DE112014002572T5 - Investment casting core, method for producing a investment casting core, and investment casting tool - Google Patents
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Abstract
Auf einer Oberfläche eines gesinterten, hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers (18a) wird eine Deckschicht (19a), welche einzig Siliziumalkoxid oder ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid enthält, erzeugt, um in der Oberfläche ausgebildete Löcher (18c) zu verschließen. Hierdurch ist es möglich, ein Brechen des Kerns während des Vergießens zu verhindern.On a surface of a sintered silica core body (18a) containing mainly silica particles, a capping layer (19a) containing only silicon alkoxide or a mixed alkoxide of silicon alkoxide and aluminum alkoxide is formed to close holes (18c) formed in the surface. This makes it possible to prevent breakage of the core during potting.
Description
Gebietarea
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feingusskern, ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns, sowie ein Feingussformwerkzeug.The present invention relates to a precision casting core, a method for producing a investment casting core, and a precision casting tool.
Stand der TechnikState of the art
Als Feingussprodukt ist beispielsweise eine in einer Gasturbine verwendete Turbinenschaufel bekannt. In der Gasturbine wird ein Arbeitsfluid mittels eines Brenners erwärmt, um ein auf hoher Temperatur/auf hohem Druck befindliches Arbeitsfluid bereitzustellen, und das Arbeitsfluid versetzt die Turbine in Rotation. Dies bedeutet, dass das unter Verwendung eines Kompressors verdichtete Arbeitsfluid mittels des Brenners erwärmt wird, um die Energie des Arbeitsfluids zu erhöhen, die Turbine die Energie zurückgewinnt, um eine Rotationskraft zu erzeugen, und die Rotationskraft elektrische Energie erzeugt. Die Turbine ist mit einem Turbinenläufer versehen, und der Außenrandbereich des Turbinenläufers ist mit mindestens einer Gasturbinenschaufel versehen.As a precision cast product, for example, a turbine blade used in a gas turbine is known. In the gas turbine, a working fluid is heated by a burner to provide a high temperature / high pressure working fluid, and the working fluid rotates the turbine. That is, the working fluid compressed using a compressor is heated by the burner to increase the energy of the working fluid, the turbine recovers the energy to generate a rotational force, and the rotational force generates electrical energy. The turbine is provided with a turbine runner, and the outer edge region of the turbine runner is provided with at least one gas turbine blade.
Hierbei ist die Gasturbinenschaufel hohen Temperaturen ausgesetzt. Um die Gasturbinenschaufel zu kühlen, fließt als Gegenmaßnahme ein Kühlmedium durch die Gasturbinenschaufel. Zu diesem Zweck ist die Gasturbinenschaufel mit einer inneren Kühlstruktur versehen. Um die innere Kühlstruktur zu erzeugen, wird ein Kern bereitgestellt, welcher die gleiche Form wie ein das Kühlmedium führender Strömungskanal aufweist, und der Kern wird nach dem Gießen entfernt. Der Kern wird durch Auflösen in einer Alkalilösung (beispielsweise NaOH oder KOH) entfernt. Hierdurch wird beispielsweise die innere Kühlstruktur für die Turbinenschaufel erzeugt.Here, the gas turbine blade is exposed to high temperatures. To cool the gas turbine blade, a cooling medium flows through the gas turbine blade as a countermeasure. For this purpose, the gas turbine blade is provided with an internal cooling structure. To produce the inner cooling structure, a core is provided which has the same shape as a flow channel carrying the cooling medium, and the core is removed after casting. The core is removed by dissolution in an alkali solution (eg NaOH or KOH). As a result, for example, the inner cooling structure is generated for the turbine blade.
In der Vergangenheit wurde als Kern ein keramische Partikel beinhaltender Keramikkern verwendet (Patentliteratur 1).In the past, the core used was a ceramic particle-containing ceramic core (Patent Literature 1).
Ein Feingusskern kann hierbei durch Formen eines Siliziumdioxid-Materials, wie beispielsweise von geschmolzenem Siliziumdioxid (SiO2), mittels Spritzgießen oder Schlickergießen, sowie Wärmbehandeln desselben erhalten werden.An investment casting core may be obtained by molding a silica material such as molten silica (SiO 2 ) by injection molding or slip casting, and heat treating the same.
Das Spritzgussverfahren ist ein Verfahren, bei welchem durch Verkneten von Keramikpulver und Wachs, Einspritzen eines durch Erwärmen und Schmelzen des Wachses erhaltenen Materials in ein Metallformwerkzeug, sowie Kühlen und Aushärten des Materials ein Pressling erhalten wird.The injection molding method is a method in which a compact is obtained by kneading ceramic powder and wax, injecting a material obtained by heating and melting the wax into a metal mold, and cooling and curing the material.
Das Schlickergussverfahren stellt desweiteren ein Verfahren dar, bei welchem durch Mischen von Keramikpulver mit Wasser oder dergleichen Schlicker hergestellt wird, der Schlicker in ein Formwerkzeug, das aus einem eine Lösung absorbierenden Material wie beispielsweise Gips erzeugt worden ist, eingegossen wird, und der Schlicker getrocknet wird, um einen gewünschten Formkörper zu erhalten.The slip casting method further provides a method in which slurry is prepared by mixing ceramic powder with water or the like, the slurry is poured into a mold made of a solution absorbing material such as gypsum, and the slurry is dried to obtain a desired shaped body.
LiteraturlisteBibliography
Patentliteraturpatent literature
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Patentliteratur 1: offengelegte
japanische Patentveröffentlichung 6-340467 Japanese Patent Publication 6-340467
ZusammenfassungSummary
Technisches ProblemTechnical problem
Da der bestehende Kern hauptsächlich unter dem Aspekt der Alkalilöslichkeit hergestellt wird, ergibt sich im Übrigen das Problem, dass der Kern eine geringe Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Desweiteren wird beim Spritzgussverfahren eine Vielzahl von Löchern in der Oberfläche des Kerns ausgebildet, welcher im Anschluss an die Formgebung gesintert wird. Hierdurch ergibt sich das Problem einer geringen Festigkeit, weshalb der Kern ausgehend von den Löchern als Ursprungspunkten während des Gießens brechen kann.Incidentally, since the existing core is mainly made from the aspect of alkali solubility, there arises a problem that the core has low strength at high temperatures. Furthermore, in the injection molding process, a plurality of holes are formed in the surface of the core, which is sintered following the molding. This results in the problem of low strength, which is why the core may break from the holes as origin points during casting.
Dementsprechend bestand ein Bedürfnis hinsichtlich eines Feingusskerns mit verbesserter Festigkeit bei hohen Temperaturen.Accordingly, there has been a demand for an investment casting core having improved strength at high temperatures.
Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung vorstehend beschriebener Umstände gemacht und stellt sich die Aufgabe, einen Feingusskern mit verbesserter Festigkeit bei hohen Temperaturen, ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns, sowie ein Feingussformwerkzeug bereitzustellen.The invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and has as its object to provide an investment casting core with improved strength at high temperatures, a process for producing a investment casting core, and a precision casting mold.
Lösung des Problemsthe solution of the problem
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme wird ein Feingusskern bereitgestellt, welcher durch Ausbilden einer ein Alkoxidmaterial enthaltenden Alkoxiddeckschicht auf einer Oberfläche eines gesinterten, hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers erhalten wird.According to a first aspect of the invention for solving the above-described problems, there is provided an investment casting core which is obtained by forming an alkoxide-containing alkoxide coating layer on a surface of a sintered core casting containing mainly silica particles.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Feingusskern bereitgestellt, welcher durch Ausbilden einer ein Alkoxidmaterial und Siliziumdioxidstaub enthaltenden Alkoxid-Siliziumdioxidstaub-Deckschicht auf einer Oberfläche eines gesinterten, hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers erhalten wird.According to a second aspect, there is provided an investment casting core obtained by forming an alkoxide material and silica dust-containing alkoxide-silica dust cover layer on a surface of a sintered core casting containing mainly silica particles.
Gemäß einem dritten Aspekt wird in dem ersten oder zweiten Aspekt ein Feingusskern bereitgestellt, in welchem das Alkoxidmaterial einzig Siliziumalkoxid oder ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid umfasst. According to a third aspect, in the first or second aspect, there is provided an investment casting core in which the alkoxide material comprises only silicon alkoxide or a mixed alkoxide of silicon alkoxide and aluminum alkoxide.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein zur Herstellung eines Metallgusses verwendetes Feingussformwerkzeug bereitgestellt, welches den Feingusskern gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt in einer Form, die einem Hohlraum im Inneren des Metallgusses entspricht, sowie ein äußeres Formwerkzeug, das der Form der äußeren Begrenzungsoberfläche des Metallgusses entspricht, umfasst.According to a fourth aspect, there is provided a precision casting tool used to make a metal casting which has the investment casting core according to the first or second aspect in a shape corresponding to a cavity inside the metal casting, and an outside molding tool corresponding to the shape of the outer boundary surface of the casting metal , includes.
Gemäß einem fünften Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns bereitgestellt, welches das Eintauchen eines Sinterkörpers eines hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers in ein Alkoxidmaterial, das Trocknen des Sinterkörpers, sowie das Erwärmen des Sinterkörpers zur Ausbildung einer Deckschicht auf der Oberfläche des Feingusskernkörpers umfasst.According to a fifth aspect, there is provided a method of manufacturing an investment casting core comprising immersing a sintered body of a fine casting core body containing mainly silica particles in an alkoxide material, drying the sintered body, and heating the sintered body to form a cover layer on the surface of the investment casting core.
Gemäß einem sechsten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns bereitgestellt, welches das Eintauchen eines Sinterkörpers eines hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers in ein Alkoxid-Siliziumdioxidstaub-Material, das aus einem Alkoxidmaterial und Siliziumdioxidstaub besteht, das Trocknen des Sinterkörpers, sowie das Erwärmen des Sinterkörpers zur Ausbildung einer Deckschicht auf der Oberfläche des Feingusskernkörpers umfasst.According to a sixth aspect, there is provided a method of manufacturing a precision casting core which comprises immersing a sintered body of a fine casting core body containing mainly silica particles in an alkoxide-silica dust material consisting of an alkoxide material and silica dust, drying the sintered body, and heating the sintered body Sintered body for forming a cover layer on the surface of the investment casting core body comprises.
Gemäß einem siebten Aspekt wird in dem fünften oder sechsten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns bereitgestellt, in welchem das Alkoxidmaterial einzig Siliziumalkoxid oder ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid umfasst.According to a seventh aspect, in the fifth or sixth aspect, there is provided a method of manufacturing an investment casting core in which the alkoxide material comprises only silicon alkoxide or a mixed alkoxide of silicon alkoxide and aluminum alkoxide.
Gemäß einem achten Aspekt wird in dem dritten Aspekt Siliziumethoxid oder Siliziumbutoxid als Siliziumalkoxid verwendet.According to an eighth aspect, in the third aspect, silicon ethoxide or silicon butoxide is used as the silicon alkoxide.
Vorteilhafte Effekte der ErfindungAdvantageous Effects of the Invention
Da die Erfindung derart ausgestaltet ist, dass eine Deckschicht aus Alkoxidmaterial auf der Oberfläche des gesinterten Feingusskernkörpers ausgebildet wird, werden die in der Oberfläche während des Sinterns gebildeten Löcher verschlossen.Since the invention is designed such that a cover layer of alkoxide material is formed on the surface of the sintered investment casting core body, the holes formed in the surface during sintering are sealed.
Dementsprechend besteht ein Effekt darin, dass ein Brechen des Kerns während des Gießens vermieden wird, indem die Festigkeit des Kerns verbessert wird und die Löcher verschlossen werden.Accordingly, there is an effect that core breakage during casting is avoided by improving the strength of the core and closing the holes.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die nachfolgende Beschreibung beschränkt. Ferner können die nachfolgend zu beschreibenden Komponenten eine von einem Fachmann ohne Weiteres ableitbare Komponente, eine Komponente mit im Wesentlichen gleicher Ausgestaltung, sowie eine sogenannte äquivalente Komponente umfassen.In the following the invention will be described in more detail with reference to the drawings. Moreover, the invention is not limited to the following description. Furthermore, the components to be described below may comprise a component readily derivable by a person skilled in the art, a component having a substantially identical configuration, and a so-called equivalent component.
[Erste Ausführungsform]First Embodiment
Ein Feingusskern gemäß der Erfindung wird durch Ausbilden einer Deckschicht aus zwei Arten von Siliziumdioxid-Materialien mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern auf einer Oberfläche eines gesinterten, hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers (nachfolgend als ”Kernkörper” bezeichnet) erhalten.An investment casting core according to the invention is made by forming a covering layer of two Types of silica materials having different particle diameters on a surface of a sintered, mainly silica particles containing investment casting core body (hereinafter referred to as "core body") obtained.
Wie im oberen Teil der Querschnittsdarstellung des als Sinterkörper fungierenden Kernkörpers von
Wie im unteren Teil von
Der Kernkörper
Der Kernkörper
Durch Spritzgießen des erhaltenen Verbundkörpers wird ein Kernpressling erhalten.By injection molding of the obtained composite body, a core compact is obtained.
Der Kernkörper
Die Deckschicht
Das Alkoxidmaterial wird in der Deckschicht
Das Alkoxidmaterial umfasst hierbei einzig und allein Siliziumalkoxid, oder umfasst ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid.The alkoxide material herein comprises solely silicon alkoxide, or comprises a mixed alkoxide of silicon alkoxide and aluminum alkoxide.
Als Siliziumalkoxid wird Siliziumethoxid oder Siliziumbutoxid verwendet, und als Lösungsmittel wird Ethanol oder Butanol verwendet.As the silicon alkoxide, silicon ethoxide or silicon butoxide is used, and ethanol or butanol is used as the solvent.
Werden zwei Arten von Alkoxiden miteinander gemischt, so wird darüber hinaus ein durch Mischen von Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid erhaltenes gemischtes Alkoxidmaterial verwendet, wobei beispielsweise ein alkoholisches Lösungsmittel wie Butanol als Lösungsmittel eingesetzt wird.In addition, when two kinds of alkoxides are mixed together, a mixed alkoxide material obtained by mixing silicon alkoxide and aluminum alkoxide is used, for example, using an alcoholic solvent such as butanol as a solvent.
Wird ein gemischtes Alkoxid hergestellt, so wird ein aus Siliziumethoxid und Aluminiumisopropoxid bestehendes gemischtes Alkoxid in einer butanolischen Lösung gelöst.When a mixed alkoxide is prepared, a mixed alkoxide consisting of silicon ethoxide and aluminum isopropoxide is dissolved in a butanolic solution.
Das gemischte Alkoxid (Siliziumethoxid + Aluminiumisopropoxid) wird in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt, um auf diese Weise ein organisches gemischtes Alkoxid herzustellen.The mixed alkoxide (silicon ethoxide + aluminum isopropoxide) is mixed in a molar ratio of 2: 3 so as to produce an organic mixed alkoxide.
Die Probe des Kerns wird in das aus alleinigem Alkoxid oder gemischtem Alkoxid bestehende Erzeugnis getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um auf diese Weise eine Siliziumschicht oder Siliziumaluminiumalkoxidschicht auf der Oberfläche
Da sich das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid in einer alkoholischen Lösung beim Tauchen löst, dringen das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid problemlos in den Kernkörper ein, weshalb hierauf eine gute Deckschicht
Im Anschluss an den Trocknungsprozess wird eine Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C durchgeführt. Wenn die Oberfläche mit der Deckschicht
Im Falle eines gemischten Alkoxids wandelt sich die Siliziumaluminiumalkoxidschicht im Rahmen der Wärmebehandlung infolge einer Reaktion in anorganischen Mullit (3Al2O3 × 2SiO2) um, welcher einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, den Kern
Da der Schmelzpunkt von Mullit 1900°C beträgt und damit höher ist als der Schmelzpunkt von Siliziumdioxid (1600°C), können hierdurch hohe Gießtemperaturen gehandhabt werden.Since the melting point of mullite is 1900 ° C and is therefore higher than the melting point of silicon dioxide (1600 ° C), this high casting temperatures can be handled.
Da auf diese Weise die Vielzahl der in der Oberfläche ausgebildeten Löcher verschlossen wird, ist es erfindungsgemäß möglich, das im Stand der Technik beschriebene Problem zu vermeiden, wonach der Kern ausgehend von den Löchern als Ursprungspunkten während des Gießens bricht. Dementsprechend wird die Hochtemperaturfestigkeit des Feingusskerns verbessert.In this way, since the plurality of holes formed in the surface are closed, it is possible to avoid the problem described in the prior art, according to which the core breaks from the holes as origin points during casting. Accordingly, the high-temperature strength of the investment casting core is improved.
<Testbeispiel 1> <Test Example 1>
Zur Verifizierung des Effekts der Erfindung wird nachfolgend ein Testbeispiel beschrieben.To verify the effect of the invention, a test example will be described below.
In dem Testbeispiel wurde durch Hinzufügen von Wachs zu einem Gemisch, welches durch Mischen von Quarzmehl (800 Mesh) und Quarzsand (220 Mesh) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt worden war, sowie Erwärmen und Kneten des Gemischs zunächst ein Verbundkörper erhalten. Hierbei wurde ”MCF-2000” (Produktname), hergestellt von Tatsumori Ltd., als Quarzmehl verwendet, ”RD-120” (Produktname), hergestellt von Tatsumori Ltd., als Quarzsand verwendet, und ”Cerita Wax F30-75” (Produktname), hergestellt von Paramelt Co. Ltd., als Wachs verwendet.In the test example, a composite body was first obtained by adding wax to a mixture prepared by mixing quartz flour (800 mesh) and quartz sand (220 mesh) in a weight ratio of 1: 1, and heating and kneading the mixture. Here, "MCF-2000" (product name) manufactured by Tatsumori Ltd. was used as quartz flour, "RD-120" (product name) manufactured by Tatsumori Ltd. used as quartz sand, and "Cerita Wax F30-75" (product name ) manufactured by Paramelt Co. Ltd., used as wax.
Durch Spritzgießen des erhaltenen Verbundkörpers wurde ein Pressling erhalten.Injection molding of the obtained composite obtained a compact.
Als Testprobe wurde eine Probe mit einer Breite von 30 mm, einer Länge von 200 mm, und einer Dicke von 5 mm erhalten.As a test sample, a sample having a width of 30 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 5 mm was obtained.
Durch Ausführen einer Entfettungsbehandlung bei 600°C und einer Sinterbehandlung bei 1200°C wurde in der Folge eine Probe für einen Kernkörper erhalten.By carrying out a degreasing treatment at 600 ° C and a sintering treatment at 1200 ° C, a sample for a core body was subsequently obtained.
(Deckschicht 1)(Cover layer 1)
Im Anschluss daran wurde Siliziumethoxid in einer ethanolischen Lösung gelöst. Die Probe des Kernkörpers wurde in das erhaltene Siliziumethoxid getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um die aus Alkoxid erzeugte Deckschicht
(Deckschicht 2)(Cover layer 2)
Im Anschluss daran wurde ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumethoxid und Aluminiumisopropoxid in einer butanolischen Lösung gelöst. Das gemischte Alkoxid (Siliziumethoxid + Aluminiumisopropoxid) wurde hierbei in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt, um auf diese Weise ein organisches gemischtes Alkoxid herzustellen.Subsequently, a mixed alkoxide of silicon ethoxide and aluminum isopropoxide was dissolved in a butanolic solution. The mixed alkoxide (silicon ethoxide + aluminum isopropoxide) was mixed in a molar ratio of 2: 3 so as to prepare an organic mixed alkoxide.
Die Probe des Kernkörpers wurde in das erhaltene gemischte Alkoxid getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um die aus gemischtem Alkoxid erzeugte Deckschicht
Als Vergleichsbeispiel wurde ein Kernkörper ohne Deckschicht als Vergleichsprobe hergestellt.As a comparative example, a core body without a cover layer was prepared as a comparative sample.
Die Festigkeit jeder Testprobe wurde gemessen.The strength of each test sample was measured.
Der Festigkeitstest wurde hierbei auf Basis von ”Biegefestigkeit von keramischen Massen (1981)” gemäß JIS R 1601 durchgeführt.The strength test was conducted on the basis of "Bending strength of ceramic compositions (1981)" in accordance with JIS R 1601.
Die Festigkeit der Vergleichsprobe ohne Deckschicht gemäß dem herkömmlichen Verfahren betrug 20 MPa, wohingegen die Festigkeit der Probe 1 mit der als Siliziumdioxid-Deckschicht ausgebildeten Deckschicht 1 für den Kernkörper gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren 22 MPa betrug. Infolgedessen wurde festgestellt, dass die Festigkeit in der Probe des Kernkörpers der Erfindung um 10% erhöht war.The strength of the comparative sample without the overcoat layer according to the conventional method was 20 MPa, whereas the strength of the
Ferner betrug die Festigkeit der Probe 2 mit der als Siliziumdioxid-Deckschicht ausgebildeten Deckschicht 2 für den Kernkörper gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren 24 MPa. Infolgedessen wurde festgestellt, dass die Festigkeit in der Probe des Kernkörpers der Erfindung um 20% erhöht war.Further, the strength of Sample 2 having the silica core cap layer 2 for the core body according to the method of the present invention was 24 MPa. As a result, it was found that the strength in the sample of the core body of the invention was increased by 20%.
Da gemäß Probe 2 der Erfindung die Hochtemperaturbeständigkeit des Kerns aufgrund des Mullits verbessert wird, ist es möglich, ein Formwerkzeug bereitzustellen, welches selbst dann keiner Verformung unterliegt, wenn das Formwerkzeug für einen langen Zeitraum einer hohen Temperatur (beispielsweise 1550°C) ausgesetzt wird, beispielsweise wenn eine einseitig verfestigte Turbinenschaufel hergestellt wird.According to sample 2 of the invention, since the high-temperature resistance of the core due to the mullite is improved, it is possible to provide a molding tool which does not undergo deformation even when the molding tool is exposed to a high temperature (for example, 1550 ° C.) for a long period of time. For example, when a one-side solidified turbine blade is made.
Nachfolgend wird ein Gießverfahren beschrieben, welches ein Formwerkzeug mit einem darin angeordneten Feingusskern der Erfindung nutzt.Hereinafter, a casting method will be described, which uses a molding tool with an investment casting core of the invention arranged therein.
Unter Bezugnahme auf die
In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs wird ein Kern hergestellt (Schritt S12). Der Kern weist eine Form auf, welche dem Hohlraum im Inneren des unter Verwendung des Formwerkzeugs hergestellten Metallgusses entspricht. Da der Kern in einem Bereich angeordnet ist, welcher dem Hohlraum im Inneren des Metallgusses entspricht, ist es somit möglich, ein Einfließen des als Gussmetall fungierenden Metalls während des Gießens zu verhindern. Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung eines Kerns unter Bezugnahme auf
Um eine Deckschicht auf der Oberfläche des Kerns
In dem Verfahren zum Gießen eines Formwerkzeugs wird der mit der Deckschicht
Im Anschluss an die Herstellung des Kerns
Im Anschluss an die Herstellung des äußeren Metallformwerkzeugs wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs ein Wachsmodell (ein Wachsformwerkzeug) hergestellt (Schritt S16). Nachfolgend wird dieses Verfahren unter Bezugnahme auf
Im Anschluss an die Herstellung des Wachsmodells
Der in Schritt S18 aufgebrachte Schlicker ist hierbei ein Schlicker, welcher direkt auf das Wachsmodell
Wie in
Es wird bestimmt, ob der zur Ausbildung der ersten Unterstützungsschicht (des zweiten getrockneten Films)
Im Anschluss an die Herstellung eines mit einer Vielzahl von Schichten bestehend aus der Primärschicht
Da das geschmolzene Wachs
Das Gießverfahren wird unter Bezugnahme auf die
Im Anschluss an die Vorerwärmung des Formwerkzeugs wird in dem Gießverfahren das Vergießen durchgeführt (Schritt S3). Wie in Schritt S140 von
Im Anschluss an die Verfestigung des in das Formwerkzeug
Im Anschluss an die Abtrennung des äußeren Formwerkzeugs
Im Anschluss an die Durchführung des Kernentfernungsprozesses wird in dem Gießverfahren eine Nachbehandlung durchgeführt (Schritt S6). Dies bedeutet, dass eine Nachbehandlung der Oberfläche oder des Inneren des Metallgusses
In dem Gießverfahren der Ausführungsform wird der Metallguss durch Herstellung des Formwerkzeugs mittels des vorstehend beschriebenen Wachsausschmelzgießverfahrens unter Verwendung eines Wachses hergestellt. In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs, dem Gießverfahren, sowie dem Formwerkzeug der Ausführungsform ist das als Außenbereich des Formwerkzeugs fungierende äußere Formwerkzeug hierbei als mehrlagige Struktur ausgebildet, in welcher die Primärschicht (der als Primärschicht fungierende erste getrocknete Film)
Da in dem Gießverfahren der Ausführungsform die Deckschicht auf der Oberfläche des Kerns ausgebildet wird, verbessert sich die Maßgenauigkeit, und verbessert sich somit selbst bei hohen Gießtemperaturen die Haltbarkeit.In the molding method of the embodiment, since the cover layer is formed on the surface of the core, the dimensional accuracy improves, thus improving the durability even at high molding temperatures.
Da ein Kern mit hoher Festigkeit bereitgestellt wird, erhöht sich darüber hinaus selbst bei langer Dauer des Gießprozesses die Freiheit hinsichtlich der Ausgestaltung des Vergießens (beispielsweise eine geringe Herabziehgeschwindigkeit oder dergleichen).Moreover, since a core having high strength is provided, the freedom of potting design (for example, a low pull-down speed or the like) increases even with a long casting time.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Feingussprodukt wie beispielsweise eine Turbinenschaufel bereitzustellen, welche dünn ist und einen guten thermischen Wirkungsgrad aufweist.Moreover, it is possible to provide a precision cast product, such as a turbine blade, which is thin and has good thermal efficiency.
Als Feingussprodukte gemäß der Erfindung können neben der Gasturbinenschaufel beispielhaft eine Gasturbinenleitschaufel, eine Gasturbinenbrennkammer, ein Gasturbinenspaltring, oder dergleichen genannt werden.As the investment casting product according to the invention, besides the gas turbine blade, there may be exemplified a gas turbine nozzle, a gas turbine combustor, a gas turbine pipe ring, or the like.
[Zweite Ausführungsform]Second Embodiment
Da die Ausführungsform die gleiche Ausgestaltung wie der Feingusskern der ersten Ausführungsform besitzt, erfolgt eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen (
Ein Feingusskern gemäß der Erfindung wird durch Ausbilden einer Deckschicht aus zwei Arten von Siliziumdioxid-Materialien mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern auf einer Oberfläche eines gesinterten, hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers (nachfolgend als ”Kernkörper” bezeichnet) erhalten.An investment casting core according to the invention is obtained by forming a covering layer of two kinds of silica materials having different particle diameters on a surface of a sintered main casting core body mainly containing silica particles (hereinafter referred to as "core body").
Wie im oberen Teil der Querschnittsdarstellung des als Sinterkörper fungierenden Kernkörpers von
Wie im unteren Teil von
Der Kernkörper
Der Kernkörper wird mittels eines bekannten Verfahrens hergestellt, wobei Wachs einem durch Mischen von Siliziumdioxid-Partikeln, wie beispielsweise von Quarzmehl (beispielsweise 800 Mesh (10 bis 20 μm)) und Quarzsand (beispielsweise 220 Mesh (20 bis 70 μm)) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1, hergestellten Gemisch hinzugefügt, erwärmt und verknetet wird, um auf diese Weise einen Verbundkörper zu erhalten.The core body is produced by a known method wherein wax is mixed by mixing silica particles such as quartz flour (for example, 800 mesh (10 to 20 μm)) and quartz sand (for example, 220 mesh (20 to 70 μm)) in a weight ratio 1: 1 mixture is added, heated and kneaded to obtain a composite body in this way.
Durch Spritzgießen des erhaltenen Verbundkörpers wird ein Kernpressling erhalten.By injection molding of the obtained composite body, a core compact is obtained.
Der Kernkörper
Die Deckschicht
Die Deckschicht
Das Alkoxidmaterial umfasst hierbei einzig und allein Siliziumalkoxid, oder umfasst ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid.The alkoxide material herein comprises solely silicon alkoxide, or comprises a mixed alkoxide of silicon alkoxide and aluminum alkoxide.
In anorganischem Siliziumdioxidstaub wird beispielsweise ein kugelförmiges Material mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm verwendet.In inorganic silica dust, for example, a spherical material having a particle diameter of 0.15 μm is used.
Hierbei ist es wünschenswert, dass der Siliziumdioxidstaub einen Partikeldurchmesser von 0.05 bis 0.5 μm aufweist.Here, it is desirable that the silica dust has a particle diameter of 0.05 to 0.5 μm.
Der Dispersionsanteil an Siliziumdioxidstaub wird auf 5 bis 40 Gew.-% eingestellt, und beträgt annähernd etwa 20 Gew.-%.The dispersion content of silica dust is adjusted to 5 to 40% by weight, and is approximately 20% by weight.
Als Siliziumalkoxid wird Siliziumethoxid oder Siliziumbutoxid verwendet, und als Lösungsmittel wird Ethanol oder Butanol verwendet.As the silicon alkoxide, silicon ethoxide or silicon butoxide is used, and ethanol or butanol is used as the solvent.
Werden zwei Arten von Alkoxiden miteinander gemischt, so wird ein durch Mischen von Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid erhaltenes gemischtes Alkoxidmaterial verwendet, wobei beispielsweise ein alkoholisches Lösungsmittel wie Butanol als Lösungsmittel eingesetzt wird.When two kinds of alkoxides are mixed together, a mixed alkoxide material obtained by mixing silicon alkoxide and aluminum alkoxide is used, for example, using an alcoholic solvent such as butanol as a solvent.
Wird ein gemischtes Alkoxid hergestellt, so wird ein aus Siliziumethoxid und Aluminiumisopropoxid bestehendes gemischtes Alkoxid in einer butanolischen Lösung gelöst.When a mixed alkoxide is produced, one of silicon ethoxide and Aluminum isopropoxide existing mixed alkoxide dissolved in a butanolic solution.
Das gemischte Alkoxid (Siliziumethoxid + Aluminiumisopropoxid) wird hierbei in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt, um auf diese Weise ein organisches gemischtes Alkoxid herzustellen.The mixed alkoxide (silicon ethoxide + aluminum isopropoxide) is mixed in a molar ratio of 2: 3 to thereby produce an organic mixed alkoxide.
Die Probe des Kerns wird in das aus alleinigem Alkoxid oder gemischtem Alkoxid und darin dispergiertem Siliziumdioxidstaub bestehende Erzeugnis getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um auf diese Weise eine Siliziumdioxidstaub enthaltende Siliziumschicht oder Siliziumaluminiumalkoxidschicht auf der Oberfläche
Da sich das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid in einer alkoholischen Lösung beim Tauchen löst, dringen das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid problemlos in den Kernkörper ein, weshalb hierauf eine gute Deckschicht
Im Anschluss an den Trocknungsprozess wird beispielsweise eine Wärmebehandlung bei 1000°C durchgeführt. Wenn die Oberfläche mit der Deckschicht
Im Anschluss an den Trocknungsprozess hat eine Ablagerung der Alkoxid- und Siliziumdioxidstaubkomponenten selbst in dem Loch
Da in der Alkoxidschicht aufgrund der Wärmebehandlung bei 1000°C ein anorganisches keramisches Material erzeugt wird, werden Lücken in der eine große Partikelgröße aufweisenden Siliziumdioxidstaubschicht mittels einer dichten Keramikschicht befüllt, weshalb sich die Haftfestigkeit zwischen den Partikeln verbessert.Since an inorganic ceramic material is generated in the alkoxide layer due to the heat treatment at 1000 ° C., voids in the large particle size silica dust layer are filled by means of a dense ceramic layer, and therefore, the adhesion strength between the particles improves.
Im Falle eines gemischten Alkoxids wandelt sich die Siliziumdioxidstaub enthaltende Siliziumaluminiumalkoxidschicht im Rahmen der Wärmebehandlung infolge einer Reaktion in anorganischen Mullit (3Al2O3 × 2SiO2) um, welcher einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Da die Lücken in der eine große Partikelgröße aufweisenden Siliziumdioxidstaubschicht mit einer dichten Mullitschicht befüllt sind, ist es möglich, den Kern
Da der Schmelzpunkt von Mullit 1900°C beträgt und damit höher ist als der Schmelzpunkt von Siliziumdioxid (1600°C), können hierdurch hohe Gießtemperaturen gehandhabt werden.Since the melting point of mullite is 1900 ° C and is therefore higher than the melting point of silicon dioxide (1600 ° C), this high casting temperatures can be handled.
Da auf diese Weise die Vielzahl der in der Oberfläche ausgebildeten Löcher verschlossen wird, ist es erfindungsgemäß möglich, das im Stand der Technik beschriebene Problem zu vermeiden, wonach der Kern ausgehend von den Löchern als Ursprungspunkten während des Gießens bricht. Dementsprechend wird die Hochtemperaturfestigkeit des Feingusskerns verbessert.In this way, since the plurality of holes formed in the surface are closed, it is possible to avoid the problem described in the prior art, according to which the core breaks from the holes as origin points during casting. Accordingly, the high-temperature strength of the investment casting core is improved.
Da Siliziumdioxidstaub eine große Partikelgröße aufweist, ist darüber hinaus selbst eine Wärmebehandlung bei 1000°C mit einer geringen Wärmeschrumpfung verbunden.Moreover, since silica dust has a large particle size, even a heat treatment at 1000 ° C. is associated with a low heat shrinkage.
<Testbeispiel 2><Test Example 2>
Zur Verifizierung des Effekts der Erfindung wird nachfolgend ein Testbeispiel beschrieben.To verify the effect of the invention, a test example will be described below.
In dem Testbeispiel wurde durch Hinzufügen von Wachs zu einem Gemisch, welches durch Mischen von Quarzmehl (800 Mesh) und Quarzsand (220 Mesh) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt worden war, sowie Erwärmen und Kneten des Gemischs zunächst ein Verbundkörper erhalten. Hierbei wurde ”MCF-200C” (Produktname), hergestellt von Tatsumori Ltd., als Quarzmehl verwendet, ”RD-120” (Produktname), hergestellt von Tatsumori Ltd., als Quarzsand verwendet, und ”Cerita Wax F30-75” (Produktname), hergestellt von Paramelt Co. Ltd., als Wachs verwendet.In the test example, a composite body was first obtained by adding wax to a mixture prepared by mixing quartz flour (800 mesh) and quartz sand (220 mesh) in a weight ratio of 1: 1, and heating and kneading the mixture. Herein, "MCF-200C" (product name) manufactured by Tatsumori Ltd. was used as quartz flour, "RD-120" (product name) manufactured by Tatsumori Ltd. used as quartz sand, and "Cerita Wax F30-75" (product name ) manufactured by Paramelt Co. Ltd., used as wax.
Durch Spritzgießen des erhaltenen Verbundkörpers wurde ein Pressling erhalten.Injection molding of the obtained composite obtained a compact.
Als Testprobe wurde eine Probe mit einer Breite von 30 mm, einer Länge von 200 mm, und einer Dicke von 5 mm erhalten.As a test sample, a sample having a width of 30 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 5 mm was obtained.
Durch Ausführen einer Entfettungsbehandlung bei 600°C und einer Sinterbehandlung bei 1200°C wurde in der Folge eine Probe für einen Kernkörper erhalten.By carrying out a degreasing treatment at 600 ° C and a sintering treatment at 1200 ° C, a sample for a core body was subsequently obtained.
(Deckschicht 3)(Cover layer 3)
Im Anschluss daran wurde Siliziumethoxid in einer ethanolischen Lösung gelöst. 20 Gew.-% Siliziumdioxidstaub (beispielsweise mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm; kugelförmiges Material) wurden mit dem erzeugten Siliziumethoxid gemischt, um auf diese Weise einen Siliziumethoxid-Schlicker im Gemisch mit Siliziumdioxidstaub zu erhalten.Subsequently, silicon ethoxide was dissolved in an ethanolic solution. 20% by weight of silica dust (for example having a particle diameter of 0.15 μm, spherical material) was mixed with the silicon ethoxide produced, to obtain in this way a silicon ethoxide slurry in admixture with silica dust.
Die Probe des Kernkörpers wurde in das aus dem Siliziumethoxid-Schlicker und Siliziumdioxidstaub bestehende Gemisch getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um die aus Alkoxid und dem darin enthaltenen Siliziumdioxidstaub erzeugte Deckschicht
(Deckschicht 4)(Cover layer 4)
Im Anschluss daran wurde ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumethoxid und Aluminiumisopropoxid in einer butanolischen Lösung gelöst. Das gemischte Alkoxid (Siliziumethoxid + Aluminiumisopropoxid) wurde hierbei in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt, um auf diese Weise ein organisches gemischtes Alkoxid herzustellen.Subsequently, a mixed alkoxide of silicon ethoxide and aluminum isopropoxide was dissolved in a butanolic solution. The mixed alkoxide (silicon ethoxide + aluminum isopropoxide) was mixed in a molar ratio of 2: 3 so as to prepare an organic mixed alkoxide.
20 Gew.-% Siliziumdioxidstaub (beispielsweise mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm; kugelförmiges Material) wurden mit dem erhaltenen gemischten Alkoxid gemischt, um auf diese Weise einen Schlicker des gemischten Alkoxids im Gemisch mit Siliziumdioxidstaub zu erhalten.20% by weight of silica dust (for example, having a particle diameter of 0.15 μm, spherical material) was mixed with the obtained mixed alkoxide so as to obtain a slurry of the mixed alkoxide in admixture with silica dust.
Die Probe des Kernkörpers wurde in das aus dem Schlicker des gemischten Alkoxids und Siliziumdioxidstaub bestehende Gemisch getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um die aus gemischtem Alkoxid erzeugte Deckschicht
Als Vergleichsbeispiel wurde ein Kernkörper ohne Deckschicht als Vergleichsprobe hergestellt.As a comparative example, a core body without a cover layer was prepared as a comparative sample.
Die Festigkeit jeder Testprobe wurde gemessen.The strength of each test sample was measured.
Der Festigkeitstest wurde hierbei auf Basis von ”Biegefestigkeit von keramischen Massen (1981)” gemäß JIS R 1601 durchgeführt.The strength test was conducted on the basis of "Bending strength of ceramic compositions (1981)" in accordance with JIS R 1601.
Die Festigkeit der Vergleichsprobe ohne Deckschicht gemäß dem herkömmlichen Verfahren betrug 20 MPa, wohingegen die Festigkeit der Probe 3 mit der als Siliziumdioxid-Deckschicht ausgebildeten Deckschicht
Ferner betrug die Festigkeit der Probe 4 mit der als Siliziumdioxid-Deckschicht ausgebildeten Deckschicht 4 für den Kernkörper gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren 25 MPa. Infolgedessen wurde festgestellt, dass die Festigkeit in der Probe des Kernkörpers der Erfindung um 25% erhöht war.Further, the strength of the sample 4 having the silica core cap layer 4 for the core body according to the method of the present invention was 25 MPa. As a result, it was found that the strength in the sample of the core body of the invention was increased by 25%.
Da gemäß Probe 4 der Erfindung die Hochtemperaturbeständigkeit des Kerns aufgrund des Mullits verbessert wird, ist es möglich, ein Formwerkzeug bereitzustellen, welches selbst dann keiner Verformung unterliegt, wenn das Formwerkzeug für einen langen Zeitraum einer hohen Temperatur (beispielsweise 1550°C) ausgesetzt wird, beispielsweise wenn eine einseitig verfestigte Turbinenschaufel hergestellt wird.According to the sample 4 of the invention, since the high temperature resistance of the core due to the mullite is improved, it is possible to provide a molding tool which does not undergo deformation even if the molding tool is exposed to a high temperature (for example, 1550 ° C.) for a long period of time, For example, when a one-side solidified turbine blade is made.
Das Gießverfahren, welches das mit dem Feingusskern der Ausführungsform versehene Formwerkzeug nutzt, weist mit Ausnahme der Tatsache, dass anstelle des ”Alkoxidmaterials”, welches in dem Verfahren der ersten Ausführungsform als Material des keramischen Schlickers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 12, 22a, 22b12, 22a, 22b
- MetallformwerkzeugMetal mold
- 12a12a
- Konvexer BereichConvex area
- 14, 2614, 26
- Pfeilarrow
- 1616
- Keramischer SchlickerCeramic slip
- 1818
- Kerncore
- 18a18a
- Kernkörpercore body
- 18b18b
- Oberflächesurface
- 18c18c
- Lochhole
- 1919
- SchlickerSchlicker
- 19a19a
- Deckschichttopcoat
- 20, 7020, 70
- Verbrennungsofenincinerator
- 24, 6424, 64
- Zwischenraumgap
- 2828
- Wachswax
- 3030
- Wachsmodellwax model
- 3232
- Gießtrichtersprue
- 4040
- SchlickerSchlicker
- 60, 9260, 92
- Autoklavautoclave
- 6161
- äußeres Formwerkzeugouter mold
- 61a61a
- Fragmentfragment
- 6262
- geschmolzenes Wachsmelted wax
- 7272
- Formwerkzeugmold
- 8080
- geschmolzenes Metallmolten metal
- 90, 10090, 100
- Metallgussmetal casting
- 9494
- geschmolzener Kernmelted core
- 101A101A
- Primärschichtprimary layer
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