DE102004008143A1

DE102004008143A1 - Verfahren zur Verbesserung der Adhäsion von Metallpartikeln an Keramikmodellen

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Publication number: DE102004008143A1
Application number: DE200410008143
Authority: DE
Inventors: Allen Dennis Saline Roche; John Michael Wayne Nicholson; L. Richard Livonia Allor; David Warren Worthey
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: US6805949B1; DE102004008143B4; US20040191543A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Adhäsion von Spritzmetall an Keramikmodellen und weist das Vorlegen eines Keramikmodells mit einer Spritzoberfläche und Modifikation mindestens eines Teils der Spritzoberfläche des Keramikmoduls, um Adhäsion des Spritzmetalls an der Spritzoberfläche zu verbessern, auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Adhäsion von gespritztem Metall an Keramikmodellen sowie ein Spritzmetall Partikel aufnehmendes Keramikmodell. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Adhäsion von gespritztem Metall an Keramikmodell Spritzoberflächen unter Verwendung von Spritznebel bildenden Techniken.

Spritznebel bildende Techniken zur Herstellung von Stahlprototypwerkzeugen, wie Formen und Gravuren, werden allgemein in der Automobilindustrie wie auch in anderen Industrien eingesetzt. Eine typische Spritznebel bildende Technik umfasst die Schritte.

(1) Giessen eines Keramikmodells mit einer Spritzoberfläche um eine Form, um so ein Mastermuster des zu produzierenden Werkzeugs zu erhalten; (2) Spritzen von Metallpartikeln auf die Spritzoberfläche, so dass die Metallpartikel dort haften; (3) Abkühlen lassen der gespritzten Metallpartikel unter Ausbildung einer Metallabscheidung mit den allgemeinen Formcharakteristika des Mastermusters; und (4) Trennen der Metallabscheidung vom Keramikmodell.

Während des Spritzchrittes können die Metallpartikel nicht ausreichend am Keramikmodell Haften. In einigen Fällen kann sich während des Spritzens die Metallabscheidung von der Spritzoberfläche lösen, wodurch die Kanten der Metallabscheidung veranlasst werden sich nach oben zu rollen und/oder eine Bildung von Luftblasen zwischen Metallabscheidung und Spritzoberfläche veranlasst wird.

Demzufolge kann die metallische Abscheidung nicht den allgemeinem Formcharakteristika des Musters entsprechen. In einigen Extremfällen muss die Metallabscheidung aufgrund schwerwiegender Trennung zwischen der Metallabscheidung und dem Keramikmodell abgelöst werden.

Gefrierguss Keramiken wurden bereits als Keramik Modelle verwendet, teilweise aufgrund ihrer überragenden Adhäsioncharakteristika. Ein typisches Gefrierguss-Verfahren umfasst die Schritte:
(1) Giessen eine Aufschlemmung von Siliciumdioxidsol und Füllmaterial in die das Mastermuster enthaltende Form; (2) Absenken der Temperatur der Form unter Einfrieren der Aufschlemmung und Bildung einer Gefrierguss-Keramik mit Spritzoberfläche, (3) Herausnehmen der Gefrierguss-Keramik aus der Form und (4) Sintern der Gefrierguss-Keramik.

Die adhäsionvermittelnden Charakteristika, die typisch für Gefrierguss-Keramik sind, können auf eine Topologie zurückgeführt werden, die auf der Oberfläche des Substrats hergestellt wird, die Metallpartikel akzeptiert und eine starke Adhäsionsbindung ausbildet. Die Topologie, die allgemein auch als Morphologie bezeichnet wird, wird in Gegenwart von Siliciumdioxidsolflocken in der Keramik Aufschlemmung während des Gefrierguss-Verfahrens hergestellt. Abhängig von den Verfahrensbedingungen, nämlich dem thermischen Gradienten der Aufschlemmung, der Abkühlgeschwindigkeit, der Konzentrationen der Aufschlemmungskomponenten etc., können die Flocken verschiedene Formen annehmen, eingeschlossen Körner und Dendrite. Die durch das Sintern hergestellten Siliciumdioxidsolflockenmuster hinterlassen Risse in der Oberfläche der Keramikmodelle. 1 ist eine schematische Darstellung einer Schnitt-Seitenansicht der Oberflächenregion eines Keramikmodells mit Rissen. Die gespritzten Metallpartikel 12 bluten in die Risse 14 aus, wodurch eine starke Adhäsion der Metallabscheidung auf dem Keramikmodell bewirkt wird. Die adhäsionsfördernden Charakteristika von Gefrierguss-Keramiken sind für andere Keramikmodelle ausserordentlich erwünscht, nämlich Keramikmodelle, die keinen Gefrierschritt benötigen. Keramikmodelle die kein Gefrierschritt benötigen, sind allgemein einfacher herzustellen als Gefrierguss-Keramik. In dem die adhäsionfördernden Charakteristika auf Nicht-Gefrierguss-Keramikmodelle übertragen werden, könnte dies den Ersatz von Gefrierguss-Keramik durch Nicht-Gefrierguss-Keramikmodelle mit entsprechenden Arbeits- und Zeiteinsparungen ermöglichen, während die Qualität der Metallabscheidung erhalten bleibt. Es soll auch ein Verfahren zur weiteren Intensivierung der Adhäsionskraft unter Förderung der Charakteristika der Gefrierguss-Substrate geschaffen werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, die Herstellung von Metallspritzabscheidungen auf Keramik zu erleichtern.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Keramikmodell gemäss Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbessern der Adhäsion von Metallpartikeln an Keramikmodellen. Ein bevorzugtes Verfahren umfasst das Vorlegen eines Keramikmodells mit einer Spritzoberfläche und Modifizieren mindestens eines Teils der Spritzoberfläche des Keramikmodells, um die Adhäsion des gespritzten Materials an der Spritzoberfläche zu verbessern.

Der Schritt kann das Präparieren einer Keramikmischung, Giessen der Keramikmischung in eine Form und Erhitzen der Keramikmischung zum Erhalt des Keramikmodells umfassen. Die Keramikmischung kann Fasern aufweisen. Der Modifikationsschritt kann Entfernen der Fasern, die in mindestens einem Teil der Spritzoberfläche enthalten sind, durch Erhitzen aufweisen, um viele Risse zu schaffen. Das Fasermaterial kann Polymerfaser oder Metallfaser sein. Falls das Fasermaterial Metallfaser ist, kann der modifizierende Schritt das Trocknen der Keramikmischung umfassen, um viele Erhebungen auf der Spritzoberfläche zu schaffen. Diese Erhebungen verbessern die Adhäsion des gespritzten Materials an der Spritzoberfläche. Alternativ kann der Modifikationsschritt das Aufbringen eines Spritznebels flüssigen Stickstoffs auf mindestens einem Teil der Spritzoberfläche umfassen, um Eiskristalle zu bilden und die auf mindestens einen Teil der Spritzoberfläche enthaltenen Eiskristalle durch Sintern zu entfernen, um viele Risse zu schaffen. Diese Risse verbessern die Adhäsion des gespritzten Materials an der Spritzoberfläche.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform bezieht sich auf ein Keramikmodell, das Spritzmetallpartikal aufnimmt, wobei mindestens ein Teil der Spritzoberfläche des Keramikmodells so modifiziert ist, dass es die Adhäsion des Spritzmaterials an der Spritzoberfläche verstärkt. Die Spritzoberfläche kann dadurch modifiziert werden indem eine Säure auf die Spritzoberfläche aufgebracht wird, um die Spritzoberfläche anzurauhen und die Adhäsion des gespritzten Materials zu erhöhen.

Sobald die Keramikmodellspritzoberfläche mit verbesserten Adhäsioncharakteristik gebildet ist, können auf die Spritzoberfläche Metallpartikel aufgespritzt werden, indem Spritznebel bildende Techniken eingesetzt werden. Beispiel geeigneter Spritznebel bildender Techniken umfassen, sind aber nicht begrenzt auf: Kaltspritzen, Pulverspritzen, Flammdrahtspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, Hochenergieplasmaspritzen, Vakuumplasmaspritzen, Detonationsverfahren und Hochgeschwindigkeits Sauerstoff/Brenngasspritzen.

Diese und weitere Aspekte, Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich dem Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie der Ansprüche, unter Bezugnahme die begleitende Zeichnung.

Die Erfindung sowohl ich hinsichtlich ihrer Durchführungs- als auch ihrer Betriebsweise wird mit weiteren Zielen und Vorteilen derselben leichter anhand der nachfolgenden Beschreibung verständlich, die im Zusammenhang mit der Zeichnung zu lesen ist. Darin zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer seitlichen Explosionsdarstellung der Oberflächenregion eines Keramikmodells mit Rissen; und

2 das Verhältnis zwischen Adhäsion (A) und Verwerfung (W) in Abhängigkeit von der Stromversorgung der Spritzeinrichtung und der Vorheiztemperatur für eine Oberfläche mit verbesserten Adhäsioncharakteristika.

Nachfolgend werden detailliert Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Selbstverständlich sind die beschriebenen Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die Erfindung und können in den verschiedensten alternativen Formen ausgeführt werden. Demzufolge sollen spezifische funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als limitierend betrachtet werden, sondern lediglich als repräsentative Basis der Ansprüche oder der Lehre für den Fachmann, um die Erfindung in verschiedener Weise anzuwenden.

Ein Aspekt der Erfindung schafft ein Verfahren zum Verbessern der Adhäsion von gespritztem Metall. Das Verfahren umfasst generell das Vorlegen eines Keramikmodells mit einer Spritzoberfläche und Modifikation mindestens eines Teils der Spritzoberfläche des Keramikmodells, um die Adhäsion des gespritzten Materials an der Spritzoberfläche zu verstärken.

Beispiele geeigneter Keramiken zum Einsatz als Keramikmodell umfassen, sind aber nicht begrenzt auf technische Keramiken (die auch als fortschrittliche, High-Tech, Hochleistungs-, technische oder Feinkeramik bezeichnet werden) und gussfähige Keramiken.

Technische Keramiken haben üblicherweise eine glasartige Komponente und eine hoch bearbeitete Mikrostruktur. Beispiele für die erfindungsgemässe Verwendung geeigneter technischer Keramik umfassen, sind aber nicht begrenzt auf piezoelektrische Keramiken, Gebrauchskeramik, magnetische Keramiken und optische Keramiken.

Gusskeramiken werden allgemein mit natürlichen Rohmaterialien, wie Ton, Siliciumdioxid und Feldspat hergestellt. Beispiele zum Einsatz gemäss der Erfindung geeigneter gussfähiger Keramiken umfassen Porzellan, Refraktere und Gefrierguss-Keramiken. Porzellane umfassen üblicherweise ein glasartige Komponente und werden allgemein dazu verwendet, Gegenstände wie Toiletten, Dentalimplantate und die Isolatoren von Zündkerzen herzustellen. Refraktere haben üblicherweise einen hohen Schmelzpunkt und behalten ihre strukturelle Integrität bei hohen Temperaturen. Refraktere werden üblicherweise als Ofen und Brennofen Futter verwendet. Gefrierguss-Keramiken werden üblicherweise bei der Herstellung von komplexer Formen als auch als Substrate in Spritzformverfahren eingesetzt. Porzellan und Refraktere können durch ein Schlickerguss-Verfahren hergestellt werden. Ein typisches Schlickerguss-Verfahren umfasst: (1) Mischen von Tonpulver, Dispersionsmittel und Wasser zu einem Schlicker, (2) Giessen des Schlickers in eine Füllform (3) Trocknen des Schlickers durch ein Ablaufventil in der Füllform, um einen Guss um die innere Oberfläche der Füllform zu bilden (4) Trocknen des Gusses (5) Herausnehmen und Trennen des Gusses, um Teil zu bilden, und (6) Trocknen des Teils unter Ausbildung des Keramikmodells. Andere für die Herstellung von Porzellan und Refrakteren geeignete Verfahren umfassen, sind aber nicht begrenzt auf Pressen und Extrusion.

Ein Beispiel giessfähiger Keramik, die erfindungsgemäss eingesetzt werden kann, ist Gefrierguss Keramik, die durch die Gefriergussverfahren hergestellt werden kann. Ein typischer Gefriergussverfahren umfasst die Schritte: (1) Giessen einer Aufschlemmung in eine ein Mastermuster enthaltende Form, (2) Erniedrigen der Temperatur der Aufschlemmung, um die Aufschlemmung einzufrieren und die Gefriergusskeramik auszuformen (3) Herausnehmen der Gefriergusskeramik aus der Form (4) Auftauen der Gefriergusskeramik und (5) Trocknen der Gefriergusskeramik während des Brennzyklus.

Das Keramikmodell enthält eine Spritzoberfläche zur Aufnahme von gespritzten Metallpartikeln. Allgemein sind technische Keramik, Porzellan und Refraktere ungeeignet, aufgespritzte Metallpartikel aufzunehmen. Das gespritzte Metall haftet normalerweise nicht an der Oberfläche dieser Keramikmaterialien, verursacht Verwerfungen, Schrumpfen und Verzug.

Gemäss einem bevorzugten Verfahren der Erfindung können technische Keramik, Porzellan und Refraktere sowie Keramiken, die allgemein ungeeignet zur Aufnahme von gespritzten Metallen sind, so modifiziert werden, dass die Adhäsion von gespritztem Metall an den Spritzoberflächen verstärkt werden kann. Ferner kann das bevorzugte Verfahren auch dazu verwendet werden, die Adhäsioncharakteristika von Gefriergusskeramik zu verbessern.

Die Adhäsion kann verstärkt werden, so dass unter anderen günstigen Vorteilen, das Keramikmodell unter Verwendung von Spritzformtechniken zur Herstellung von Stahlprototype-Werkzeugen eingesetzt werden kann. Ferner kann die Kombination von Spritzmetall und Keramik als Metallkeramikkomposit eingesetzt werden. Metallkeramikkomposite können als Sandkern Werkzeuge, Spritzgusswerkzeuge, keramische Kacheln und Gusswerkzeuge eingesetzt werden. Ferner können Metallkeramikkomposite als thermisch stabile Träger für elektrische Energiewandler und andere Verwendungen eingesetzt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform können Fasern als Oberflächenform Modifizikatoren eingesetzt werden. Bspw. können – obwohl dieses Beispiel nicht limitierend ist, Polymerfasern als Fasern eingesetzt werden. Beispiele für Polymerfasern, die erfindungsgemäss eingesetzt werden können, umfassen Polypropylen, Polyethylen, Nylon ®, Polyester, Polyurethan, Zellulose, Polyacrylnitril, Keflar ®, Norex usw. Bevorzugt werden Polypropylen und Polyethylen verwendet aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit und relativ niedrigen Kosten.

Die Polymerfaser kann der Keramikmischung (der Aufschlemmung oder Giessmasse) zugefügt werden. Die Konzentration der zugefügten Polymerfasern kann entsprechend der Anwendung variieren und sich im Bereich von zwischen etwa 1–10 Gew.% , bevorzugt von etwa 3 bis etwa 7 Gew.% und ganz besonders bevorzugt bei 5 Gew.% liegen. Während der nachfolgenden Schritte im Keramikformverfahren werden die Polymerfasern in das Keramikmodell eingegossen, das die Spritzoberfläche aufweist. Die Polymerfasern um die Spritzoberfläche werden während des Erhitzens der Keramik verbrannt, und hinterlassen viele Risse in der Spritzoberfläche. Die vielen Risse steigern die Adhäsion zwischen Spritzmetall und Spritzformoberfläche, indem es dem Spritzmetall ermöglicht wird, in die Risse einzudringen.

Als weiteres nicht einschränkendes Beispiel können erfindungsgemäss Metall- und Kohlefasern eingesetzt werden. Beispiele für Metallfasern geeigneten Metalls umfassen, sind aber nicht begrenzt auf Eisen, rostfreier Stahl, Nickel und Legierungen derselben. Kohlenstofffasern beziehen sich auf eine Gruppe von faserigen Materialien, die im wesentlichen elementaren Kohlenstoff, eingeschlossen Grafit aufweisen. Kohlenstofffasern können durch Pyrolyse von organischen Fasern präpariert werden.

Die Metall oder Kohlenstofffaser kann zu der keramischen Mischung (dem Gussmaterial oder Aufschlemmung) zugefügt werden. Die Konzentration der Metall oder Kohlenstofffaser, die zugefügt werden kann, variiert auf Basis der Anwendung und kann im Bereich von etwa 1–10 Gew.% bevorzugt 3–7 Gew.% und ganz besonders bevorzugt bei etwa 5 Gew.% liegen. Während der nachfolgenden Schritte in dem Keramikformverfahren werden die Metall- oder Kohlenstofffasern in das Keramikmodell gegossen, welches die Spritzoberfläche umfasst. Viele Metall- oder Ke ramikfasern erstrecken sich über die Spritzoberfläche hinaus und bilden ein Netz von Erhebungen auf der Spritzoberfläche. Die Erhebungen verstärken die Adhäsion von Spritzmetallen an der Spritzoberfläche.

Das Aspektverhältnis der Fasermaterialien kann sich im Bereich von etwa 30:1 bis etwa 60:1, bevorzugt etwa 40:1 bis etwa 55:1 ganz besonders bevorzugt bei 50:1 liegen. Selbstverständlich kann das Aspektverhältnis anhängig von vielen Faktoren modifiziert werden, eingeschlossen Zusammensetzung des Fasermaterials und der Keramik. Eine Erweiterung bevorzugter Oberflächen Modifikatoren ist eine Säure, die auf die Spritzoberfläche aufgebracht wird. Es ist gefunden worden, dass die Spritzmetalladhäsion gefördert wird, falls die Säurewäsche die Korngrenzen der Spritzoberfläche angreift.

Beispiele der für Säurewäsche geeigneten Säuren umfassen Phosphorsäure, Essigsäure und muriatische Säure in flüssigem oder Gel-Zustand. Der Gewichtsprozentsatz Säure im Wasser kann im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 20% bevorzugt etwa 10 bis etwa 18% und besonders bevorzugt bei etwa 15% liegen. Die Säure kann auf die Spritzoberfläche durch verschiedene Verfahren aufgebracht werden, wie Wischen, Tauchen und Dampf-Abscheiden.

Ein weiterer bevorzugter Oberflächen Modifikator, der auf Keramik anwendbar ist, insbesondere Gefriergusskeramik, ist die Eiskristallbildung auf der Spritzoberfläche. Nach Entfernen des gefriergegossenen Substrats aus der Form und vor dem Sintern kann die Spritzoberfläche einem flüssigen N2-Sprühnebel oder einer Beschichtung mit zerkleinertem Trockeneis ausgesetzt werden, um Eiskristalle auf der Spritzoberfläche auszubilden. Die Gefriergusskeramik kann sodann gesintert werden, um die Eiskristalle zu verflüchtigen, die ein Netzwerk von Rissen hinterlassen.

Nach Vorlegen einer Spritzoberfläche mit geeigneten Adhäsions-Charakteristika kann Spritzmetall auf der Spritzmusteroberfläche durch Sprühkompaktieren abgeschieden werden. Selbstverständlich kann sich Sprühkompaktieren auf jede Technik beziehen, die dazu verwendet wird, Metallpartikel auf der Spritzmusteroberfläche abzuscheiden. Spritzformtechniken, die erfindungsgemäss eingesetzt werden können, umfassen, sind aber nicht begrenzt auf Spritzrollen, Spritzschmieden, Zen trifugalspritzguss, Spritzguss, spritzkleben (Spritzpining), Splatcoating (Spritzüberzugsbildung), Partikelkompositabscheiden, Roll-Spritzen (roller atomizing), modifiziertes Lichtbogenspritzen und modifiziertes Plasmaspritzen.

Thermische Spritzpistolen werden üblicherweise dazu verwendet, das Spritzmetall auf dem Keramikmodell unter Einsatz thermischet Spritztechniken abzuscheiden. Die thermische Spritzpistole kann vom Sauerstoff-Acetylen-Flammtyp sein, in die Draht oder Metallpulver eingeführt wird, ein Plasma, in das Metallpulver eingeführt wird, oder bevorzugt ein 1 oder 2 Draht Lichtbogentyp, wobei die Spitze der Drähte in den Bogen eingeführt wird. Kaltspritzpistolen, die Stossschmelzen bewirken können, können anstelle der thermischen Spritzpistolen verwendet werden, um Metallpartikel auf die Gefriergusssubstrate aufzuspritzen.

Bei einer 2-Draht-Lichtbogenspritzpistole wird ein elektrischer Lichtbogen in einer Zone zwischen 2 verzehrbaren Drahtelektroden generiert. Beim Schmelzen der Elektroden wird der Lichtbogen durch kontinuierliches Vorschieben von Elektroden in die Bogenzone aufrechterhalten. Das Metall an den Elektrodenspitzen wird durch einen Strom allgemein kalten komprimierten Gases verspritzt. Das vernebelte Metall wird dann durch den Gasstrom zum Substrat unter Ausbildung einer Abscheidung auf demselben mitgerissen.

Bei einer Lichtbogenspritzvorrichtung mit Einzeldraht wird der einzelne Draht entweder durch die Zentralachse der Flamme oder in einem spitzen Winkel in den Plasmastrom eingeführt, der in der Flamme generiert wird. Der Einzeldraht wirkt als verzehrbare Elektrode, die in die Bogenkammer eingeführt wird. Der Lichtbogen wird zwischen Kathode und Plasmaflamme und dem Einzeldraht als Anode ausgebildet, wodurch die Spitze des Drahtes schmilzt. Gas wird in die Bogenkammer, koaxial zu Kathode eingeführt, wo es durch den elektrischen Lichtbogen expandiert wird und einen hocherhitzen Gasstrom dazu veranlasst, durch die Düse zu fliessen (der Metalltröpfchen von der Elektrodenspritze fördert). Ein weiterer Hochtemperatur Gasfluss kann dazu verwendet werden, den Spritznebel geschmolzenen Metalls abzuschirmen oder zu umgeben, sodass die Tröpfchen weiterer Zerstäubung Beschleunigung unterworfen werden.

Es können aber auch andere Draht Lichtbogenflammspritzpistolen verwendet werden, die von einem Lichtbogen übertragenes Plasma verwenden, wobei ein erster Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer Düse, die die Kathode umgibt, geschlagen wird. Das von einem derartigen Lichtbogen kreierte Plasma wird auf eine Sekundäranode übertragen (ausserhalb der Pistolendüse) in Form von Einzel- oder Doppeldrahtzuführung, welche das Schmelzen der Spitze eines derartigen Drahtvorrats bewirkt.

Nach Vervollständigung des Spritzschrittes kann das Keramikmodell von der Metallabscheidung getrennt werden, falls bspw. die Metallabscheidung als Metallprototypwerkzeug verwendet werden. Bevorzugt wird pneumatisches Meisseln eingesetzt, grosse Teile des Keramikmodells zu entfernen. Kleinere Teile, die an der Oberfläche der Metallabscheidung kleben, werden bevorzugt durch Kugelstrahlen entfernt. Beispiele von Kugelstrahlverfahren umfassen Sandstrahlen, rotierende Wasserstrahlen und Metallschrot.

Nach der allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird diese nun anhand von Beispielen erläutert, die nachfolgend lediglich zu Illustrationszwecken gegeben werden und keinesfalls einschränkend wirken sollen.
Beispiel 1
Beispiel 1 umfasst ein Verfahren zur Ausbildung von Eiskristallen auf der Spritzoberfläche einer Gusskeramik, um die Oberflächenadhäsion zu verbessern. Selbstverständlich können auch andere Keramikmaterialien, nämlich technische Keramikmaterialien und andere Gussfähige Materialien beim Verfahren zur Herstellung von Eiskristallen eingesetzt werden, um die Oberflächenadhäsion gemäss Beispiel 1 zu verbessern. Die zur Herstellung der Gusskeramik eingesetzte Aufschlemmung weist auf:
Tabelle 1
Eine bevorzugte Keramik ist TG Fine, erhältlich von Ceradyne Thermo Materials of Scottsdale, Georgia, USA. Das bevorzugte Befeuchtungsmittel ist Cascade Rinse Aid, erhältlich von Procter and Gamble, Cincinnati, Ohio, USA. Die Aufschlemmung wird so dann in eine aus Renboard 476 konstruierte 12 x 12 x 2 Inches grosse Form eingegossen und absitzen gelassen. Nach etwa 19 h ist die Aufschlemmung ausreichend gesetzt, um aus der Form entfernt zu werden. Ein Trennmittel bevorzugt Replicast spray release, erhältlich von Cetronics Corp, Brooklyn, New York, USA, kann eingesetzt werden, um die Entfernung der Gusskeramik zu erleichtern. Die Spritzoberfläche der Gusskeramik wird sodann etwa 45 min mit zerkleinertem Trockeneis bedeckt. Danach wird die Spritzoberfläche freigelegt und darf an der Luft trocknen.
Beispiel 2
Beispiel 2 umfasst ein Verfahren zur Ausbildung von Eiskristallen auf der Spritzoberfläche einer Gusskeramik, um die Oberflächenadhäsion zu verstärken. Selbstverständlich können auch andere Keramiken, technische Keramiken oder andere Gussmaterialien mit dem Verfahren der Ausbildung von Eiskristallen zur Verbesserung der Oberflächenadhäsion gemäss Beispiel 2 eingesetzt werden. Die Aufschlemmung, die zur Herstellung der Gusskeramik verwendet wird, weist auf:
Tabelle 2
Bevorzugte Keramik ist TG Fine und das bevorzugte Netzmittel ist Cascade Rinse Aid.
Die Aufschlemmung wird in eine Form eines unteren 5,4 l Kurbelwellengehäuses gegossen. Nach etwa 18 h ist die Aufschlemmung ausreichend abgesetzt, um aus der Form entnommen zu werden. Bevorzugt kann das Replicast spray Trennmittel verwendet werden, um das herausnehmen der Gusskeramik aus der Form zu erleichtern. Die Spritzoberfläche der Gusskeramik in der nassen Form wird so dann mit zerkleinertem Trockeneis 1 Stunde bedeckt. Danach wird die Spritzoberfläche freigelegt und darf an der Luft trocknen. Die Adhäsionscharakteristika der Spritzoberfläche des Beispiels 2 verglichen mit einer unbehandelten Spritzoberfläche sind als Resultat der Behandlung mit zerkleinertem Trockeneis verbessert.
Beispiel 3
Beispiel 3 umfasst ein Verfahren zur Anwendung von Säure auf die Spritzoberfläche einer Gusskeramik um die Oberflächenadhäsion zu verbessern. Selbstverständlich können auch andere Keramiken, nämlich technische Keramik oder andere Gusskeramik mit dem Verfahren der Anwendung einer Säure verwendet werden, um die Oberflächenadhäsion gemäss Beispiel 3 zu verbessern. Die zur Herstellung der Gusskeramik verwendete Aufschlemmung weist auf: Keramikmaterial (bevorzugt TG Fine), Wasser und Netzmittel (bevorzugt Cascade Rinse Aid).
Die Aufschlemmung wird sodann in eine 5,4 l Form eines unteren Kurbelwellengehäuses eingegossen und absitzen gelassen. Nach etwa 18 h ist die Aufschlemmung ausreichend abgesetzt, um aus der Form entnommen zu werden. Bevorzugt kann ein Replicast Spritztrennmittel verwendet werden, um die Entfernung der Gusskeramik aus der Form zu erleichtern. Die Spritzoberfläche wird sodann vor dem Brennschritt mit Essigsäure behandelt.
Die Adhäsionscharakteristika der Spritzoberfläche des Beispiels 3 gegenüber einer unbehandelten Spritzoberfläche sind als Resultat der Essigsäurebehandlung verbessert.
Beispiel 4
Beispiel 4 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von Eiskristallen auf der Spritzoberfläche einer Gefriergusskeramik, um die Oberflächenadhäsion zu verbessern. Selbstverständlich können auch andere Keramiken, technische Keramiken und andere Gusskeramiken dem Verfahren der Ausbildung von Eiskristallen unterworfen werden, um die Oberflächenadhäsion entsprechend Beispiel 4 zu verbessern.
Die zur Herstellung der Gusskeramik verwendete Aufschlemmung weist auf: Keramikpulver (bevorzugt 100 mesh Al₂O₃), kolloidales Siliciumdioxid (bevorzugt LUDOX HS-40, erhältlich von DuPont Canada Inc., Mississauga, Ontario, Kanada) und Netzmittel (bevorzugt Cascade Rinse Aid). Die Aufschlemmung wird in eine Form eines unteren 5,4 l Kurbelwellengehäuses gegossen und absitzen gelassen. Nach etwa 18 h Abkühlung der Aufschlemmung hat sich die Aufschlemmung ausreichend gesetzt und kann aus der Form entfernt werden. Bevorzugt kann Replicast Spritzformtrennmittel verwendet werden, um das Herausnehmen der Gefriergusskeramik aus der Form zu erleichtern. Die Spritzoberfläche der Gefriergusskeramik wird sodann etwa 10 min mit flüssigem Stickstoff Spritznebel geflutet. Nach Behandlung mit dem Flüssigstickstoff Spritznebel wird die Keramik wieder in die Gefriereinrichtung für weitere 24 h rückgeführt. Auf der Gefriergusskeramik wurde ein Spritz Adhäsionstest durchgeführt und die Spritzoberfläche wies viele Dendriten auf.
Beispiel 5
Zu einer für die Herstellung einer Gusskeramik verwendeten Aufschlemmung wird ein Fasermaterial gegeben, um die Oberflächenadhäsion zu verbessern. Die Aufschlemmung umfasst bevorzugt ein gussfähiges TGIF Keramikmaterial, das von Ceradyne erhältlich ist. Das Fasermaterial ist bevorzugt Polypropylenfasern. Die mit faserverstärkte Keramik wurde auf Adhäsion und Verwerfung unter verschiedenen Vorheiz- und Spritzpistolenstromversorgungsbedingungen getestet. Der Bereich möglicher Adhäsionswerte beträgt etwa 1 bis etwa 5 (wobei 5 maximaler Adhäsion entspricht) und der Bereich möglicher Vewerfungswerte liegt zwischen etwa –0,5 Inches bis 0,5 Inches. Die Resultate der Tests sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3
Sowohl die Spritzpistolen-Stromversorgung als auch das Vorheizen haben Auswirkungen auf Verwerfung und Adhäsion. Bei minimalen Verwerfungsbedingungen Pistolenstromversorung etwa 204 A) kann die höchste Adhäsion ohne Vorheizen erzielt werden. Die unter diesen Bedingungen erzielte Adhäsion ist aber nur etwa 2. Höhere Adhäsionswerte sind mit anderen Spritzpistolenstrom und Vorheiztemperatur kombinationen möglich, wobei aber die Verwerfungen steigen. 2 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen der Adhäsion (A) und der Verwerfung (W) auf Basis der Spritzpistolen-Stromversorgung und Vorheiztemperatur für die gemäss Beispiel 5 faserverstärkte Keramik zeigt. Während bevorzugte Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung detailliert beschrieben wurden, ist dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedenste alternative Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung möglich sind und deren Schutzumfang lediglich durch die Ansprüche bestimmt ist.

12: Metallpartikel
14: Risse
(A): Adhäsion
(W): Verwerfung

Claims

Verfahren zum Verbessern der Adhäsion von Spritzmetall, mit den Schritten – Vorlegen eines Keramikmodells mit einer Spritzoberfläche, und – Modifikation mindestens eines Teils der Spritzoberfläche des Keramikmodells, um Adhäsion des Spritzmetalls an der Spritzoberfläche zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorlegeschritt aufweist: – Herstellen einer Keramikmischung, – Guss der Keramikmischung in eine Form und – Heizen der Keramikmischung um das Keramikmodell zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Keramikmischung ein Fasermaterial umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Fasermaterial Polymerfaser ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Modifikationsschritt das Entfernen der Polymerfasern durch Erhitzen, die auf mindestens einem Abschnitt der Spritzoberfläche enthalten ist, um viele Risse zu schaffen, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Faser Material Metallfasern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Modifikationsschritt Trocknen der Keramikmischung unter Ausbildung von mehreren Erhebungen auf der Spritzoberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Fasermaterial Kohlenstofffasern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modifikationsschritt die Anwendung einer Säure auf die Spritzoberfläche zur Aufrauhung der Spritzoberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, Essigsäure und Muriatischer Säure.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmodell ein Gefriergußsubstrat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Modifikationsschritt aufweist: Aufbringen eines flüssigen Stickstoffssprays auf mindestens einen Abschnitt der Spritzoberfläche zur Eiskristallbildung und Entfernen der Eiskristalle, die auf mindestens einem Abschnitt der Spritzoberfläche vorliegen, durch Sintern, um viele Risse zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Modifikationsschritt aufweist: – Aufbringen einer Beschichtung von Trockeneis auf mindestens einen Teil der Spritzoberfläche um Eiskristalle zu bilden und – Entfernen der auf mindestens einem Abschnitt der Spritzoberfläche vorhandenen Eiskristalle durch Sintern, um viele Risse zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch Aufspritzen von Metallpartikeln auf die Spritzoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel durch eine sprühnebelbildende Technik auf die Spritzoberfläche aufgespritzt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die sprühnebelbildende Technik ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus: Kaltspritzen, Flammpulverspritzen, Falmmdrahtspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, Hochenergieplasmaspritzen, Vakuumplasmaspritzen, Detonationsverfahren und Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brenngas-Spritzen.
Keramikmodell zur Aufnahme von gespritzten Metallpartikeln, mit: – einer Spritzoberfläche, wobei mindestens ein Teil der Spritzoberfläche des Keramik Modells modifiziert ist, um die Adhäsion gespritzten Metalls an der Spritzoberfläche zu verbessern.
Keramikmodell nach Anspruch 17, herstellbar durch – Herstellen einer Keramikmischung, – Gießen der Keramikmischung in eine Form und – Erhitzen der Keramikmischung.
Keramikmodell nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmischung ein Fasermaterial aufweist und die Spritzoberfläche durch Entfernen des Fasermaterials durch Erhitzen, das auf mindestens einem Teil der Spritzoberfläche enthalten ist, um viele Risse zu erzeugen, modifiziert ist.
Keramikmodell nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzoberfläche durch Aufbringen einer Säure auf die Spritzoberfläche zur Aufrauhung der Spritzoberfläche modifiziert ist.