Die Erfindung betrifft eine metallische, eisenhaltige Dauerform mit einer Beschichtung, die mit einem flüssigen oder einem fließfähigen Aluminiumwerkstoff beaufschlagbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Schicht, sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer derartigen Schicht auf einer Oberfläche einer Dauerform.

Auf Grundlage der überaus hohen Korrosion, die gängige metallische Werksstoffe gegenüber Aluminium und anderen Nichteisenmetallen bei typischen Verarbeitungstemperaturen zeigen, müssen Kontaktstellen zwischen dem Nichteisenmetall und der Dauerform mit sogenannten Trennmitteln behandelt sein, damit ein störungsfreier Betrieb möglich ist. Insbesondere aber nicht ausschließlich bei Druckgussprozessen, die durch die Anwendung hoher Temperaturen und Drücke gekennzeichnet sind, werden an die dabei eingesetzten Trennmittel verschiedenste im Folgenden aufgeführte Anforderungen gestellt. So muss das Trennmittel zur Unterstützung des Metallflusses dienen, was zu einer gleichmäßigen Befüllung der Dauerform führt und gleichzeitig dient das Trennmittel zur Verbesserung der Endformbarkeit der gegossenen Teile. Darüber hinaus dient das Trennmittel zur Vermeidung von Rückständen auf der Dauerform, was zu Ungenauigkeiten in der Form führen kann. Während des Eingießens des Werkstoffes in die Dauerform darf keine übermäßige Gasbildung bei der Zersetzung des Trennmittels erfolgen, was zu einer Porosität der Formteile führen würde. Das Trennmittel darf letztendlich auch keine gefährlichen oder toxischen Substanzen enthalten. Je nach Erfüllung dieser Anforderungen wird die Güte des Trennmittels bemessen.

Ein seit langem bekannter und in Trennmitteln eingesetzter Werkstoff ist Bornitrit (BN), der von seiner Kristallstruktur her ähnlich aufgebaut ist wie Graphit. Wie Graphit weist er gegenüber vielen Substanzen, wie beispielsweise silikatischen Schmelzen oder auch Metallschmelzen eine geringe Benetzbarkeit auf. Daher gibt es viele Untersuchungen zu nicht anhaftenden Schichten auf Basis von Bornitrit, um diese für Gießprozesse zu nutzen. Das Problem bei dieser Nutzung ist jedoch, dass es nicht gelingt, Bornitrit in Substanz auf Formen, insbesondere komplexer Natur, dauerhaft aufzutragen. Ein Verfahren zum dauerhaften Auftragen einer temperaturstabilen, korrosionsbeständigen Formtrennschicht ist in der DE 198 42 660 A1 beschrieben. Hierbei wird ein Bornitrit-Pulver mittels elektrostatischer Beschichtung auf die Oberfläche einer Dauerform aufgebracht.

Es wurde ebenfalls versucht, Bindemittel auf anorganischer Basis herzustellen, in die Bornitrit eingebunden ist. In der US 6,051,058 wird die Herstellung von Bornitritschutzschichten mit Dicken von 0,2 bis 0,7 mm auf Feuerfestmaterialien für das kontinuierliche Gießen von Stählen beschrieben. Dabei wird Bornitrit in einer Größenordnung von 20 bis 50 Gew.-% mit Hilfe von Hochtemperaturbindem in Form einer wässrigen Beschichtungslösung auf Basis von Metalloxyden der Gruppe Zr0₂, Zirkonsilikaten, als Al_zO₃, SiO₂ und Aluminiumphosphaten auf das Feuerfestmaterial gebunden.

Um den Verschleiß und die Korrosion von Werkstoffen zu unterdrücken, ist aus der DE 101 24 434 A1 eine Verschleißschutzschicht bekannt, in der Funktionswerkstoffe in einer Bindermatrix eingebunden sind. Diese sogenannte Funktionsbeschichtung besteht dabei aus einer anorganischen Matrixphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem darin eingebetteten Funktionswerkstoff, der beispielsweise ein Metall, Graphit, ein Hartstoff, ein Trockenschmierstoff, ein Aluminiumoxid, ein Siliziumkarbid, etc. sein kann. Beschrieben ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung dieser Funktionsbeschichtung, wobei in eine flüssige Komponente, die beispielsweise Wasser sein kann, ein Funktionswerkstoff in Pulverform gelöst und zur Erzeugung eines Phosphates mit Phosphorsäure versetzt wird. Eine derartig zusammengesetzte Matrixlösung mit der flüssigen Komponente und dem Phosphat kann auf Grund ihrer Konsistenz auch als Gel bezeichnet werden. Nach dem Beschichten eines Werkstoffes mit dieser Matrixlösung erfährt der Werkstoff eine Wärmebehandlung, so dass sich eine festhaftende Funktionsbeschichtung auf dem Grundwerkstoff ausbildet.

Des Weiteren ist aus der US 3,770,465 eine Formschlichte bekannt, welche aus Wasser und Kaliumzirkonfluorid sowie einem Binder aus Phenolharz oder Zirkonstaub oder ähnlichem in trockener Form besteht. Hierdurch sollen glatte Oberflächen auf den Formen entstehen, was ein Eindringen von Metall beim Gießprozess verhindern soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine langzeitstabile Schicht auf einer metallischen, eisenhaltigen Dauerform zu entwickeln, die eine chemische Bindung mit dem Grundwerkstoff der Dauerform eingeht und somit den Anforderungen an ein Trennmittel genügt oder sogar über diese Anforderungen hinaus geht, indem Gießfehler durch die Bildung von Oxidhäuten beim Gießprozess vermieden werden. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Schicht bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen und einfach und ohne Vorrichtungsaufwand zu applizieren ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, das in der Lage ist eine derartige Schicht zu erzeugen und mittels dem Beschädigungen an der Schicht leicht ausheilbar sind.

Die erfindungsgemäße Aufgabe in Bezug auf eine Beschichtung einer Dauerform wird dahingehend gelöst, dass auf mindestens einer Oberfläche der Dauerform eine Schicht bestehend aus

• chemisch mit einem Grundwerkstoff der Dauerform gebundenem Eisenfluorid,
• Strukturteilen einer oder mehrerer der Verbindungen Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ und ZurO₂ in einer Fraktion von 80nm bis 200nm und
• einem die Strukturteile zumindest bereichsweise umschließenden Polymer aus polymerisiertem Zirkoniumfluorid vorhanden ist.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält die Schicht zusätzlich:

• Primärteile der Form Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZnO, ZrO₂, CeO₂ in einer Fraktion von 2nm bis 80nm, und/oder
• Gleitteile der Form Bornitrit, in einer Fraktion von 2µm bis 15µm und/oder
• Glimmer, als silikatisches Mineral.

Durch die erfindungsgemäße Schicht auf der metallischen Dauerform werden die Anforderungen an ein Trennmittel, in Form einer langzeitstabilen Schicht besonders gut erfüllt. So wird der Metallfluss dahingehend unterstützt, dass durch die aus der Schicht herausstehenden Strukturteile die Oxidhaut des Aluminiumwerkstoffes aufgebrochen wird und sich der flüssige Aluminiumwerkstoff unterhalb der Oxidschicht sehr leicht in der Dauerform verteilen kann. Die Schicht bietet somit optimale Bedingungen für das Befüllen der Dauerform. Die Gleitteile der Form Bornitrit (BN) dienen als Gleitebene für das flüssige oder fließfähige Aluminium und unterstützen somit den Metallfluss, sie dienen darüber hinaus gleichzeitig zur Verbesserung der Endformbarkeit der gegossenen Bauteile.

Auf der Oberfläche der Dauerform wird eine festhaftende Schicht gebildet, wobei der feste Verbund durch die chemische Bindung der Fluoride mit dem Eisen des Grundwerkstoffes der Dauerform erzeugt wird. Durch diese Art der festen Bindung der Schicht mit dem Grundwerkstoff der Dauerform wird vermieden, dass Rückstände auf der Dauerform haften bleiben, was zu Maßungenauigkeiten führen könnte. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schicht ist es, dass die Schicht bei höheren Temperaturen zu einer vermehrten Polymerisation angeregt wird. Hierdurch bilden sich längere Polymere, die einerseits die Haftung und den Zusammenhalt erhöhen und andererseits die Elastizität der Schicht erhöhen. Die langzeitstabile und festhaftende Schicht ist somit bei höheren Temperaturen, wie sie während des Befüllens der Dauerform auftreten, äußerst elastisch und kann den Formänderungen der Dauerform elastisch und somit vorteilhafterweise ohne eine Beschädigung der Schicht folgen.

In Bezug auf das Trennmittel wird die erfindungsgemäße Aufgabe dahin gehend gelöst, dass das Trennmittel aus einem vollständig entsalzten Wasser gebildet ist und die folgenden Bestandteile enthält:

• eine oder mehrere der Verbindungen Natriumlauge, Kaliumlauge und Aluminiumchlorid,
• einen Binder aus Zirkoniumfluorid, bevorzugt in der Form H₂ZrF₆,
• einen Anteil an Strukturteilen einer oder mehrerer der Verbindungen Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ und ZrO₂ in einer Fraktion von 80nm bis 200nm und
• ein organisches Dispergiermittel, vorzugsweise Gelatine.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Trennmittel zusätzlich:

• einen Anteil an Primärteilen der Form Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZnO, ZrO₂, CeO in einer Fraktion von 1nm bis 10nm und/oder
• einen Anteil an Gleitteilen der Form BN und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid, in einer Fraktion von 2µm bis 15µm und/oder
• Glimmer.

Das erfindungsgemäße Trennmittel bietet zum einem den Vorteil, dass es auf Grundlage von vollentsalztem Wasser kostengünstig herzustellen ist und andererseits auf Grund seiner Viskosität einfach auf das Werkzeug zu applizieren ist. im einfachsten Fall kann das Trennmittel auf die Dauerform aufgesprüht werden. Darüber hinaus entspricht das Trennmittel den Anforderungen an ein Trennmittel dahingehend, dass keine toxischen Substanzen enthalten sind, die nur mit hohen Kosten entsorgt werden können.

Die erfindungsgemäße Aufgabe in Bezug auf das Verfahren zur Erzeugung einer Schicht wird dahingehend gelöst, dass die Oberfläche zuerst mit dem Trennmittel, gemäß einen der Ansprüche 6 bis 13, beaufschlagt wird und dass anschließend die Dauerform auf eine Temperatur von mindestens 200°C erwärmt wird. Durch diese Erwärmung geht das Fluorid eine chemische Bindung mit dem Eisen des Grundwerkstoffes ein und das Zirkoniumfluorid bildet Polymere, die eine festhaftende Schicht auf der Oberfläche der Dauerform bilden. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Trennmittel, das aus einem vollständig entsalztem Wasser besteht, bei dieser Temperatur bereits vollständig aus der Schicht ausgedampft ist und es somit zu keiner oder nur sehr geringen Gasbildung beim Befüllen der Dauerform kommt. Darüber hinaus wird die Polymerisation bei der Erhöhung der Temperatur noch unterstützt, so dass wie oben beschrieben ein weiterer vorteilhafter Effekt der Schicht erzeugt wird. Der Einsatz von Gelatine ist dabei besonders vorteilhaft, da hierdurch selbstständig Nanopartikel gebildet werden.

Sollte es darüber hinaus zu einer Beschädigung der Schicht kommen, so ist die Schicht sehr leicht ausheilbar, da nach einem erneuten Applizieren der Dauerform mit dem Trennmittel Fehlstellen in der Schicht unmittelbar ausgehellt werden. Dabei wird neues Eisenfluorid gebildet und durch die Temperatur der Dauerform polymerisiert das Zirkoniumfluorid, so dass die Schicht vollständig ausheilt.

Auf der Oberfläche, die bevorzugt natürlich die Seite der Dauerform ist, die dem herzustellenden Gussteil entspricht, wird eine Schicht gebildet, die in einer Dicke von ca. 1 bis 80 µm aufweist, bevorzugt sind Schichtdicken zwischen 30 und 50 µm, was aber wiederum vom Einsatzfall abhängig ist. Die Schichtdicke ist abhängig vom Einsatzfall, dass heißt vom Gießverfahren, wobei beim Druckguss die dünnsten und beim Niederdruck die dicksten Schichten verwendet werden. Beim Druckguss, werden die dünnsten Schichten aufgetragen, da hier ein guter Wärmeübergang zur Dauerform bewusst eingestellt wird, um eine schnelle Erstarrung des Gießteils zu ermöglichen. Bei dem kombinierten sogenannten Squeeze-Casting-Verfahren wird eine mittlere Dicke eingestellt, da hierbei die Gießform langsam gefüllt und anschließend mit einem hohen Druck beaufschlagt wird. Hierbei ist somit ein geringerer Wärmeübergang zur Dauerform nützlich. Beim Niederdruckgießen hingegen sind dicke Schichten vorteilhaft, da hier die Form relativ langsam befüllt wird und ein langsames Abkühlen des Gussteils von Vorteil ist. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße, mit einer Beschichtung versehene Dauerform natürlich auch für das Schwerkraftgießen einsetzbar.

Die auf der Oberfläche der Dauerform vorhandene Schicht ist chemisch mittels des Eisenfluorids mit dem Grundwerkstoff verbunden. Das Eisenfluorid wirkt somit als Haftmittel zwischen Schicht und Grundwerkstoff. Die Strukturteile der Form Al₂O₃ und/oder SiO₂ und/oder TiO₂ und/oder ZrO₂ besitzen eine Größe von etwa 80nm, bis 200nm und verhaken sich gegeneinander und bilden eine Schicht auf dem Grundwerkstoff. Hierbei ist der Begriff Strukturteile gezielt ausgewählt, da bevorzugt Teilchen eingesetzt werden, die nicht glatt sind sondern eine strukturierte Oberfläche aufweisen. In die Lücken zwischen den Strukturteilen lagern sich die Primärteile der Form Al₂O₃ und/oder SiO₂ und/oder Zinkoxid und/oder Titandioxid und/oder Zirkoniumdioxid und/oder Ceroxid, die in einer Größe von 1nm bis 10nm vorliegen, bevorzugt und sehr leicht ein. Die sehr viel größeren Gleitteile des Bornitrits liegen zwischen den Strukturteilen in der Schicht und werden durch den Verbund aus Strukturteilen mit Polymeren gehalten. Die so aufgebaute Schicht hat bereits auf Grund seines fraktilen Aufbaus eine in sich verklammernde Wirkung, die wesentliche Bindung zwischen dem Eisenfluorid und den Strukturteilen, den Primärteilen und den Gleitteilen wird aber durch das polymerisierte Zirkoniumfluorid geschaffen. Die Ketten der Polymere stellen den Zusammenhalt zwischen dem chemisch gebundenen Eisenfluorid, den Strukturteilen, den Primärteilen und den Gleitteilen her. Je stärker die Dauerform erhitzt wird und somit ebenfalls die Schicht, je länger werden die Polymerketten, so dass bei steigender Temperatur die Elastizität der Schicht zunimmt. Die erfindungsgemäß eingesetzten Polymere polymerisieren bei ca. 200°C und besitzen eine Verglasungstemperatur von ca. 830°C. Das flüssige Aluminium besitzt eine Temperatur von ca. 730°C und reicht somit nicht an die Verglasungstemperatur der Polymere heran. Es ist somit ein äußerst stabiles, für das Gießen von Aluminium-Werkstoffen sehr gut geeignetes System als Schichtaufbau geschaffen.

Die Eisenfluoride dienen als Haftmittel zum Grundwerkstoff der Dauerform und die Primärteile werden vorteilhafterweise dazu eingesetzt, die Lücken zwischen den Strukturtellen zu schließen, um somit eine sehr glatte Oberfläche zu erzeugen. Ein Anhaften des flüssigen Gießwerkstoffes ist somit nahezu fast unmöglich. Die Strukturteile liegen in einer Größe von 80nm bis 200nm vor und stehen als Kanten aus der Schicht heraus. Vorteilhafterweise reißen die an ihrer Oberfläche stark strukturierten Strukturteile Risse in die Oxidschicht des flüssigen Aluminiums und zerreiben die Oxidhaut, so dass die Oxidhaut in kleinste Teile zerrieben wird und somit nicht als Gitterfehler im Gefügeaufbau des Gussteils vorliegen. Ein Vorteil der erfindungsgemäß eingesetzten Strukturteile ist somit, dass die Oxidhaut zerstört und zerkleinert wird.

Die Gleitteile die in der Form als Bornitrit vorliegen, besitzen eine sehr viel größere Größe als die Primär- und die Strukturteile. Erfindungsgemäß bilden die Strukturteile mit einem Gewichtsprozentanteil von bis zu 10 % im flüssigen Trennmittel den größten Teil der Schicht. Die Primärteile dienen als Füllmittel für die Zwischenräume und dienen somit der Glättung der Schicht. Die Gleitteile, in einem Gewichtsanteil von bis zu 5 % vorliegend, sind fein verteilt in die Strukturteile eingelagert und treten ebenfalls an der Oberfläche der Schicht heraus. Auf Grund der Anzahl der Gleitteile, bilden diese nicht die größte Oberfläche der Schicht sondern liegen feinst verteilt vor, so dass sie als Gleitmittel zum einem beim Gießen aber vornehmlich zum Entformen der Dauerform und zur Entnahme des Gussteils dienen. Das Entformen wird durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Schicht in vorteilhafterweise erleichtert, da zum einem durch die Strukturteile und die glättend wirkenden Primärteile eine sehr glatte Oberfläche an der Schicht vorhanden ist und gleichzeitig durch die Gleitteile ein Schmiermittel zur Verfügung gestellt wird.

Die Versuche haben gezeigt, dass durch die Zugabe von Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Aluminiumchlorid und die Einstellung eines pH-Wertes von 4 bis 5 eine optimale Bildung der Schicht erzeugt wird.

Erfindungsgemäß wird die kalte Dauerform mit dem Trennmittel beaufschlagt, in dem das Trennmittel aufgesprüht und die Dauerform erhitzt wird. Ab einer Temperatur von ca.200°C polymerisiert das Zirkoniumfluorid und es kommt zu einer Bildung einer langzeitstabilen Schicht auf der Oberfläche der Dauerform. Eine übliche Temperatur zum Vorheizen beim Druckgießen ist eine Temperatur zwischen 220°C und 280°C, so dass hier eine optimale Temperatur zur Polymerisation des Trennmittels vorhanden ist. Beim Niederdruckguss und Squeeze-Casting liegen die Vorheiztemperaturen noch über 300°C, so dass auch hier eine Ausbildung einer Schicht gewährleistet ist. Das flüssige Metall mit einer Temperatur von ca. 720°C bis 730°C beim Gießen von Aluminium liegt unterhalb der Glasübergangstemperatur. Aber auch das Thixocasting liegt oberhalb von 200°C und somit ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Schicht bei diesem Verfahren ebenso vorstellbar.