PL230317B1

PL230317B1 - Lejna mieszanina formierska do produkcji warstw ceramicznych form odlewniczych

Info

Publication number: PL230317B1
Application number: PL412318A
Authority: PL
Inventors: Marcin Małek; Paweł Wiśniewski; Jarosław Mizera; Krzysztof Jan Kurzydłowski
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL412318A1

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 proszku SiC o różnej wielkości cząstek SiC 200 mesh + 600 mesh, spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% 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 albo dyspersja poli(akrylowo-allilowa) o temperaturze zeszklenia -60°C do +45°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 15-60% albo dyspersja poli(winylowo-akrylowa) o temperaturze zeszklenia -50°C do +40°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 15-50%, 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 0,0100,075% objętościowo w stosunku do ilości dwóch spoiw, przy czym udział fazy stałej wynosi 60-80% wagowych a udział mieszaniny proszków o różnej wielkości cząstek SiC wylicza się ze wzoru

FL = ---²— * 100% m_p + m_r gdzie:

m_P - masa proszku SiC o różnej wielkości cząstek 200 mesh + 600 mesh SiC stanowiących osnowę, m_r- masa wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny S1O2 stanowiącego spoiwo główne oraz spoiwa dodatkowego,

FL - udział % proszku SiC w o różnej wielkości cząstek 200 mesh + 600 mesh stanowiących osnowę, przy czym do obliczeń zakłada się udział % proszku SiC stanowiących osnowę oraz masę wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny S1O2 stanowiącego spoiwo główne.

W porównaniu z dotychczas stosowanymi masami ceramicznymi, gęstwy na bazie nowo opracowanych spoiw i proszku SiC o różnej wielkości cząstek SiC 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 30% 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#,

PL 230 317 Β1 dodano w ilościach od 6-15% objętościowo substancji stosowanych jako spoiwa dodatkowe wypełniające. Następnym krokiem było wytworzenie na bazie tych związków i proszku SiC o różnej wielkości cząstek SiC, gęstwy formierskiej przeznaczonej do produkcji pierwszych warstw form odlewniczych stosowanych w metalurgii i odlewnictwie do nadstopów z podwyższoną zawartością reaktywnych pierwiastków. W tym celu użyto proszku SiC o mniejszej wielkości ziarna (80+100 mesh), natomiast do produkcji warstw konstrukcyjnych został użyty proszek o większej wielkości ziarna (40+80 mesh). 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 75x75 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% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 200 mesh - 660 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe poli(alkohol winylowy) w ilości 10% objętościowo roztworu 5% o masie cząsteczkowej 26 tys. i stopniu zhydrolizowania 88% 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% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 400 mesh - 787,43 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe poli(alkohol winylowy) w ilości 6% objętościowo roztworu 15% o masie cząsteczkowej 47 tys. i stopniu zhydrolizowania 88% - 24 g • Antypieniacz - Rokanol L 0,0075% objętościowo - 0,318 g • Zwilżacz - BYK-P 0,0075% objętościowo - 0,318 g

III RECEPTURA • Udział fazy stałej 75% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 300 mesh - 1380 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe poli(akrylowe) o zawartości fazy stałej 36% i temperaturze zeszklenia +20°C w ilości 15% objętościowo - 60 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,345 g • Zwilżacz DISPERBYK 0,0075% objętościowo - 0,345 g

IV RECEPTURA • Udział fazy stałej 62,5% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 600 mesh - 733,33 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny 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 - Sulfobursztynian DOSS 0,0075% objętościowo - 0,33 g

V RECEPTURA • Udział fazy stałej 80% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 500 mesh - 1840 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych - 400 g

PL 230 317 Β1 • Spoiwo dodatkowe poli(uretanowe) 15% objętościowo - 60 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,345 g • Zwilżacz - Rokanol L 0,0075% objętościowo - 0,345 g

VI RECEPTURA • Udział fazy stałej 72,5% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 20 μηι - 1160 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% 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% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 400 mesh - 1272 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe dyspersja polimerowa poli(winylowa). Spoiwo dodatkowe metyloceluloza 6% objętościowo - 24 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,318 g • Zwilżacz - Sulfobursztynian DOSS 0,0075% objętościowo - 0,318 g

VIII RECEPTURA • Udział fazy stałej 67,5% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 600 mesh - 880,62 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% 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

IX RECEPTURA • Udział fazy stałej 65% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 400 mesh - 787,43 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe dyspersja poli(akrylowo-allilowa) o temperaturze zeszklenia -60°C do +45°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 15-60% - 6% objętościowo 24 g • Antypieniacz - Rokanol L 0,0075% objętościowo - 0,318 g • Zwilżacz - BYK-P 0,0075%objętościowo - 0,318 g

X RECEPTURA • Udział fazy stałej 75% osnowy proszku SiC o wielkości cząstek 300 mesh - 1380 g • Wodny nanokompozyt - spoiwo główne zawierające koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych - 400 g • Spoiwo dodatkowe dyspersja poli(winylowo-akrylowa) o temperaturze zeszklenia -50°C do +40°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 15-50% w ilości 15% objętościowo - 60 g • Antypieniacz - oktanol 0,0075% objętościowo - 0,345 g • Zwilżacz DISPERBYK 0,0075% objętościowo - 0,345 g

Płynną część dodano do reaktora i mieszano. Po kilku minutach dodawano porcjami proszek SiC 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 F80mesh

- 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:

PL 230 317 Β1

- 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 proszku SiC o różnej wielkości cząstek SiC 200 mesh + 600 mesh, spoiwa głównego w postaci wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny S1O2 o średniej wielkości cząstek 5 nm-20 nm i zawartości S1O2 od 25+45% wagowych, jednego spoiwa dodatkowego wybranego z grupy: wodorozpuszczalny poli(alkohol 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% albo dyspersja poli(akrylowoallilowa) o temperaturze zeszklenia -60°C do +45°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 15-60% albo dyspersja poli(winylowo-akrylowa) o temperaturze zeszklenia -50°C do +40°C i zawartości fazy stałej w dyspersji 15-50%, 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 60-80% wagowych a udział proszku SiC o różnej wielkości cząstek SiC 200 mesh + 600 mesh wylicza się ze wzoru

FL = ---²— * 100% m_p + m_r gdzie:

m_P - masa proszku SiC o różnej wielkości cząstek 200 mesh + 600 mesh SiC stanowiących osnowę, m_r - masa wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny S1O2 stanowiącego spoiwo główne oraz spoiwa dodatkowego,

FL - udział % proszku SiC w o różnej wielkości cząstek 200 mesh + 600 mesh stanowiących osnowę, przy czym do obliczeń zakłada się udział % proszku SiC stanowiących osnowę oraz masę wodnego nanokompozytu zawierającego koloidalny S1O2 stanowiącego spoiwo główne.