DE3611403C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines neuen und verbesserten hitzebeständigen Konstruktionsmaterials für Vorrichtungen zum Gießen von Nichteisenmetallen mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise von Aluminium, Zinn und Zink, wobei dieses Konstruktionsmaterial insbesondere für solche Teile von Gießvorrichtungen verwendet wird, die in direktem Kontakt mit dem schmelzflüssigen Metall stehen.

Vorrichtungsteile, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung stehen, sind beispielsweise Vorrichtungsteile zum Überführen, Zuleiten und Warmhalten der Metallschmelzem, insbesondere Teile, wie Gießkästen, Gießrinnen und Gießtröge, Innenauskleidungen für Warmhalteöfen, Schwimmer, Ausgüsse und Gießaufsatzringe. Als Konstruktionsmaterial sind bisher insbesondere Calciumsilikate wegen ihrer ausgezeichneten Wärmeisolierungseigenschaften, ihrer geringen Wärmekapazität und der weiterhin erwünschten Eigenschaft, daß sie nicht benetzt werden, für diesen Zweck in weitem Umfang angewendet worden. In der Vergangenheit sind für solche Konstruktionsmaterialien des Calciumsilikattyps auch Asbestfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt worden, doch das ist nunmehr aus wohlbekannten Gründen schwierig geworden.

Für aus Calciumsilikat hergestellte Formprodukte, die als Baumaterialien oder für die Wärmeisolierung eingesetzt werden, hat sich ein Ersatz der Asbestfasern durch alkalibeständige Glasfaser in den meisten Fällen als erfolgreich erwiesen und diese Maßnahme wird auch in den betreffenden Industrien praktisch angewendet.

An Konstruktionsmaterial für Gießvorrichtungen zum Gießen von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt werden jedoch bestimmte spezielle Anforderungen gestellt und diesbezüglich hat sich daher noch keine befriedigende Lösung des betreffenden Problems ergeben. Für den Anwendungszweck in der Gießerei ist nämlich zu beachten, daß das Calciumsilikat, aus dem der betreffende Formkörper aufgebaut ist, darin in Kristallform vorliegt, wobei diese Kristalle je nach ihrer Art wechselnde Mengen an Kristallwasser enthalten. Beim praktischen Einsatz eines solchen ausgeformten Konstruktionsmaterials in Gießvorrichtungen wird das Kristallwasser aus dem Formling ausgetrieben, wandelt sich in Dampf um und verursacht dabei in dem aufgeschmolzenen Metall Störungen unterschiedlicher Art. Daher ist es notwendig, ein derartiges Konstruktionsmaterial vor der praktischen Anwendung von Kristallwasser und absorbiertem Wasser zu befreien, indem man es etwa 3 bis 24 Stunden lang auf etwa 300 bis 600°C erhitzt. Durch diese Hitzebehandlung wird jedoch die ursprüngliche Zugfestigkeit der alkalibeständigen Glasfasern um über die Hälfte verringert. Hierdurch werden die physikalischen Eigenschaften, wie Elastizität, Zähfestigkeit und Stärke, des hitzebehandelten Endproduktes beeinträchtigt.

Um das Problem zu lösen, das durch die Erniedrigung der physikalischen Festigkeit der Verstärkungsfaser infolge der Hitzebehandlung eintritt, ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 57-49 507 vorgesehen, aus einer Aufschlämmung, welche eine Mischung aus calciumoxid- und kieselsäurehaltigem Material mit einem Molverhältnis CaO/SiO₂ von 0,6 bis 1,2, einen vorher durch hydrothermale Synthese hergestellten Xonotlit, einen faserförmigen Wollastonit, eine Verstärkungsfaser und Wasser enthält, einen Formkörper herzustellen, der im wesentlichen aus Calciumsilikat besteht, und diesen anschließend zu brennen. Mittels dieses Verfahrens wird ein ausgeformter Calciumsilikatkörper erhalten, der nur noch geringe Mengen des aus der hydrothermalen Reaktion stammenden Kristallwassers enthält. Das Fertigprodukt besteht nämlich im wesentlichen aus Wollastonit in nicht hydratisierter Form und aus Xonotlit, welcher von Natur aus wenig Kristallwasser enthält, und demgemäß kann die anschließende Wärmebehandlung innerhalb einer kurzen Zeit durchgeführt werden, wodurch dann nur eine geringe Verschlechterung der Festigkeit der Verstärkungsfaser infolge der Wärmebehandlung eintritt. Da bei dieser Verfahrensweise jedoch das Endprodukt der hydrothermalen Reaktion im wesentlichen nur Xonotlit sein soll, müssen die Bedingungen, unter denen der geformte Körper im Autoklaven behandelt wird, außerordentlich scharf sein. Dabei tritt dann erneut das Problem einer Verschlechterung der Verstärkungswirkung der Glasfaser auf.

Der beim Konstruktionsmaterial der japanischen Vorveröffentlichung in die Matrix eingelagerte feinteilige Wollastonit hat nicht die Funktion einer Verstärkungsfaser und er kann daher eine Rißbildung infolge des Festigkeitsverlustes in dem Bereich, wo das Konstruktionsmaterial mit dem schmelzflüssigen Metall in Berührung kommt, nicht verhindern.

Der Wollastonit soll vielmehr eine Rißbildung während der Dampfhärtung und der anschließenden Calcinierung des Formlings verhindern und dessen maschinelle Bearbeitbarkeit verbessern.

In der japanischen Vorveröffentlichung werden außer Glasfasern für Verstärkungszwecke auch andere anorganische Fasern in Betracht gezogen, wie Gesteinswolle.

Außerdem können während des Herstellungsverfahrens zur Verbesserung der Filtrierbarkeit der Aufschlämmung aus calciumoxid- und kieselsäurehaltigem Material Xonothit, Wollastonit und Verstärkungsfaser in Form von Glasfaser oder Gesteinswolle auch noch weniger als 2 Gewichtsprozent an organischer Faser, wie Pulpe, zugesetzt werden, welche während des Calcinierungsvorganges in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen von mindestens 500°C ausgebrannt wird, so daß dann in dem Formling nur noch die Glasfaser vorhanden ist.

Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß das Problem einer unzureichenden Rißbeständigkeit auf diese Weise nicht befriedigend gelöst werden kann.

Aus der DE-OS 20 16 812 ist ferner ein Stopfenmaterial für die Technik des Eisengusses bekannt, welches etwa 20 bis 30% Ton, 25 bis 40% Schamotte und 30 bis 55% an Kohlenstoff enthält, letzteren in Form von z. B. Graphitpulver und/oder einer Pechsubstanz, die als Bindemittel wirkt. Um den Anteil an Ton und Schamotte zu verringern und gleichzeitig die Beständigkeit gegenüber der Eindiffundierung von geschmolzenem Eisen zu verbessern, ist vorgesehen, diese Komponenten und gegebenenfalls auch das Graphitpulver in einem gewissen Prozentsatz durch Kohlenstoffasern zu ersetzen, z. B. gemäß den Ausführungsbeispielen in Mengen von 0,3 bis 1%. Der Formling wird dann bei hoher Temperatur, aber in reduzierenden Atmosphäre gebacken.

Diese bekannte Arbeitsweise läßt sich jedoch nicht auf die Herstellung eines Konstruktionsmaterials auf der Basis eines Calciumsilikats übertragen, welches beim Gießen von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt eingesetzt wird.

Die Leichtigkeit, mit welcher Risse während des eigentlichen Gießvorganges auftreten, selbst in einem Material mit scheinbar ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften, ist nämlich auf die Spannung zurückzuführen, die von der ungleichen Temperaturerhöhung auf der mit dem geschmolzenen Metall in Berührung stehenden Seite oder Fläche herrührt. Infolge dieses Sachverhalts können schwerwiegende Unfälle eintreten, beispielsweise eine Leckage von geschmolzenem Metall oder sogar eine Zerstörung der gesamte Gießvorrichtung. Es gibt auch keine im Betrieb durchzuführenden Gegenmaßnahmen, mit denen dieser Nachteil überwunden werden könnte.

Aufgabe der Erfindung war es daher, dieses Problem der Rißbildung zu lösen, das in demjenigen Bereich eines Vorrichtungsteils auftritt, der mit der Metallschmelze direkt in Berührung kommt.

Das erfindungsgemäße Lösungsprinzip beruht nun auf der neuartigen Idee, das Konstruktionsmaterial bewußt zweischichtig-inhomogen aufzubauen und zwar derart, daß der Bereich, welcher mit dem schmelzflüssigen Metall in Berührung steht, weniger oder keine Verstärkungsfaser aufweist als der davon getrennte äußere Bereich. Auf diese Weise wird die Bruchzähigkeit im Berührungsbereich in gewollter Weise herabgesetzt und dient zur Aufnahme und zum Abbau von Spannungen, welche infolge der ungleichen Temperatur zwischen dem Berührungsbereich und dem äußeren Bereich auftreten. Diese thermischen Spannungen erzeugen zwar eine gewisse feine Rißbildung im Berührungsbereich mit verminderter Bruchzähigkeit, welche sich aber nicht bis in den äußeren Bereich fortsetzt, so daß eine größere Rißbildung vermieden wird und daher keine Gefahr einer Leckage oder einer Zerstörung der Gießvorrichtung mehr besteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionsmaterials für Vorrichtungen zum Gießen von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt auf der Basis eines mit Fasern verstärkten, ausgeformten Calciumsilikats mit einer Dichte im Bereich von 0,5 bis 1,0 g/cm³ ist daher dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Aufschlämmung aus den folgenden Komponenten herstellt:

• a) eine Mischung aus einem calciumoxidhaltigen und einem kieselsäurehaltigen Material, entsprechend einem Molverhältnis CaO/SiO₂ im Bereich von 0,9 bis 1,3;
• b) eine Aufschlämmung eines vorher durch hydrothermale Synthese hergestellten Xonotlits, welche 5 bis 170 Gewichtsteile Festkörper enthält;
• c) faserförmiger Wollastonit in einer Menge von 10 bis 150 Gewichtsteilen;
• d) Kohlenstoffasern als Verstärkungsfaser in einer Menge von 1 bis 13 Gewichtsteilen;
• e) Wasser,

wobei sich die Mengenanteile an Xonotlit, Wollastonit und Kohlenstoffaser auf jeweils 100 Gewichtsteile der Komponente a) beziehen, daß man diese Aufschlämmung verformt, den so gebildeten Formling unter Druck mit Dampf härtet, so daß sich eine im wesentlichen aus Xonotlit bestehende Matrix bildet, in welcher der faserförmige Wollastonit gleichmäßig dispergiert vorliegt, den gehärteten Formling trocknet und entweder anschließend mindestens einen Teil der Kohlenstoffasern von derjenigen Oberfläche des Formlings aus ausbrennt, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt, oder während des ersten Gießvorganges durch die Berührung mit dem flüssigen Metallschmelze das Ausbrennen vornimmt und dadurch einen Bereich niedriger Bruchzähigkeit ausbildet, der praktisch keine oder nur wenige Verstärkungsfasern enthält, während die angrenzenden Bereiche eine hohe Bruchzähigkeit aufweisen, und dadurch das Verhältnis der Indices der Bruchzähigkeiten T₀/T₁ auf einen Wert im Bereich von 0,1 bis 0,5 einstellt, wobei T₀ der Index im Bereich niedriger Bruchzähigkeit und T₁ der Index im Bereich hoher Bruchzähigkeit ist.

Der Index der Bruchzähigkeit T kann an typischen Stellen der Bereiche mit niedriger bzw. hoher Bruchzähigkeit durch Messen bestimmt werden. Der betreffende Index T₁ des Bereiches mit hoher Bruchzähigkeit wird durch die nachfolgende Gleichung bestimmt:

T=(Γ₁ + Γ₂)/Γ₁

In dieser Gleichung bedeutet Γ₁ einen integrierten Wert einer Belastungs-Biegekurve, bis an dem Prüfstück in einem Biegeprüftest mit Dreipunktlagerung die erste Rißbildung auftritt, und Γ₂ zeigt einen integrierten Wert der Belastungs-Biegekurve nach der ersten Rißbildung, bis die Durchbiegung 2 mm erreicht, wobei das Prüfstück eine Breite von 20 mm, eine Dicke von 10 mm und eine Spannlänge von 100 mm aufweist und die Biegung mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min durchgeführt wird.

Überraschenderweise hat das erfindungsgemäß herstellbare Konstruktionsmaterial eine Festigkeit und Haltbarkeit, die größer ist als bei einem mit Asbestfasern verstärkten Material.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht die angewendete Menge an Kohlenstoff-Verstärkungsfaser 0,2 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Festkörperanteilen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen bzw. photographischen Darstellungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Konstruktionsmaterials.

Fig. 2 stellt eine Photographie eines Vorrichtungsteils zum Gießen von Metall mit niedrigem Schmelzpunkt dar, und dieses Teil ist hergestellt worden gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 1 und auch in der dort beschriebenen Weise einer Hitzebehandlung unterworfen worden.

Fig. 3 zeigt eine Teilvergrößerung der Photographie von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine Photographie eines Teils einer Vorrichtung zum Gießen eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt, welches gemäß Vergleichsbeispiel 1 hergestellt worden ist und das einer Hitzebehandlung unter den gleichen Bedingungen unterworfen wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben.

Wie in dem in Fig. 1 wiedergegebenen Modell dargestellt, besteht das erfindungsgemäß hergestellte Konstruktionsmaterial aus einem Formkörper, dessen Matrix im wesentlichen aus Xonotlit besteht. Von der Oberfläche 1, die mit dem geschmolzenen Metall direkt in Berührung steht, erstreckt sich ein Bereich 2 mehrere mm oder etwa 20 mm nach innen in den Formkörper hinein und dieser Bereich enthält nur eine relativ geringe Menge oder praktisch überhaupt keine Verstärkungsfaser. Dieser Bereich ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchzähigkeit niedriger ist als diejenige der anderen Zone 4, welche ausreichende Mengen an Verstärkungsfaser 3 enthält. Ein solches Konstruktionsmaterial, wie in Fig. 1 dargestellt, wird nachstehend als "Material A" bezeichnet, und es entsteht durch ein Ausbrennen der Kohlenstoff- Verstärkungsfasern nach der Dampfhärtung und Trocknung des Formlings.

In dem Material A ist die Verteilung der Verstärkungsfasern nicht gleichmäßig, aber die Matrix enthält im wesentlichen Calciumsilikat des Xonotlit-Typs, unabhängig davon, ob Verstärkungsfaser anwesend ist oder nicht. Demgemäß hängt der Unterschied in der Bruchzähigkeit des Materials im wesentlichen davon ab, ob in den betreffenden Bereichen Verstärkungsfasern vorhanden sind oder nicht, und von dem Gehalt an Verstärkungsfasern.

Wenn ein erfindungsgemäß hergestelltes Material A während des Gießbetriebes von der mit dem geschmolzenen Metall in Berührung stehenden Oberfläche her erhitzt wird, dann tritt in dem Bereich in der Nähe dieser Oberfläche Rißbildung ein, und zwar infolge der thermischen Spannung, die von der ungleichmäßigen thermischen Expansion herrührt, die ihrerseits durch den Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche 1 und der Oberfläche 4 des Materials A verursacht wird. Dies ist genau so wie im Fall des Standes der Technik. Bei der Rißbildung in dem erfindungsgemäß hergestellten Material A tritt jedoch die Rißbildung zu einem frühen Zeitpunkt auf, wenn die thermische Spannung noch relativ klein ist, weil die Bruchzähigkeit des betreffenden Bereichs im Material A niedrig liegt. Daher wird die Spannung durch diese Rißbildung abgebaut und die Restspannung kann durch den Bereich mit hoher Bruchzähigkeit aufgenommen werden, der durch eine ausreichende Menge an Fasern verstärkt ist. Daher wird die Rißbildung beendet, solange die Risse noch fein sind, ohne daß die Rißbildung sich in den Bereich mit hoher Bruchzähigkeit fortsetzt. Die Gruppe der so gebildeten feinen Risse dient daher dazu, Spannung während der wiederholten Aufheizungs- und Abkühlungszyklen aufzunehmen, die in nacheinanderfolgenden Gießoperationen stattfinden, so daß das Material insgesamt vor der Bildung von breiten Rissen geschützt wird.

Aus dem vorstehend erläuterten Mechanismus des Spannungsabbaus und der Verhinderung einer weiteren Rißbildung beim erfindungsgemäß hergestellten Material A ist ersichtlich, daß zwar bezüglich der absoluten Werte der physikalischen Eigenschaften der beiden Zonenbereiche des Materials A, wie bezüglich des Index der Bruchzähigkeit, des Elastizitätsmoduls usw., keine spezifischen restriktiven Bedingungen einzuhalten sind, doch sollten vorzugsweise die betreffenden Werte in folgenden Bereichen liegen: der Index des Bereiches mit niedriger Bruchzähigkeit sollte einen Wert zwischen 1 und 1,5 haben, der Index des Bereiches mit hoher Bruchzähigkeit sollte einen Wert <3 haben und der Elastizitätsmodul beim Biegen sollte größer als 5×10³ 0,1 N/mm² sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform werden bei einem erfindungsgemäß hergestellten Material die in der Nähe der Oberfläche, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt, vorhandenen verstärkenden Kohlenstoffasern erst nach Einbau in die betreffende Gießvorrichtung abgebrannt, wodurch ein Bereich mit niedriger Bruchzähigkeit gebildet wird. Ein solches Material hat dann die gleichen Eigenschaften wie das vorstehend beschriebene Material A.

Besonders bevorzugte Mengen an Rohmaterialien liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der folgenden Bereichen: Xonotlit 11 bis 50 Gewichtsteile, faserförmigen Wollastonit 16 bis 111 Gewichtsteile und Verstärkungsfaser 2 bis 8 Gewichtsteile, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile der Mischung aus calciumoxid- und kieselsäurehaltigem Material (a). Die Menge an Kohlenstoff-Verstärkungsfaser entspricht 0,75 bis 5,9 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Festkörperanteilen.

Die angegebene Verfahrensweise ist grundsätzlich ähnlich demjenigen Verfahren, das in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 57-49 507 beschrieben wird. Das bedeutet für die Komponente a), daß als Quelle für das Calciumoxid gelöschter Kalk, gebrannter Kalk, Carbidschlacke usw. eingesetzt werden können. Als kieselsäurehaltige Ausgangsmaterialien eignen sich Diatomeenerde, Quarzit und staubförmiges Ferrosilicium. Die als Ausgangsmaterial b) dienende Xonotlit-Aufschlämmung kann mittels üblicher, an sich bekannter Methoden hergestellt werden, wobei kieselsäurehaltiges Ausgangsmaterial und calciumoxidhaltiges Ausgangsmaterial unter Rühren in einem mit Druck beaufschlagten Autoklaven miteinader im aufgeschlämmten Zustand umgesetzt werden. Als faserförmiger Wollastonit kann ein Handelsprodukt verwendet werden, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung "NYARD-G®" vertrieben wird. Obwohl faserförmiger Wollastonit als "faserförmig" bezeichnet wird, erscheint er im makroskopischen Zustand als ein Pulver, und daher dient er auch nicht als Verstärkungsfaser. Vielmehr dient faserförmiger Wollastonit im wesentlichen dazu, eine gute Gestaltsstabilität zu gewährleisten sowie eine gute Verarbeitbarkeit mittels Werkzeugmaschinen.

Als Kohlenstoffasern eignen sich solche auf der Basis von Polyacrylnitril oder auf der Basis von Pech, und die Faserlänge sollte vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 mm liegen.

Um eine bessere Verformbarkeit der Aufschlämmung zu gewährleisten, kann jedoch auch eine geringe Menge, vorzugsweise weniger als 3%, bezogen auf den gesamten Festkörpergehalt, einer anderen Faserart mitverwendet werden, beispielsweise Pulpe, Rayon, Polyesterfaser, Gesteinswolle, alkalibeständige Glasfaser.

Die Ausgangsmaterialien werden mit einer ausreichenden Menge an Wasser vermischt, damit man eine Aufschlämmung erhält.

Nach Herstellung einer gleichmäßigen Aufschlämmung wird diese Aufschlämmung zu einem dicken, plattenähnlichen oder in anderer Weise ausgeformten Formkörper verarbeitet, je nachdem, wie es das betreffende Konstruktionselement für die Gießvorrichtung für den Guß eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt erforderlich macht, wobei die Verformung unter solchen Bedingungen erfolgt, daß die Dichte das Endprodukts einen Wert im Bereich von 0,5 bis 1,0 g/cm³ und insbesondere im Bereich von 0,65 bis 0,90 g/cm² aufweist. Ein Endprodukt mit einer wesentlich niedrigeren Dichte zeigt nicht nur unzureichende mechanische Festigkeit sondern auch eine unzulässige hohe Luftdurchlässigkeit, was dann zu Fehlern im Hinblick auf eine schnelle Zersetzung der entflammbaren Verstärkungsfasern, wie Kohlenstoffasern, während des Gießbetriebes führt.

Der Formkörper wird anschließend in einen Autoklaven überführt und dort unter Einwirkung einer Dampfatmosphäre gehärtet. Diese hydrothermale Behandlung soll unter solchen Bedingungen durchgeführt werden, daß dabei das Calciumoxidmaterial und das kieselsäurehaltige Ausgangsmaterial unter Bildung von Xonotlit miteinander reagieren, und die Umsetzung wird so lange fortgesetzt, bis sie praktisch zu Ende abgelaufen ist. Unter tatsächlichen Betriebsbedingungen werden Dampfdrücke von mehr als 14 0,1 N/mm² und Reaktionszeiten von etwa 5 bis 48 Stunden benötigt. Obwohl die Reaktionsbedingungen für die Bildung des gesamten Xonotlits äußerst scharf sind, wie vorstehend bereits erwähnt, sind Kohlenstoffasern ausreichend beständig, und es tritt praktisch keine Verringerung ihrer Festigkeit ein und sie verbleiben als solche in dem ausgehärteten Formkörper.

Der durch die Umsetzung des Calciumoxid-Ausgangsmaterials und des kieselsäurehaltigen Materials erzeugte Xonotlit reagiert chemisch weiter mit dem Xonotlit, der dem Ausgangsgemisch für die Verformungsstufe zugemischt worden war, unter Bildung einer Matrix, die praktisch vollständig aus Xonotlit besteht. Der faserförmige Wollastonit und die Kohlenstoffasern dienen lediglich als Füllmittel in der Matrix aus Xonotlit und gehen keine stärkere chemische Bindung mit den anderen Ausgangsstoffen ein.

Der durch die hydrothermale Behandlung gehärtete Formkörper wird dann aus dem Autoklaven herausgenommen und in heißer Luft bei einer Temperatur von weniger als 330°C getrocknet. Hierdurch wird der Matrixanteil des erfindungsgemäßen Konstruktionsmaterials vervollständigt.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung brennt man einen Teil der Verstärkungsfaser im Formkörper aus, indem man ihn von derjenigen Oberfläche aus, mit der er später mit dem aufgeschmolzenen Metall in Berührung kommt, in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt. Durch diese ungleichförmige Erhitzen wird nicht nur die Verstärkungsfaser ausgebrannt und carbonisiert, sondern die physikalischen Eigenschaften des in der Nähe der erhitzten Oberfläche befindlichen Teils der Matrix werden auch geringfügig verschlechtert, und daher erniedrigt sich die Bruchzähigkeit in diesem Bereich.

Obwohl die mechanische Festigkeit dieses Bereiches nur gering zu sein scheint, wird doch die Ausbildung großer Risse unterbunden, welche die vollständige Zerstörung der betreffenden Vorrichtung oder eine Leckage von geschmolzenem Metall verursachen könnten, wobei das erfindungsgemäß hergestellte Material eine wesentlich höhere Haltbarkeit aufweist, verglichen mit bekannten Konstruktionsmaterialien des Standes der Technik, in denen die Asbestfaser lediglich durch alkalibeständige Glasfaser ersetzt worden ist. Wenn beispielsweise das erfindungsgemäße Konstruktionsmaterial in einer Gießvorrichtung mit einem Bad aus geschmolzenem Aluminium mit einer Temperatur von 700°C Verwendung findet, kann das erfindungsgemäße Material 100 und mehr Arbeitszyklen aushalten, und diese Haltbarkeit ist gut vergleichbar mit derjenigen eines Materials des Standes der Technik, welches Asbestfasern enthält.

Darüberhinaus läßt sich das erfindungsgemäße Konstruktionsmaterial gut mit Werkzeugmaschinen bearbeiten, beispielsweise mit Schneid- oder Schleifmaschinen, und es weist alle Eigenschaften auf, welche im Hinblick auf die Kontaktierung mit geschmolzenen Metall erforderlich sind.

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein allen praktischen Anforderungen genügendes Konstruktionsmaterial für Gießvorrichtungen zum Gießen von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt zur Verfügung, ohne daß die Anwendung von Asbestfasern erforderlich ist, und die vorliegende Erfindung trägt daher wesentlich zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen und zur Kostenverminderung in der Gießereiindustrie bei.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert, wobei alle Teile Gewichtsteile sind.

Beispiel 1

30 Teile Kieselsäuresand, 40 Teile gelöschter Kalk, 20 Teile Xonotlit in Form einer Aufschlämmung, der vorher in einem mit Rührer versehenen Autoklaven synthetisiert worden war, 45 Teile faserförmiger Wollastonit, 3 Teile Kohlenstoffaser auf der Basis von Polyacrylnitril und 1000 Teile Wasser werden sorgfältig miteinander vermischt, und diese Mischung wird dann in einer Presse zu einem 50 mm dicken tafelförmigen Formling verformt. Der Formling wird bei 205°C 48 Stunden lang unter einem Dampfdruck von 17 0,1 N/mm² mit Wasserdampf ausgehärtet. Anschließend trocknet man den ausgehärteten Formling in Heißluft und erhält so ein Zwischenprodukt. Mittels Röntgenbeugung wurde festgestellt, daß das Calciumsilikat in diesem Zwischenprodukt im wesentlichen in Form von Xonotlit vorliegt. Anschließend wird das tafelförmige Zwischenprodukt in rechteckige Körper der Größe 220 mm×220 mm×50 mm zerschnitten und im Mittelpunkt jedes Körpers ein Loch mit einem Durchmesser von 125 mm angebracht. Ein Bereich von niedriger Bruchzähigkeit wurde in diesem Formkörper dadurch hergestellt, daß man diesen von der inneren Lochoberfläche aus 30 Minuten lang auf 750°C erhitzte und dadurch in einer Tiefe bis 15 mm fast alle Kohlenstoffasern abbrannte. Auf diese Weise wurde ein Vorrichtungsteil geschaffen, das als Photographie in Fig. 2 wiedergegeben ist, welche anzeigt, daß nur an einigen örtlichen Stellen Rißbildung aufgetreten war.

Beispiel 2

20 Teile Kieselsäuresand, 15 Teile Ferrosiliciumstaub, 45 Teile gelöschter Kalk, 20 Teile Xonotlit in Form einer Aufschlämmung, der vorher in einem mit Rührer versehenen Autoklaven synthetisiert worden war, 30 Teile faserförmiger Wollastonit, 6 Teile Kohlenstoffasern auf der Basis von Pech und 1200 Gewichtsteile Wasser wurden sorgfältig miteinander vermischt, und dann wurde diese Mischung unter Druck in einer Presse zu einem tafelförmigen Formkörper verformt. Die Dampfhärtung erfolgte während 15 Stunden bei einer Temperatur von 205°C und einem Dampfdruck von 17 0,1 N/mm². Anschließend wurde der tafelförmige Körper in heißer Luft getrocknet, wodurch man ein Zwischenprodukt erhielt. Durch Röntgenbeugungsanalyse wurde festgestellt, daß das Calciumsilikat in diesem Zwischenprodukt im wesentlichen in Form von Xonotlit vorlag.

In einer anschließenden Arbeitsstufe wurde das tafelförmige Produkt in der gleichen Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, zerschnitten, und durch Abbrennen des größten Anteils der Kohlenstoffasern in einem Bereich von 15 mm Tiefe von der inneren Oberfläche des Loches aus wurde ein Bereich niedriger Bruchzähigkeit geschaffen. Auch dieses erfindungsgemäße Konstruktionsteil dient in einer Vorrichtung zum Gießen von Metall mit niedrigem Schmelzpunkt.

Beispiel 3

Es wurde ein Konstruktionsmaterial gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, nur wurde die anschließende Hitzebehandlung unter Abbrennen des größten Teils der Kohlenstoffasern in einem Bereich in der Nähe des Loches nicht durchgeführt.

Beispiel 4

Es wurde ein Konstruktionsmaterial gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 2 hergestellt mit der Abänderung, daß der letzte Abbrandschnitt nicht durchgeführt wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 1 verfahren, wobei jedoch die 3 Teile Kohlenstoffasern durch 5 Teile alkalibeständiger Glasfaser ersetzt wurden. Außerdem wurde die Wärmebehandlung der letzten Stufe nicht durchgeführt. Fig. 4 zeigt eine Photographie des so hergestellten Werkstückes, auf der die Rißbildung bis zur äußeren Wand gut erkennbar ist.

Vergleichsbeispiel 2

Es wurde verfahren, wie in Beispiel 1 beschrieben, wobei jedoch die 3 Teile Kohlenstoffasern durch 6 Teile Fasern aus rostfreiem Stahl ersetzt wurden und außerdem die Hitzebehandlung der letzten Arbeitsstufe nicht durchgeführt wurde.

Die physikalischen Eigenschaften der so erhaltenen Produkte sind in der nachstehenden Tabelle I zusammengefaßt.

Tabelle I

Darüber hinaus wurde der nachstehende Hitzebeständigkeitstest an den vorstehend beschriebenen Produkten durchgeführt. Die betreffenden, mit einem Loch versehenen Prüfstücke wurden in Formkästen gestapelt. Dann wurde geschmolzenes Aluminium mit einer Temperatur von 750°C in den so gebildeten Hohlzylinder eingegossen und mittels eines Heizers 1 Stunde lang auf 750°C gehalten. Anschließend ließ man das schmelzflüssige Bad ausfließen und ließ den Stapelkörper auf Zimmertemperatur abkühlen. Anschließend wurde wieder Aluminiumschmelze in den zylindrischen Hohlkörper eingegossen.

Bei dieser Prüfung trat eine Leckage an geschmolzenem Metall bei dem Produkt des Vergleichsbeispiels 1 bereits ein, nachdem geschmolzenes Aluminium 1 bis 3mal eingegossen worden war, und zwar infolge breiter Risse, welche sich im wesentlichen an zwei Stellen bis an die Außenwand des Körpers erstreckten. Obwohl das Produkt des Vergleichsbeispiels 2 eine bessere Haltbarkeit aufwies als dasjenige des Vergleichsbeispiels 1, trat doch eine Leckage auf, nachdem man das Schmelzbad etwa 10- bis 30mal eingegossen hatte, und zwar wiederum infolge des Auftretens von breiten Rissen, die sich an zwei Stellen bis zur äußeren Wand des Formlings erstreckten.

Ganz im Gegensatz hierzu zeigten die Konstruktionsmaterialien der Beispiele 1 bis 4 nur eine Anzahl von feinen Rissen, die in dem Bereich mit niedriger Bruchzähigkeit auftraten, der sich in der Nähe des Aluminiumschmelzbades befand, und daher konnten die erfindungsgemäßen Konstruktionsmaterialien ein 50- bis 150mal wiederholtes Eingießen des geschmolzenen Aluminiums aushalten, bevor sich Risse bis zur äußeren Wandung des Formkörpers erstreckten und so eine Leckage verursachten.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionsmaterials für Vorrichtungen zum Gießen von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt auf der Basis eines mit Fasern verstärkten, ausgeformten Calciumsilikats mit einer Dichte im Bereich von 0,5 bis 1,0 g/cm³, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Aufschlämmung aus den folgenden Komponenten herstellt:

   • a) eine Mischung aus einem calciumoxidhaltigen und einem kieselsäurehaltigen Material entsprechend einem Molverhältnis CaO/SiO₂ im Bereich von 0,9 bis 1,3;
   • b) eine Aufschlämmung eines vorher durch hydrothermale Synthese hergestellten Xonotlits, welche 5 bis 170 Gewichtsteile Festkörper enthält;
   • c) faserförmiger Wollastonit in einer Menge von 10 bis 150 Gewichtsteilen;
   • d) Kohlenstoffasern als Verstärkungsfaser in einer Menge von 1 bis 13 Gewichtsteilen;
   • e) Wasser,
2. wobei sich die Mengenanteile an Xonotlit, Wollastonit und Kohlenstoffaser auf jeweils 100 Gewichtsteile der Komponente a) beziehen, daß man diese Aufschlämmung verformt, den so gebildeten Formling unter Druck mit Dampf härtet, so daß sich eine im wesentlichen aus Xonotlit bestehende Matrix bildet, in welcher der faserförmige Wollastonit gleichmäßig dispergiert vorliegt, den gehärteten Formling trocknet und entweder anschließend mindestens einen Teil der Kohlenstoffasern von derjenigen Oberfläche des Formlings aus ausbrennt, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt, oder während des ersten Gießvorganges durch die Berührung mit der flüssigen Metallschmelze das Ausbrennen vornimmt und dadurch einen Bereich niedriger Bruchzähigkeit ausbildet, der praktisch keine oder nur wenige Verstärkungsfasern enthält, während die angrenzenden Bereiche eine hohe Bruchzähigkeit aufweisen, und dadurch das Verhältnis der Indices der Bruchzähigkeiten T₀/T₁ auf einen Wert im Bereich von 0,1 bis 0,5 einstellt, wobei T₀ der Index im Bereich niedriger Bruchzähigkeit und T₁ der Index im Bereich hoher Bruchzähigkeit ist.