DE112015001193B4

DE112015001193B4 - Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, Formwerkzeug, und Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs

Info

Publication number: DE112015001193B4
Application number: DE112015001193.5T
Authority: DE
Inventors: Hidetaka Oguma; Kazutaka Mori; Ichiro Nagano; Masato Shida; Ikuo Okada; Ryota Okimoto; Yoshitaka Uemura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: CN105899309B; CN105899309A; KR101885445B1; JP6315377B2; JP2015171724A; US20160354836A1; US10259034B2; KR20160107250A; WO2015137212A1; DE112015001193T5

Abstract

Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, umfassend:ein Siliziumdioxid-Sol als Dispersionsmedium; undein Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, welches in dem Siliziumdioxid-Sol dispergiert ist,wobei das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid bei einer Temperatur von etwa 1200°C oder mehr destabilisiert werden und in Niobdioxid und Zirkoniumdioxid zerfallen kann,und wobei die Kristallstruktur des abgesonderten Zirkoniumdioxids unterhalb der Temperatur, bei welcher die Destabilisierung des Niobdioxid-stabilisierten Zirkoniumdioxids erfolgt, variiert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, ein Formwerkzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs.
Es wird die Priorität der am 12. März 2014 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-049226 beansprucht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme als eingebunden gilt.
Stand der Technik
Was ein Formwerkzeug zum Gießen eines Metalls, einer Legierung, oder dergleichen betrifft, so können Fälle auftreten, in welchen die Festigkeit des Formwerkzeugs beim Entnehmen eines Gießkörpers zu hoch ist, und es können sich Schwierigkeiten bei der Abtrennung des Formwerkzeugs ergeben. Wenn der Gießkörper aus dem Formwerkzeug entnommen wird, besteht die Möglichkeit, dass das Formwerkzeug durch die Stoßwirkung eines Hammers, von Strahlsand, von Stahlschrot, oder dergleichen zerstört wird. Folglich besteht die Möglichkeit, dass dem Gießkörper aufgrund der Stoßwirkung, welche durch die Zerstörung des Formwerkzeugs verursacht wird, Schäden zugefügt und schadhafte Stellen erzeugt werden.
Als Formwerkzeug ist ein Formwerkzeug bekannt, welches durch Mischen von Zirkon, Aluminiumoxid, oder dergleichen mit einem Siliziumdioxid-Sol sowie Brennen des Gemisches gebildet wird. Im Allgemeinen zieht sich ein derartiges Formwerkzeug bei Temperaturabnahme mit geringerer Wahrscheinlichkeit zusammen, und sein Längenausdehnungskoeffizient besitzt einen Wert, welcher sich von jenem eines für den Gießkörper geeigneten Metalls um eine Größenordnung unterscheidet. Folglich wirkt im Falle einer Kühlung des Gießkörpers infolge Kontraktion eine Zugspannung auf den Gießkörper ein, und es besteht die Möglichkeit, dass schadhafte Stellen, wie beispielsweise Risse, in dem Gießkörper erzeugt werden.
In PTL 1 wird eine Technik vorgeschlagen, welche das Ausbilden eines Formwerkzeugs unter Einsatz eines 10 Gew.-% oder mehr an Zirkoniumdioxid enthaltenden Materials vorsieht. In der in PTL 1 beschriebenen Technik nutzt man die Eigenschaft von Zirkoniumdioxid, die Kristallstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur zu wechseln. Dies bedeutet, dass bei Verwendung eines Formwerkzeugs, dessen Temperatur sich durch Eingießen von geschmolzenem Metall erhöht, unzählige feine Risse in dem Formwerkzeug erzeugt werden, was dazu führt, dass das Formwerkzeug von selbst zerfällt.
Literaturliste
Patentliteratur
[PTL 1] Ungeprüfte Japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichungsnummer H6-015404
Das auch als DE 601 11 836 T2 veröffentlichte Patent EP 1 272 296 B1 offenbart die Herstellung einer feuerfesten Aufschlämmung durch Mischen eines Bindemittels, eines feuerfesten Materials und einer Menge wasserunlöslicher organischer Fasern und das Aufbringen einer oder mehrerer Schichten dieser Aufschlämmung auf ein Verbrauchsmodell, um eine Schale aufzubauen. Es hat sich herausgestellt, dass jede Schicht des so gebildeten Schlamms überraschend dick ist und dass für jede Schicht eine relativ kurze Trocknungszeit erforderlich ist, so dass eine Schale von gewünschter Dicke in einer kleinen Anzahl von „Tauchzyklen“ schnell aufgebaut werden kann.
Außerdem wird in der DE 10 2004 014 573.3 ein Verfahren zur Herstellung einer Muffel für den Fein- oder Modellguss und ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen, keramischen oder glaskeramischen Guss- oder Pressobjekts und Kits zur Herstellung eines solchen Objekts beschrieben, mit den Schritten: Bereitstellen einer Modellation, Herstellen einer Einbettmasse, umfassend eine Mischung aus: a) einem Dispersionsmittel, b) einem Keramikpuler mit (i) einer Fraktion mit einem Durchmesser von unter 500 nm (Nano-Keramikpulverfraktion) mit einem Anteil von 2-74 Vol-%, bezogen auf das Volumen der gesamten Mischung, und (ii) einer Fraktion mit einem Durchmesser von über 500 nm (Mikro-Keramikpulverfraktion) mit einem Anteil von 2-74 Vol.-%, bezogen auf das Volumen der gesamten Mischung, c) gegebenenfalls einem Metallpulver, bestehend aus Metallen und/oder Legierungen und/oder intermetallischen Verbindungen, d) gegebenenfalls anorganischem oder organischem Bindemittel, Ein- oder Überbetten der Modellation mit der Einbettmasse, Verfestigen der die Modellation ein- oder überbettenden Einbettmasse, während des und/oder nach dem Verfestigen Trocknen der die Modellation ein- oder überbettenden Einbettmasse durch Entfernen des Dispersionsmittels und gegebenenfalls anderer flüchtiger Bestandteile, Entfernen der Modellation aus der getrockneten Einbettmasse und Erhitzen der getrockneten Einbettmasse, so dass eine Muffel für den für den Fein- oder Modellguss resultiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Allerdings wechselt die Kristallstruktur des vorstehend erwähnten Zirkoniumdioxids bei einer Temperatur von etwa 1100°C beispielsweise von orthorhombisch zu tetragonal, was zu einer Volumenänderung führt. Folglich tritt im Rahmen eines Verfahrens, welches das Eingießen von geschmolzenem Metall in das Formwerkzeug vorsieht, eine Volumenänderung des Formwerkzeugs auf, und es besteht die Möglichkeit, dass die Durchführung von Feingüssen Schwierigkeiten bereitet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, ein Formwerkzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs bereitzustellen, welche/welches die stabile Ausformung eines Gießkörpers ermöglicht und in welcher/welchem das Formwerkzeug auf einfache Weise und von selbst zerfällt.
Lösung des Problems
Erfindungsgemäß wird die Aufgae durch eine Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs nach Anspruch 1, ein Formwerkzeug nach Anspruch 3 und ein Verfahren zur Herstellung des Formwerkzeugs nach Anspruch 4 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, das Formwerkzeug, sowie das Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs ermöglicht die stabile Ausformung eines Gießkörpers, und das Formwerkzeug kann auf einfache Weise und von selbst zerfallen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Schnittansicht, welche eine Aufschlämmung sowie Stuck in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, ein Formwerkzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs (nachfolgend lediglich als Aufschlämmung bezeichnet) gemäß der Ausführungsform umfasst ein als Dispersionsmedium fungierendes Siliziumdioxid-Sol, sowie Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (NbO₂·ZrO₂), welches in dem Siliziumdioxid-Sol dispergiert ist. Das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid ist in dem als Dispersionsmedium fungierenden Siliziumdioxid-Sol dispergiert, wodurch sich die Aufschlämmung bildet. Das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid befindet sich bei einer Temperatur von bis zu etwa 1100°C in einem stabilen Zustand, in welchem sich die Kristallstruktur des Niobdioxid-stabilisierten Zirkoniumdioxids nicht ändert. Werden andererseits etwa 1200°C erreicht, so destabilisiert sich das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid und zerfällt in Niobdioxid und Zirkoniumdioxid. Der Kristall des abgesonderten Zirkoniumdioxids erfährt, wie allgemeines Zirkoniumdioxid, eine von der Temperatur abhängige Strukturänderung. Dies bedeutet, dass die Kristallstruktur von Zirkoniumdioxid bei hoher Temperatur (beispielsweise bei einer Temperatur von über 1000°C) eine tetragonale Phase aufweist, und bei niedriger Temperatur (beispielsweise bei einer Temperatur von 1000°C oder weniger) eine orthorhombische Phase aufweist.
Ein Benetzungsverbesserungsmittel, ein Entschäumungsmittel, und dergleichen können der Aufschlämmung ebenfalls hinzugefügt werden.
Das Benetzungsverbesserungsmittel kann zugesetzt werden, um die Benetzbarkeit der Aufschlämmung für eine Wachsform zu verbessern. Als Benetzungsverbesserungsmittel kann beispielsweise Victor Wet 12 (eingetragene Marke, hergestellt von Freeman (Japan) Co., Ltd.), oder dergleichen verwendet werden. Bei Victor Wet 12 handelt es sich um ein Tensid, welches während der Herstellung eines Formwerkzeugs, wie etwa beim Feingießen, zugesetzt wird.
Das Entschäumungsmittel kann zugesetzt werden, um die Bildung von Schaum in der Aufschlämmung zu verhindern. Als Entschäumungsmittel kann beispielsweise ANTIFOAM 1410 (hergestellt von Dow Corning Corporation), oder dergleichen verwendet werden.
1 ist eine Schnittansicht, welche die Aufschlämmung sowie Stuck gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst ein Formwerkzeug 1 in dieser Ausführungsform eine Primärschicht 3 und eine Stützschicht 4, welche auf eine Oberfläche 2a einer Wachsform 2 auflaminiert sind. Die Primärschicht 3 und die Stützschicht 4 werden dadurch erzeugt, dass eine aus der Aufschlämmung gebildete Schicht von Niobdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid 5 und eine aus Partikeln eines wärmebeständigen Materials gebildete Stuckschicht 6 (nachfolgend lediglich als Stuck bezeichnet) abwechselnd auflaminiert werden.
Die Primärschicht 3 bezeichnet eine bis zwei Schichten des aus der Schicht von Niobdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid 5 und der Stuckschicht 6 gebildeten Laminats, ausgehend von der Innenseite des Formwerkzeugs 1. Da es sich bei der Primärschicht 3 um eine Schicht handelt, welche mit einem Gießkörper in Kontakt tritt, ist es bevorzugt, dass die Primärschicht 3 aus feinen, mit dem Gießkörper nicht reagierenden Partikeln gebildet wird.
Bei der Stützschicht 4 handelt es sich um eine Schicht, welche in erster Linie der Festigkeit des Formwerkzeugs dient. Die Stützschicht 4 ist auf der Außenseite der Primärschicht 3 angeordnet. Die Stützschicht 4 wird mit einer Dicke ausgebildet, welche einer benötigten Festigkeit entspricht.
Die Stuckschicht 6 wird aus Partikeln 7 eines feuerfesten Materials gebildet, welche an eine Oberfläche 5a der Schicht von Niobdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid 5 haften. Beispiele für Partikel 7 des feuerfesten Materials umfassen grobkörnige, als Stuck bezeichnete Partikel (mit einer Partikelgröße von 0.2 mm bis 1.0 mm), wie etwa Mullit oder Aluminiumoxid.
(Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs)
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs gemäß der Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
2 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs gemäß der Ausführungsform wird durch Spritzgießen oder dergleichen vorab die Wachsform 2 erzeugt. Im Einzelnen wird dabei zunächst Wachs in ein Formwerkzeug eingegossen, in welchem ein Kernmaterial verborgen ist. Als nächstes wird das Formwerkzeug entfernt und ein Wachsformteil, in welchem die Außenseite des Kernmaterials mit dem Wachs überzogen ist, aus dem Formwerkzeug entnommen. Anschließend werden ein Einguss und ein Anschnitt für das Formen von Wachs an das Wachsformteil angebracht, wodurch die Wachsform 2 erhalten wird.
Wie in 2 dargestellt ist, werden im Rahmen eines Aufschlämmungsherstellungsprozesses zunächst Partikel von Niobdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid in einem als Dispersionsmedium fungierenden Siliziumdioxid-Sol dispergiert, so dass eine Aufschlämmung erzeugt wird (Schritt S01) .
Als nächstes wird die Wachsform 2 im Rahmen eines Aufschlämmungsschichtausbildungsprozesses in die Aufschlämmung eingetaucht und anschließend derart wieder herausgezogen, dass sich auf der Oberfläche 2a der Wachsform 2 eine Aufschlämmungsschicht bildet (Schritt S02).
Ferner werden die Partikel 7 des feuerfesten Materials im Rahmen eines Stuckschichtausbildungsprozesses derart über die Oberfläche der Aufschlämmungsschicht gestreut, dass sich die Stuckschicht 6 bildet (Schritt S03). Da das feuerfeste Material hervorragende Wasserabsorptionseigenschaften aufweist, wird in der Aufschlämmungsschicht enthaltene Feuchtigkeit absorbiert, wobei die Aufschlämmungsschicht in einen halbtrockenen Zustand überführt wird.
Anschließend wird die Wachsform 2, auf welche die Aufschlämmungsschicht und die Stuckschicht 6 auflaminiert worden sind, im Rahmen eines Trockungsprozesses in eine Trockenkammer eingebracht und beispielsweise für etwa zwei Stunden getrocknet. Eine Prozessreihe, welche den Aufschlämmungsschichtausbildungsprozess, den Stuckschichtausbildungsprozess und den Trocknungsprozess beinhaltet, wird einmal durchgeführt, so dass sich eine Schicht von etwa 0.5 mm bis 2 mm auf der Oberfläche 2a der Wachsform 2 ausbildet.
Die Prozessreihe, welche den Aufschlämmungsschichtausbildungsprozess, den Stuckschichtausbildungsprozess und den Trocknungsprozess beinhaltet, wird vorbestimmte Male (beispielsweise mehrere Male bis zu zehnmal) wiederholt (Schritt S05).
Anschließend wird die Wachsform 2 entfernt (Schritt S06) und gebrannt (Wärmebehandlungsprozess (Schritt S07)). Die Wachsform wird unter Verwendung eines Autoklavs oder dergleichen entfernt, indem das Wachs mittels heißen Dampfes bei etwa 150°C und 10 Atmosphären geschmolzen wird. Zusätzlich erfolgt das Brennen bei einer Temperatur von 980°C für 1 bis 10 Stunden.
Wird beispielsweise ein Gießkörper, wie etwa eine Turbinenlaufschaufel, erzeugt, so wird ein Gießprozess durchgeführt, welcher dass Eingießen von geschmolzenem Metall in ein Formwerkzeug vorsieht. Nachdem der Gießkörper aus dem Formwerkzeug entnommen wurde, wird darüber hinaus ein Kernentfernungsprozess durchgeführt, welcher es einem Kernmaterial des Gießkörpers gestattet, in eine auf hoher Temperatur befindliche Alkalilösung eluiert zu werden.
Im Rahmen des Gießprozesses wird das Formwerkzeug auf 1100°C oder mehr vorgewärmt, und wird rasch in einen Ofen eingebracht. Anschließend wird eine geschmolzene Legierung (geschmolzenes Metall) von etwa 1500°C unter Vakuum in das Formwerkzeug eingegossen.
Im Rahmen des Kernentfernungsprozesses werden der Einguss und der Anschnitt abgetrennt, und es wird eine Endbehandlung durchgeführt. Anschließend wird die erhaltene Legierung in die auf hoher Temperatur befindliche Alkalilösung eingebracht. Als auf hoher Temperatur befindliche Alkalilösung kann beispielsweise eine etwa 40 Gew.-%ige bis 50 Gew.-%ige Lösung von Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) verwendet werden, welche auf eine Temperatur von etwa 180°C erhitzt worden ist. Die Legierung wird für etwa 12 bis 24 Stunden in die Lösung eingetaucht, wobei wiederholt eine Druckerhöhung und eine Druckerniedrigung erfolgt. Dementsprechend werden das Kernmaterial in der Legierung sowie ein Überzug der Oberfläche des Kernmaterials eluiert, wodurch eine aus der Legierung gebildete und eine Hohlstruktur aufweisende Turbinenlaufschaufel erhalten werden kann. Die Turbinenlaufschaufel wird einer Endbehandlung unterzogen, indem sie sandgestrahlt oder geschliffen wird, und wird einer Maßkontrolle, einer Fluoreszenzprüfung (Zygloprüfung), einer Röntgenprüfung, und dergleichen unterzogen.
Nachdem der vorstehend beschriebene Gießprozess beendet worden ist und bevor der Kernentfernungsprozess durchgeführt wird, wird der gekühlte und verfestigte Gießkörper aus dem Formwerkzeug 1 entnommen. Genauer gesagt wird das Formwerkzeug 1 gekühlt, um von selbst zu zerfallen, und der Gießkörper wird entnommen.
Wird das das Formwerkzeug 1 ausbildende Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid mittels des geschmolzenen Metalls auf etwa 1200°C erwärmt, so destabilisiert sich das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid. Dementsprechend zerfällt das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid, wie vorstehend beschrieben, in Niobdioxid und Zirkoniumdioxid. Wenn sich das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid destabilisiert, weist das Zirkoniumdioxid 1000°C oder mehr auf und liegt in tetragonaler Phase vor. Wenn andererseits die Temperaturen des Gießkörpers und des Formwerkzeugs während des Kühlens abnehmen und unter 1000°C fallen, wechselt Zirkoniumdioxid in die orthorhombische Phase. Zu diesem Zeitpunkt erfährt Zirkoniumdioxid eine Volumenzunahme, wodurch sich dessen Festigkeit extrem verringert. Wirkt aufgrund eines Unterschieds zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten oder dergleichen des Formwerkzeugs und jenem des Gießkörpers eine Kraft auf das Formwerkzeug ein, so zerfällt das Formwerkzeug folglich von selbst. Da eine große Anzahl an Rissen in dem Formwerkzeug enthalten ist, kann das Formwerkzeug hierbei selbst in einem Fall mit unzureichendem Selbstzerfall auf einfache Weise und mit minimaler Stoßwirkung zerstört werden.
Als nächstes werden Beispiele und Vergleichsbeispiele des vorstehend beschriebenen Formwerkzeugs beschrieben.
[Beispiel 1]
Zunächst wurde Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxidpulver (NbO₂·ZrO₂) in ein als Dispersionsmedium fungierendes Siliziumdioxid-Sol eingebracht, wodurch sich eine Aufschlämmung bildete. Ferner wurden OT-75 als Benetzungsverbesserungsmittel sowie ANTIFOAM 1410 als Entschäumungsmittel zugesetzt, wodurch eine Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs erhalten wurde.
Eine Wachsform wurde in die Aufschlämmung eingetaucht und anschließend nach oben aus dieser herausgezogen, so dass die verbleibende Aufschlämmung abtropfte. Als nächstes wurden grobkörnige, aus Mullit oder Aluminiumoxid bestehende Stuckpartikel (0.2 mm bis 1 mm) über die auf der Wachsform befindliche Aufschlämmung gestreut. Dementsprechend haftete der Stuck an die feuchte Aufschlämmung und absorbierte zusätzliches Wasser aus der Aufschlämmung, so dass die Aufschlämmung in einen halbtrockenen Zustand überführt wurde.
Als nächstes wurde das resultierende Produkt zwecks Trocknung für zwei oder mehr Stunden in eine Trockenkammer eingebracht. Dementsprechend ergab die Summe der Dicken aus Aufschlämmungsschicht und Stuckschicht 0.5 mm bis 2 mm. Dieser Vorgang wurde mehrere Male bis zu zehnmal wiederholt, um die Aufschlämmungsschicht und die Stuckschicht bis zum Erreichen einer eine hinreichende Festigkeit garantierenden Dicke aufzulaminieren, wodurch sich eine Primärschicht und eine Stützschicht bildeten.
Anschließend wurde das Wachs in einem Autoklav bei 150°C entfernt, und wurde das resultierende Produkt einer Wärmebehandlung (Brennen) bei 980°C unterzogen, wodurch ein Formwerkzeug erhalten wurde.
Das Formwerkzeug wurde zur Erwärmung auf 1100°C oder mehr vorgewärmt, und es wurde geschmolzenes Metall hineingegossen. In diesem Fall destabilisierte sich das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid. Nachdem das Formwerkzeug gekühlt worden war, hatte die Kristallstruktur von Zirkoniumdioxid von tetragonal zu orthorhombisch gewechselt, wobei das Formwerkzeug von selbst zerfallen war und ein Gießkörper somit auf einfache Weise entnommen werden konnte. Betrachtete man das Formwerkzeug, welches von selbst zerfallen war, so bestätigte sich eine Volumenzunahme sowie eine große Anzahl an Rissen, und das gesamte Formwerkzeug war spröde geworden.
[Beispiel 2]
Ein Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxidpulver (NbO₂·ZrO₂) wurde in ein als Dispersionsmedium fungierendes Siliziumdioxid-Sol eingebracht, wodurch sich eine Aufschlämmung bildete. Ferner wurden OT-75 als Benetzungsverbesserungsmittel sowie ANTIFOAM 1410 als Entschäumungsmittel zugesetzt, wodurch sich eine Stützaufschlämmung zur Ausbildung einer Stützschicht bildete.
Zusätzlich wurde Zirkonmehl (ZrSiO₄) in einem als Dispersionsmedium fungierenden Siliziumdioxid-Sol dispergiert, wodurch sich eine Aufschlämmung bildete. Ferner wurden Victor Wet 12 als Benetzungsverbesserungsmittel sowie ANTIFOAM 1410 als Entschäumungsmittel zugesetzt, wodurch sich eine Primäraufschlämmung zur Ausbildung einer Primärschicht bildete.
Eine Wachsform wurde in die Primäraufschlämmung eingetaucht und anschließend nach oben aus dieser herausgezogen, so dass die verbleibende Primäraufschlämmung abtropfte. Als nächstes wurden grobkörnige, aus Mullit oder Aluminiumoxid bestehende Stuckpartikel (0.2 mm bis 1 mm) über die auf der Wachsform befindliche Aufschlämmung gestreut. Dementsprechend haftete der Stuck an die feuchte Aufschlämmung und absorbierte zusätzliches Wasser aus der Aufschlämmung, so dass die Aufschlämmung in einen halbtrockenen Zustand überführt wurde.
Als nächstes wurde das resultierende Produkt zwecks Trocknung für zwei oder mehr Stunden in eine Trockenkammer eingebracht. Dementsprechend ergab die Summe der Dicken aus Aufschlämmungsschicht und Stuckschicht 0.5 mm bis 2 mm. Dieser Vorgang wurde einmal oder zweimal wiederholt, wodurch sich eine Primärschicht bildete.
Danach wurde eine Wachsform in die Stützaufschlämmung eingetaucht und anschließend nach oben aus dieser herausgezogen, so dass die verbleibende Stützaufschlämmung abtropfte. Als nächstes wurden grobkörnige, aus Mullit oder Aluminiumoxid bestehende Stuckpartikel (0.2 mm bis 1 mm) über die auf der Wachsform befindliche Aufschlämmung gestreut. Dementsprechend haftete der Stuck an die feuchte Aufschlämmung und absorbierte zusätzliches Wasser aus der Aufschlämmung, so dass die Aufschlämmung in einen halbtrockenen Zustand überführt wurde. Dieser Vorgang wurde mehrere Male bis zu zehnmal wiederholt, um eine Aufschlämmungsschicht und eine Stuckschicht bis zum Erreichen einer eine hinreichende Festigkeit garantierenden Dicke aufzulaminieren, wodurch sich eine Stützschicht bildete.
Anschließend wurde das Wachs in einem Autoklav bei 150°C entfernt, und wurde das resultierende Produkt einer Wärmebehandlung (Brennen) bei 980°C unterzogen, wodurch ein Formwerkzeug erhalten wurde.
Das Formwerkzeug wurde zur Erwärmung auf 1100°C oder mehr vorgewärmt, und es wurde geschmolzenes Metall hineingegossen. In diesem Fall destabilisierte sich das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid. Nachdem das Formwerkzeug gekühlt worden war, hatte die Kristallstruktur von Zirkoniumdioxid von tetragonal zu orthorhombisch gewechselt, wobei das Formwerkzeug von selbst zerfallen war und ein Gießkörper somit auf einfache Weise entnommen werden konnte. Betrachtete man das Formwerkzeug, welches von selbst zerfallen war, so bestätigte sich eine Volumenzunahme sowie eine große Anzahl an Rissen, und das gesamte Formwerkzeug war spröde geworden.
[Vergleichsbeispiel]
Zirkonmehl wurde in einem als Dispersionsmedium fungierenden Siliziumdioxid-Sol dispergiert, wodurch sich eine Aufschlämmung bildete. Ferner wurden Victor Wet 12 als Benetzungsverbesserungsmittel sowie ANTIFOAM 1410 als Entschäumungsmittel zugesetzt, wodurch sich eine Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs bildete.
Zusätzlich wurde eine Wachsform in die Aufschlämmung eingetaucht und anschließend nach oben aus dieser herausgezogen, so dass die verbleibende Aufschlämmung abtropfte. Als nächstes wurden grobkörnige, aus Mullit oder Aluminiumoxid bestehende Stuckpartikel (mit einer Partikelgröße von 0.2 mm bis 1 mm) über die auf der Wachsform befindliche Aufschlämmung gestreut. Dementsprechend haftete der Stuck an die feuchte Aufschlämmung und absorbierte zusätzliches Wasser aus der Aufschlämmung, so dass die Aufschlämmung in einen halbtrockenen Zustand überführt wurde.
Als nächstes wurde das resultierende Produkt zwecks Trocknung für zwei oder mehr Stunden in eine Trockenkammer eingebracht. Dementsprechend ergab die Summe der Dicken aus Aufschlämmungsschicht und Stuckschicht 0.5 mm bis 2 mm. Dieser Vorgang wurde mehrere Male bis zu zehnmal wiederholt, um eine Aufschlämmungsschicht und eine Stuckschicht bis zum Erreichen einer eine hinreichende Festigkeit garantierenden Dicke aufzulaminieren. Zu diesem Zeitpunkt bildeten sich unter Verwendung der gleichen Aufschlämmung sowohl eine Primärschicht als auch eine Stützschicht.
Anschließend wurde das Wachs in einem Autoklav bei 150°C entfernt, und wurde das resultierende Produkt bei 900°C bis 1200°C gebrannt, wodurch ein Formwerkzeug erhalten wurde.
Ferner wurde geschmolzenes Metall in das Formwerkzeug eingegossen und gekühlt, wodurch sich ein Gießkörper bildete.
Nach dem Kühlen wurde wiederholt eine Stoßwirkung, wie beispielsweise die Stoßwirkung eines Hammers, auf das Formwerkzeug ausgeübt, und der Gießkörper wurde entnommen. Der aus dem Formwerkzeug entnommene Gießkörper wurde inspiziert, und es wurden schadhafte Stellen entdeckt.
Folglich kann gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, wenn geschmolzenes Metall eingegossen wird und eine hohe Temperatur erreicht, Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid destabilisiert werden. Darüber hinaus kann das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid aufgrund der Destabilisierung in Niobdioxid und Zirkoniumdioxid zerfallen. Folglich ändert sich, wenn ein Gießkörper gekühlt wird, die Kristallstruktur von Zirkoniumdioxid, was eine Volumenänderung sowie eine Verringerung der Festigkeit nach sich zieht. Aus diesem Grund können die Selbstzerfalleigenschaften des Formwerkzeugs 1 verbessert werden. Infolgedessen wurde im Rahmen des Eingießprozesses von geschmolzenem Metall eine Volumenänderung unterdrückt, wodurch eine stabile Ausbildung des Gießkörpers ermöglicht wird. Zusätzlich kann das Formwerkzeug 1 auf einfache Weise von selbst zerfallen.
Ferner können selbst in einem Fall, in welchem eine Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthaltende Aufschlämmung lediglich für die Stützschicht 4 der Primärschicht 3 und der Stützschicht 4 verwendet wird, die Selbstzerfalleigenschaften des Formwerkzeugs 1 hinreichend verbessert werden.
So ist beispielsweise in dem vorstehend beschriebenen Beispiel 2 der Fall, in welchem das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid lediglich für die Stützschicht 4 verwendet wurde, beispielhaft beschrieben. Allerdings kann das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid auch lediglich für die Primärschicht 3 verwendet werden. Wie vorstehend beschrieben, können die Selbstzerfalleigenschaften des Formwerkzeugs selbst in einem Fall, in welchem das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid lediglich für die Primärschicht 3 verwendet wird, verbessert werden.
Zusätzlich wurde in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform beispielhaft der Fall beschrieben, in welchem es sich bei dem Gießkörper um eine Turbinenlaufschaufel handelte. Allerdings können neben der Turbinenlaufschaufel auch andere Gießkörper Anwendung finden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann auf eine Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, auf ein Formwerkzeug, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs angewendet werden, welche/welches die stabile Ausformung eines Gießkörpers ermöglicht und in welcher/welchem das Formwerkzeug auf einfache Weise und von selbst zerfällt.
Bezugszeichenliste

1: FORMWERKZEUG
2: WACHSFORM
2a: OBERFLÄCHE
3: PRIMÄRSCHICHT
4: STÜTZSCHICHT
5: SCHICHT VON NIOBDIOXID-STABILISIERTEM ZIRKONIUMDIOXID
5a: OBERFLÄCHE
6: STUCKSCHICHT
7: PARTIKEL

Claims

Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs, umfassend: ein Siliziumdioxid-Sol als Dispersionsmedium; und ein Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, welches in dem Siliziumdioxid-Sol dispergiert ist, wobei das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid bei einer Temperatur von etwa 1200°C oder mehr destabilisiert werden und in Niobdioxid und Zirkoniumdioxid zerfallen kann, und wobei die Kristallstruktur des abgesonderten Zirkoniumdioxids unterhalb der Temperatur, bei welcher die Destabilisierung des Niobdioxid-stabilisierten Zirkoniumdioxids erfolgt, variiert.
Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs gemäß Anspruch 1, wobei die Kristallstruktur des abgesonderten Zirkoniumdioxids bei einer Temperatur von mehr als 1000°C eine tetragonale Phase aufweist und bei einer Temperatur von 1000°C oder weniger eine orthorhombische Phase aufweist.
Formwerkzeug, umfassend: eine Primärschicht und eine Stützschicht, welche von einer Innenseite aus betrachtet in dieser Reihenfolge bereitgestellt sind, wobei zumindest eine der Primärschicht und der Stützschicht dadurch gebildet wird, dass die Aufschlämmung zur Ausbildung eines Formwerkzeugs gemäß Anspruch 1 oder 2 einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs, umfassend: einen Aufschlämmungsherstellungsprozess, welcher das Herstellen einer Aufschlämmung vorsieht, in der ein Niobdioxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid in einem als Dispersionsmedium fungierenden Siliziumdioxid-Sol dispergiert ist; einen Aufschlämmungsschichtausbildungsprozess, welcher das Ausbilden einer Aufschlämmungsschicht vorsieht, in der die Aufschlämmung an eine Oberfläche einer Wachsform haftet; einen Stuckschichtausbildungsprozess, welcher das Ausbilden einer Stuckschicht vorsieht, in der Partikel eines feuerfesten Materials an eine Oberfläche der Aufschlämmungsschicht haften; und einen Wärmebehandlungsprozess, welcher das Erwärmen der Aufschlämmungsschicht und der Stuckschicht vorsieht, wobei das Niobdioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid bei einer Temperatur von etwa 1200°C oder mehr destabilisiert werden und in Niobdioxid und Zirkoniumdioxid zerfallen kann, und wobei die Kristallstruktur des abgesonderten Zirkoniumdioxids unterhalb der Temperatur, bei welcher die Destabilisierung des Niobdioxid-stabilisierten Zirkoniumdioxids erfolgt, variiert.
Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs gemäß Anspruch 4, wobei die Kristallstruktur des abgesonderten Zirkoniumdioxids bei einer Temperatur von mehr als 1000°C eine tetragonale Phase aufweist und bei einer Temperatur von 1000°C oder weniger eine orthorhombische Phase aufweist.