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EP1826192A1 - Werkzeug zum Herstellen eines Gussteils und Verfahren zum Herstellen des Werkzeugs - Google Patents

Werkzeug zum Herstellen eines Gussteils und Verfahren zum Herstellen des Werkzeugs Download PDF

Info

Publication number
EP1826192A1
EP1826192A1 EP07001949A EP07001949A EP1826192A1 EP 1826192 A1 EP1826192 A1 EP 1826192A1 EP 07001949 A EP07001949 A EP 07001949A EP 07001949 A EP07001949 A EP 07001949A EP 1826192 A1 EP1826192 A1 EP 1826192A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mold
casting
layer area
oxide
tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07001949A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Hübner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Access eV
Original Assignee
Access eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Access eV filed Critical Access eV
Publication of EP1826192A1 publication Critical patent/EP1826192A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns

Definitions

  • the invention relates to a tool for producing a casting, in particular an engine component or an engine component, from a reactive non-ferrous metal melt with a mold and a method for producing the tool and the use of the tool for producing a component.
  • molds detects their use for the production of castings of various kinds.
  • a melt of a casting material is usually introduced into a cavity of the mold.
  • the casting material solidifies, whereby the casting is formed with an outer shape corresponding to the mold.
  • the casting is removed from the mold.
  • thin-walled casting molds are often used, which are referred to as shell molds in investment casting technology
  • materials based on intermetallic compounds are used for the production of castings, in particular for high-temperature applications in drive machines.
  • ⁇ -titanium aluminides y-TiAl
  • nickel aluminides and nickel-based alloys ⁇ -titanium aluminides and nickel-based alloys.
  • the TiAl alloys are characterized by better creep properties and lower susceptibility to oxidation.
  • a tool for producing castings and a method for producing the tool are disclosed.
  • the known mold is particularly suitable for processing TiAl alloys.
  • the mold is made using slips using the dipping and sanding method.
  • the wax blank is repeatedly coated with a slip mass, sanded and then dried and cured. Finally, the wax blank is removed from the mold thus formed.
  • a slip mass consisting of water, yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide is used. In this way, a mold is formed in which at least one with the reactive non-ferrous melt Yttrium oxide, magnesium oxide and calcium oxide are in contact.
  • slip additives in addition to the ceramic fillers and the binder system, it is possible to add to the slip additives further suitable additives, in particular liquefiers, wetting agents, thickeners and defoamers.
  • Condensers improve the flow properties and contribute to influencing the viscosity.
  • Wetting agents improve the wettability of the wax blanks or pre-existing layers during dipping. The slurry reacts even with the addition of the smallest amounts of both components, but shows no slight sensitivity in the case of slight "overdosage". With the addition of thickeners, too low a viscosity can be readjusted.
  • Thickeners are very effective even in the lowest concentrations and must be introduced in very small amounts and with constant stirring, in order to avoid clumping of the slip.
  • the defoamer serves primarily to prevent the formation of bubbles on the slip surface, which can lead to defects during the production of the casting. Also acids and bases can be added. In general, time-consuming and lengthy investigations and experiments are necessary to create a suitable for certain applications Schlickersystem.
  • casting molds are also known, in which front layers, ie the surface areas of the mold / shell made of Al 2 O 3 facing the cavity in the casting mold, in which the melt is introduced / Y 2 O 3 are formed (GW Dickhues: investment casting technology for intermetallic ⁇ -TiA1 alloys, series 5: basic and materials, No. 369, VDI-Verlag GmbH, 1994).
  • the casting molds also referred to as shell molds, are produced on the basis of the Al 2 O 3 / Y 2 O 3 or Al 2 O 3 system .
  • the interaction between the melt and the shell mold ceramic can lead to severe erosion, which can cause destruction of the mold shell / mold, the uptake of ceramic particles by the melt and / or poor casting surfaces.
  • a binder for the slip of the front layers of the mold is used in Dickhues acrylic acid ester.
  • the object of the invention is to provide a tool for producing a casting from a reactive non-ferrous melt with a mold and a method for producing the tool, in which a reliable reproducible production of the mold is made possible.
  • independent claim 26 relates to the use of a tool for casting a casting.
  • a tool for producing a casting, in particular an engine component or an engine component, from a reactive non-ferrous metal melt having a casting mold which contacts the reactive non-ferrous metal melt the front layer region comprises at least one rare earth oxide and at least one further metal oxide, wherein the at least one further metal oxide is selected from the group of oxides of the following metals: titanium and nickel.
  • a method of manufacturing a tool for manufacturing a casting, in particular an engine component or engine component, from a nonferrous reactive metal melt comprising the steps of: providing a wax blank having a casting to be cast thereon outer shape; Forming a mold having a front layer region in contact with the reactive nonferrous metal melt and a backup layer region mechanically stabilizing the front layer region by at least one coating of the wax blank using at least one slip mass; Drying and hardening of the mold; Removing the wax blank from the mold and firing the mold; wherein the front layer portion of the mold is formed as a region consisting of at least one rare earth oxide and at least one further metal oxide, wherein the at least one further metal oxide is selected from the group of oxides of the following metals: titanium and nickel.
  • the invention has the particular advantage over the prior art that the sintering temperature for the front layer area is reduced, so that improved sintering and ultimately improved mechanical properties are achieved.
  • a metal oxide is used, which is a species-specific metal oxide for the reactive non-ferrous melt to be used for casting with the casting tool. It is thus minimized or even completely prevented a possible contamination of the non-ferrous melt with foreign elements, which then applies equally to the casting. The formation of undesirable foreign phases in the casting is prevented.
  • the use of only one species-specific metal oxide for the front layer area can be provided. In the case of casting a melt based on a titanium alloy or a titanium aluminide, titanium oxide is therefore used for the casting tool in one embodiment. Similarly, it is useful in the casting tool for a melt based on a nickel alloy to use a nickel oxide.
  • the use of one or more species-specific metal oxides has the particular advantage of an additionally reduced oxygen uptake of the melt during the production of the casting. Also, the sintering behavior is further improved.
  • An expedient embodiment of the invention provides that the at least one rare earth oxide is yttrium oxide.
  • An expedient embodiment of the invention provides that the yttrium oxide has a purity of greater than 99.9%, thereby avoiding problems that may occur due to foreign substances in the front layer area.
  • the weight ratio between the at least one rare earth oxide and the at least one metal oxide is more than 10: 1.
  • the front layer area and / or the backup layer area are produced in the dipping / sanding method.
  • This method has the advantage over other methods for the production of molds / shell molds that even contours are coated with small dimensions of the casting to be produced wax blank reliably coated.
  • the mold contains SiO 2 in an amount of less than 0.1% by weight in the front layer region coming into contact with the reactive non-ferrous metal melt. This avoids unwanted reactions of the material of the front layer area with the melt.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the mold in the front layer area and in the backup layer area has an open porosity, whereby the mold is gas-permeable. It is preferred that the mold in the front layer area and in the backup layer area has pores whose volume fraction is between 20% and 40%.
  • the mold has a surface roughness (Ra) of better than 3.2 ⁇ m in the front layer area.
  • Ra surface roughness
  • the mold has a strength of more than 13 MPa. Such strengths of the mold are particularly suitable for centrifugal casting.
  • the backup layer area is formed using alumina of various grain sizes.
  • the backup layer region is produced using at least one slip comprising SiO 2 -containing aqueous binder.
  • the stronger binding effect of SiO 2 can be used, which leads to increased strengths of the backup layer and thus of the entire casting mold.
  • a further reduction of the sintering temperature is achieved in that the front layer area is formed using a very fine-grained powder, in particular by means of a powder of nanoparticles such as yttria nanopowder.
  • Nanopowders are known to have sintering temperatures of up to a few 100 K below the sintering temperature of microscale powders.
  • an embodiment of the invention provides for using a mixture of the at least one rare earth oxide and at least one species-specific oxide, namely at least one oxide of the metals that mainly occur in the melt, for example a titanium oxide, in particular TiO 2 , in the case of one or more titanium alloys.
  • a titanium oxide in particular TiO 2
  • the use of exactly one species-specific metal oxide can also be provided.
  • the tool with the mold can be used for casting a casting by introducing a non-ferrous metal melt into the mold, the introduced non-ferrous metal melt is cooled in the mold and solidified, so that a casting is formed, and the casting is removed from the mold.
  • At least two different slips are used, one for producing a front casting area (FS) facing a later casting, and another for producing a mechanically stabilizing backup layer area (BS).
  • the sanding materials are adapted to the slip.
  • the ceramic components of the slurry for the front layer area produced from an aqueous solution are Y 2 O 3 powders with grain sizes between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m and a purity of better than 99.9% and TiO 2 with a grain size of less than 10 ⁇ m.
  • the proportion by weight of these ceramics together is more than 80%.
  • Their relative proportion (Y 2 O 3 / TiO 2 ) to each other is more than 10: 1.
  • the remaining parts by weight of the slip account for water, a water-soluble, SiO 2 -free binder and optionally further additives such as condenser, wetting agent and / or defoamer common in precision casting technology.
  • the slurry represents a mixture of the various components, as is customary for such slip masses, and which is the case irrespective of the embodiment described here.
  • another slurry which has a solids content of about 60% of alumina powder mixed with powders of three different grain sizes.
  • Other constituents are aqueous, SiO 2 -containing binders based on silica, water, wetting agents and defoamers.
  • a wax blank which in its outer form corresponds to an article to be later produced with the mold, is dipped in the slurry for the front layer.
  • Y 2 O 3 powders After draining the slurry of wax dipped blank with Y 2 O 3 powders is sanded with a purity of better than 99.9% and a particle diameter in the range 50 microns to 250 microns. A small proportion of fines is advantageous here.
  • the wax blank with the front layer region formed thereon is dipped into the further slurry for the backup layer region. It is then dried and sanded with a mixture of commercial Al 2 O 3 powders with three different grain sizes in the range from 10 ⁇ m to 250 ⁇ m. These process steps are repeated several times with interim drying of the layers until the desired layer thickness of the backup layer area is achieved.
  • the final drying of the green mold takes place for about 48 h at room temperature.
  • the subsequent growth of the wax blank from the green form takes place by means of superheated steam in a steam autoclave.
  • the firing of the waxed-out mold / shell takes place in air according to a predetermined temperature-time profile.
  • the time profile is characterized in particular by a defined heating rate, at least one breakpoint at a defined temperature below 800 ° C and a maximum temperature below 1600 ° C.
  • the cooling takes place slowly in a switched off oven. This is followed by a cleaning of the mold shell before it can be used for the casting.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mold Materials And Core Materials (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Herstellen eines Gußteils, insbesondere eines Triebwerkbauteils oder eines Motorenbauteils, aus einer reaktiven Nichteisenmetallschmelze mit einer Gußform, die einen mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich und einen den Frontschichtbereich mechanisch stabilisierenden Backupschicht-Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Frontschichtbereich aus mindestens einem Seltenerdoxid und mindestens einem weiteren Metalloxid besteht, wobei das mindestens eine weitere Metalloxid aus der Gruppe der Oxide folgender Metalle ausgewählt ist: Titan und Nickel. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des Werkzeuges und die Verwendung des Werkzeuges zur Herstellung eines Bauteils.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Herstellen eines Gußteils, insbesondere eines Triebwerkbauteils oder eines Motorenbauteils, aus einer reaktiven Nichteisenmetallschmelze mit einer Gußform sowie ein Verfahren zum Herstellen des Werkzeuges und die Verwendung des Werkzeuges zur Herstellung eines Bauteils.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Die Nutzung von Gußformen erfaßt deren Verwendung zur Herstellung von Gußteilen verschiedenster Art. Hierbei wird üblicherweise eine Schmelze eines Gußmaterials in einem Hohlraum der Gußform eingebracht. Anschließend erstarrt das Gußmaterial, wodurch das Gußteil mit einer äußeren Form gebildet wird, welche der Gußform entspricht. Anschließend wird das Gußteil aus der Gußform entfernt. Im Besonderen werden oftmals dünnwandige Gussformen verwendet, die in der Feingusstechnologie als Formschalen bezeichnet werden
  • In der Feingußtechnologie werden beispielsweise Werkstoffe auf der Basis intermetallischer Verbindungen zum Herstellen von Gußteilen verwendet, insbesondere für Hochtemperatur-Anwendungen in Antriebsmaschinen. Als besonders geeignet werden γ-Titan-Aluminide (y-TiAl) und Nickel-Aluminide sowie Nickelbasislegierugen angesehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Titan-Werkstoffen zeichnen sich die TiAl-Legierungen durch bessere Kriecheigenschaften und eine geringere Oxidationsanfälligkeit aus.
  • In dem Dokument DE 103 46 953 A1 werden ein Werkzeug zum Herstellen von Gußteilen sowie ein Verfahren zum Herstellen des Werkzeuges offenbart. Die bekannte Gußform ist insbesondere zum Verarbeiten von TiAl-Legierungen geeignet. Die Gußform wird unter Verwendung von Schlickern im Tauch- und Besandungsverfahren hergestellt. Hierbei wird nach dem Bereitstellen eines Wachsrohlings, dessen Form der des zu gießenden Gußteils entspricht, der Wachsrohling mit einer Schlickermasse wiederholt beschichtet, besandet und anschließend getrocknet und ausgehärtet. Abschließend wird der Wachsrohling aus der so gebildeten Gußform entfernt. Zur Herstellung der bekannten Gußform wird eine Schlickermasse bestehend aus Wasser, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid verwendet. Auf diese Weise entsteht eine Gußform, bei der zumindest ein mit der reaktiven Nichteisenschmelze in Kontakt kommender Bereich aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid besteht.
  • Im Zusammenhang mit der Verwendung unterschiedlicher Schlickerzusammensetzungen ist weiterhin bekannt, daß den Schlickern neben den keramischen Füllstoffen und dem Bindersystem auf dieses abgestimmte weitere Zugabestoffe beigefügt werden können, insbesondere Verflüssiger, Benetzer, Verdicker und Entschäumer. Verflüssiger verbessern die Verlaufseigenschaften und tragen zu einer Beeinflussung der Viskosität bei. Benetzungsmittel verbessern die Benetzbarkeit der Wachsrohlinge oder bereits vorhandener Schichten beim Tauchen. Der Schlicker reagiert schon bei Zugabe von geringsten Mengen beider Komponenten, zeigt aber bei leichter "Überdosierung" keine starke Empfindlichkeit. Mittels Zugabe von Verdikkern kann eine zu geringe Viskosität nachreguliert werden. Verdicker sind selbst in geringsten Konzentrationen sehr wirksam und müssen in sehr kleinen Mengen und unter ständigem Rühren eingebracht werden, um eine Verklumpung des Schlickers zu vermeiden. Der Entschäumer dient in erster Linie zur Verhinderung der Blasenbildung auf der Schlickeroberfläche, die bei der Gußformherstellung zu Fehlstellen führen können. Auch Säuren und Basen können zugesetzt werden. In der Regel sind aufwendige und langwierige Untersuchungen und Versuche notwendig, um ein für bestimmte Anwendungszwecke geeignetes Schlickersystem zu schaffen.
  • Zum Verarbeiten von intermetallischen Verbindungen, insbesondere von reaktiven TiAl-Legierungen, sind weiterhin Gußformen / Formschalen bekannt, bei denen Frontschichten, d. h. die dem Hohlraum in der Gußform, in welchen die Schmelze eingebracht wird, zugewandten Oberflächenbereiche der Gußform / Formschale aus Al2O3 / Y2O3 gebildet sind (G. W. Dickhues: Feingußtechnologie für intermetallische γ-TiA1-Legierungen, Reihe 5: Grund- und Werkstoffe, Nr. 369, VDI-Verlag GmbH, 1994). Mittels Tauchen und Besanden im Rahmen des bekannten Tauchverfahrens werden die auch als Formschalen bezeichneten Gußformen auf Basis des Systems Al2O3 / Y2O3 bzw. Al2O3 hergestellt.
  • Da bei früheren Feingußverfahren Schlicker verwendet wurden, die neben unterschiedlichsten keramischen Füllersystemen in erster Linie Binder in Form von wäßrigen oder alkoholischen SiO2-Dispersionen (Kieselsäure-Sol oder Ethylsilikat) enthalten, ist man nach Dickhues bestrebt, SiO2-freie Formschalen herzustellen. Der Grund hierfür liegt darin, daß SiO2 durch reaktive Schmelzen, wie Legierungen auf Basis von TiAl oder NiAl, in SiO2-haltigen Formschalen reduziert werden kann. Die Folge ist eine erhebliche Sauerstoffaufnahme der Schmelze, die drastische Festigkeitseinbußen der Werkstoffe nach sich ziehen kann. Außerdem kann die Wechselwirkung zwischen Schmelze und Formschalen-Keramik zu starken Erosionen führen, die eine Zerstörung der Formschale / Gußform, die Aufnahme keramischer Partikel durch die Schmelze und / oder schlechte Gußoberflächen verursachen können. Als Binder für den Schlicker der Frontschichten der Gußform wird bei Dickhues Acrylsäure-Ester verwendet.
  • Neben Untersuchungen zur Herstellung geeigneter Gußformen / Formschalen wurden von Dickhues auch Versuche zur Herstellung von Schmelztiegeln unternommen, welche zum Schmelzen des anschließend zu gießenden Materials genutzt werden. Mittels Tauchen in einen Y2O3-Titanchelat-Schlicker und Besanden mit Y2O3-Sand wurden keramische Frontschichten eines Schmelztiegels erzeugt. Es konnten jedoch keine Schmelztiegel mit einer Frontschicht auf Basis von Yttriumoxid reproduzierbar hergestellt werden. Beim Brennen der Gußformen bildeten sich stets starke Risse, weshalb die Schmelztiegel unbrauchbar waren.
  • Die Ursachen dieser Rißbildung sind vermutlich vor allem in einem zu schlechten Versintern der Yttriumoxidpartikel zu einer mechanisch stabilen Schicht zu suchen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Werkzeug zum Herstellen eines Gußteils aus einer reaktiven Nichteisenschmelze mit einer Gußform sowie ein Verfahren zum Herstellen des Werkzeuges zu schaffen, bei dem eine zuverlässige reproduzierbare Fertigung der Gußform ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Werkzeug zum Herstellen eines Gußteils nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeuges nach dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst. Darüber hinaus bezieht sich der unabhängige Anspruch 26 auf die Verwendung eines Werkzeuges zum Gießen eines Gußteils.
  • Erfindungsgemäß ist ein Werkzeug zum Herstellen eines Gußteils, insbesondere eines Triebwerkbauteils oder eines Motorenbauteils, aus einer reaktiven Nichteisenmetallschmelze mit einer Gußform geschaffen, die einen mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich und einen den Frontschichtbereich mechanisch stabilisierenden Backupschicht-Bereich aufweist, wobei der Frontschichtbereich aus mindestens einem Seltenerdoxid und mindestens einem weiteren Metalloxid besteht, wobei das mindestens eine weitere Metalloxid aus der Gruppe der Oxide folgender Metalle ausgewählt ist: Titan und Nickel.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeuges für die Fertigung eines Gußteils, insbesondere eines Triebwerkbauteils oder eines Motorenbauteils, aus einer reaktiven Nichteisenmetallschmelze geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Wachsrohlings mit einer dem zu gießenden Gußteil nachgebildeten äußeren Form; Ausbilden einer Gußform mit einem mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich und einem den Frontschichtbereich mechanisch stabilisierenden Backupschicht-Bereich, indem der Wachsrohling unter Verwendung mindestens einer Schlickermasse zumindest einmal beschichtet wird; Trocknen und Härten der Gußform; Entfernen des Wachsrohlings aus der Gußform und Brennen der Gußform; wobei der Frontschichtbereich der Gußform als Bereich gebildet wird, der aus mindestens einem Seltenerdoxid und mindestens einem weiteren Metalloxid besteht, wobei das mindestens eine weitere Metalloxid aus der Gruppe der Oxide folgender Metalle ausgewählt ist: Titan und Nickel.
  • Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik insbesondere den Vorteil, daß die Sintertemperatur für die Frontschichtbereich herabgesetzt ist, so daß ein verbessertes Versintern und letztlich verbesserte mechanische Eigenschaften erreicht werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß bei dem Gußwerkzeug als das mindestens eine weitere Metalloxid ein Metalloxid verwendet wird, welches ein arteigenes Metalloxid für die zum Gießen mit dem Gußwerkzeug zu verwendende, reaktive Nichteisenschmelze ist. Es wird so eine mögliche Kontamination der Nichteisenschmelze mit Fremdelementen minimiert oder sogar ganz verhindert, was dann in gleicher Weise für das Gußteil gilt. Die Bildung unerwünschter Fremdphasen im Gußteil wird verhindert. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform kann die Nutzung nur genau eines arteigenen Metalloxides für den Frontschichtbereich vorgesehen sein. Für den Fall des Gießens einer Schmelze auf Basis einer Titanlegierung oder eines Titanaluminides wird deshalb in einer Ausgestaltung ein Titanoxid für das Gußwerkzeug verwendet. In ähnlicher Weise ist es zweckmäßig, bei dem Gußwerkzeug für eine Schmelze auf Basis einer Nickellegierung ein Nickeloxid zu nutzen. Die Nutzung eines oder mehrerer arteigener Metalloxide hat insbesondere den Vorteil einer zusätzlich verminderten Sauerstoffaufnahme der Schmelze beim Herstellen des Gußteils. Auch wird das Sinterverhalten weiter verbessert.
  • Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das mindestens eine Seltenerdoxid Yttriumoxid ist.
  • Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Yttriumoxid eine Reinheit von größer als 99.9% aufweist, wodurch Probleme vermieden werden, die aufgrund von Fremdstoffen in dem Frontschichtbereich auftreten können.
  • Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Gewichtsverhältnis zwischen dem mindestens einen Seltenerdoxid und dem mindestens einen Metalloxid mehr als 10:1 beträgt.
  • Zweckmäßig sind bei einer Ausgestaltung der Erfindung der Frontschichtbereich und / oder der Backupschicht-Bereich im Tauch- / Besandungsverfahren hergestellt. Dieses Verfahren hat gegenüber anderen Verfahren zur Herstellung von Gußformen / Formschalen den Vorteil, daß auch Konturen mit kleinen Abmessungen des dem herzustellenden Gußteil nachgebildeten Wachsrohlings zuverlässig beschichtet werden.
  • Um den störenden Einfluß von SiO2 im Frontschichtbereich zu minimieren, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Gußform in dem mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich SiO2 in einem Umfang von weniger als 0,1 Gewichts-% enthält. Dieses vermeidet ungewünschte Reaktionen des Materials des Frontschichtbereiches mit der Schmelze.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Gußform im Frontschichtbereich und im Backupschicht-Bereich eine offene Porosität aufweist, wodurch die Gußform gasdurchlässig ist. Bevorzugt ist, daß die Gußform im Frontschichtbereich und im Backupschicht-Bereich Poren aufweist, deren Volumenanteil zwischen 20 % und 40 % liegt.
  • Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Gußform im Frontschichtbereich eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von besser als 3,2µm aufweist. Solche qualitativ hochwertigen Oberflächen sind insbesondere für strömungstechnische Anwendungen in Triebwerksbauteilen und Motorenbauteilen vorteilhaft.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Gußform eine Festigkeit von mehr als 13 MPa aufweist. Solche Festigkeiten der Gußform sind insbesondere für Schleudergießverfahren geeignet.
  • Zweckmäßig ist der Backupschicht-Bereich unter Verwendung von Aluminiumoxid in verschiedenen Körnungen gebildet.
  • Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Backupschicht-Bereich unter Verwendung wenigstens eines einen SiO2-haltigen, wäßrigen Binder umfassenden Schlickers hergestellt ist. Auf diese Weise kann die stärkere Bindungswirkung von SiO2 genutzt werden, die zu erhöhten Festigkeiten der Backupschicht und damit der gesamten Gußform führt.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird eine weitere Herabsetzung der Sintertemperatur dadurch erreicht, daß der Frontschichtbereich unter Verwendung eines sehr feinkörnigen Pulvers gebildet ist, insbesondere mittels eines Pulvers aus Nanopartikeln wie beispielsweise Yttriumoxid-Nanopulver. Von Nanopulvern ist bekannt, daß ihre Sintertemperatur bis zu einige 100 K unterhalb der Sintertemperatur von mikroskaligem Pulvern liegt.
  • Zur weiteren Herabsetzung der Sintertemperatur sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, eine Mischung aus dem mindestens einen Seltenerdoxid und wenigstens einem arteigenen Oxid zu verwenden, nämlich wenigstens einem Oxid der in der Schmelze hauptsächlich auftretenden Metalle, beispielsweise ein Titanoxid, insbesondere TiO2, im Fall einer oder mehrerer Titanlegierungen. In ähnlicher Weise ist es zweckmäßig, im Fall einer Schmelze auf Basis einer oder mehrerer Nickellegierungen wenigstens ein Nickeloxid in der Fronschichtbereich zu nutzen. Auch die Verwendung genau eines arteigenen Metalloxides kann vorgesehen sein.
  • Das Werkzeug mit der Gußform kann zum Gießen eines Gußteils verwendet werden, indem eine Nichteisenmetallschmelze in die Gußform eingebracht, die eingebrachte Nichteisenmetallschmelze in der Gußform abgekühlt und erstarrt wird, so daß ein Gußteil gebildet wird, und das Gußteil aus der Gußform entformt wird.
  • Die abhängigen Ansprüche des Verfahrens zum Herstellen eines Werkzeuges für die Fertigung eines Gußteils weisen die in Verbindung mit zugehörigen Merkmalen in den abhängigen Ansprüchen zu dem Werkzeug zum Herstellen eines Gußteils genannten Vorteile entsprechend auf.
    • Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Die Herstellung einer Gußform oder von Formschalen geht von dem Tauch- / Besandungsverfahren aus, welches als solches auf dem Gebiet der Feingußtechnologie bekannt ist, und umfaßt die folgenden Verfahrenschritten:
    1. 1) Tauchen eines Wachsmodells in einen keramischen Schlicker
    2. 2) Besanden des getauchten Wachsmodells mit einem Keramikpulver
    3. 3) Trocknen des besandeten Wachsmodells
    4. 4) eventuelle Wiederholung der Schritte 1) bis 3)
    5. 5) Auswachsen der Grünform
    6. 6) Brennen der Grünform
  • Es werden mindestens zwei unterschiedliche Schlicker verwendet, einer zum Erzeugen eines einem späteren Gußteil zugewandten Frontschicht-Bereiches (FS) und eines weiteren zum Erzeugen eines mechanisch stabilisierenden Backupschicht-Bereiches (BS). Die Besandungsmaterialien sind an die Schlicker angepaßt.
  • Die keramischen Komponenten des aus einer wäßrigen Lösung hergestellten Schlickers für den Frontschicht-Bereich sind Y2O3 -Pulver mit Korngrößen zwischen 1 µm und 50 µm und einer Reinheit von besser als 99.9 % sowie TiO2 mit einer Korngröße von weniger als 10 µm. Der Gewichtsanteil dieser keramischen Stoffe beträgt zusammen mehr als 80%. Ihr relativer Anteil (Y2O3 / TiO2) zueinander beträgt mehr als 10:1. Die verbleibenden Gewichtsanteile des Schlickers entfallen auf Wasser, einen wasserlöslichen, SiO2-freien Binder und wahlweise weitere Additive wie in der Feingußtechnologie übliche Verflüssiger, Benetzer und / oder Entschäumer. Der Schlicker stellt eine Gemenge der verschiedenen Komponenten dar, wie dies für solche Schlickermassen üblich ist und was unabhängig von der hier beschriebenen Ausführungsform der Fall ist.
  • Für den Backupschicht-Bereich wird ein weiterer Schlicker verwendet, der einen Feststoffanteil von etwa 60 % aus Aluminiumoxidpulver gemischt aus Pulvern mit drei unterschiedlichen Körnungen. Weitere Bestandteile sind wässriger, SiO2-haltiger Binder auf Basis von Kieselsäure, Wasser, Benetzer und Entschäumer.
  • Zum Ausbilden des Frontschicht-Bereiches wird ein Wachsrohling, welcher in seiner äußeren Form einem später mit der Gußform herzustellendem Gegenstand entspricht, in den Schlicker für die Frontschicht getaucht. Nach dem Abtropfen des Schlickers wird der getauchte Wachsrohling mit Y2O3-Pulvern mit einer Reinheit von besser als 99.9 % und einem Korndurchmesser im Bereich 50 µm bis 250 µm besandet. Ein geringer Feinkornanteil ist hierbei vorteilhaft. Diese Verfahrenschritte werden mit zwischenzeitlicher Trocknung der Schichten bis zur Erzielung der gewünschten Schichtdicke der Frontschicht mehrfach wiederholt.
  • Zum Ausbilden des Backupschicht-Bereiches wird der Wachsrohling mit dem hierauf gebildeten Frontschicht-Bereich in den weiteren Schlicker für den Backupschicht-Bereich getaucht. Anschließend wird getrocknet und besandet mit einer Mischung aus kommerziellen Al2O3-Pulvern mit drei unterschiedlichen Körnungen im Bereich von 10 µm bis 250 µm. Auch diese Verfahrenschritte werden mit zwischenzeitlicher Trocknung der Schichten bis zur Erzielung der gewünschten Schichtdicke des Backupschicht-Bereiches mehrfach wiederholt.
  • Nach letztmaligem Eintauchen in den weiteren Schlicker für den Backupschicht-Bereich erfolgt die Endtrocknung der Grünform für etwa 48 h bei Raumtemperatur. Das anschließende Auswachsen des Wachsrohlings aus der Grünform erfolgt mittels überhitztem Wasserdampf in einem Dampfautoklaven.
  • Das Brennen der ausgewachsten Gußform / Formschale erfolgt an Luft nach einem vorgegebenen Temperatur-Zeitprofil. Das Zeitprofil ist insbesondere charakterisiert durch eine definierte Aufheizrate, mindestens einen Haltepunkt bei einer definierten Temperatur unterhalb von 800° C und einer maximalen Temperatur unterhalb von 1600 °C. Das Abkühlen erfolgt langsam in einem abgeschalteten Ofen. Es schließt sich eine Reinigung der Formschale an, bevor diese für den Abguß verwendet werden kann.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (27)

  1. Werkzeug zum Herstellen eines Gußteils, insbesondere eines Triebwerkbauteils oder eines Motorenbauteils, aus einer reaktiven Nichteisenmetallschmelze mit einer Gußform, die einen mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich und einen den Frontschichtbereich mechanisch stabilisierenden Backupschicht-Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Frontschichtbereich aus mindestens einem Seltenerdoxid und mindestens einem weiteren Metalloxid besteht, wobei das mindestens eine weitere Metalloxid aus der Gruppe der Oxide folgender Metalle ausgewählt ist: Titan und Nickel.
  2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Seltenerdoxid Yttriumoxid ist.
  3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Yttriumoxid eine Reinheit von größer als 99.9 % aufweist.
  4. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis zwischen dem mindestens einen Seltenerdoxid und dem mindestens einen Metalloxid mehr als 10:1 beträgt.
  5. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frontschichtbereich und / oder der Backupschicht-Bereich im Tauch- / Besandungsverfahren hergestellt sind.
  6. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform in dem mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich SiO2 in einem Umfang von weniger als 0,1 Gewichts-% enthält.
  7. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform im Frontschichtbereich und im Backupschicht-Bereich eine offene Porosität aufweist, wodurch die Gußform gasdurchlässig ist.
  8. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform im Frontschichtbereich und im Backupschicht-Bereich Poren aufweist, deren Volumenanteil zwischen 20 % und 40 % liegt.
  9. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform im Frontschichtbereich eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von besser als 3,2 µm aufweist.
  10. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform eine Festigkeit von mehr als 13 MPa aufweist.
  11. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Backupschicht-Bereich unter Verwendung von Aluminiumoxid in verschiedenen Körnungen gebildet ist.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeuges für die Fertigung eines Gußteils, insbesondere eines Triebwerkbauteils oder eines Motorenbauteils, aus einer reaktiven Nichteisenmetallschmelze, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
    - Bereitstellen eines Wachsrohlings mit einer dem zu gießenden Gußteil nachgebildeten äußeren Form;
    - Ausbilden einer Gußform mit einem mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich und einem den Frontschichtbereich mechanisch stabilisierenden Backupschicht-Bereich, indem der Wachsrohling unter Verwendung mindestens einer Schlickermasse zumindest einmal beschichtet wird;
    - Trocknen und Härten der Gußform;
    - Entfernen des Wachsrohlings aus der Gußform; und
    - Brennen der Gußform;
    wobei der Frontschichtbereich der Gußform als Bereich gebildet wird, der aus mindestens einem Seltenerdoxid und mindestens einem weiteren Metalloxid besteht, wobei das mindestens eine weitere Metalloxid aus der Gruppe der Oxide folgender Metalle ausgewählt ist: Titan und Nickel.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als das mindestens eine Seltenerdoxid Yttriumoxid verwendet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Yttriumoxid mit einer Reinheit von größer als 99.9 % verwendet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewichtsverhältnis zwischen dem mindestens einen Seltenerdoxid und dem mindestens einen Metalloxid auf mehr als 10:1 1 eingestellt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Frontschichtbereich und / oder der Backupschicht-Bereich beim Ausbilden der Gußform im Tauch- / Besandungsverfahren hergestellt werden, indem der Wachsrohling einmal oder mehrmals in wenigstens einen Schlicker getaucht und anschließend wahlweise besandet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Schlickermasse zumindest teilweise mit Pulver des mindestens einen Seltenerdoxids oder des mindestens einen Metalloxids gebildet wird, das eine Korngröße im Nanometerbereich aufweist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Schlickermasse wasserbasiert ist.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform zumindest in dem mit der reaktiven Nichteisenmetallschmelze in Kontakt kommenden Frontschichtbereich SiO2 in einem Umfang von weniger als 0,1 Gewichts-% enthaltend hergestellt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gußform im Frontschichtbereich und im Backupschicht-Bereich eine offene Porosität gebildet wird, wodurch die Gußform gasdurchlässig ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform im Frontschichtbereich und im Backupschicht-Bereich mit Poren gebildet wird, deren Volumenanteil zwischen 20 % und 40 % liegt.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform im Frontschichtbereich mit einer Oberflächenrauhigkeit (Ra) von besser als 3,2 µm hergestellt wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform mit einer Festigkeit von mehr als 13 MPa gebildet wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Backupschicht-Bereich unter Verwendung von Aluminiumoxid in verschiedenen Körnungen gebildet wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß als das mindestens eine weitere Metalloxid ein zu der reaktiven Nichteisenmetallschmelze arteigenes Metalloxid verwendet wird.
  26. Verwendung einer Gußform nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Gießen eines Gußteils, indem eine Nichteisenmetallschmelze in die Gußform eingebracht, die eingebrachte Nichteisenmetallschmelze in der Gußform abgekühlt und erstarrt wird, so daß ein Gußteil gebildet wird, und das Gußteil aus der Gußform entformt wird.
  27. Verwendung einer Gußform nach Anspruch 26, wobei als Nichteisenmetallschmelze eine Nickellegierung, eine Titanlegierung oder ein eine intermetallische Verbindung bildendes Material, insbesondere eine TiAl- oder eine NiAl-Legierung, verwendet wird.
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