DE4020506A1

DE4020506A1 - Gussform-material

Info

Publication number: DE4020506A1
Application number: DE4020506A
Authority: DE
Inventors: Susumu Nakayama; Shogo Ishizaki; Toru Iwaki
Original assignee: Okazaki Minerals & Refining Co
Current assignee: Okazaki Minerals & Refining Co
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1991-01-10
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH0335839A; JPH0613137B2; DE4020506C2; US5057155A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gußform-Material, das beim Gießen eingesetzt wird, und insbesondere bezieht sie sich auf ein Investmentmaterial zur Ausbildung von Gußformen, mittels welchem Präzisionsgußstücke, wie Zahngußstücke, herstellbar sind.

Beim Herstellen von Zahngußstücken ist es beispielsweise übliche Praxis, reines Titan oder Titanlegierungen als Gießmaterialien einzusetzen. Als Gußform-Materialien wurden in diesem Zusammen hang zum einen phosphatgebundene Investmentmaterialien vorge schlagen, deren Bestandteile Quarz (SiO₂), Cristobalit (SiO₂), Phosphate und Magnesiumoxid (MgO) sind, und zum anderen solche Materialien vorgeschlagen, deren Hauptbestandteile thermodyna misch relativ stabile Oxide, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkon (ZrSiO₄), Zirkonoxid (ZrO₂), Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid, sind.

Wenn jedoch bei dem Quarz und Cristobalit gemäß den ersten Gußformmaterialien Titan als Gießmaterial eingesetzt wird, besteht die Tendenz, daß die Gußform durch das schmelzflüssige Titan benetzt wird und mit diesem reagiert. Wenn daher Gußform- Materialien der erstgenannten Art zur Durchführung von Gießvor gängen unter Verwendung von Titan als Gießmaterial eingesetzt werden, ergibt sich eine Schwierigkeit, die dazu führt, daß die Gußstücke leicht Gußoberflächenfehler und durch Gase bewirkte Fehler bzw. Mängel haben.

Wenn ferner die Gußform-Materialien der zweiten Art anstelle der Gußform-Materialien der ersten Art verwendet werden, treten diese Schwierigkeiten weniger häufig auf; da aber die zweiten Gußform- Materialien nicht das Schrumpfen bzw. Schwinden ausgleichen können, das während der Verfestigung von Titan auftritt, ergibt sich hierbei die Schwierigkeit, daß das erhaltene Gußstück kleinere Abmessungen als erforderlich hat.

Daher wurde vor kurzem ein verbessertes Verfahren vorgeschlagen. Gemäß diesem Verfahren wird Zirkonpulver den Gußform-Materialien zugesetzt, um die Tatsache auszunützen, daß Zirkon während der Erwärmung und des Brennens oxidiert und expandiert. Auf diese Weise kann das Schrumpfen bzw. Schwinden während der Verfestigung ausgeglichen werden. Da jedoch Zirkon sehr schwer zu gewinnen ist, ist es auch teuer. Daher ergeben sich Schwierigkeiten bei der praktischen Durchführung und der Verwirklichung dieses Verfahrens.

Auch wurden Untersuchungen hinsichtlich der Zugabe von anderen Metallpulvern vorgenommen. Hierbei ergaben sich jedoch Schwierig keiten, da sich Blasen infolge der Reaktion zwischen Metall und Wasser bildeten, Risse während des Erwärmens und Brennens auftraten und Gußoberflächenfehler sich somit ergaben. Daher wurden derartige Metallpulver in der Praxis nicht eingesetzt.

Die Erfindung zielt darauf ab, unter Überwindung der zuvor geschilderten Schwierigkeiten, ein Gußform-Material bereitzustel len, bei dem sich Gußfehler, wie Gußoberflächenfehler und durch Gas bewirkte Fehler, weitgehend herabsetzen lassen und bei welchem das Schrumpfen beim Verfestigen des Titans und dgl. ausgeglichen wird, um eine Maßgenauigkeit bzw. Maßhaltigkeit der Gußstücke sicherzustellen, wobei diese Materialien kostengünstig und daher bei der praktischen Anwendung äußerst vorteilhaft sind.

Ein Gußform-Material nach der Erfindung, das beispielsweise bei Zahngußstücken eingesetzt wird, enthält Spodumen, das als ein Expansionsmittel während des Erwärmens und Brennens dient.

Spodumen ist ein Lithiummineral, dessen theoretische Zusammenset zung Li₂OAl₂O₃4SiO₂ ist, und das Verunreinigungen, wie Quarz und Lepidolit enthält. Die übliche Sorte von Spodumen enthält etwa 5 bis 8% Li₂O.

Bei der Erwärmung wandelt sich der Spodumen von dem α-Typ zu dem β-Typ bei Temperaturen von 900 bis 1100°C um und expandiert irreversibel.

Wenn daher ein Gußform-Material, das Spodumen enthält, und auch als feuerbeständige Materialien ein oder mehrere Elemente enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die Aluminiumoxid, Zirkon, Zirkonoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Quarz und Cristobalit umfaßt, eingesetzt wird, kann man die gewünschte Expansion der Gußform erzielen, so daß sich das Schrumpfen bzw. Schwinden des Titans und dgl. bei der Verfestigung kompensieren läßt.

Da ferner der Spodumen ein Oxid ist, ist er selbst in Pulverform stabil, und er läßt sich zuverlässig und leicht handhaben, und er ist frei von Nachteilen im Hinblick auf eine Reaktion mit Wasser und einer Entzündbarkeit, die bei vielen anderen Metall pulvern beobachtet wurden. Da er ferner kostengünstig ist, eignet er sich äußerst günstig für die praktische Anwendung.

Die Menge an Spodumen in dem Gußform-Material beläuft sich in geeigneter Weise auf 1 bis 20 Gew.-%. Wenn die Menge kleiner als 1 Gew.-% ist, kann der Spodumen nichts mehr zu der Expansion der Gußform beitragen. Wenn andererseits die Menge 20 Gew.-% überschreitet, haben die erhaltenen Gußstücke Gußoberflächenfeh ler.

Zusätzlich ist die Teilchengröße des Spodumens vorzugsweise 100 µm oder kleiner.

Ferner kommen vorzugsweise als Bindemittel für das Gußform- Material Phosphate und basische Metalloxide in Betracht. Vorzugsweise ist das Phosphat Ammoniumprimärphosphat ((NH₄)H₂PO₄), und das basische Metalloxid ist vorzugsweise Magnesiumoxid.

Andererseits können zur Verbesserung der Gußoberflächen ein oder mehrere Elemente als Bindemittel in Betracht gezogen werden, die aus der Gruppe gewählt sind, welche Aluminiumoxidzement, Magnesiumoxidzement, Zirkonoxidzement und Siliciumoxidzement umfaßt. In diesem Fall wird jedoch das Aushärten verzögert.

Ein Beispiel der chemischen Zusammensetzung für Spodumen ist in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzungen von Spodumen (in Gew.-%)

Wenn es erwünscht ist, das Gießen unter Einsatz eines Gußform- Materials durchzuführen, das Spodumen enthält, wird dem Gußform- Material Wasser oder kolloidales Siliciumoxid zugegeben, und das Gemisch wird derart geknetet, daß keine Luftblasen darin gebildet werden. Das Gemisch wird dann in einen Ring gegossen, der ein darin zuvor eingesetztes Wachsmuster bzw. einen Wachseinsatz hat. Das Gußform-Material härtet dann in etwa 10 bis 60 min aus. Es wird aus dem Ring entnommen und in einen Elektroofen eingebracht, in dem es auf eine Temperatur von nicht weniger als 900°C, vorzugsweise von bis zu 1100°C erwärmt und dort für etwa 30 min belassen wird, um das Wachs auszubrennen und das Gußform-Material zu brennen. Zu diesem Zeitpunkt expandiert das Gußform-Material entsprechend der Menge an Spodumen.

Anschließend wird es auf eine vorbestimmte Gußformtemperatur zum Vergießen, beispielsweise auf eine übliche Temperatur, abgekühlt, und anschließend wird schmelzflüssiges, reines Titan oder eine Titanlegierung eingegossen.

Das Vergießen erfolgt in einer Argongasatmosphäre unter Verwen dung einer Funkengießmaschine.

Nach dem Vergießen des schmelzflüssigen Metalls verfestigt sich dieses und kühlt mit einem geringfügigen Schrumpfen bzw. Schwinden ab. Dann wird das Gußstück aus der Form entnommen, und es werden Behandlungen, wie Sandstrahlen und Schleifen ausge führt. Somit erhält man ein hochpräzises Gußstück, das dieselbe Form und Abmessungen wie das Wachsmuster bzw. das Wachsmodell hat.

Im Hinblick auf die Sicherstellung der hohen Genauigkeit der Gußstücke zum Zeitpunkt des Vergießens ist es wichtig, daß die Gußform sich entsprechend des Schrumpfens des schmelzflüssigen Titans bei der Verfestigung expandiert hat.

Versuche, unter Einsatz von Titan als Gießmaterial sind nach stehend gezeigt.

(Versuch Nr. 1-7)

Die nachstehend angegebene Tabelle 2 (1/2), (2/2) zeigt Versuche mit den Nummern 1 bis 7. Die Bezeichnung "Phosphat" in der Tabelle bedeutet Ammoniumprimärphosphat, und die Bezeichnung "Knetflüssigkeit" bedeutet eine Art Flüssigkeit, die zum Kneten des Gußform-Materials eingesetzt wird. Ferner bedeutet die Markierung ○ gut, die Markierung Δ ziemlich gut und die Markie rung "-" schlecht (diese Angaben beziehen sich auch auf die weiteren, angegebenen Versuche).

Tabelle 2

Bei den Versuchen mit den Nummern 1 bis 4 in der Tabelle 2 wird ein übliches Gußform-Material verwendet. Dies bedeutet, daß bei diesen Versuchen ein phosphatgebundenes Investmentmaterial zum Einsatz kommt, das Quarz, Cristobalit, Phosphat und Magnesiumoxid enthält. Wenn bei diesen Versuchen das Gußform-Material auf etwa 800°C erwärmt und gebrannt wurde, wurden der Cristobalit und das Quarz von einer α-Form zu einer β-Form bei etwa 250°C und etwa 570°C jeweils umgewandelt, und das Material hat sich reversibel expandiert. Wenn daher ein Vergießen bei einer Gußformtemperatur von nicht weniger als 700°C vorgenommen wird, wird durch den ausreichenden Expansionskoeffizienten das Schrumpfen bzw. Schwinden bei der Verfestigung kompensiert. Wenn jedoch Titan vergossen wird, entstanden Gußoberflächenfehler und durch Gase bewirkte Fehler.

Wenn nach den Versuchen Nr. 2 und 3 die Gußform vor dem Vergießen auf eine übliche Temperatur abgekühlt wurde, nahmen die Gußober flächenfehler und die durch Gas bewirkten Fehler ab. Da jedoch die Umwandlungsexpansion von Siliciumoxid und Cristobalit reversibel ist, tritt ein beträchtliches Schrumpfen beim Kühlen im Vergleich zu den Größenabmessungen vor dem Brennen auf. Wenn man ein Vergießen bei üblichen Temperaturen vornimmt, konnte man kaum eine Kompensation des Schrumpfens bzw. Schwindens beim Verfestigen erreichen, und das erhaltene Gußerzeugnis hatte kleinere Abmessungen als das Wachsmodell. Diese bedeutet, daß die Maßgenauigkeit bzw. Maßhaltigkeit schlecht war.

Wenn andererseits das phosphatgebundene Investmentmaterial unter Verwendung von kolloidalem Siliciumoxid anstelle von Wasser wie beim Versuch Nr. 4 geknetet wurde, expandierte die Gußform beim Aushärten. Diese Erscheinung der Expansion beim Aushärten wird im allgemeinen genutzt, obgleich sie sich bisher nicht vollstän dig erklären läßt. Wenn dieses Verfahren zur Anwendung kommt, kann man bis zu einem gewissen Ausmaß eine Expansion sicher stellen, und man erhält eine verbesserte Maßhaltigkeit selbst dann, wenn sich die Gußform auf einer üblichen Temperatur befindet. Wenn man aber Titan vergießt, treten Gußoberflächen fehler durch gasbewirkte Mängel bzw. Fehler auf.

Bei den Versuchen Nr. 5 bis 7 wurde Spodumen einem Gußform- Material zugegeben. Wenn dieses Gußform-Material auf 1100°C erwärmt und gebrannt wurde, expandierte es sich bei 900 bis 1100°C reversibel bzw. irreversibel, so daß selbst bei einer Abkühlung auf übliche Temperaturen eine Kompensation des Schrumpfens bzw. Schwindens bei der Verfestigung von Titan möglich ist und man eine verbesserte Maßgenauigkeit bzw. Maßhaltigkeit erreicht.

(Versuche Nr. 8-12)

Quarz und Cristobalit sind SiO₂ (Siliciumoxid), und wenn diese als Gußform-Materialien eingesetzt werden, werden die Gußformen leicht durch das schmelzflüssige Titan benetzt und reagieren mit diesem. Aus diesem Grunde ist die Neigung vorhanden, daß die Gußstücke Gußoberflächenfehler und durch Gas bewirkte Fehler haben. Im Gegensatz hierzu sind Aluminiumoxid, Zirkon, Zirkon oxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid thermodynamisch relativ stabile Oxide.

Ferner werden Zirkon und Aluminiumoxid als feuerbeständige Materialien bei der Durchführung der Versuche mit den Nr. 8 bis 12 eingesetzt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 (1/2), (2/2) gezeigt.

Tabelle 3

Bei den Versuchen 8 und 9 in der Tabelle 3 wurden als ein Gußform-Material übliche Materialien eingesetzt.

Da Zirkon und Aluminiumoxid thermodynamisch relativ stabile Oxide sind, wenn sie als feuerbeständige Materialien bei den Versuchen mit den Nr. 8 und 9 eingesetzt werden, erhält man Gußstücke mit sauberen Gußoberflächen, welche frei von Gußoberflächenfehlern sind. Die Gußformen, die man nach dem Brennen und Kühlen erhält, schrumpfen aber ungleich jenen, die hauptsächlich aus Siliciu moxid bestehen, vor dem Brennen beträchtlich. Daher sind die erhaltenen Gußstücke kleiner als das Wachsmodell. Somit erhält man eine schlechte Maßgenauigkeit bzw. Maßhaltigkeit.

Bei den Versuchen mit den Nr. 10 bis 12 wurde Spodumen den Gußformmaterialien zugegeben. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse waren aufgrund der Wirkung von Spodumen besser.

(Versuche Nr. 13-17)

Die Tabelle 4 (1/2), (2/2) verdeutlicht die Versuche mit den Nummern 13 bis 17. Bei diesen Versuchen wurde Zirkonoxidzement als ein Bindemittel eingesetzt.

Tabelle 4

Bei den Versuchen mit den Nr. 13 und 14 in der Tabelle 4 ist das Gußform-Material ein übliches Material. Da bei dem Versuch mit der Nr. 13 die Gußform auf eine übliche Temperatur nach dem Brennen abgekühlt wurde, wurden Feuchtigkeit und Kohlendioxidgas in der Luft absorbiert, so daß sich Gußoberflächenfehler und durch Gase bewirkte Fehler ergaben. Da im Gegensatz hierzu bei dem Versuch Nr. 14 das Abkühlen im Anschluß an das Brennen auf eine Temperatur von nicht weniger als 150°C begrenzt wurde, ergaben sich keine Gußoberflächenfehler. Jedoch war bei den jeweiligen Versuchen mit den Nr. 13 und 14 die Maßhaltigkeit schlecht.

Da bei den Versuchen mit den Nr. 15 bis 17 Spodumen dem Gußform- Material zugegeben wurde, erhält man aufgrund der Wirkungsweise von Spodumen gute Ergebnisse.

Ferner ist noch zu erwähnen, daß das Gußmetall nicht auf Materialien auf Titanbasis beschränkt ist, sondern daß Co-Cr- Legierungen, Ni-Cr-Legierungen, Goldlegierungen, Silberlegierun gen und dgl. ebenfalls in Betracht kommen. Ferner können außer Metallen auch keramische Materialien und Glas beim Gießen zur Anwendung kommen.

Claims

1. Gußform-Material, dadurch gekennzeichnet, daß es 1 bis 20 Gew.-% Spodumen enthält.

2. Gußform-Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Phosphat und ein basisches Metall oxid als ein Bindemittel enthält.

3. Gußform-Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphat Ammoniumprimärphosphat und das basische Metalloxid Magnesiumoxid ist.

4. Gußform-Material nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material als ein Binde mittel ein oder mehrere der Elemente enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die Aluminiumoxidzement, Magnesium oxidzement, Zirkonoxidzement und Siliciumoxidzement umfaßt.

5. Gußform-Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material als ein feuerbe ständiges Material eines oder mehrere der Elemente enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die Aluminium oxid, Zirkon, Zirkonoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Quarz und Cristobalit umfaßt.