Keramische Schlickermasse im Feinguss: Zusammensetzung, Kontrolle und Gussqualität

Keramische Schlämme ist die flüssige Beschichtung, die beim Feinguss verwendet wird, um mit dem Aufbau der Hülle um ein Wachsmodell zu beginnen.

Es mag zwar wie ein einziges Zwischenmaterial aussehen, aber sein Verhalten beeinflusst, wie genau die Schale das Wachs nachbildet, wie sich die einzelnen Keramikschichten aufbauen und wie gut die fertige Form das Trocknen, Entwachsen, Brennen und Metallgießen übersteht.

Dieser Leitfaden konzentriert sich auf Keramikschlicker beim Feinguss: was es bewirkt, was es enthält, warum die Viskosität wichtig ist, wie sich die Suspension während der Produktion verändert und wie es schließlich zu Schalenproblemen beim Metallguss kommen kann.

Was ist Keramikschlicker?

Im Allgemeinen handelt es sich bei Keramikschlicker um eine Suspension feiner Keramikpartikel in Wasser oder einer anderen Flüssigkeit. Keramikschlicker werden in verschiedenen Verfahren eingesetzt, von Schlickergießen und Beschichten bis hin zu Bandgießen und anderen Keramikformverfahren.

Beim Feinguss ist der Zweck viel spezifischer.

Die Suspension dient dazu, eine kontrollierte Schicht aus feinem feuerfestem Material auf ein Wachsmodell aufzutragen.

Nach dem Eintauchen werden trockene feuerfeste Körner auf die noch feuchte Beschichtung aufgetragen. Die Schicht trocknet, und der Vorgang wird wiederholt, bis eine vollständige Keramikschale das Wachsmodell umschließt. Das Investment Casting Institute beschreibt den Schalenaufbau als diese wiederholte Abfolge von Schlickerbeschichtung, Stuckauftrag und Trocknung.

Diese Hülle dient später als Gussform, in die geschmolzenes Metall gegossen wird.

Obwohl die Schlämme also nie Bestandteil des fertigen Metallbauteils wird, trägt sie doch zur Bildung der Oberfläche und Struktur der Form bei, aus der sie entsteht.

Den vollständigen Fertigungsablauf finden Sie in der YTD-Dokumentation. Leitfaden zum Feingussverfahren.

Was Keramikschlicker tatsächlich in der Schale bewirkt

Es ist hilfreich, sich die Keramikschale als mit zwei verschiedenen Funktionen ausgestattet vorzustellen.

Die Innenseite der Hülle muss das Wachsmodell genau wiedergeben und mit geschmolzenem Metall kompatibel bleiben.

Der Rest der Hülle muss ausreichend Stabilität bieten, um die Handhabung, das Entfernen des Wachses, das Brennen und das Gießen zu überstehen.

Keramische Schlämme hilft bei der Herstellung beider Stoffe.

Bei den ersten Beschichtungen entsteht die feine Keramikoberfläche, die später mit der geschmolzenen Legierung in Kontakt kommt.

Bei späteren Beschichtungsvorgängen verbindet die Schlämme die aufeinanderfolgenden feuerfesten Schichten miteinander und trägt zur Dicke und strukturellen Integrität der Form bei.

Deshalb besteht der Bau von Keramikschalen nicht einfach darin, das Wachs wiederholt mit “Keramik” zu überziehen.”

Jede Schicht hat einen Zweck.

Die finale Hülle muss mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen:

• Oberflächenwiedergabe
• Stärke vor dem Schuss
• Festigkeit bei Gießtemperatur
• Beständigkeit gegen Temperaturschocks
• Chemische Verträglichkeit mit der Legierung
• Permeabilität
• Dimensionsstabilität

Bei der Forschung zu Feingussschalen werden diese Eigenschaften als ein interagierendes System und nicht als unabhängige Merkmale betrachtet.

Was ist in der Keramikschlickermasse für den Feinguss enthalten?

Es gibt keine universelle Gießschlammformel, die für jede Feingussgießerei geeignet ist.

Die Zusammensetzung hängt von der Legierung, dem Hüllsystem, der Position der Beschichtung, dem Trocknungsverfahren, der Auswahl des Feuerfestmaterials und dem qualifizierten Produktionsprozess ab.

Die meisten Systeme enthalten jedoch mehrere funktionelle Gruppen.

Feuerfestes Mehl

Feuerfestes Mehl ist ein feines Keramikpulver, das in der flüssigen Phase suspendiert ist.

Gängige Hüllmaterialien sind Zirkon, Quarzglas, Aluminiumoxid und Aluminosilikate, wobei deren Verwendung je nach Hüllsystem und Legierung variiert.

Das feuerfeste Material leistet mehr als nur Hitzebeständigkeit.

Die Partikelgröße, die chemische Zusammensetzung, die Wärmeausdehnung, die Wechselwirkung mit dem Bindemittel und die Kompatibilität mit geschmolzenem Metall können allesamt das Schalen- und Gießverhalten beeinflussen.

Dies macht die Auswahl des feuerfesten Materials besonders wichtig in den ersten Schichten, wo die Keramikoberfläche schließlich mit der Legierung in Kontakt kommt.

Bindemittel

Das Bindemittel stellt beim Trocknen der Beschichtung die Verbindung zwischen den feuerfesten Partikeln her und entwickelt sich später zu einer gebrannten Keramikstruktur.

Kolloidales Siliciumdioxid auf Wasserbasis findet breite Anwendung in modernen Hüllensystemen, obwohl auch andere Bindemitteltechnologien existieren.

Das Bindemittelsystem sollte nicht mit der gesamten Suspension verwechselt werden.

Zwei Gießereien könnten beide behaupten, “Kieselsol” zu verwenden, obwohl sie unterschiedliche feuerfeste Materialien, Feststoffbeladungen, Zusatzstoffe, Trocknungsbedingungen und Schalenkonstruktionen einsetzen.

YTD-Vergleich von Kieselsol- und Wasserglasguss untersucht genauer, wie sich unterschiedliche Bindemittelsysteme in den Gesamtprozess des Feingusses einfügen.

Primärschlamm und Backup-Schlamm haben unterschiedliche Aufgaben

Eines der wichtigsten Dinge, die man über Keramikschlämme wissen sollte, ist, dass Die Schale verwendet nicht unbedingt dieselbe Zusammensetzung von der Wachsoberfläche bis zur Außenschicht..

Primär- oder Deckanstrichschlämme

Die Primärbeschichtung ist die erste Keramikschicht, die auf das Wachs aufgetragen wird.

Diese Schicht bildet schließlich die Formoberfläche, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt.

Zu seinen Prioritäten gehören:

• Das Wachs gleichmäßig anfeuchten
• Wiedergabe feiner Geometrie
• Schaffung einer gleichmäßigen Formoberfläche
• Begrenzung unerwünschter Metall-Form-Reaktionen
• Unterstützung der erforderlichen Gussoberfläche

Untersuchungen an Keramikschalen zeigen, dass die primäre Deckschicht einen wichtigen Beitrag zum Oberflächenzustand des resultierenden Gussteils leistet.

Feine feuerfeste Materialien werden daher häufig mit Primärbeschichtungen in Verbindung gebracht.

Backup-Schlamm

Spätere Mäntel haben eine andere Priorität.

Sobald die Formoberfläche hergestellt ist, benötigt die Hülle Dicke und strukturelle Festigkeit.

Stützschichten helfen der Hülle, die Handhabung, das Entwachsen, das Brennen sowie die beim Gießen des Metalls entstehende Druck- und Wärmebelastung zu überstehen.

Ihre feuerfeste Korngröße, ihr Schlämmverhalten und ihr Putzsystem können sich daher von der Primärbeschichtung unterscheiden.

Die sinnvolle Unterscheidung ist:

Die Deckschicht bildet die Gussschnittstelle. Stützschichten bilden die Form darum herum.

Das erklärt, warum es nicht sinnvoll ist, für jede Lackschicht die gleiche Schlammrezeptur zu verwenden, um das Design der Lackschale zu verstehen.

Keramische Schlämme und Stuck sind nicht dasselbe Material.

Schlämmputz und Stuck ergänzen sich, haben aber unterschiedliche Funktionen.

Schlamm Es handelt sich um eine feuchte Suspension, die feine feuerfeste Partikel und Bindemittel enthält.

Stuck ist ein trockenes, gröberes feuerfestes Korn, das auf die Außenseite der nassen Schlämmschicht aufgetragen wird.

Ein Schalenbauzyklus kann vereinfacht wie folgt dargestellt werden:

Tauchen → Abtropfen lassen → Verputzen → Trocknen

Dann wiederholt sich der Vorgang.

Die Suspension erzeugt die durchgehende Keramikschicht.

Der Stuck sorgt für eine Partikelstruktur, schafft eine Oberfläche, an der die nächste Schicht haften kann, und trägt zum Aufbau der Schalendicke bei.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil eine dickere Schlämme nicht einfach einen Ersatz für Stuck darstellt.

Die Eigenschaften von im Feingussverfahren hergestellten Schalen entstehen durch die Wechselwirkung zwischen Gießmasse, feuerfestem Zuschlagstoff, Trocknungsprozess und aufeinanderfolgenden Schichten – nicht durch ein einzelnes Material.

Was die Viskosität von Keramikschlämmen tatsächlich beeinflusst

Der Viskosität wird in Gießereien große Bedeutung beigemessen, da sie das Verhalten der Suspension beim Eintauchen und Entwässern beeinflusst.

Die entscheidende Frage lautet jedoch nicht:

Ist die Viskosität hoch oder niedrig?

Es ist:

Hinterlässt die Schlämme die korrekte, reproduzierbare Beschichtung auf diesem Wachsmodell?

Wenn der Wachsbaum aus dem Schlammbehälter kommt, bleibt etwas flüssige Beschichtung auf der Oberfläche zurück, während der Überschuss abfließt.

Diese verbleibende Beschichtung beeinflusst, wie viel Keramikmaterial während dieses Zyklus hinzugefügt wird.

Suspension, die für den qualifizierten Prozess zu dünn ist

Mögliche Folgen sind:

• Unzureichende Beschichtungsaufnahme
• Langsamer Schalenaufbau
• Schlechte Netzabdeckung in schwierigen Gebieten
• Lokale Unterschiede in der Schichtdicke

Schlamm, der für den qualifizierten Prozess zu dick ist

Mögliche Folgen sind:

• Übermäßiger Aufbau um Merkmale herum
• Schlechte Entwässerung
• Ungleichmäßige Beschichtungen
• Verlust feiner Details
• Schwierigeres Eintauchen
• ungleichmäßige Trocknung

Untersuchungen an primären Feinguss-Suspensionen haben gezeigt, dass eine zu hohe Viskosität das Eintauchen der Wachsklumpen und die gleichmäßige Beschichtung erschweren kann.

Das Ziel ist daher wiederholbares Beschichtungsverhalten innerhalb eines qualifizierten Prozessfensters, nicht der höchstmögliche Feststoffgehalt oder die dickflüssigste Suspension.

Warum ein einziger “korrekter Viskositätswert” irreführend ist

Eine häufig gestellte Frage im Internet lautet:

Welche Viskosität sollte die Keramikschlämme aufweisen?

Es gibt keine allgemeingültige und sinnvolle Antwort.

Die Zahl hängt von Faktoren wie beispielsweise Folgendem ab:

• Feuerfestes Material
• Partikelgrößenverteilung
• Feststoffbeladung
• Bindemittelsystem
• Primär- oder Ersatzanstrich
• Messgeräte
• Prüftemperatur
• Scherbedingungen

Eine mit einem Durchflussbecher gemessene Zeit kann nicht einfach mit einem Ergebnis eines anderen Messbechers oder eines Rotationsviskosimeters verglichen werden.

Keramische Suspensionen können auch nicht-Newtonsches Verhalten zeigen, d. h. die scheinbare Viskosität kann sich unter Scherbedingungen ändern, anstatt wie bei einer einfachen Newtonschen Flüssigkeit konstant zu bleiben. Das Viskositätsmodell der ISO für keramische Suspensionen berücksichtigt explizit verschiedene rheologische Verhaltensweisen.

Eine Aussage wie diese lautet also:

“Die Viskosität unserer Suspension beträgt 20 Sekunden.”

ist unvollständig ohne Kenntnis wie, wann und unter welchen Testbedingungen es gemessen wurde.

Für die Produktionskontrolle ist die Wiederholgenauigkeit bei Anwendung der qualifizierten Messmethode der Gießerei wichtiger als die Übereinstimmung mit einem Wert, der von einer anderen Anlage übernommen wurde.

Was bewirkt die Veränderung der Keramikschlickermasse während der Produktion?

Ein funktionierender Güllebehälter ist weder chemisch noch physikalisch in der Zeit eingefroren.

Sein Verhalten kann sich im Laufe der Produktion verändern.

Wasserverlust

Bei wasserbasierten Systemen verändert die Verdunstung das Verhältnis zwischen Flüssigkeit und feuerfesten Feststoffen.

Das kann die Viskosität und das Beschichtungsverhalten verändern, wenn die Suspension nicht innerhalb ihres Prozessfensters gehalten wird.

Feuerfeste Zusätze

Die Zugabe von feuerfestem Mehl verändert die Feststoffbeladung und kann Viskosität, Dichte, Drainage und Aufnahme beeinflussen.

Die Veränderung verläuft nicht unbedingt linear, da auch die Partikelgröße und die Partikelpackung eine Rolle spielen.

Temperatur

Die Viskosität von Flüssigkeiten ist temperaturabhängig.

Eine unter bestimmten Betriebsbedingungen getestete Suspension sollte nicht automatisch mit dem gleichen numerischen Ergebnis bei einer wesentlich anderen Temperatur verglichen werden.

Mischen und Reifen

Eine frisch zubereitete Suspension kann sich weiter verändern, da die feuerfesten Partikel vollständig benetzt und dispergiert werden und eingeschlossene Luft entfernt wird.

Dies ist einer der Gründe, warum die Zubereitung von Mehlschlämmen mehr ist als nur das Hinzufügen von Pulver, bis die Mischung “richtig aussieht”.”

Kontamination

Stuckpartikel, Wachsreste, Staub, Fremdchemikalien oder andere Stoffe, die in die Suspension gelangen, können deren Zustand allmählich verändern.

Der wichtige Punkt ist, dass Die Schlammkontrolle ist eine Produktionsaktivität, keine einmalige Formulierungsübung..

Wie sich Probleme mit der Gießmasse auf den endgültigen Guss auswirken

Der Kunde erhält die Keramikschale nicht.

Es bricht ab, nachdem das Metall erstarrt ist.

Doch eine mangelhafte Hüllenkontrolle kann dennoch sichtbare oder interne Folgen am Endprodukt haben.

Nicht jeder Gussfehler lässt sich auf die Gießmasse zurückführen.

Die Qualität des Wachsmodells, die Angussführung, die Gießtemperatur, die Reinheit der Legierung, das Brennen der Schale und andere Variablen beeinflussen ebenfalls das Ergebnis.

Die nützliche Lehre daraus ist, dass Die Oberflächenqualität beginnt bereits, bevor Metall in die Form gelangt..

YTDs Leitfaden zu Verbesserung der Oberflächengüte von Feingussteilen betrachtet Wachsqualität, Schalenkonstruktion, Gießen und Endbearbeitung als einen zusammenhängenden Prozess.

Trocknung ist Teil der Schlammleistung

Auch eine gut zusammengesetzte Schlämme kann eine minderwertige Hülle ergeben, wenn die Beschichtung nicht richtig getrocknet wird.

Wasserbasierte Schalensysteme gewinnen an Festigkeit, wenn Feuchtigkeit entfernt wird und das Bindemittel die keramische Bindung ausbildet.

Wird die nächste Schicht zu früh aufgetragen, verfügt die bestehende Schicht möglicherweise nicht über genügend Festigkeit oder Stabilität.

Untersuchungen an Feingussschalen bringen unvollständige Trocknung mit Problemen wie verminderter Schalenintegrität, Abblättern und Einschlussrisiko in Verbindung.

Zu aggressives Trocknen kann ein anderes Problem verursachen.

Schnelle Feuchtigkeitsgradienten können Spannungen in eine Schale einbringen, die sich noch in der Entwicklung ihrer Festigkeit befindet.

Dies bedeutet, dass der Zustand der Suspension und die Trocknungsbedingungen nicht unabhängig voneinander bewertet werden sollten.

Eine Gießerei kann die “richtige” Schmelze haben und trotzdem ungleichmäßige Schalen herstellen, wenn:

• Der Luftstrom variiert
• Die Luftfeuchtigkeit ändert sich deutlich
• Die Trocknungszeit wird verkürzt
• Komplexe Geometrie schließt Feuchtigkeit ein
• Die Schichten bauen sich schneller auf, als sie sich stabilisieren können.

Der eigentliche Prozess ist daher folgender:

Schlamm + Stuck + Entwässerung + Trocknung + wiederholter Schalenaufbau

—nicht nur Gülle.

Verändert die Metalllegierung das Schlammsystem?

Ja, insbesondere an der primären Schnittstelle.

Da die erste Keramikschicht schließlich mit dem geschmolzenen Metall in Kontakt kommt, gewinnt die Feuerfestigkeitsverträglichkeit mit steigender Legierungstemperatur oder chemischer Reaktivität an Bedeutung.

Ein für eine gängige Stahlsorte geeignetes Hülsensystem sollte nicht automatisch als für jede Legierung geeignet angesehen werden.

Bei reaktiven Metallen wird dies besonders deutlich.

Titan beispielsweise kann im geschmolzenen Zustand stark mit der Atmosphäre und den Formmaterialien reagieren, was deutlich höhere Anforderungen an die Schmelzbedingungen und die Keramikoberflächenmaterialien stellt. Siehe YTDs Leitfaden für den Titan-Feinguss für dieses spezielle Problem.

Bei Hochtemperatur-Superlegierungen kann zudem eine sorgfältigere Abstimmung zwischen Schalenmaterial, Gießbedingungen und thermischem Verhalten erforderlich sein.

Deshalb sollte die Auswahl der Gülle mit der Gusslegierung und gewünschtes Ergebnis, nicht mit einem bevorzugten feuerfesten Rezept.

Was sollten Käufer von Gussteilen spezifizieren?

Die meisten Käufer tun nicht muss angegeben werden:

• Eine Viskositätszahl der Suspension
• Ein Anteil an feuerfestem Mehl
• Eine bestimmte Dosierung des Netzmittels
• Das genaue Bindemittel-Mehl-Verhältnis einer Gießerei

Hierbei handelt es sich um Produktionsprozesskontrollen, sofern in einer qualifizierten Kundenspezifikation nicht ausdrücklich etwas anderes gefordert wird.

Für einen Käufer ist es in der Regel besser, das gewünschte Ergebnis zu definieren:

• Legierungs- und Werkstoffnorm
• Abmessungen
• Kritische Oberflächen
• Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit
• Inspektionsanforderungen
• Betriebsumgebung
• Wärmebehandlung
• Reinheits- oder spezielle Prozessanforderungen

Die Gießerei muss dann die Wachs-, Schalen-, Schmelz-, Gieß-, Wärmebehandlungs- und Endbearbeitungsprozesse auswählen und steuern, die erforderlich sind, um diese Ergebnisse zu erzielen.

Dieser Unterschied ist wichtig.

Eine Schlammrezeptur kann auf dem Papier “korrekt” sein und dennoch für eine bestimmte Legierung, Geometrie, ein bestimmtes Klima, ein bestimmtes Trocknungssystem oder eine bestimmte Produktionslinie ungeeignet sein.

Für gewöhnliche kundenspezifische Industriegussteile, Legen Sie fest, was der Guss leisten muss; überlassen Sie der Gießerei den qualifizierten Schalenherstellungsprozess..

Keramikschalenbau bei YTD Foundry

Die Herstellung der Keramikschale ist Teil des hauseigenen Feingussverfahrens von YTD Foundry.

Wichtig ist nicht, dass YTD ein vermeintlich universelles Rezept für Keramikschlicker verwendet.

Es geht darum, dass der Schalenbau als Teil des gesamten Gießprozesses betrachtet wird.

Wachsqualität, Teilegeometrie, Schalenkonstruktion, Legierungsauswahl, Trocknung, Entwachsung, Brennen, Gießen und Endkontrolle beeinflussen sich gegenseitig.

Für die Kunden bedeutet dies, dass die Diskussion mit den Gießanforderungen beginnt und nicht mit einem isolierten Schlammparameter.

Wenn in einer Zeichnung die Legierung, die kritischen Abmessungen, die Oberflächenanforderungen, die Betriebsbedingungen und die Prüfanforderungen angegeben sind, können diese Anforderungen bei der Entwicklung des Fertigungsablaufs gemeinsam berücksichtigt werden.

Schlussbetrachtung

Keramikschlicker sollte nicht als eigenständiges Rezept behandelt werden.

Beim Feinguss wirkt es zusammen mit feuerfestem Stuck, Trocknung, Schalengestaltung, Legierungschemie, Entwachsung und Gießen, um die Form zu schaffen, die letztendlich die Oberfläche und Geometrie des Gussteils bestimmt.

Für Käufer ist in der Regel das gewünschte Gussergebnis die wichtigste Spezifikation – nicht die Gießmasserezeptur der Gießerei. Eine kompetente Gießerei sollte den Herstellungsprozess der Gussschale, der für dieses Ergebnis erforderlich ist, kontrollieren.