DE2716342A1 - Schalenform und verfahren zur verbesserung der oberflaechenbeschaffenheit von mit dieser form gegossenen gegenstaenden - Google Patents
Schalenform und verfahren zur verbesserung der oberflaechenbeschaffenheit von mit dieser form gegossenen gegenstaendenInfo
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Description
Schalenform und Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit
von mit dieser Form gegossenen Gegenständen
Die Erfindung bezieht sich auf Keramikschalenformen, die
aus einer keramischen Masse bestehen, welche durch kolloidales Siliciumdioxid gebunden ist. Solche Formen werden
bei der Herstellung von Präzisionsgußstücken benutzt.Das besondere Formsystem, das beschrieben wird, ist insbesondere
für die Herstellung von gelenkt erstarrten Superlegierungsgegenständen verwendbar.
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Die Verwendung von Schalenformen beim Präzisionsguß ist bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein ausschmelzbares
Modell, das eine Konfiguration hat, die insgesamt der
des gewünschten Endprodukts entspricht, mit einem Keramikgemisch überzogen, das dann getrocknet wird. Nnch dem Trocknen
wird die Formanordnung erhitzt, um das Wachsmodell zu entfernen. Der Überziehungsprozeß beinhaltet abwechselnde,
wiederholte Schritte. In dem ersten Schritt wird das Wachsmodell in eine Aufschlämmung getaucht, die aus feinen Keramikteilchen
in einem Bindemittel, zum Beispiel Zirconteilchen und kolloidales Siliciumdioxid, besteht. Der zweite
Schritt besteht darin, daß gröbere trockene Keramikteilchen (die als Stuck bezeichnet werden) auf den nassen Aufschlämmungsüberzug
aufgebracht werden. Nach einem Trocknungsschritt werden diese Schritte wiederholt, bis die gewünschte Dicke
erreicht ist. Typische Schalendicken liegen in der Größenordnung von etwa 10 mm. Vor dem Gießen werden die Schalenformen
erhitzt, um das Wachsmodell zu entfernen, und gewöhnlich auch bei einer hohen Temperatur gebrannt, um das Binden
zu fördern.
Trotz der allgemeinen Anerkennung, die dieses Verfahren in der Präzisionsgießtechnik gefunden hat, sind noch immer Probleme
vorhanden. Häufig ist es erwünscht, ein Gußteil zu erzeugen, welches keiner weiteren Herstellungsschritte bedarf
und nach Größe und Oberflächenbeschaffenheit für seinen
Endzweck geeignet ist. Trotz der Gesamtfestigkeit von Keramikschalenformen stellen Kriechen und Verwindung während
des Gießens ein Problem dar, und diese Erscheinungen machen
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eine genaue Abmessungskontrolle schwierig. Ebenso gibt es immer eine Reaktion zwischen dem Metall und der Form, was
sich durch eine unerwünscht rauhe Gußstückoberfläche oder dadurch ausdrückt, daß wichtige Le^ierungselemente aufgrund
der Wechselwirkung mit dem Formmaterial von der Oberfläche entfernt worden sind.
Die Probleme der Abmessungskontrolle und der Oberflächenbeschaffenheit
werden bei dem Gießen der komplexen Nickel- und Kobaltbasissuperlegierungen, von denen viele reaktive
Elemente, wie Hf, Ti, Zr, Al und Ta enthalten, noch erschwert.
Die gerichtete Erstarrung ist ein Verfahren, das angewandt wird, um ein ausgerichtetes Gußkorngefüge in Gegenständen zu erzeugen,
und das in der US-PS 3 260 505 beschrieben ist. Der Erstarrungsprozeß wird kontrolliert und die Flüssigkeit-Feststoff
-Grenzfläche wird gezwungen, sich längs einer besonderen Achse zu bewegen, und die Längsachsen der langgestreckten
Körner ergeben sich parallel zu dieser Achse. Die Erstarrungsgeschwindigkeiten müssen niedrig sein, wenn
das gewünschte Korngefüge erhalten werden soll, und die Gesamterstarrungszeit für einen Superlegierungsgegenstand,
wie beispielsweise eine Gasturbinenschaufel, kann einige Stunden betragen. Diese ausgedehnte Zeitspanne, während der
das Gußstück hohen Temperaturen ausgesetzt ist, erschwert sowohl die Abmessungsprobleme als auch die Oberflächenbeschaffenheitsprobleme.
Es sind keine Literaturstellen bekannt, in denen die Modi-
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fizierung des Siliciumdioxidbindemittels zur Überwindung dieser Probleme beschrieben ist. Die US-PS 2 883 723 beschreibt
das Zusetzen einer Vielfalt von chemischen Verbindungen, um die Ausschlageigenschaften von siliciumdioxidgebundenen
Kernen zu verbessern, die mit Kohlendioxid gehärtet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Superlegierungsteil, das in ei
ner calciumoxidmodifizierten Aluminiumoxid- oder Tonerdeform nach der
Erfindung gegossen worden ist,
Fig. 2 ein Superlegierungsteil, das in ei
ner Schalenform gegossen worden ist, die einen calciumoxidmodifizierten
Aluminiumoxiddecküberzug und einen Zirconträger aufwies, und
Fig. 3 ein Superlegierungsteil, das in ei
ner bekannten Schalenform gegossen worden ist, die einen calciumoxidfreien
Aluminiumoxiddecküberzug und einen calciumoxidfreien Zirconträger aufwies.
Verbesserte kolloidale Siliciumdioxidbindemittel, die ein
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Material enthalten, welches in der Lage ist, eine Umwandlung in Calciumoxid vorzunehmen, werden beschrieben. Das
Calciumoxid reagiert mit kolloidalem Siliciumdioxid, um
eine hochviskose, glasartige Phase zu bilden, die gegenüber geschmolzenen Superlegierungen ein sehr geringes Reaktionsvermögen
hat.
Der bevorzugte Zusatz zu dem Siliciumdioxidbindemittel ist
Calciumcarbonat in Mengen von etwa von 5,8 bis 15,45 Gew.-% des in dem Bindemittel vorhandenen kolloidalen Siliciumdioxids.
Nach Zersetzung des Calciumcarbonate durch Erhitzung
wird das Bindemittel etwa 3 bis etwa 8 Gewichtsprozent Calciumoxid enthalten.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, wenn etwa 5 Gew.-% des kolloidalen Silisiumdioxidbindemittels
durch Calciumoxid CaO ersetzt v/erden,sich ein stark verbessertes Formmaterial ergibt. Die Formmaterialien nach der
Erfindung sind für den Feinguß von Superlegierungen entwickelt und getestet worden und sind für die Herstellung
von gerichtet erstarrten Superlegierungsgegenständen besonders geeignet.
Das Bindemittel, das üblicherweise benutzt wird, um Schalenformen für Superlegierungen herzustellen, besteht im wesentlichen
aus etwa 30 Gew.-% kolloidalem Siliciumdioxid in einem wässerigen Grundmaterial, obgleich selbstverständlich
andere Konzentrationen an kolloidalem Siliciumdioxid im
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Rahmen der Erfindung benutzt werden können. Das kolloidale Siliciumdioxid bleibt in Suspension und bleibt infolge von elektrischen
Ladungen zwischen den Teilchen, die die Teilchen am Absetzen hindern, gründlich vermischt. Infolgedessen
müssen alle Schalenformaufschlämmunp.en sorgfältig angesetzt
werden, um das Unterbrechen der Gleichgewichte der kolloidalen Siliciumdioxidteilchen zu vermeiden. Eine solche
Unterbrechung kann sich ergeben, wenn der pH-Wert des kolloidalen Siliciumdioxidgemisches geändert wird.
Obgleich der Mechanismus, auf dem die Erfindung beruht,
noch nicht völlig geklärt ist, wird angenommen, daß die Bildung einer hochviskosen, glasartigen Phase während des
Brenn-/Bindeschrittes vor dem Gießen eine glatte, nicht reagierende Oberfläche schafft und außerdem die Bindung
zwischen den Teilchen durch Sintern in flüssiger Phase fördert, was eine bessere Festigkeit ergibt.
Keramik-Zustandsdiagramme zeigten an, daß eine solche Glasphase
sich bilden kann, wenn Calciumoxid dem Siliciumdioxidbindemittel
zugesetzt wird.Calciumoxid ionisiert jedoch in Wasser und diese Ionisierung würde das Gleichgewicht
des kolloidalen Siliciumdioxids brechen und das Gelieren und Härten des Siliciumdioxids verursachen. Es wurde dann
festgestellt, daß eine Calciumverbindung, die in Wasser nicht nennenswert ionisierte und sich während des Brennschrittes
in Calciumoxid umwandelte, benutzt werden könnte.
Als beste Calciumverbindung wurde Calciumcarbonat CaCO., er-
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mittelt.Bei dem Erhitzen auf hohe Temperaturen reagiert
das Calciumcarbonat in folgender Veise:
CaCO0 > CaO + CO0
Das C0_ ist ein Gas, welches die durchlässige Form verläßt
und bei dem Gießprozeß keine Probleme hervorruft.
Das bevorzugte Schalenformbindemittel enthält daher kolloidales
Siliciumdioxid und ein Material, das sich beim Erhitzen
in Calciumoxid umwandelt. Das das Calciumoxid bildende Material ist vorzugsweise in einer Menge vorhanden, die eine
Menge von Calciumoxid ergibt, welche gleich etwa 3 bis 8 Gew.-% des Siliciumbindemittels ist. In dem Fall von Calciumcarbonat
ergeben ungefähr 1,93 Gewichtsteile Calciumcarbonat 1 Gewichtsteil Calciumoxid und etwa 5,3 bis etwa
15,45 Gew.-% CaCO- zerfallen in etwa 3 bis etwa 8 Gew.-7, Calciumoxid. Das Calciumoxid hat vorzugsweise eine hohe
Reinheit und enthält weniger als etwa 50 ppm Alkalimetallvemnreinigungen,
da solche Verunreinigungen zur Bildung von unerwünschten glasigen Phasen führen.
Dieses modifizierte Siliciumoxidbindemittel kann zwar in Verbindung mit mehreren teilchenförmigen, feuerfesten Materialien
einschließlich Zircon und Aluminiumoxid verwendet werden,vorzugsweise wird jedoch Aluminiumoxid als Keramikmasse
benutzt. Es wird angenommen, daß dort, wo Aluminiumoxid als feuerfeste Masse benutzt wird, eine glasige
Phase von Ca0-Si0_-AK0~ auftritt. Wenn Aluminiumoxid als
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Bindemittelaufschlämmungsmasse benutzt wird, können auch
bis etwa 30 % Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Verbindungen, wie Kyanit und MuIlit, vorhanden sein. Es ist experimentell
festgestellt worden, daß das SiO2+CaO-Bindemittel in Kombination
mit einem feuerfesten Aluminiumoxidmaterial eine Form ergibt, die hinsichtlich Festigkeit und Kriechbeständigkeit
stärker ist als eine, die beispielsweise unter Verwendung eines feuerfesten Zirconmaterials gebildet wird. Sehr
häufig jedoch kann diese Festigkeitserhöhung, die mit dem Zirconsystem erreicht wird, ausreichend sein. Wenn es aber
hauptsächlich auf eine bessere Oberflächenbeschaffenheit
ankommt, braucht nur das Siliciumdioxidbindemittel in dem ersten Aufschlämmungsüberzug mit Calciumoxid modifiziert
zu werden.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen Makrofotografien von Schaufeln
aus Nickelbasissuperlegierungen. Die Schaufeln bestehen alle aus der gleichen Legierung, die 10 % Cr, 15 % Co, 4,5 % Ta,
5,5 % Al, 3,0 % Mo, 0,17 % C, 1 % V, 2 % Hf, Rest im wesentlichen Nickel, enthält. Diese Legierung wurde bei einer Temperatur
von 1538 C in Schalenformen gegossen, die auf 1482 C vorgeheizt worden waren, und gerichtet erstarren
gelassen. Die Erstarrung war nach ungefähr 1 h abgeschlossen.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaufel wurde in einer calciumoxidmodifizierten
Aluminiumoxidschalenform gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gegossen. Die Einzelheiten
der Formherstellung und der Zusammensetzung sind in
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Tabelle I angegeben. Die in Fig. 2 dargestellte Schaufel wurde in einer Schalenform gegossen, die einen calciumoxidmodifizierten
ersten Aluminiumoxidüberzug (Grundierüberzug) und daran anschließend siliciumdioxidgebundene Aufschlämmungs·
überzüge auf Zirconbasis und Zirconstuckschichten aufwies. Die Einzelheiten dieser Schalenform sind in Tabelle II angegeben.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaufel wurde in einer Form hergestellt, die einen nicht mit Calciumoxid modifizierten
Aluminiumoxidbasisüberzug und eine Zirconunterlage hatte und deren Einzelheiten mit den in Tabelle II angegebenen
übereinstimmen, mit der Ausnahme, daß dem ersten Aufschlämmungsüberzug
kein Calciumcarbonat zugesetzt war. Diese Formen wurden bei 982 C vor dem Gießen gebrannt, um das
CaCO., (wenn vorhanden) in CaO umzuwandeln.
Ein Vergleich der Fig. 2 und 3 zeigt, daß ein kleiner Zusatz von CaO zu dem ersten Schalenformüberzug einen beträchtlichen
Unterschied im Ausmaß der Reaktion zwischen Form und Metall mit sich bringt. Die Schaufel in Fig. 3 zeigt
eine beträchtliche Menge an Form-Metall-Reaktionsprodukt auf ihrer Oberfläche, während die Schaufel in Figi 2 praktisch
keine zeigt.
Eine sorgfältige Messung der Schaufeln in den Fig. 1 und 3 (Aluminiumoxid- bzw. Zirconschalenfonn) zeigte, daß die
Schaufel von Fig. 1 (deren Schalenform ganz aus Aluminiumoxid bestand) eine beträchtlich geringere Verwindung als
die Schaufel von Fig. 2 (deren Form ganz aus Zircon bestand) erfahren hatte. Das beweist, daß die mit Calciumoxid modi-
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~ *° " 27163A2 43
fizierte Aluminiuraoxidschalenfortn bei Gießtemperaturen fester ist als die Zirconschalenform.
Die bevorzugten physikalischen Parameter der Aufschlämmungen
nach der Erfindung sind in Tabelle III angegeben, während die breiten Zusammensetzungsgrenzen der Aufschlämmungs'
überzüge in Tabelle IV angegeben sind.
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Stuckschichten
Überzüge
2, 3, 4 usw.
3, 4 usw.
24,44 7. Ludox HS 30*
0,66 7. CaCO3 52,73 % bis zu 44 ,um
blättchenförmiges Aluminiumoxid
5,54
geschmolzenes Aluminiumoxid
bis zu 38 »um
6,34 % bis zu 150,Um blättchenförmiges Aluminiumoxid
2,38 % bis zu 150,Um Kyanit
7,92 % A-2ungemahlenes Aluminiumoxid
25,74 7. Ludox HS 30* 0,73 7o CaCO. 29,41 % bis zu 44.Um
blättchenförmiges Aluminiumoxid
3,68 7o bis zu 150 ,um blättchenförmiges
Aluminiumoxid 18,38 7o bis zu 250,um blättchenförmiges
Aluminiumoxid
7,35 % bis zu 644 ,um
blättchenförmiges Aluminiumoxid
2,21 7. Kyanit 12,50% bis zu 322 ,um
MuIlit geschmolzenes blättchenförniiges blättchenförmiges
Aluminiumoxid Aluminiumoxid Aluminiumoxid
150-212,um
322-644,um
644-1400 ,um
co
N)
Ludox ist ein Warenzeichen der Fa. DuPont
Corporation.
Ludox HS 30 ist eine 30 Gew.-7.ige wässerige Aufschlämmung von kolloidalem Siliciumdioxid.
Aufschlämmungsbestandteile (in Gewichtsprozent)
Überzug
3,4,5 usw.
3, 4, 5 usw.
22,2 % Ludox HS 30 75-180 Aim
250-600 Aim
Zirconmasse
ter Kaolin
24,44 % Ludox HS 30 21 % Ludox HS
0,66 % CaCO- 23,5 7. bis zu 106 ,um 77,8 % 25-150 ,um Zirconsand calcinier-52,73
% bis zu 44 ,um Zircon Aluminiumoxid
5,54 % bis zu 38 .um Zircon
2,3 % Kobaltaluminat 25-150,um Zirconmasse
53,2 % bis zu 44,um
geschmolzenes Aluminiumoxid
6,34 % bis zu 150 ,um Aluminiumoxid
2,38 % bis zu 150 ,um Kyanit
7,92 X ungemahlenes Aluminiumoxid CJ) CO
ISJ
- yS-
TABELLE III
FÜR EINE MIT CALCIUMOXID MODIFIZIERTE ALUMINIUMOXID-SCHALENFORM
Bereiche der Viskosität und des spzifischen Gewichts der Aufschlämmung:
Aufschlämmung
1 (Grundierung)
2, 3, 4 usw.
(Stutζschichten)
1 (Grundierung)
2, 3, 4 usw.
(Stutζschichten)
Viskosität (Zahnbecher Nr. h) spezif. Gewicht
12-20 Sekunden 2,4 - 2,6
8-12 Sekunden 2,35 - 2,5
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AufschlämmungsZusammensetzungsgrenzen
(in Gew.-%)
kolloidales Siliciumdioxid 15-30 (30 %ige wässerige Mischung)
Calciumcarbonate 0,26-1,4
bis zu 150 ,um Keramikmasse, Best Aluminiumoxid oder Zircon
Netzmittel 0-1 %
* weniger als etwa 50 ppm Alkalimetallverunreinigungen enthaltend
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L e e r s e ι t e
Claims (8)
1. Hochfeste, kriechbeständige Schalenform, die mit geschmolzenen Superlegierungen im wesentlichen nicht reagiert
dadurch gekennzeichnet, daß sie geformt worden ist durch:
a) Schaffen eines ausschmelzbaren Modells;
b) Eintauchen des Modells in eine Aufschlämmung, welche aus etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% eines
Bindemittels, das auf einem wässerigen Gemisch basiert, welches etwa 30 Gew.-% kolloidales
Siliciumdioxid oder das Äquivalent derselben enthält, etwa 0,26 bis 1,4 Gew.-7O Calciumcarbcnat,
bis zu etwa 0,2 Gew.-% eines Netzmittels und
im übrigen im wesentlichen aus einer Keramikmasse mit einer Teilchengröße von bis zu 150 ,um besteht,
die aus der Gruppe ausgewählt worden ist, welche aus Aluminiumoxid plus bis zu 30 % Aluminiumoxid-Siliciunidioxid-Verbindungen
und Zircon besteht;
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c) Aufbringen einer Stuckschicht von trockenen Keramikteilchen auf die mit der Aufschlämmung
überzogene nasse Oberfläche;
d) Trocknen des mit der Stuckschicht überzogenen Aufschlämmungsüberzuges;
e) Wiederholen der Schritte b, c und d mehrmals, bis die gewünschte Formdicke erreicht ist;
f) Erhitzen der Anordnung aus Modell und Form, um das ausschmelzbare Modell zu entfernen; und
g) Brennen der Form bei einer Temperatur, bei welcher das Calciumcarbonat zerfällt, um Calciumoxid
zu bilden, welches dann zur Reaktion mit dem Siliciumdioxid in dem Bindemittel verfügbar ist.
2. Schalenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmasse in dem Bindemittel im wesentlichen aus
Aluminiumoxid plus bis zu etwa 30 % Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Verbindungen
besteht.
3. Schalenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmasse im wesentlichen aus Zircon besteht.
4. Schalenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stuckschicht im wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht.
5. Schalenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stuckschicht im wesentlichen aus Zircon besteht.
6. Verfahren zum Verbessern der Oberflächenbeschaffenheit
von in Feingießtechnik hergestellten Superlegierunes- und
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Eisengegenständen, die in den Keramikschalenformen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gegossen werden, die ein SiO~-
Bindemittel enthalten und hergestellt werden, indem mehrere Keramikaufschlämmungsüberzüge
und Stuckschichten auf einem ausschmelzbaren Modell angebracht und vor der Verwen
dung bei einer erhöhten Temperatur gebrannt werden, dadurch gekennzeichnet,daß wenigstens in dem ersten Keramiküberzug
dem Siliciumdioxidbasisbindemittel ein Material zugesetzt wird, das sich, wenn es der Formbrenntemperatur ausgesetzt
wird, in einer Menge in CaO umwandelt, die ausreicht, um bei dem Brennen ein CaO:SiO_-Verhältnis von etwa 1:20 zu
erzeugen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bindemittel außerdem eine feuerfeste Masse auf Aluminiumoxidbasis
zugesetzt wird, die außerdem bis zu etwa 30 % Aluminiumoxid- und Siliciumdioxidbasisverbindungen enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bindemittel außerdem eine feuerfeste Masse auf Zircon-
basis zugesetzt wird.
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|---|---|---|---|
| US67927976A | 1976-04-22 | 1976-04-22 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| SE7704162L (sv) | 1977-10-23 |
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