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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Adhäsion von
gespritztem Metall an Keramik-Modellen sowie ein Spritzmetallpartikel
aufnehmendes Keramik-Modell.
Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Verbesserung
der Adhäsion
von gespritztem Metall an Keramik-Modell-Spritzoberflächen unter
Verwendung von Sprühnebel
bildenden Techniken.
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Sprühnebel bildende
Techniken zur Herstellung von Stahlprototypwerkzeugen, wie Formen
und Gravuren, werden allgemein in der Automobilindustrie wie auch
in anderen Industrien eingesetzt. Eine typische Sprühnebel bildende
Technik umfasst die Schrittes:
- (1) Giessen
eines Keramik-Modells 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 Keramik-Modell.
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Während des
Spritzschrittes können
die Metallpartikel nicht ausreichend am Keramik-Modell 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.
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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 Keramik-Modell abgelöst
werden.
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Gefrierguss-Keramiken
wurden bereits als Keramik-Modelle verwendet, teilweise aufgrund
ihrer überragenden
Adhäsioncharakteristika.
Ein typisches Gefrierguss-Verfahren
umfasst die Schritte:
- (1) Giessen einer Aufschlämmung von
Siliciumdioxidsol und Füllmaterial
in die das Mastermuster enthaltende Form; (2) Absenken der Temperatur
der Form unter Einfrieren der Aufschlämmung und Bildung einer Gefrierguss-Keramik
mit Spritzoberfläche,
(3) Herausnehmen der Gefrierguss-Keramik aus der Form und (4) Sintern
der Gefrierguss-Keramik.
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Die
für Gefrierguss-Keramik
typischen adhäsionvermittelnden
Charakteristika 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-Aufschlämmung während des
Gefrierguss-Verfahrens hergestellt. Abhängig von den Verfahrensbedingungen,
nämlich
dem thermischen Gradienten der Aufschlämmung, der Abkühlgeschwindigkeit,
der Konzentrationen der Aufschlämmungskomponenten etc.,
können
die Flocken verschiedene Formen annehmen, eingeschlossen Körner und
Dendrite. Die durch das Sintern hergestellten Siliciumdioxidsolflockenmuster
hinterlassen Risse in der Oberfläche
der Keramik Modelle. 1 ist eine schematische Darstellung
einer Schnitt-Seitenansicht der Oberflächenregion eines Keramik-Modells
mit Rissen. Die gespritzten Metallpartikel 12 bluten in
die Risse 14 aus, wodurch starke Adhäsion der Metallabscheidung
auf dem Keramik-Modell bewirkt wird. Die adhäsionsfördernden Charakteristika von Gefrierguss-Keramiken
sind für
andere Keramik-Modelle ausserordentlich erwünscht, nämlich Keramik-Modelle, die
keinen Gefrierschritt benötigen.
Keramik-Modelle, die keinen Gefrierschritt benötigen, sind allgemein einfacher
herzustellen als Gefrierguss-Keramik. Indem die adhäsionfördernden
Charakteristika auf Nicht-Gefrierguss-Keramik Modelle übertragen
werden, könnte
dies den Ersatz von Gefrierguss-Keramik durch Nicht-Gefrierguss-Keramik
Modelle 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 ge schaffen werden.
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Gattungsgemäße Verfahren
zur Oberflächenmodifikation
für thermische
Spritzverfahren sind aus
DE 102
22 301 A1 bekannt. Dabei wird eine Guss- oder Spritzform
durch Auftragung einer Haftvermittlerschicht modifiziert, um die
nachfolgende Metallspritzschicht besser anhaften zu lassen. Dieses
Verfahren ist insofern aufwendig und verbesserungsfähig, als
Haftvermittlermaterial eingesetzt werden muss, das eine getrennte Handhabung,
Lagerhaltung etc. erfordert und zusätzlich Beschichtungsmassnahmen.
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Die
DE 10052405 A1 beschreibt
das Metallspritzen von Metallschäumen
zur Erzielung einer ebenen Oberfläche – dabei wird die unebene Oberfläche durch
eine Verfüllung
mit einer Füllmasse
behandelt – dies ist – ähnlich wie
das Auftragen eines Haftvermittlers ein aufwendiger Schritt, der
die Bevorratung und Handhabung eines separaten Materials und zusätzliche
Beschichtungsmassnahmen, damit verbundene Vorrichtungen etc. erfordert.
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Es
ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, die Herstellung von Metallspritzabscheidungen
auf Keramik zu erleichtern.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 sowie ein Keramik-Modell gemäss
Patentanspruch 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbessern
der Adhäsion
von Metallpartikeln an Keramik-Modellen. Ein bevorzugtes Verfahren
umfasst das Vorlegen eines faserhaltigen Keramik-Modells mit einer
Spritzoberfläche
und Modifizieren mindestens eines Teils der Spritzoberfläche des
Keramik-Modells durch Erhitzen zur Rißbildung, um die Adhäsion des
gespritzten Materials an der Spritzoberfläche zu verbessern.
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Der
Schritt umfaßt
das Präparieren
einer faserhaltigen Keramikmischung, Giessen der Keramikmischung
in eine Form und Erhitzen der Keramikmischung zum Erhalt des Keramik-Modells.
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
Trocknen der Keramikmischung umfassen, um viele Erhebungen auf der
Spritzoberfläche
zu schaffen. Diese Erhebungen verbessern die Adhäsion des gespritzten Materials
an der Spritzoberfläche.
Der Modifikationsschritt kann auch das Aufbringen eines Sprühnebels
flüssigen
Stickstoffs auf mindestens einem Teil der Spritzoberfläche umfassen,
um Eiskristalle zu bilden und das Entfernen der auf mindestens einen
Teil der Spritzoberfläche
enthaltenen Eiskristalle durch Sintern, um viele Risse zu schaffen.
Diese Risse verbessern die Adhäsion
des gespritzten Materials an der Spritzoberfläche.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform
bezieht sich auf ein Keramik-Modell mit Fasern, das Spritzmetallpartikal
aufnimmt, wobei mindestens ein Teil der Spritzoberfläche des
Keramik-Modells durch Erhitzen so modifiziert ist, dass es die Adhäsion des
Spritzmaterials an der Spritzoberfläche verstärkt. Die Spritzoberfläche kann
modifiziert werden indem Säure
auf die Spritzoberfläche
aufgebracht wird, um die Spritzoberfläche anzurauhen und die Adhäsion des
gespritzten Materials zu verbessern.
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Sobald
die Keramik-Modellspritzoberfläche
mit verbesserten Adhäsioncharakteristik
gebildet ist, können
auf die Spritzoberfläche
Metallpartikel aufgespritzt werden, indem Sprühnebel bildende Techniken eingesetzt
werden. Beispiel geeigneter Sprühnebel
bildender Techniken umfassen, sind aber nicht begrenzt auf: Kaltspritzen,
Pulverspritzen, Flammdrahtspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen,
Hochenergieplasmaspritzen, Vakuumplasmaspritzen, Detonationsverfahren
und Hochgeschwindigkeits Sauerstoff/Brenngasspritzen.
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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 der begleitenden Zeichnung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der nachfolgenden Beschreibung
genauer erläutert,
die in Zusammenschau mit der Zeichnung zu lesen ist. Darin zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Schnitt-Seitenansicht der Oberflächenregion
eines Keramik-Modells mit Rissen; und
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2 das
Verhältnis
zwischen Adhäsion
(A) und Verzug (W) in Abhängigkeit
von der Stromversorgung der Spritzeinrichtung und der Vorheiztemperatur
für eine
Oberfläche
mit verbesserten Adhäsioncharakteristika.
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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.
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Ein
Aspekt der Erfindung schafft ein Verfahren zum Verbessern der Adhäsion von
gespritztem Metall. Das Verfahren umfasst generell das Vorlegen
eines faserhaltigen Keramik-Modells mit einer Spritzoberfläche und
Modifikation mindestens eines Teils der Spritzoberfläche des
Keramik-Modells, um die Adhäsion
des gespritzten Materials an der Spritzoberfläche zu verstärken.
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Beispiele
für geeignete
Keramik für
das Keramik-Modell umfassen, sind aber nicht begrenzt auf technische
Keramiken (die auch als fortschrittliche, High-rech, Hochleistungs-,
technische oder Feinkeramik bezeichnet werden) und gussfähige Keramiken.
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Technische
Keramiken haben üblicherweise
eine glasartige Komponente und eine hoch bearbeitete Mikrostruktur.
Beispiele für
erfindungsgemäss
einsetzbare technische Keramik umfassen, sind aber nicht begrenzt
auf piezoelektrische Keramiken, Gebrauchskeramik, magnetische Keramiken
und optische Keramiken.
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Gusskeramiken
werden allgemein mit natürlichen
Rohmaterialien, wie Ton, Siliciumdioxid und Feldspat hergestellt.
Beispiele von erfindungsgemäß geeigneter
gussfähiger
Keramiken umfassen Porzellan, Refraktere und Gefrierguss-Keramiken.
Porzellane umfassen üblicherweise
ein glasartige Komponente und werden allgemein eingesetzt, Gegenstände wie
Toiletten, Dentalimplantate und 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 das Teil zu bilden,
und (6) Trocknen des Teils zum Keramik-Modell. Andere für die Herstellung
von Porzellan und Refrakteren geeignete Verfahren umfassen, sind
aber nicht begrenzt auf Pressen und Extrusion.
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Ein
Beispiel giessfähiger
Keramik, die erfindungsgemäss
eingesetzt werden kann, ist Gefrierguss-Keramik, die durch die Gefriergussverfahren
herstellbar ist. Ein typisches Gefriergussverfahren umfasst die Schritte:
(1) Giessen einer Aufschlämmung
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.
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Das
Keramik-Modell 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.
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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.
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Die
Adhäsion
kann verstärkt
werden, so dass unter anderem günstig
ist, das Keramik-Modell bei Spritzformtechniken zur Herstellung
von Stahlprototype-Werkzeugen einzusetzen. 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.
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Dabei
werden Fasern als Oberflächenform-Modifikatoren
eingesetzt. Bspw. können – obwohl
dieses Beispiel nicht limitierend ist, Polymerfasern als Fasern
eingesetzt werden. Beispiele für
erfindungsgemäß einsetzbare
Polymerfasern umfassen Polypropylen, Polyethylen, Nylon®, Polyester,
Polyurethan, Zellulose, Polyacrylnitril, Kevlar®, Nomex® usw.
Bevorzugt werden aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit und relativ niedrigen Kosten
Polypropylen und Polyethylen verwendet.
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Die
Polymerfaser kann der Keramikmischung (der Aufschlemmung oder Giessmase)
zugefügt
werden. Die Konzentration der zugefügten Polymerfasern kann entsprehend
der Anwendung variieren und 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 Keramik Modell eingegossen, das die Spritzoberfläche aufweist.
Die Polymerfasern im Bereich der Spritzoberfläche werden während des
Erhitzens der Keramik verbrannt und hinterlassen Risse in der Spritzoberfläche. Die
vielen Risse steigern die Adhäsion
zwischen Spritzmetall und Spritzformoberfläche, indem das Spritzmetall
in die Risse eindringen kann.
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Als
weiteres nicht einschränkendes
Beispiel können
erfindungsgemäss
Metall- und Kohlefasern eingesetzt werden. Beispiele für Metallfasern
umfassen, sind aber nicht begrenzt auf Eisen, rostfreier Stahl,
Nickel und Legierungen derselben. „Kohlenstofffasern" bezieht sich auf
eine Gruppe von faserigen Materialien, die im wesentlichen elementaren
Kohlenstoff, eingeschlossen Grafit aufweisen. Kohlenstofffasern
können
durch Pyrolyse von organischen Fasern hergestellt werden.
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Die
Metall- oder Kohlenstofffaser wird keramischen Mischung (dem Gussmaterial
oder Aufschlämmung)
zugefügt.
Die Konzentration der Metall oder Kohlenstofffaser variiert je nach
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 im Keramikformverfahren werden die Metall-
oder Kohlentofffasern in das Keramik-Modell mit Spritzoberfläche gegossen.
Viele Metall- oder Keramikfasern ragen über die Spritzoberfläche hinaus
und bilden ein Netz von Erhebungen auf der Spritzoberfläche. Die
Erhebungen verstärken
die Adhäsion
von Spritzmetallen an der Spritzoberfläche.
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Das
Aspektverhältnis
der Fasermaterialien kann 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
abhängig
von vielen Faktoren modifiziert werden, eingeschlossen Zusammensetzung
des Fasermaterials und der Keramik. Eine weitere bevorzugte Oberflächen Modifikator
ist Säure,
die auf die Spritzoberfläche aufgebracht
wird. Es ist gefunden worden, dass die Spritzmetalladhäsion gefördert wird,
falls die Säurewäsche die
Korngrenzen der Spritzoberfläche
angreift.
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Beispiele
der für
Säurewäsche geeigneten
Säuren
umfassen Phosphorsäure,
Essigsäure
und Salzsäure
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.
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Ein
weiterer bevorzugter Oberflächen
Modifikator für
Keramik, insbesondere Gefriergusskeramik, ist 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.
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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 zur Abscheidung von Metallpartikeln
auf der Spritzmusteroberfläche
dient. Erfindungsgemäss
einsetzbare Spritzformtechniken umfassen, sind aber nicht begrenzt
auf Spritzrollen, Spritzschmieden, Zentrifugalspritzguss, Spritzguss,
Spritzkleben (Spritzpining), Splatcoating (Spritzüberzugs-bildung),
Partikelkompositabscheiden, Roll-Spritzen (roller atomizing), modifiziertes
Lichtbogenspritzen und modifiziertes Plasmaspritzen.
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Thermische
Spritzpistolen werden üblicherweise
dazu verwendet, das Spritzmetall auf dem Kerami-Modell 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
Ein- oder Zwei-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.
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Bei
einer Zweidraht-Lichtbogenspritzpistole wird ein elektrischer Lichtbogen
in einer Zone zwischen zwei 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.
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Bei
einer Lichtbogenspritzvorrichtung mit Einzeldraht wird der einzelne
Draht entweder durch die Zentralachse der Flamme oder in einem spitzen
Winkel in den in der Flamme generierten Plasmastrom eingeführt. Der
Einzeldraht wirkt als in die Bogenkammer eingeführte verzehrbare Elektrode.
Der Lichtbogen wird zwischen Kathode und Plasmaflamme und dem Einzeldraht
als Anode gebildet, wodurch die Spitze des Drahtes schmilzt. Gas
wird in die Bogenkammer, koaxial zu Kathode eingeführt, wo
es durch den elektrischen Lichtbogen expandiert 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
Sprühnebel
geschmolzenen Metalls abzuschirmen oder zu umgeben, sodass die Tröpfchen weiterer
Zerstäubung
und Beschleunigung unterworfen werden.
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Es
können
aber auch andere Draht-Lchtbogenflammspritzpistolen verwendet werden,
die von einem Lichtbogen übertragenes
Plasma verwenden, wobei ein erster Lichtbögen zwischen einer Kathode
und einer Düse,
die die Kathode umgibt, geschlagen wird. Das von einem derartigen
Lichtbogen kreierte Plasma wird auf eine Sekundäranode ausserhalb der Pistolendüse) in Form
von Einzel- oder Doppeldrahtzuführung übertragen,
und bewirkt das Schmelzen der Spitze eines derartigen Drahtvorrats.
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Nach
Abschluß des
Spritzschrittes kann das Keramik-Modell von der Metallabscheidung
getrennt werden, falls bspw. die Metallabscheidung als Metallprototypwerkzeug
verwendet wird. Bevorzugt wird pneumatisches Meisseln für die Entfernung
großer
Teile des Keramik-Modells eingesetzt. Kleinere Teile, die an der Oberfläche der
Metallabscheidung kleben, werden bevorzugt durch Kugelstrahlen entfernt.
Beispiele von Kugelstrahlverfahren umfassen Sandstrahlen, rotierenden
Wasserstrahl und Metallschrot.
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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.
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Beispiel 1
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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
Aufschlämmung
weist auf:
| Komponente | Volumen% |
| Keramik | 89,8% |
| Wasser | 10,2% |
| Netzmittel | < 0,1% |
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Tabelle 1
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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 Aufschlämmung wird
so dann in eine aus Renboard 476 konstruierte 12 × 12 × 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.
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Beispiel 2
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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 Verbesse rung
der Oberflächenadhäsion gemäss Beispiel
2 eingesetzt werden. Die Aufschlämmung,
die zur Herstellung der Gusskeramik verwendet wird, weist auf:
| Komponente | Volumen% |
| Keramik | 89,8% |
| Wasser | 10,2% |
| Netzmittel | < 0,1% |
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Tabelle 2
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Bevorzugt
ist TG Fine Keramik und das bevorzugte Netzmittel ist Cascade Rinse
Aid.
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Die
Aufschlämmung
wird in eine Form eins unteren 5,4 l Kurbelwellengehäuses gegossen.
Nach etwa 18 h ist die Aufschlämmung
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 dann 1 h mit zerkleinertem Trockeneis
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.
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Beispiel 3
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Beispiel
3 umfasst ein Verfahren zur Säureanwendung
auf die Spritzoberfläche
einer Gusskeramik zur Verbesserung der Oberflächenadhäsion. 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
Aufschlämmung
weist auf: Keramikmaterial (bevorzugt TG Fine), Wasser und Netzmittel
(bevorzugt Cascade Rinse Aid).
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Die
Aufschlfämmung
wird sodann in eine 5,4 l Form eines unteren Kurbelwellen gehäuses eingegossen
und absitzen gelassen. Nach etwa 18 h ist die Aufschlämmung 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.
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Die
Adhäsionscharakteristika
der Spritzoberfläche
des Beispiels 3 gegenüber
einer unbehandelten Spritzoberfläche
sind als Resultat der Essigsäurebehandlung
verbessert.
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Beispiel 4
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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.
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Die
zur Herstellung der Gusskeramik verwendete Aufschlämmung 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 Aufschlämmung wird in eine Form eines
unteren 5,4 l Kurbelwellengehäuses
gegossen und absitzen gelassen. Nach etwa 18 h Abkühlung der
Aufschlämmung
hat sich die Aufschlämmung
ausreichend gesetzt und kann aus der Form entfernt werden. Bevorzugt
kann Replicast Spritzformtrennmittel verwendet werden, um das Entformen
der Gefriergusskeramik zu erleichtern. Die Spritzoberfläche der
Gefriergusskeramik wird sodann etwa 10 min mit flüssigem Stickstoff
Sprühnebel
geflutet. Nach Behandlung mit Flüssigstickstoff
Sprühnebel
wird die Keramik wieder für
weitere 24 h in die Gefriereinrichtung rückgeführt. Auf der Gefriergusskeramik
wurde ein Spritz-Adhäsionstest
durchgeführt – die Spritzoberfläche wies
viele Dendriten auf.
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Beispiel 5
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Zu
einer für
die Herstellung einer Gusskeramik verwendeten Aufschlämmung wird
ein Fasermaterial gegeben, um die Oberflächenadhäsion zu verbessern. Die Aufschlämmung umfasst
bevorzugt ein gussfähiges TGIF
Keramikmaterial, das von Ceradyne erhältlich ist. Das Fasermaterial
ist bevorzugt Polypropylenfasern. Die faserverstärkte Keramik wurde auf Adhäsion und
Verzug 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.
| Bedingung | Vorheizen
(EC) | Spritzpistolenstrom | Adhäsion (Skala) | Verzug
(Inch) |
| 1 | 100 | 200 | 2 | –0,0200 |
| 2 | 25 | 200 | –2 | ~–0,011 |
| 3 | 200 | 250 | 5 | 0,0686 |
| 4 | 25 | 150 | 4 | –0,1474 |
| 5 | 100 | 250 | 4 | 0,0632 |
| 6 | 200 | 200 | 1 | 0,0059 |
| 7 | 100 | 150 | 4 | –0,1373 |
| 8 | 200 | 150 | 2 | –0,1487 |
| 9 | 200 | 150 | ~2 | ~–0,14 |
| 10 | 25 | 250 | 4 | 0,0344 |
| 11 | 200 | 250 | ~5 | ~0,06 |
Tabelle
3
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Sowohl
die Spritzpistolen-Stromversorgung als auch das Vorheizen haben
Auswirkungen auf Verzug und Adhäsion.
Bei minimalen Verzugsbedingungen (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 Vorheiztemperaturkombinationen
möglich, wobei
aber der Verzug steigt. 2 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen
der Adhäsion
(A) und des Verzugs (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.
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- 12
- Metallpartikel
- 14
- Risse
- (A)
- Adhäsion
- (W)
- Verzug