PL230314B1

PL230314B1 - Lejna mieszanina formierska do produkcji warstw ceramicznych form odlewniczych

Info

Publication number: PL230314B1
Application number: PL411912A
Authority: PL
Inventors: Paweł Wiśniewski; Marcin Małek; Jarosław Mizera; Krzysztof Jan Kurzydłowski
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL411912A1

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) rozdyspergowany w etanolu;

b. wodorozcieńczalne zawierające w swoim składzie nanocząstki SiO2.

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 proszków ZrO2 o dwóch wielkościach cząstek: 100 mesh i 200 mesh albo 100 mesh i 325 mesh albo 200 mesh i 325 mesh dodawanych w proporcjach odpowiednio 50%-50% wagowych albo 35%-65% wagowych albo 65%-35% wagowych, spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm-100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych, 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 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 poli(winylowa) o temperaturze zeszklenia -40°C do +40°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 18-55% wagowych albo dyspersja poli(uretanowa) 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 antypiennnego 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 60-85% wagowych a udział mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 wylicza się ze wzoru

FL =---²— * 100% m_p + m_rgdzie: m_P - masa mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 stanowiących osnowę m_r - masa wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 stanowiącego spoiwo główne oraz spoiwa dodatkowego

FL - udział% mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrC2 stanowiących osnowę przy czym do obliczeń zakłada się udział % mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 stanowiących osnowę oraz masę wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 stanowiącego spoiwo główne.

W porównaniu z dotychczas stosowanymi masami ceramicznymi, gęstwy na bazie nowo opracowanych spoiw i mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 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 reagujących z materiałem formy. Ponadto formy ceramiczne otrzymane z zaproponowanych składów mają wytrzymałość mechaniczną o 20% 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 25-40s dla

PL 230 314 Β1 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. Następnym krokiem było wytworzenie na bazie tych związków i mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2, gęstwy formierskiej przeznaczonej do produkcji pierwszych warstw form odlewniczych stosowanych w metalurgii i odlewnictwie do nadstopów z podwyższoną zawartością reaktywnych pierwiastków. 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 62,5% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (200 oraz 325 mesh) dodawanych w proporcjach 50%-50% - 366,67 g oraz 366,67 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% 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 - 80% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (100 oraz 325 mesh) dodawanych w proporcjach 35%-65% - 644 g oraz 1196 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 15% objętościowo roztworu 5% o masie cząsteczkowej 26 tys. i stopniu zhydrolizowania 88% - 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 - 85% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (100 oraz 200 mesh) dodawanych w proporcjach 65%-35% - 1561,73 g oraz 840,93 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 47 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 - 75% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (200 oraz 325 mesh) dodawanych w proporcjach 35%-65% - 462 g oraz 856 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

PL 230 314 Β1

V RECEPTURA • Udział fazy stałej - 65% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (100 oraz 200 mesh) dodawanych w proporcjach 50%-50% - 408,57 g oraz 408,57 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 - Rokanol L 0,0075% objętościowo - 0,33 g

VI RECEPTURA • Udział fazy stałej - 72,5% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (200 oraz 325 mesh) dodawanych w proporcjach 65%-35% - 531,14 oraz 286 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 dekstryna 10% objętościowo - 40 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,33 g • Zwilżacz - BYK-P 0,0075% objętościowo - 0,33 g

V II RECEPTURA • Udział fazy stałej - 82,5% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (100 oraz 200 mesh) dodawanych w proporcjach 35%-65% - 759 g oraz 1409,57 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 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 - 60% osnowy mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 o granulacji (200 oraz 325 mesh) dodawanych w proporcjach 50%-50% - 318 g oraz 318 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 dyspersja polimerowa poli(winylowa) 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 mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 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 8h, 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 penetracyjne (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

Zastrzeżenie patentowe

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 proszków ZrO2 o dwóch wielkościach cząstek: 100 mesh i 200 mesh albo 100 mesh i 325 mesh albo 200 mesh i 325 mesh dodawanych w proporcjach odpowiednio 50%-50% wagowych albo 35%-65% wagowych albo 65%-35% wagowych, spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 o średniej wielkości cząstek 5 nm-100 nm i zawartości AI2O3 40% wagowych, 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 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 poli(winylowa) o temperaturze zeszklenia -40°C do +40°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 18-55% wagowych albo dyspersja poli(uretanowa) 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 antypiennnego 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 60-85% wagowych a udział mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 wylicza się ze wzoru

FL =---²— * 100% m_p + m_rgdzie:

m_P - masa mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 stanowiących osnowę m_r - masa wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 stanowiącego spoiwo główne oraz spoiwa dodatkowego

FL - udział % mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 stanowiących osnowę przy czym do obliczeń zakłada się udział % mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek ZrO2 stanowiących osnowę oraz masę wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny AI2O3 stanowiącego spoiwo główne.