PL228544B1 - Lejna mieszanina formierska do produkcji warstw ceramicznych form odlewniczych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest lejna mieszanina formierska do produkcji warstw ceramicznych form odlewniczych stosowanych w metalurgii i odlewnictwie precyzyjnym. W obecnym odlewnictwie precyzyjnym materiałami stosowanymi na formy ceramiczne są głównie piaski: kwarcowy, cyrkonowy, chromitowy, oliwinowy oraz korundowy. Spoiwami konstrukcyjnymi są dwie grupy nanokompozytów ceramiczno-polimerowych: a. oparte na rozpuszczalnikach organicznych tj. zhydrolizowany krzemian etylu (ZKE) rozdy-spergowany w etanolu; b. wodorozcieńczalne zawierające w swoim składzie nanocząstki S1O2.

Wymienione grupy materiałów są relatywnie tanie, zapewniają otrzymanie odlewów o korzystnych właściwościach oraz dokładności wymiarowej więc są akceptowalne przez przemysł lotniczy. Jednak uzyskane w ten sposób odlewy wykazują pewną reakcyjność warstwy przymodelowej z odlewanymi stopami, stosunkowo niewielki rozrost ziarna oraz odporność mechaniczną w podwyższonej temperaturze nie w pełni zadowalającą.

Wynalazek dotyczy lejnej mieszaniny formierskiej do produkcji warstw ceramicznych form odlewniczych składającej się z osnowy w postaci proszku ZrSi04 o różnej wielkości cząstek ZrSiC>4 5 pm 70 pm, spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm - 100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych albo spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm - 20 nm i zawartości S1O2 od 25 + 45% wagowych, nanoproszku AI2O3 o wielkości cząstek 5-100 nm dodanego w ilości 1-10% wagowych w stosunku do ilości proszku ZrSi04 albo nanoproszku Zr02 o wielkości cząstek 5-100 nm dodanego w ilości 1-10% wagowych w stosunku do ilości proszku ZrSiC>4, jednego spoiwa dodatkowego wybranego z grupy: wodorozpuszczalny polialkohol winylowy) o stopniu hydrolizy 77-88% i ciężarze cząsteczkowym 14000 g/mol - 130000 g/mol albo glikol poli(etylenowy) o ciężarze cząsteczkowym 10000-20000 g/mol albo metyloceluloza o lepkości 20-5000 mPa-s albo karboksyme-tyloceluloza lepkości 20-3000 mPa-s albo dekstryna o lepkości 20-4000 mPa-s albo wodorozcieńczalna dyspersja polimerowa poli(akrylowa) o temperaturze zeszklenia -55°C do +50°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 16-50% wagowych albo dyspersja polimerowa poliwinylowa) o temperaturze zeszklenia -40°C do +40°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 18-55% wagowych albo dyspersja poliuretanowa) o temperaturze zeszklenia -60°C do +50°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 16-50% wagowych dodawanego w ilości 6% - 15% objętościowo w stosunku do ilości spoiwa głównego, środka antypiennego znanego w dziedzinie techniki w ilości 0,010-0,075% objętościowo w stosunku do ilości dwóch spoiw, środka zwilżającego znanego w dziedzinie techniki w ilości 0,010-0,075% objętościowo w stosunku do ilości dwóch spoiw, przy czym udział fazy stałej wynosi 50-75% wagowych a udział mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrSi04 nanoproszku AI2O3 albo nanoproszku Ζ1Ό2 wylicza się ze wzoru: gdzie:

mP - masa proszku ZrSiC>4 o różnej wielkości cząstek ZrSiC>4 stanowiących osnowę i nanoproszków, mr - masa wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 albo S1O2 stanowiącego spoiwo główne oraz spoiwa dodatkowego, FL - udział % proszku ZrSiC>4 nanoproszku w mieszaninie o różnej wielkości cząstek ZrSi04 stanowiących osnowę, przy czym do obliczeń zakłada się udział % proszku ZrSiC>4 oraz nanoproszku stanowiących osnowę oraz masę wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 albo S1O2 stanowiącego spoiwo główne. W porównaniu z dotychczas stosowanymi masami ceramicznymi, gęstwy na bazie nowo opracowanych spoiw i proszku ZrSi04 o różnej wielkości cząstek ZrSiC>4 i nanoproszków charakteryzują się większym czasem stabilności mieszaniny. Formy mają wyższą gęstość, niższą porowatość i istotnie mniejszą średnią wielkość porów. Ilości stosowanych proszków i spoiw są porównywalne zarówno w skali laboratoryjnej jak i przemysłowej. Dzięki opracowaniu mieszaniny formierskiej według wynalazku uzyskano możliwość odlewania detali nadstopów Ni z podwyższoną zawartością pierwiastków reagują- cych z materiałem formy. Ponadto formy ceramiczne otrzymane z zaproponowanych składów mają wytrzymałość mechaniczną o 25% większą, niż analogiczne formy odlewnicze w których jako spoiwo zastosowano krzemionkę koloidalną.

Wykonano badania dla nowo opracowanej masy formierskiej. Dodatkowo w celu ulepszenia upłynnienia mieszanki i zachowania odpowiednich lepkości mieszczących się w granicach 25-40 s dla obecnie stosowanych mas ceramicznych w przemyśle, mierzonych za pomocą kubka czerpalnego Zahn 4#, dodano w ilościach od 6-15% objętościowo substancji stosowanych jako spoiwa dodatkowe wypełniające oraz nanoproszek ZrC>2 albo nanoproszek AI2O3 w ilościach od 1-10% wagowych w stosunku do proszku ZrSiC>4 o różnej wielkości cząstek ZrSiC>4 stanowiącego osnowę. Następnym krokiem było wytworzenie na bazie tych związków i proszku ZrSiC>4 o różnej wielkości cząstek ZrSiC>4 i dodatkowego wypełniacza jakim był nanoproszek Zr02 albo nanoproszek AI2O3, gęstwy formierskiej przeznaczonej do produkcji pierwszych warstw form odlewniczych stosowanych w metalurgii i odlewnictwie do nadsto-pów z podwyższoną zawartością reaktywnych pierwiastków. W tym celu użyto proszku ZrSiCUo mniejszej wielkości ziarna (5 + 45 pm), natomiast do produkcji warstw konstrukcyjnych został użyty proszek o większej wielkości ziarna (45 + 70 pm). Całość umieszczono w reaktorze i wymieszano przy użyciu mieszadła mechanicznego. Każdego dnia mieszania uzupełniano ubytek odparowanej wody oraz dokonywano badań podstawowych wytworzonej mieszaniny.

Badaniami tymi były: - badanie gęstości mieszaniny, - badanie lepkości przy użyciu czerpalnego kubka Zahn o średnicy otworu (φ) = 4 mm, - badania właściwości Teologicznych masy lejnej w reometrze, - badanie pH mieszaniny, - test płyty wzorcowej („piąte weight test”) o wymiarach 75 x 75 mm i wadze 75,46 g.

Jako materiału posypek użyto ogólnodostępnych proszków elektrokorundowych.

Formowanie przebiegło prawidłowo: • dobre krycie zestawów przez mieszanki zarówno dla powierzchni płaskich, zakrzywionych i krawędzi, • dobra adhezja proszków posypek dla powierzchni płaskich, zakrzywionych i krawędzi

I RECEPTURA • Udział fazy stałej 50% wagowych osnowy proszku ZrSi04 o wielkości cząstek 5 pm -659,99 g i nanoproszku Zr02 w ilości 10% - 73,33 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm -100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe poli(akrylowe) o zawartości fazy stałej 36% wagowych i temperaturze zeszklenia +20°C w ilości 10% objętościowo - 40 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,33 g • Zwilżacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,33 g

II RECEPTURA • Udział fazy stałej 65% wagowych osnowy proszku ZrSi04 o wielkości cząstek 20 pm -811,58 g i nanoproszku AI2O3 w ilości 5% wagowych - 42,71 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne w postaci związku zawierającego S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm - 20 nm i zawartości S1O2 od 25 + 45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe polialkohol winylowy) w ilości 6% objętościowo roztworu 15% o masie cząsteczkowej 47 tys. i stopniu zhydrolizowania 88% wagowych - 60 g • Antypieniacz - Rokanol L 0,0075% objętościowo - 0,345 g • Zwilżacz - BYK-P 0,0075% objętościowo - 0,345 g

III RECEPTURA • Udział fazy stałej 55% wagowych osnowy proszku ZrSi04 o wielkości cząstek 45 pm -507,86 g i nanoproszku Zr02 w ilości 2% wagowych - 10,36 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm -100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe polialkohol winylowy) w ilości 6% objętościowo roztworu 15% o masie cząsteczkowej 26 tys. i stopniu zhydrolizowania 88% - 24 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,318 g • Zwilżacz DISPERBYK 0,0075% objętościowo - 0,318 g

IV RECEPTURA • Udział fazy stałej 62,5% wagowych osnowy proszku ZrSi04 o wielkości cząstek 55 pm -682 g i nanoproszku AI2O3 w ilości 7% wagowych - 51,33 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm -100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe poli(uretanowe) 10% objętościowo - 40 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,33 g • Zwilżacz - Sulfobursztynian DOSS 0,0075% objętościowo - 0,33 g

V RECEPTURA • Udział fazy stałej 65% wagowych osnowy proszku ZrSi04 o wielkości cząstek 70 pm -808,97 g i nanoproszku AI2O3 w ilości 1% wagowych - 8,17g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne w postaci związku zawierającego S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm - 20 nm i zawartości S1O2 od 25 + 45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe dekstryna 10% objętościowo - 40 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,33 g • Zwilżacz - Rokanol L 0,0075% objętościowo - 0,3 g

VI RECEPTURA • Udział fazy stałej 72,5% wagowych osnowy proszku ZrSi04 o wielkości cząstek 20 pm -1090,4 g i nanoproszku ZrC>2 w ilości 6% wagowych - 69,6 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm -100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe karboksyceluloza 10% objętościowo - 40 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,33 g • Zwilżacz - BYK-P 0,0075% objętościowo - 0,33 g

VII RECEPTURA • Udział fazy stałej 75% wagowych osnowy proszku ZrSiC>4 o wielkości cząstek 50 pm - 1366.2 g i i nanoproszku ZrC>2 w ilości 1% wagowych - 13,80 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne w postaci związku zawierającego S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm - 20 nm i zawartości S1O2 od 25 + 45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe metyloceluloza 15% objętościowo - 60 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,345 g • Zwilżacz - Sulfobursztynian DOSS 0,0075% objętościowo - 0,345 g

VIII RECEPTURA • Udział fazy stałej 67,5% wagowych osnowy proszku ZrSi04 o wielkości cząstek 60 pm - 854.2 i nanoproszku AI2O3 w ilości 3% wagowych - 26,42 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny AI2O3o średniej wielkości cząstek 5 nm - 100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe metyloceluloza 6% objętościowo - 24 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,318 g • Zwilżacz - DSISPERBYK 0,0075% objętościowo - 0,318 g Płynną część dodano do reaktora i mieszano. Po kilku minutach dodawano porcjami proszek ZrSi04 oraz nanoproszek ZrC>2 albo nanoproszek AI2O3 tak aby nie spowodować drastycznego wzrostu lepkości mieszaniny. Tak przygotowaną mieszaninę pozostawiono na 24 h w celu jej całkowitego upłynnienia, po czym zbadano jej podstawowe właściwości opisywane wyżej. W tak przygotowanej mieszaninie formierskiej zanurzano wykonane wcześniej modele woskowe i obsypywano je posypką elektrokorundową o granulacji: - warstwa przymodelowa: proszki elektrokorundowe F80 mesh - warstwy konstrukcyjne posypki Mulitowe

Warstwy nakładano w odstępach 8 h, po sprawdzeniu czy poprzednia warstwa całkowicie wyschła. Używano w tym celu techniki napięciowej.

Wykonano 7 warstwowe formy, które zostały następnie poddane procesowi obróbki cieplnej. Wytworzono trzy rodzaje form: - forma w stanie surowym, - forma wypalona (po obróbce cieplnej 760°C przez 1 h), - forma wyżarzona (po obróbce cieplnej 1200°C przez 1 h)

Formy zostały zalane nadstopami niklu. Po wybiciu uzyskane odlewy poddano podstawowym badaniom. Zakres kontroli odlewów obejmował: kontrole wizualną (VI), fluorescencyjne badanie pene-tracyjne (FPI), prześwietlanie promieniami rentgena (X-Ray) oraz kontrolę zgodności wymiarowej (CMM). Uzyskane w ten sposób odlewy charakteryzowały brakiem reakcyjności warstwy przymodelowej z odlewanymi stopami, mniejszym rozrostem ziarna oraz większą odpornością mechaniczną w podwyższonej temperaturze. Zatem uzyskana forma spełniała podstawowe oczekiwania przemysłowe i nadaje się do procesów metalurgii oraz odlewania precyzyjnego.

Claims (2)

1. Zastrzeżenie patentowe
2. 1. Lejna mieszanina formierska do produkcji warstw ceramicznych form odlewniczych składająca się z osnowy w postaci proszków o różnych wielkościach cząstek, znamienna tym, że składa się z osnowy w postaci proszku ZrSiC>4 o różnej wielkości cząstek ZrSiC>4 5 pm 70 pm, spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm -100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych albo spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm -20 nm i zawartości S1O2 od 25 45% wagowych, nanoproszku AI2O3 o wielkości cząstek 5-100 nm dodanego w ilości 1-10% wagowych w stosunku do ilości proszku ZrSi04 albo nanoproszku ZrC>2 o wielkości cząstek 5-100 nm dodanego w ilości 1-10% wagowych w stosunku do ilości proszku ZrSiC>4, jednego spoiwa dodatkowego wybranego z grupy: wodoroz-puszczalny polialkohol winylowy) o stopniu hydrolizy 77-88% i ciężarze cząsteczkowym 14000 g/mol-130000 g/mol albo glikol poli(etylenowy) o ciężarze cząsteczkowym 10000-20000 g/mol albo metyloceluloza o lepkości 20-5000 mPa-s albo karboksymetyloceluloza o lepkości 20-3000 mPa-s albo dekstryna o lepkości 20-4000 mPa-s albo wodorozcieńczalna dyspersja polimerowa poli(akrylowa) o temperaturze zeszklenia -55°C do +50°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 16-50% wagowych albo dyspersja polimerowa poliwinylowa) o temperaturze zeszklenia -40°C do +40°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 18-55% wagowych albo dyspersja poliuretan owa) o temperaturze zeszklenia -60°C do +50°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 16-50% wagowych dodawanego w ilości 6% - 15% objętościowo w stosunku do ilości spoiwa głównego, środka antypiennego znanego w dziedzinie techniki w ilości 0,010-0,075% objętościowo w stosunku do ilości dwóch spoiw, środka zwilżającego znanego w dziedzinie techniki w ilości 0,010-0,075% objętościowo w stosunku do ilości dwóch spoiw, przy czym udział fazy stałej wynosi 50-75% wagowych a udział proszku ZrSi04 o różnej wielkości cząstek ZrSi04 5 pm + 70 pm i nanoproszku AI2O3 albo nanoproszku ZrC>2 wylicza się ze wzoru: gdzie:

   mP - masa proszku ZrSi04 o różnej wielkości cząstek ZrSi04 5 pm + 70 pm stanowiących osnowę i nanoproszków, mr - masa wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 albo S1O2 stanowiącego spoiwo główne oraz spoiwa dodatkowego, FL - udział % proszku ZrSi04 nanoproszku w mieszaninie o różnej wielkości cząstek ZrSi04 stanowiących osnowę, przy czym do obliczeń zakłada się udział % proszku ZrSi04 oraz nanoproszku stanowiących osnowę oraz masę wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 albo S1O2 stanowiącego spoiwo główne.