DE60310811T2

DE60310811T2 - Verstärkte Schalenform und Verfahren

Info

Publication number: DE60310811T2
Application number: DE60310811T
Authority: DE
Inventors: Xi Muskegon Yang
Original assignee: Howmet Research Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-10
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2023-05-11
Also published as: US6648060B1; EP1375030A2; EP1375030A3; US20030213576A1; JP2003326335A; EP1375030B1; JP4574954B2; DE60310811D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Feingieß-Schalenformen zum Gießen von geschmolzenen Metallen und Legierungen und betrifft im Besonderen Keramikschalenformen, welche faserverstärkt sind, um die Formfestigkeit bei hohen Gießtemperaturen zu verbessern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Sowohl das Feingießverfahren als auch das Verfahren zum Aufbau einer Schalenform unter Verwendung eines verlorenen Wachsmodells sind wohlbekannt, wie z.B. aus den Operhall-US-Patenten Nr. 3 196 506 und Nr. 2 961 751 ersichtlich. Das Verfahren zum Aufbau einer Schalenform mit Hilfe eines verlorenen Wachsmodells umfasst das wiederholte Tauchen eines Wachs- oder anderen flüchtigen Modells des zu gießenden Artikels in eine keramische Aufschlämmung, um eine Keramikaufschlämmungsschicht bereitzustellen, Ablaufenlassen der überschüssigen Aufschlämmung, Versehen der Aufschlämmung mit einem Stucco von groben Keramikpartikeln, um eine Stuccoschicht auf der Aufschlämmungsschicht bereitzustellen, und Trocknen der Schichten, um eine Schalenform in gewünschter Wanddicke auf dem Modell aufzubauen. Die grüne Schalenform/Modell-Anordnung wird dann einem Modellentfernungsvorgang unterworfen zur selektiven Entfernung des Modells aus der Schalenform. Eine allgemein gebräuchliche Wachsmodellentfernungstechnik umfasst ein Schnellentwachsen, wobei die grüne Schalenform-/Modell-Anordnung in einen Ofen bei erhöhter Temperatur platziert wird, um das Wachsmodell schnell aus der grünen Schalenform auszuschmelzen. Nach der Modellentfernung wird die grüne Schalenform bei erhöhter Temperatur gebrannt, um Formfestigkeit für das Gießen einer Metall- oder Legierungsschmelze darin zu entwickeln.
Konventionelle Keramikschalenformen nach dem verlorenen Wachsmodell können anfällig sein für Formriss- oder -spaltbildung während des oben beschriebenen Modellentfernungsvorgangs.
Es sind Versuche unternommen worden zur Erhöhung der Tauglichkeit von Keramikschalenformen für das DS-Gießen von Superlegierungskomponenten. Beispielsweise beschreibt das US-Reissue-Patent Nr. 34 702 in einer beispielhaften Ausführungsform das Wickeln einer Aluminiumoxid-basierten oder Mullit-basierten Verstärkungsfaser in einer kontinuierlichen Spirale um eine Formwandzwischendicke während deren Aufbaus. Das US-Patent Nr. 6 364 000 offenbart in einer beispielhaften Ausführungsform das Positionieren von einer oder mehreren kontinuierlichen kohlenstoffbasierten Verstärkungsfasern in einer Keramikschalenformwand zu diesem Zweck.
Die JP-A-56017157 offenbart eine Keramikschalenform mit Schalenschichten, welche wiederholt aufgebracht werden durch Refraktärmaterialbeschichten und Besanden, Fasermaterialien mit hoher Zugfestigkeit und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Keramikschalenform, umfassend das wiederholte Überziehen eines flüchtigen Modells eines zu gießenden Artikels mit einer Keramikaufschlämmungsschicht und Aufbringen eines Feuerfeststuccos auf die Keramikaufschlämmungsschicht, um eine Mehrzahl von Keramikaufschlämmungsschichten und Stuccoschichten auf dem Modell zu bilden, wobei mindestens eine der Stuccoschichten gebildet wird durch Aufbringen von diskontinuierlichen Stuccofasern mit anschließendem Aufbringen von körnigen Stuccopartikeln auf die diskontinuierlichen Stuccofasern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die körnigen Stuccopartikel auf stochastisch orientierte diskontinuierliche Stuccofasern aufgebracht, um die diskontinuierlichen Stuccofasern auf die unter den diskontinuierlichen Fasern liegende Aufschlämmungsschicht hinunterzupacken. Vorzugsweise werden die körnigen Stuccopartikel auf die diskontinuierlichen Stuccofasern aufgebracht, während die untenliegende Aufschlämmungsschicht noch nass ist, so dass ein größerer Teil der hinuntergepackten diskontinuierlichen Stuccofasern an der Aufschlämmungsschicht haftet. Vorzugsweise werden die körnigen Stuccopartikel auf die stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern aufgebracht, um eine Stuccoschicht zu bilden, welche eine Matte von den diskontinuierlichen Stuccofasern und dem körnigen Stucco auf und in der Matte umfasst.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die zur Illustration angeboten wird, die Erfindung aber nicht begrenzen soll, werden die körnigen Stuccopartikel aufgebracht durch Herabregnenlassen der körnigen Stuccopartikel durch Schwerkraft auf die diskontinuierlichen Stuccofasern.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Keramikschalenform bereit, wobei mindestens eine der Stuccoschichten die diskontinuierlichen Stuccofasern und die körnigen Stuccopartikel umfasst.
Erfindungsgemäße Schalenformen sind vorteilhaft, um einer Formspaltbildung während des Modellentfernungsvorgangs zu widerstehen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Detailbeschreibung noch näher erläutert.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Feingießschalenform gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
2A ist eine schematische Teilansicht einer Schalenformwand auf dem Modell und zeigt die auf eine noch nasse Feuerfestaufschlämmungsschicht aufgebrachten stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern noch vor dem Hinunterpacken der Stuccofasern zur Bildung einer im Wesentlichen zweidimensionalen Matte.
2B ist eine schematische Teilansicht einer Schalenformwand und zeigt die auf eine noch nasse Feuerfestaufschlämmungsschicht aufgebrachten stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern nach dem Hinunterpacken der Stuccofasern zur Bildung einer im Wesentlichen zweidimensionalen Matte.
3 ist eine Photographie einer geschnittenen Schalenform, hergestellt ohne körnige Stuccopartikel auf den diskontinuierlichen Stuccofasern.
4 ist eine Photographie einer geschnittenen Schalenformwand, hergestellt nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren.
5 ist eine perspektivische Darstellung eines keilförmigen Modells, welches zur Herstellung einer Schalenform für Modellentfernungsversuche verwendet wird.
3* ist eine Strichzeichnung der Photographie von 3.
4* ist eine Strichzeichnung der Photographie von 4.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch einen Prozess zum Aufbau einer Keramikschalenform unter Verwendung eines verlorenen Wachsmodells, auf den die Erfindung Anwendung finden kann, wobei eine Keramikschalenform gebildet wird durch wiederholtes Überziehen eines flüchtigen Modells des Gussartikels mit einer Feuerfestmehlaufschlämmung (d.h. Keramikmehl in einem flüssigen Binder), um eine Aufschlämmungsschicht bereitzustellen, Abtropfenlassen überschüssiger Aufschlämmung, Versehender Aufschlämmungsschicht mit Feuerfeststucco, um eine Stuccoschicht auf der Aufschlämmungsschicht bereitzustellen, bis eine gewünschte Schalenformwanddicke aufgebaut ist. Das flüchtige Modell kann ein herkömmliches Wachs, Wachs/Polymer-Mischungen, polymere oder andere flüchtige Materialien, mittels eines Formwerkzeugs oder sonstwie in die Form des zu gießenden Artikels gebracht, umfassen, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Derartige flüchtige Modelle sind aus der sie umhüllenden grünen Schalenform mit konventionellen Modellentfernungstechniken entfernbar, z.B. durch Ausschmelzen, Herauslösen und/oder Verdampfen des Modells aus derselben.
Gemäß 1 wird das Modell P in die in einem Behälter 10 aufgenommene Feuerfestmehl-(z.B. Keramikpulver-)aufschlämmung 11 getaucht, überschüssige Feuerfestaufschlämmung abtropfen gelassen durch vorübergehendes Halten des Modells über den Behälter 10 für eine vorgegebene Zeit und dann in einer Stuccoaufbringungsstation 12 mit einem Stucco versehen, während die Feuerfestaufschlämmungsschicht noch nass ist. Das Modell P wird typisch mittels eines Roboterarms R bewegt. Praktisch umfasst bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Stuccoaufbringungsstation 12 eine Faserstuccoaufbringungsvorrichtung 12a zum Aufbringen von diskontinuierlichen Stuccofasern 14 auf das Modell und eine Kornstuccoaufbringungsvorrichtung 12b zum Aufbringen von körnigen Stuccopartikeln 15 zum Bilden von mindestens einer der Stuccoschichten, so dass diese sowohl diskontinuierliche Stuccofasern als auch körnige Stuccopartikel in Einklang mit der Erfindung umfasst. Andere Stuccoschichten können nur körnige Stuccopartikel umfassen, welche nur an der Kornstuccoaufbringungsvorrichtung 12b auf das Modell aufgebracht werden. Das heißt, die Faserstuccoaufbringungsvorrichtung 12a wird nicht verwendet, wenn die Stuccoschicht nur körnige Stuccopartikel umfasst. Die Stuccoaufbringungsvorrichtung 12a, 12b kann herkömmliche Stuccotürme mit einem Behälter 20a bzw. 20b umfassen, in denen diskontinuierliche Stuccofasern bzw. körnige Stuccopartikel aufgenommen sind.
Das Modell P mit der mit Stucco versehenen Feuerfestaufschlämmungsschicht wird dann an Luft oder in einer konventionellen Trocknungsvorrichtung getrocknet. Nach dem Trocknen wird das Modell P ähnlichen Vorgängen des Tauchens, Abtropfens, Stuccoaufbringens und Trocknens unterworfen, bis die gewünschte Schalenformwanddicke auf dem Modell aufgebaut ist. Das Trocknen von Keramikaufschlämmungs-/Stuccoschichten ist in den US-Patenten Nr. 2 932 864; Nr. 4 114 285 und anderen sowie in der USSN 09/690 144 der gleichen Inhaberin beschrieben.
Typisch werden bei der praktischen Umsetzung des Verfahrens nach dem verlorenen Wachsmodell eine oder mehrere sogenannte Primärüberzugs-(Feuerfestaufschlämmungs-)schichten und Primärüberzugsstuccoschichten anfänglich auf das Modell aufgebracht, um eine Frontschicht zum Kontaktieren der in der Schalenform zu vergießenden Metall- oder Legierungsschmelze bereitzustellen.
Sodann wird das mit der Frontschicht versehene Modell wiederholten Schritten des Tauchens in Aufschlämmung, Abtropfens, Stuccoaufbringens und Trocknens unterworfen, um eine Backup-Aufschlämmungsschicht/-Stuccoschichten auf der/den Primärüberzugsaufschlämmungsschicht/en zu bilden, bis die gewünschte Schalenformwanddicke aufgebaut ist. Allgemein verwendet der Primärüberzug oder die Primärüberzüge ein feineres Feuerfestmehl in der Aufschlämmung als das in den Backup-Aufschlämmungen vorliegende. Ähnlich ist das Primärüberzugsstucco ein weniger grobes Stucco als das Backup-Stucco. Die/das Primärüberzugsaufschlämmung/-stucco umfasst typisch ein entsprechendes feuerfestes Material, z.B. ein Keramikmaterial, um eine Frontschicht zu bilden, welche zum Kontaktieren der zu gießenden Metall- oder Legierungsschmelze ohne abträgliche Reaktionen mit derselben geeignet ist. Die Backup-Aufschlämmung und das Backup-Stucco können ein Feuerfestmehl und ein Feuerfeststucco umfassen, welche von den für die/das Primärüberzugsaufschlämmung/-stucco verwendeten verschieden oder identisch mit denselben sind. Die Feuerfestmehle/-stuccos, welche in den Schalenformschichten zum Gießen von Nickelbasis- und Cobaltbasis-Superlegierungen verwendet werden, umfassen typisch keramische Mehle/Stucco, wie in den US-Patenten Nr. 4 966 225, Nr. 5 335 717, Nr. 5 975 188 und anderen beschrieben, wenngleich Feuerfestmaterialien wie Graphit, Nitride, Carbide und andere Materialien verwendet werden können, wie zum Beispiel in US-Patent Nr. 5 297 615 beschrieben, wobei die Lehren aller dieser Patente durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst das Bilden wenigstens einer, vorzugsweise einer Mehrzahl der Stuccoschichten der Schalenform durch Aufbringen von diskontinuierlichen Stuccofasern, gefolgt von Aufbringen körniger Stuccopartikel auf die diskontinuierlichen Stuccofasern. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, welche zur Illustration vorgestellt wird, ohne die Erfindung begrenzen zu wollen, werden z.B. die körnigen Stuccopartikel 15, 1, an der Vorrichtung 12b auf die vorher an der Vorrichtung 12a aufgebrachten diskontinuierlichen Stuccofasern 14, 1, aufgebracht, um die anfänglich stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern 14, 2A, zu impaktieren und auf die unter den diskontinuierlichen Fasern liegende Aufschlämmungsschicht hinunterzupacken. Bevorzugt werden die körnigen Stuccopartikel 15 auf die diskontinuierlichen Stuccofasern 14 aufgebracht, während die untenliegende Aufschlämmungsschicht noch nass ist, so dass ein größerer Teil, bevorzugt mehr als 75 % und mehr bevorzugt 80–90 % der diskontinuierlichen Stuccofasern 14 hinuntergepackt werden und an der Aufschlämmungsschicht haften als eine Folge des Impakts der fallenden körnigen Stuccopartikel 15. Bevorzugt werden die körnigen Stuccopartikel auf die stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern aufgebracht, um eine Stuccoschicht zu bilden, welche eine im Wesentlichen zweidimensionale Matte von hinuntergepackten diskontinuierlichen Stuccofasern 14 und den körnigen Stuccopartikeln 15 auf und in der Matte umfasst, 2B, wobei in 2B die körnigen Stuccopartikel durch Punkte repräsentiert sind.
Die diskontinuierlichen Stuccofasern können Siliciumoxid, Aluminiumoxid oder andere Feuerfestmaterialien umfassen, welche für die jeweilige zu bildende Form und für die jeweiligen zu verwendenden Gießparameter geeignet sind. Die Stuccofasern sind diskontinuierliche, relativ kurze Fasern, deren Länge größer ist als der Faserdurchmesser. Die Stuccofasern weisen vorzugsweise Längen auf, die 1/2 Inch nicht überschreiten, typisch im Bereich von 1/4 bis 3/8 Inch, lediglich als Beispiel, und Faser-Aspektverhältnisse (Verhältnis Länge zu Durchmesser) in einem Bereich von 10 bis 100, obschon die Erfindung nicht auf diese Bereiche begrenzt ist. Die körnigen Stuccopartikel sind gekennzeichnet durch eine blockige Kornmorphologie und ein Aspektverhältnis von kleiner als 2 – eine Partikelform, die typisch ist für die bislang in dem Schalenformprozess nach dem verlorenen Wachsmodell verwendeten körnigen Stuccos und in den oben angegebenen US-Patenten beschrieben ist. Die körnigen Stuccopar tikel können Siliciumoxid, Aluminiumoxid oder andere geeignete Feuerfeststuccomaterialien umfassen, welche für die jeweilige zu bildende Form und die jeweiligen zum Einsatz kommenden Gießparameter geeignet sind. Die diskontinuierlichen Stuccofasern und die körnigen Stuccopartikel umfassen das gleiche oder unterschiedliches Feuerfest- oder Keramikmaterial.
Die Stuccoaufbringungsvorrichtung 12a, 12b kann konventionelle Stuccotürme mit einem erhöhten Behälter 20a bzw. 20b umfassen, in denen diskontinuierliche Stuccofasern 14 bzw. körnige Stuccopartikel 15 aufgenommen sind. An der Vorrichtung 12a werden die diskontinuierlichen Stuccofasern 14 aus dem Behälter 20a freigegeben, so dass sie durch Schwerkraft auf die nasse feuerfeste Schicht auf dem Modell P herabfallen oder herabregnen, welches in einer vorab gewählten Entfernung (z.B. 20 bis 60 Inch) unterhalb des Behälters 20a angeordnet ist und rotiert, so dass die Stuccofasern auf die gesamte Oberfläche der nassen Feuerfestaufschlämmungsschicht auftreffen und sie bedecken. Typisch werden die diskontinuierlichen Stuccofasern 14 aus dem Behälter 20a freigegeben, bis man beobachtet, dass Stuccofasern von dem Modell abfallen (nicht an ihm haften) als eine Folge davon, dass dieses mit vorher freigegebenen Stuccofasern 14 vollständig bedeckt ist, wobei jedoch auch eine vorab bestimmte Menge an Stuccofasern über die Zeit freigegeben werden kann. Die diskontinuierlichen Stuccofasern 14 haften der nassen Aufschlämmungsschicht in einer dreidimensionalen Anordnung von stochastisch orientierten Fasern 14 an, wie in 2A illustriert. An der Vorrichtung 12b werden die körnigen Stuccopartikel 15 aus dem Behälter 20b freigegeben, so dass sie durch Schwerkraft auf die mit Faserstucco versehene, noch nasse Feuerfestschicht auf dem Modell P herabfallen oder herabregnen, welches in einer vorab gewählten Entfernung (z.B. 20 bis 60 Inch) unterhalb des Behälters 20b angeordnet ist und rotiert, so dass die körnigen Stuccopartikel auf die Stuccofasern auftreffen und diese auf die noch nasse Feuerfestaufschlämmungsschicht hinunterpacken. Typisch werden die körnigen Stuccopartikel 15 aus dem Be hälter 20b freigegeben, bis man beobachtet, dass körnige Stuccopartikel von dem Modell abfallen (nicht an ihm haften) als eine Folge davon, dass dieses mit vorher freigegebenen körnigen Stuccopartikeln 15 vollständig bedeckt ist, wobei jedoch auch eine vorab bestimmte Menge an körnigen Stuccopartikeln über die Zeit freigegeben werden kann. Es kann ein beliebiger konventioneller Stuccoturm bei der Umsetzung der Erfindung verwendet werden. Ein besonderer Stuccoturm, der zur Umsetzung der Erfindung Verwendung finden kann, ist beschrieben in der US Serial No. 09/690 144, Tag der Einreichung 27. Juli 2000, der gleichen Inhaberin, dessen Lehren durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Das Faserstucco oder die körnigen Stuccopartikel können durch andere Mittel auf das Modell aufgebracht werden, einschließlich Sprühbeschichten, Wirbelbettbeschichten oder andere Techniken, welche den Stuccopartikeln hinreichend Energie verleihen zum Hinunterpacken der Stuccofasern, um eine zweidimensionale mattenartige Struktur auf dem Modell zu bilden.
Die eine oder mehreren Stuccoschichten, welche in Einklang mit der Erfindung durch Aufbringen von diskontinuierlichen Stuccofasern 14, gefolgt von Aufbringen körniger Stuccopartikel 15 auf die stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern gebildet werden, können vorzugsweise Zwischenstuccoschichten der Schalenformwand 25 umfassen, wobei die Erfindung jedoch diesbezüglich nicht begrenzt ist. Als Beispiel zur Illustration und ohne die Erfindung begrenzen zu wollen, kann die die diskontinuierlichen Stuccofasern 14 und körnigen Stuccopartikel 15 umfassende Stuccoschicht die vierte, fünfte, sechste etc. Zwischenstuccoschicht der Schalenformwand umfassen, während diese Schicht um Schicht aufgebaut wird.
Die Stuccoschicht(en), welche in Einklang mit der Erfindung gebildet werden durch Aufbringen von körnigen Stuccopartikeln 15 auf die stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern 14 von 2B zeigen weniger Poro sität für eine gegebene Schalenformwanddicke und weniger Faserbrückenbildung (wobei Fasern sich brückenartig unter Hohlraumbildung übereinanderlegen), als eine Stuccoschicht, welche nur diskontinuierliche Stuccofasern umfasst. Die Anwendung der körnigen Stuccofasern ordnet die stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern um, um eine höhere Faserpackungsdichte – wobei einige körnige Stuccopartikel 15 Räume zwischen den Stuccofasern 14 füllen – und eine dichtere Schalenformwand 25 bereitzustellen, vergleiche 3 und 4.
Erfindungsgemäße Schalenformen zeigen eine größere Festigkeit unter Zug und größere Zähigkeit (Resistenz gegenüber Rissausbreitung) als Schalenformen ohne eine oder mehrere der Komposit-Aufschlämmungsschichten (umfassend die diskontinuierlichen Stuccofasern 14 und die körnigen Stuccopartikel 15) und sind vorteilhaft, um einer Formspaltbildung während des Modellentfernungsvorgangs zu widerstehen.
Die folgenden Beispiele werden vorgestellt, um die Erfindung noch näher zu erläutern, ohne sie begrenzen zu wollen.
BEISPIELE
Beispiel 1
Es wurden Schalenformen in einem Verfahren nach dem verlorenen Wachsmodell hergestellt, wie in US-Patent Nr. 4 966 225 beschrieben, durch Aufbringen von Keramikaufschlämmungsschichten/Stuccoschichten auf identische Wachsmodelle, wie in der nachfolgenden Tabelle I gezeigt:
TABELLE I
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die keramischen Aufschlämmungen und Stuccos der ersten (Front-)schicht, der zweiten, dritten, siebten und achten Schicht gleich waren. Die Aufschlämmung A umfasste eine Aluminiumoxid-basierte Aufschlämmung mit einer 12 nm kolloidalen Siliciumoxid-Binderflüssigkeit (LUDOX HS30-Binder von der Firma Grace Chemicals Corp.). Die Aufschlämmungen B, C und D umfassten jeweils eine Zircon-basierte Aufschlämmung mit der 12 nm kolloidalen Siliciumoxid-Binderflüssigkeit. Tauchvorgänge unter Verwendung von zwei Aufschlämmungen sind mit B/C (und in späteren Beispielen mit B/D) bezeichnet und repräsentieren die wohlbekannte Praxis, anfänglich in eine niederviskose Aufschlämmung zu tauchen und anschließend in eine standard-, höherviskose Aufschlämmung zu tauchen. Das Stucco für die erste Stuccoschicht war ein -120 mesh Schmelzaluminiumoxid-Kornstucco (wobei -120 mesh Teilchen mit einer Größe kleiner als 120 mesh bedeutet). Das Stucco für die zweite Stuccoschicht war ein -90 mesh Schmelzaluminiumoxid-Kornstucco. Das Stucco für die dritte Stuccoschicht war ein 28X48 mesh Tabular-Aluminiumoxid-Kornstucco, wobei die Stuccopartikel eine Partikelgröße von weniger als 28 mesh und größer als 48 mesh aufweisen. Das Stucco für die übrigen Schichten war ein 14X28 mesh Tabular-Aluminiumoxid-Kornstucco. Wie ersichtlich, waren die für die vierte, fünfte und sechste Schicht verwendeten Keramikaufschlämmungen ebenfalls gleich. Jedoch waren die vierte, fünfte und sechste Stuccoschicht insofern verschieden, als bei der Herstellung der Formprobe A die vierte, fünfte und sechste Stuccoschicht nur 14X28 Tabular-Aluminiumoxid umfasste, während bei der Herstellung der Formprobe B die vierte, fünfte und sechste Stuccoschicht nur 1/4 Inch lange geschnittene (diskontinuierliche) "Q"-Fasern umfasste. Bei der Herstellung der Formprobe C umfasste die vierte, fünfte und sechste Stuccoschicht die 1/4 Inch langen geschnittenen "Q"-Fasern, gefolgt von der Aufbringung körniger 14X28 Stuccopartikel für eine Faserstuccopackung in Einklang mit der Erfindung.
Die diskontinuierlichen geschnittenen "Q"-Fasern umfassten Siliciumoxid und hatten einen Durchmesser im Bereich von 9 bis 14 μm. Die ungeschnittenen "Q"-Fasern (Quartzel Siliciumoxid) sind erhältlich von der Firma Saint-Gobain Quartz, 1600 W. Lee St., Louisville, Kentucky. Die "Q"-Fasern wurden von der Firma OMNIA LLC, Raleigh, North Carolina, geschnitten. Die 14X28 Kornstuccopartikel umfassten Körner mit einer Partikelgröße von kleiner als 28 mesh und größer als 48 mesh und umfassten Tabular-Aluminiumoxid. Die 14X28 Aluminiumoxid-Kornstuccopartikel sind von der Firma Alcoa Alumina and Chemicals, Bauxite, Arkansas, erhältlich. Die mesh-Größen beziehen sich auf das US-Standardsiebsystem. Bei der Herstellung der Formproben wurden sowohl die "Q"-Stuccofasern als auch die 14X28 Aluminiumoxid-Kornstuccopartikel im freien Fall aus einer Höhe von 5 Fuß über dem Modell beim Aufbau jeder Formprobe auf das Modell aufgebracht.
Die 3 und 4 zeigen Photographien der aufgebauten Wand der Schalenformprobe B bzw. C. Der Unterschied zwischen der Schalenform B und C ist dramatisch insofern, als die Formprobe C weniger Porosität für eine gegebene Schalenformwanddicke und weniger Faserbrückenbildung (wobei Fasern sich brückenartig unter Hohlraumbildung übereinanderlegen) zeigt. Stochastische Orientierung der Stuccofasern und Faserbrückenbildung sind bei Probe B in 3 erkennbar; beides erhöht die Wandporosität und die Zahl der Hohlraumdefekte in der Formwand, wodurch die Formfestigkeit gemindert wird. So sind zum Beispiel die Projektionen PJ an der äußeren Formprobenoberfläche (links in 3) diskontinuierliche "Q"-Stuccofasern, welche sich außerhalb und quer zu der Ebene der Probenwand erstrecken. Mehrere große Hohlräume V sind erkennbar und mit den diskontinuierlichen Stuccofasern assoziiert. In 4 hat die Anwendung der körnigen Stuccopartikel die diskontinuierlichen Stuccofasern umgeordnet, um eine höhere Faserpackungsdichte bereitzustellen, wobei körnige Stuccopartikel Räume zwischen den Stuccofasern füllen, um eine dichtere und stärkere Schalenformwand zu erzeugen.
Die mechanischen Eigenschaften wurden für die Formproben A, B und C bestimmt und sind in der nachfolgenden Tabelle II angegeben:
TABELLE II
Wie die Ergebnisse zeigen, behielt die Formprobe C eine ähnliche Festigkeit und Porosität wie die Probe A bei verbessertem EBP-Wert (EBP ist die Energie bis zum Bruchpunkt, ausgedrückt in den Einheiten Ibf-in). Probe B jedoch wurde schwächer und poröser infolge Faserbrückenbildung. Insgesamt sind die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Probe C signifikant verbessert, so dass die Rissbildungswahrscheinlichkeit der Schalenform gemindert sein sollte.
Beispiel 2
Dieses Beispiel beschreibt, wie das Schalenformverhalten während der Modellentfernung durch Umsetzung der Erfindung verbessert werden kann. Ein keilförmiges Wachsmodell, 5, wurde verwendet, um die Wahrscheinlichkeit der Schalenformrissbildung zu prüfen. Dieses keilförmige Modell kann vielfach Schalenformrissbildung entlang den Kanten des Keils verursachen.
Es wurden keilförmige Testschalenformen hergestellt, wie in den nachfolgenden Tabellen III aufgezeigt. Die Aufschlämmungen A und B waren äquivalent zu Aufschlämmung A und B von Beispiel 1. Die Aufschlämmung D war ähnlich Aufschlämmung C von Beispiel 1 mit einem höheren Anteil an organischem Binder. Einige keilförmige Formen A1, B1, C1 wurden ohne Faserverstärkung hergestellt, und der andere Satz A2, B2, C2 wurde mit "Q"-Faserverstärkung hergestellt, gefolgt von der Aufbringung von 14X28 Tabular-Aluminiumoxid-Stucco (in Tabelle III mit 14–28 bezeichnet) auf die Fasern in Einklang mit der Erfindung und wie in Beispiel 1 beschrieben. Nach einem Dampfentwachsungsvorgang wurde jede keilförmige Form untersucht, und die Rissbildungswahrscheinlichkeit wurde berechnet auf Basis des prozentualen Anteils an gerissenen keilförmigen Formen bezogen auf die Gesamtheit der Schalenformen. TABELLEN III

wobei "28–48" und "14–28" in den Tabellen III zu 28X48 und 14X28 mesh Kornstucco von Tabelle I korrespondieren.
Keilförmige Schalenformproben A1-C2 wurden in einen Dampfautoklaven platziert, um das Wachsmodell zu entfernen. Nach dem Dampfentwachsungsvorgang wurde jede keilförmige Form untersucht, und die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung (Rissbildungswahrscheinlichkeit) wurde berechnet auf Basis des prozentualen Anteils an gerissenen keilförmigen Formen bezogen auf die Gesamtheit der Schalenformen und in der nachfolgenden Tabelle IV aufgelistet.
TABELLE IV
Unter den Entwachsungsbedingungen im Dampfautoklaven zeigten die Q-faserverstärkten Schalenformen A2, B2, C2 keine Rissbildung bei keiner der geprüften Formen, während alle standardmäßigen (nicht-Q-faserverstärkten) Schalenformen A1, B1, C1 gerissen waren. Die Formprobe C2 mit nur 7 Schichten einschließlich zweier Q-Faserschichten zeigte keine Risse im Vergleich mit der dickeren 9-lagigen Formprobe A1 mit 100 % Rissbildungswahrscheinlichkeit. Das Entwachsungsverhalten der in Einklang mit der Erfindung erzeugten Schalenformen ist wesentlich verbessert.
Die obigen Probeschalenformen wurden ferner einem Ofenentwachsungsvorgang unterworfen, wobei ein Ofen zunächst auf 1600°F erhitzt wurde. Sodann wurden die keilförmigen Probeschalenformen in den Ofen geschoben, um das Wachsmodell zu entfernen, und dann nach Entnahme aus dem Ofen untersucht. Die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung (Rissbildungswahrscheinlichkeit) für jede Probenschalenform wurde berechnet und in der nachfolgenden Tabelle V aufgelistet.
TABELLE V
Unter den Schnellentwachsungsbedingungen des geheizten Ofens demonstrierten die experimentellen Ergebnisse eine signifikante Reduzierung der Schalenformrissbildung durch Umsetzung der Erfindung. So zeigte zum Beispiel die 8-lagige Schalenform mit Q-Faserverstärkung (Probe B2) keine Rissbildung, während die Standardschalenformen ohne Q-Faserverstärkung (Probe B1) alle gerissen waren.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bestimmte, spezifische, beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und kann innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüchen modifiziert und geändert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Keramikschalenform, umfassend das wiederholte Überziehen eines flüchtigen Modells (P) eines zu gießenden Artikels mit einer Keramikaufschlämmungsschicht und Aufbringen eines Feuerfeststuccos auf die Keramikaufschlämmungsschicht, um eine Mehrzahl von Keramikaufschlämmungsschichten und Stuccoschichten auf dem Modell zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stuccoschichten gebildet wird durch Aufbringen von diskontinuierlichen Stuccofasern (14) mit anschließendem Aufbringen von körnigen Stuccopartikeln (15) auf die diskontinuierlichen Stuccofasern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die körnigen Stuccopartikel (15) auf stochastisch orientierte diskontinuierliche Stuccofasern (14) aufgebracht werden, um die diskontinuierlichen Stuccofasern auf die unter den diskontinuierlichen Fasern liegende Aufschlämmungsschicht hinunterzupacken.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die körnigen Stuccopartikel (15) auf die stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern (14) aufgebracht werden, während die untenliegende Aufschlämmungsschicht noch nass ist, so dass ein größerer Teil der hinuntergepackten diskontinuierlichen Stuccofasern an der Aufschlämmungsschicht haftet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die körnigen Stuccopartikel (15) auf die stochastisch orientierten diskontinuierlichen Stuccofasern (14) aufgebracht werden, um eine Stuccoschicht zu bilden, welche hinuntergepackte diskontinuierliche Stuccofasern und das körnige Stucco umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei einige der körnigen Stuccopartikel (15) Räume zwischen den hinuntergepackten diskontinuierlichen Stuccofasern (14) füllen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die körnigen Stuccopartikel (15) aufgebracht werden durch Herabregnenlassen der körnigen Stuccopartikel durch Schwerkraft auf die diskontinuierlichen Stuccofasern (14).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die diskontinuierlichen Stuccofasern (14) und die körnigen Stuccopartikel (15) das gleiche oder unterschiedliches Keramikmaterial umfassen.
Keramikschalenform, umfassend eine Mehrzahl von Keramikmehlschichten und Feuerfeststuccoschichten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stuccoschichten sowohl diskontinuierliche Stuccofasern (14) als auch körnige Stuccopartikel (15) umfasst.
Schalenform nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Stuccoschicht hinuntergepackte diskontinuierliche Stuccofasern (14) mit dem körnigen Stucco auf und zwischen den Fasern (14) umfasst.
Schalenform nach Anspruch 9, wobei einige der körnigen Stuccopartikel (15) Räume zwischen den hinuntergepackten diskontinuierlichen Stuccofasern (14) besetzen.
Schalenform nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die diskontinuierlichen Stuccofasern (14) und die körnigen Stuccopartikel (15) das gleiche oder unterschiedliches Keramikmaterial umfassen.