DE3331177A1

DE3331177A1 - Keramischer formkern und verfahren zur herstellung von gussstuecken unter verwendung eines formkerns

Info

Publication number: DE3331177A1
Application number: DE3331177A
Authority: DE
Inventors: David Frampton Cotterell Bristol Mills
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-09-04
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1984-03-08
Also published as: FR2532570A1; GB2126569A; JPH0310420B2; JPS5964135A; FR2532570B1; DE3331177C2; US4572272A; GB2126569B

Description

Rolls-Royce Limited 65 Buckingham Gate, London SW1E 6AT, England

Keramischer Formkern und Verfahren zur Herstellung von Gußstücken unter Verwendung eines Formkerns

Die Erfindung betrifft einen keramischen Formkern für Gießformen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken unter Verwendung eines solchen Formkerns.

Beim Gießen hohler Bauteile für Gasturbinentriebwerke, beispielsweise von Turbinenlauf- und -Leitschaufeln, wird als Werkstoff für keramische Formkerne üblicherweise Siliziumoxid verwendet, da dieses Material eine hohe Temperaturbeständigkeit in Verbindung mit leichter Herauslösbarkeit aus dem fertigen Gußteil durch Herauslaugen mit ätzenden Salzlösungen aufweist.

Neuere Entwicklungen von Verfahren zum Gießen von Lauf- und Leitschaufeln arbeiten mit gerichteter Erstarrung der Gußstücke, was zur Folge hat, daß die verwendeten keramischen Formkerne während einer wesentlich längeren Zeitdauer höheren Temperaturen ausgesetzt sind. Dabei hat sich gezeigt, daß die aus Siliziumoxid bestehenden Formkerne sich gelegentlich verformen, was bei

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Anwendung dieser Gießverfahren zu hohen Ausschußquoten bei den hergestellten Gußstücken führt.

Infolgedessen sind für diese Gießverfahren auch schon alternative Materialien mit höherer Temperatürfestigkeit für die Formkerne in Erwägung gezogen worden/ beispielsweise Aluminiumoxid. Das Problem in der Verwendung von solchen Materialien mit höherer Temperaturfestigkeit liegt aber in deren schlechter Löslichkeit. Obwohl eine diesbezügliche Nachforschung in der chemischen Literatur zeigt, daß sich eine chemische Reaktionsformel für eine Reaktion angeben läßt, gemäß welcher Aluminiumoxid in ätzenden Salzlösungen löslich ist (siehe "Raw Materials" von W.E. Worrall, S.93, The Institute of Ceramics Textbook Series), steht man in der Praxis vor der Tatsache, daß sich im Handel erhältliches Aluminiumoxid, das hochgebrannt und hochverdichtet ist, um die für einen keramischen Formkern für Gießformen erforderliche Festigkeit und Temperaturbeständigkeit zu erhalten, bisher nicht als Formkernmaterial verwendet werden konnte, was seine Ursache in den Schwierigkeiten seiner Entfernung aus dem fertigen Gußstück durch Herauslaugen mit für den praktischen Fertigungsbetrieb brauchbaren Auslösungsgeschwindigkeiten hat.

In letzter Zeit sind mehrere Versuche zur Bewältigung dieses Problems unternommen worden. Beispielsweise ist in der GB-PS 1 602 02 7 ein Formkern aus Aluminiumoxid beschrieben, der als Formpreßkörper mit einer speziell ausgebildeten, stark porösen Innenstruktur hergestellt ist und durch eine Kombination von Auflösungsvorgang und mechanischem Zerstrümmern verhältnismäßig leicht aus einem Gußstück entfernt werden kann.

Ein anderer Vorschlag sieht Formkerne vor, die aus Gemischen von Aluminiumoxid mit leichter auflösbaren Materialien wie z. B. Siliziumoxid oder Magnesiumoxid hergestellt

werden. Es hat sich aber herausgestellt, zumindest mit Bezug auf Gemische von Aluminiumoxid und Siliziumoxid, daß im Gegensatz zur Verwendung von Siliziumoxid allein bei einem Gehalt von 20 % bis 30 % Siliziumoxid die Formkerne mit wachsender Salzkonzentration schlechter löslich werden. Während Siliziumoxid allein in höher konzentrierten Salzlösungen sich schneller auflöst und sich bekanntermaßen in geschmolzenem wasserfreiem Ätzsalz auflöst, ist infolge der eben erwähnten Erscheinung ein Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Gemisch mit gleichem Mengenanteilen der beiden Bestandteile mittels konzentrierter Salzlösungen praktisch nicht mehr aus Gußstücken nerauslösbar Vermutlich hat dies seine Ursache in der Bildung von un-,löslichem Aluminiumsilikaten, die in den kleinen öffnungen der gegossenen Werkstücke verhindern, daß die Salzlösung die Oberfläche des Formkerns erreicht.

Ein älterer ausländischer Vorschlag befaßt sich mit einem Verfahren zum Entfernen von Aluminiumoxid-Formkernen aus Gußstücken mit Hilfe von ätzenden Salzlösungen, aber es hat sich gezeigt, daß das Aluminiumoxid zu diesem Zweck besonders rein sein muß, um die Bildung unlöslicher Verbindungen zu vermeiden, welche den Auf lösungs Vorgang unannehmbar verzögert. Aber trotz der Auflösbarkeit des reinen Aluminiumoxids verläuft der Auflösungsvorgang verhältnismäßig langsam und, im Gegensatz zu der Erfahrung bei Siliziumoxid-Formkernen, ist eine Erhöhung der Konzentrationen der ätzenden Salzlösungen nur bis zu einem bestimmten Punkt vorteilhaft, während jenseits dieses Punktes die Löslichkeit des Aluminiumoxids wieder abnimmt und im Extremfall in geschmolzenem wasserfreiem Ätzsalζ völlig unlöslich wird.

Der Erfindung liegt die Augsbe zugrunde, einen gegenüber Siliziumoxid temperaturbeständigeren, jedoch aus Gußstücken leicht herauslösbaren Formkern zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung eines Formkerns gelöst.

vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 1 bis 6.

Ein Verfahren zum Herstellen von Gußstücken unter Verwendung eines Formkerns nach der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 7.
15.

Als Wasserstoffdonatorgruppe ist eine chemische Gruppe zu verstehen, die während des Auflösungsvorgangs unter Freisetzung elementaren Wasserstoffs aufbricht, beispielsweise eine Hydroxylgruppe, ein Hydrid oder chemisch gebundenes Wasser.

Außerdem muß der die Wasserstoffdonatorgruppe enthaltene Stoff diese Gruppe auch bei den bei der Herstellung des Formkerns und den während seines Gebrauchs beim Gießen einwirkenden Temperaturen halten.

Es hat sich gezeigt, daß Siliziumoxid Spuren von Wasser selbst nach elektrischem Schmelzen enthält und daß die Zugabe kleiner Mengen, beispielsweise von 2 bis Gewichtsprozent Siliziumoxid zu einem siliziumoxidfreien Keramikmaterial, das in geschmolzenen wasserfreien Ätzsalzen unlösbar ist, ein solches Keramikmaterial in den wasserfreien Ätzsalzen leicht löslich macht. Man erhält also den überraschenden Effekt, daß die Zugabe von Siliziumoxid in kleinen Mengen bei einem im übrigen aus Aluminiumoxid bestehenden Formkern, wodurch das Aluminiumoxid in einer ätzenden Salzlösung schlechter

löslich wird, das Aluminiumoxid in einem geschmolzenem wasserfreien Ä'tzsalz leicht löslich macht.

Vermutlich wirkt der von der Wasserstoffdonatorgruppe freigesetzte Wasserstoff entweder als Katalysator oder er reagiert mit dem Aluminiumoxid und dem Salz in irgendeiner Weise zur Bildung einer in dem Salz löslichen Verbindung.

Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung, nämlich /"*-. die Verwendung einer Wasserstoffdonatorgruppe in dem Keramikmaterial selbst, ist außer bei Aluminiumoxid auch bei '. anderen, nicht auf Siliziumoxid basierenden Keramikmaterialien anwendbar.

15

üie in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Formkern bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Atzsalze sind vorzugsweise Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder Lithiumhydroxid oder Gemische davon. Jedoch können auch andere Hydroxide von Elementen der gleichen Gruppe des periodischen Systems verwendet werden.

zur Durchführung- von Vergleichsversuchen wurden mehrere Versuchsstücke aus Aluminiumoxidpulver hergestellt, das bei einer Temperatur oberhalb von 1600 C gebrannt worden war. • Das Aluminiumoxidpulver wurde mit etwa 2 bis 3 Gewichtsprozent Siliziumoxidpulver gemischt und nach einem Standardverfahren unter Vermischung mit einem Kunstharzbindemittel durch Spritzgießen in eine Form zu Stäben von 2 mm χ 10 mm χ JO 100 mm geformt. Diese Stäbe wurden dann bei einer Temperatur von 1500 C gebrannt.

Die gebrannten, hochfesten, hitzebeständigen Stäbe wurden, in ein flüssiges Gemisch aus 40 % geschmolzenem wasserfreiem Natriumhydroxyd und 60 % geschmolzenem wasserfreiem Kallumhydroxyd mit einer Temperatur von etwa 200 C

4 ν m -

eingetaucht. Innerhalb von 15 min hatten sich bis zu 10 mm der Stäbe aufgelöst.

Entsprechende Stäbe gleicher Länge aus reinem, hochgebranntem Aluminiumoxid werden in das gleiche Gemisch geschmolzener wasserfreier Ätzsalze eingetaucht, jedoch hatte auch nach einer Zeit von 4 h noch keine merkliche Auflösung stattge funden.

Die zu dem Aluminiumoxid zugegebene optimale Menge kann zwischen 0,5 und 10 Gewichtsprozent variieren, jedoch ist ein Anteil im unteren Abschnitt des genannten Bereiches, beispielsweise von 2 bis 3 Gewichtsprozent, zu bevorzugen, da das Vorhandensein von zu viel Siliziumoxid mit äem Aluminium die Bildung unlöslicher Aluminiumsilikate verursachen kann, welche den Auflösungsvorgang bretasen können. Ein weiterer Vorteil einer nur kleinen Siliziumoxidzugabe liegt darin, daß die Festigkeit eines niedrig gebrannten vorgeformten Aluminiumoxid-Formkerns gesteigert wird.

Selbstverständlich kann das Mischverhältnis der Salze zwischen reinem Natriumhydroxyd und reinem Kaliumhydroxid zur Erzielung der jeweils besten Ergebnisse variiert werden, und die Badtemperatur kann ebenfalls in jedem Fall zur Erreichung optimaler Ergebnisse variiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Keramischer Formkern für Gießformen, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 90 bis 99,5 Gewichtsprozent eines nicht auf Siliziumoxid basierenden Keramikmaterials und einen Anteil von 10 bis 0,5 Gewichtsprozent eines

weiteren Materials, das eine Wasserstoffdonatorgruppe
enthält.

2. Formkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht auf Siliziumoxid basierende Keramikmaterial

10 Aluminiumoxid ist.

3. Formkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Material Siliziumoxid ist.

4. Formkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumoxidgehalt im Bereich von 2 bis 3 Gewichtsprozent liegt.■

5. Formkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Material Wasser ist.

6. Formkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Material eine Hydroxyl- oder
Hydridgruppe aufweist.

COPY

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7. Verfahren zur Herstellung von Gußstücken unter Verwendung eines Formkerns, der nach dem Gießen aus dem fertigen Gußstück herausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußstück unter Verwendung eines Formkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gegossen und der Formkern mittels eines geschmolzenen wasserfreien Ätzsalzes aus dem fertigen Gußstück herausgelöst wird.