendet man Stoffe auf der Basis von Montmorillonit, z.B. mit organischem Lösungsmittel, wie z.B. einem Glykol-Ethanol Gemisch, gequollene Bentonite oder organische Montmorillonit-Derivate; pyrogene Kieselsäure; Celluloseester, wie z.B. Ethylcellulose oder Celluloseether; harzartige Produkte auf der Basis von gehärtetem Ricinusöl, Talcum, Glimmer oder Gemische dieser oder ähnlich aufgebauter Stoffe.

Die zuzusetzende Menge der Antiabsetzmittel kann in Abhängigkeit von der Dichte bzw. von der Art und Menge des eingesetzten feuerfesten Stoffes sowie des Bindemittels in weiten Grenzen schwanken. Das Mengenverhältnis flüssiges Bindemittel zu trockenem feuerfesten Stoff zu Antiabsetzmittel wird zweckmäßig so eingestellt, daß die keramische Masse einerseits eine spritzfähige bzw. schleuderfähige Konsistenz aufweist, andererseits auch an steilen Modellwandunsen anhaftet und nicht herunterläuft. Geeignet sind z.B. Mischungen, bei denen das Verhältnis Bindemittel + Antiabsetzmittel:hochfeuerfestem Stoff je nach verwendetem Hcchfeuerfeststoff und Spritzapparatur z.B. 1:1 bis 1:3 beträgt.

Abweichungen von diesen Mengenverhältnissen sind möglich, da die optimalen Fließ- und Abbindeeigenschaften der erfindungsgemäß eingesetzten keramischen Masse nicht nur von der Art und Menge der eingesetzten Bindemittel sowie der Antiabsetzstoffe, sondern auch von der spezifischen Oberfläche der eingesetzten hochfeuerfesten Körnungen abhängen.

Nach dem Besanden der feuerfesten Masse verfestigt sich die aufgetragene Masse durch chemische Härtung. Diese Härtung beruht darauf, daß der pH-Wert des Binders in einen Bereich schneller Gelbildung verschoben wird. Im allgemeinen liegt dieser Bereich in der Nähe des Neutralpunktes. Da die Bindermischungen üblicherweise sauer sind, wirken alle Stoffe als Härter, die Säure verbrauchen.

Aus diesem Grund lassen sich neben allen basisch reagierenden Substanzen auch Stoffe als Härter verwenden, deren Umsetzungsprodukte mit Säuren weniger sauer sind als das Ausgangsgemisch. Dazu gehören z.B. die Salze der Kohlensäure, wie Calciumcarbonat und mit Säuren reagierende Metalle, wie z.B. Zink.

Bevorzugt werden als chemische Härtungsmittel die als Härtungsmittel bekannten Amine eingesetzt und dem Besandungsmaterial untergemischt. Als Amine eignen sich dabei sowohl primäre, als auch sekundäre oder tertiäre Amine Wichtig für die Härtereigenschaften ist lediglich die Bedingung, daß sie oder ihre Lösungen Säure verbrauchen (den pH-Wert in den Neutralbereich verschieben). Wie oben ausgeführt, lassen sich auch andere, basisch reagierende, anorganische oder organische Verbindungen als Härter einsetzen, wie z.B. die Salze oder Hydroxyde der Alkali- oder Erdalkalimetalle oder des Ammoniaks. Sie lassen sich gegebenenfalls auch als Festsubstanzen mit dem Besandungsmaterial vermischen.

Die folgenden Beispiele erläutern das erfindungsgemäße Verfahren.

Zur Durchführung der folgenden Beispiele wurden verschiedene Spritzschlicker und Besandungsmischungen hergestellt.

Spritzschlicker A:

139 g einer alkoholischen Lösung eines partiell hydrolysierten Ethylsilikats 40 mit einem Si0₂-Gehalt von ca. 20 % wurden mit 11 g einer Paste auf folgender Basis vermischt: 10 Gew.-Teile Dimethyl-dioctadecyl-ammoniummontmorillonit, 80 Gew.-Teile Benzin, 10 Gew.-% eines elektroneutralen Netz- bzw. Schwebe- bzw. Dispergiermittels auf der Basis eines Salzes aus langkettigen Polyaminamiden und einen hochmolekularen sauren Ester, im Handel unter dem Namen Anti-Terra-U, erhältlich. In die erhaltene Lösung wurden 225 g eines Schmelzmullits des Korngrößenbereichs 0,00 bis 0,04 mm untergemischt. Der erhaltene Schlicker hatte eine Viskosität von 21 sec Auslaufzeit aus Becher DIN 4.

Spritzschlicker B:

Die Herstellung erfolgte analog der Herstellung des Spritz schlickers A mit dem Unterschied, daß anstelle des Schmelzmullits 200 g eines calcinierten Aluminosilikats (Handelsprodukt Molochtte® 200) eingesetzt wurde. Viskosität: 21 sec Auslaufzeit, Becher DIN 4.

Spritzschlicker C:

Die Herstellung erfolgte analog der Herstellung les Spritz. schlickers A mit den Unterschied, daß anstelle des Schmelzmullits 380 g eines Zirkonsilikats DIN 100 eingesetzt wurden.

Viskosität: 19 sec Auslaufzeit, DIN-Becher 4

Besandungsmischungen:

• 1. 1 kg Schmelzmullit des Korngrößenbereichs 0,12 bis 0,25 mm, 5,0 g Monoethanolamin, 5,0 g Aerosil R 972 (Handelsprodukt der Degussa, Frankfurt/M.).
• 2. 1 kg Schmelzmullit des Korngrößenbereichs 0,12 bis 0,25 mm, 5,0 g Diethanolamin, 5,0 g Aerosil R 972 (Handelsprodukt der Degussa, Frankfurt/M.).
• 3. 1 kg Schmelzmullit des Korngrößenbereichs 0,12 bis 0,25 mm, 10,0 g Monoethanolamin/Wasser - Gemisch im Vol.-Verhältnis 1 : 1, 10,0 g Aerosil R 972 (Handelsprodukt der Degussa, Frankfurt/M.).
• 4.600,0 g calciniertes Aluminosilikat (Handelsprodukt Molochite® 16/30), 5,0 g Monoethanolamin 2,5 g Aerosil R 972 (Handelsprodukt der Degussa, Frankfurt/M,).
• 5.600,0 g calciniertes Aluminosilikat (Handelsprodukt Molochite® 16/30), 5,0 g Diethanolamin, 2,5 g Aerosil R 972 (Handelsprodukt der Degussa, Frankfurt/M.).
• 6.900,0 g calciniertes Aluminosilikat (Handelsproiukt Molochite® 8/16), 7,5 g Monoethanolamin, 3,75 g Aerosil R 972 (Handelsprodukt der Degussa, Frankfurt/M.).

Die einzelnen Mischungen wurden durch Vermischen der jeweiligen Bestandteile hergestellt.

In allen Beispielen wurde die abzubildende Hodelloberfläche zunächst mit einem Diethanolamin/Wasser-Gemisch im Verhältnis 1 : 2 eingesprüht; anschließend wurden Schlicker und Besandung im Wechsel aufgetragen. Der Schlicker wurde aus einer Farbspritzpistole mit einer Düse von 2 mm Durchmesser bei einem Druck von 1,5 bis 2 Atü, gespritzt.

Das Besandungsmaterial wurde aus einer "Putzmeister"-Pistole, bei einem Druck von unter 0,5 Atü, aufgebracht.

Seispiel 1:

Unter den oben genannten Bedingungen wurde die erste bis fünfte Schicht mit dem Spritzschlicker A im Wechsel mit der Besandung 1 innerhalb von ca. 5 Minuten auf ein Modell aufgebracht. Die 6. Schickerschicht wird mit einer Wasserglas-3chamotte-Mischung in bekannter Weise hinterfüllt. Nach Ablauf von weiteren 5 bis 10 Minuten ließ sich die Form abheben. Sie wies eine gute Grünfestigkeit auf und konnte anschließend, wie üblich, gebrannt werden. Die fertige Form wurde mit Stahl GS 42 Cr Mo 4 abgegossen und lieferte ein Gußstück von hoher Maßgenauigkeit und sehr glatter Oberfläche.

Beispiel 2:

Es wurde wie im Beispiel 1 verfahren, jedoch wurde die erste bis fünfte Schicht im Wechsel mit dem Besandungsmaterial 2 aufgebracht. Die erhaltene Form trocknete etwas laresamer als die unter Beispiel 1 genannte erhaltene Form ab, sie zeigte jedoch sonst die gleichen Eigenschaften.

Beispiel 3:

Die Herstellung der Form erfolgte analog wie in Beispiel 1 angegeben. Als Spritzschlicker wurde der Spritsschlicker A eingesetzt, der bereits 24 Stunden gelagert war; besandet wurde mit Besandungsmaterial 3. Die erhaltene Form zeigte die gleichen Eigenschaften wie die Form des Beispiels 1.

Beispiel 4: --

Die Arbeitsweise des Beispiels 3 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß die Besandungsmischung 4 eingesetzt wurde. Die Ergebnisse sind analog denen des Beispiels 3.

Beispiel 5:

Die Arbeitsweise des Beispiels 3 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß die Besandungsmischung 5 eingesetzt wurde. Die Ergebnisse sind analog denen des Beispiels 3.

Beispiel 6:

Auf das Modell wurden insgesamt zehn Schichten mit einem 24 Stunden gelagerten Spritzschlicker A aufgetragen. Die Besandung erfolgte für die erste und zweite Schicht mit dem Besandungsgemisch 1, für die dritte, vierte und fünfte Schicht mit dem Besandungsgemisch 4 und für die sechste bis zehnte Schicht mit dem Besandungsgemisch 6. Die Herstellung der Form in der beschriebenen Weise erforderte ca. 12 bis 14 Minuten. In der Form wurde eine Aluminium-Silicium-Legierung abgegossen, die ein Gußstück von hoher Maßgenauigkeit und sehr glatter Oberfläche lieferte.

Beispiel 7:

Die Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß der Spritzschlicker B und das Besandungsmaterial 5 eingesetzt wurden. Es wurden Formen mit den gleichen Eigenschaften wie in Beispiel 1 erhalten.

Beispiel 8:

Die Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß der Spritzschlicker C und das Besandungslaterial 3 eingesetzt werden. Ein in der erhaltenen Form ausgegossener Chrom-Molytdänstahl hatte eine sehr glatte Oberfläche und gute Maßgenauigkeit.