DE112014002622T5

DE112014002622T5 - Feingusskern, Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns, und Feingussformwerkzeug

Info

Publication number: DE112014002622T5
Application number: DE112014002622.0T
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Mori; Ikuo Okada; Sachio Shimohata; Hidetaka Oguma
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2016-03-03
Also published as: CN105283258A; US20160114384A1; JP2014231080A; KR101761046B1; KR20160003764A; CN105283258B; WO2014192825A1

Abstract

Durch Mischen und Sintern von Siliziumdioxid-Partikeln und Siliziumdioxidstaub wird ein Feingusskernkörper erzeugt. Der Widerstand des Siliziumdioxidstaub-Gemischs verringert sich während des unter Erwärmen durchgeführten Spritzgießens, weshalb sich die Fließfähigkeit durch Zugabe von Siliziumdioxidstaub verbessert. Da sich die Fließfähigkeit verbessert, ist es dementsprechend möglich, den bei der Herstellung eines Kerns verwendeten Einspritzdruck zu verringern. Darüber hinaus kann das Gemisch mit verbesserter Fließfähigkeit auf einen dünnen Pressling und auf einen komplexen Pressling aufgebracht werden.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feingusskern, ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns, sowie ein Feingussformwerkzeug.
Stand der Technik
Als Feingussprodukt ist beispielsweise eine in einer Gasturbine verwendete Turbinenschaufel bekannt. In der Gasturbine wird ein Arbeitsfluid mittels eines Brenners erwärmt, um ein auf hoher Temperatur/auf hohem Druck befindliches Arbeitsfluid bereitzustellen, und das Arbeitsfluid versetzt die Turbine in Rotation. Dies bedeutet, dass das unter Verwendung eines Kompressors verdichtete Arbeitsfluid mittels des Brenners erwärmt wird, um die Energie des Arbeitsfluids zu erhöhen, die Turbine die Energie zurückgewinnt, um eine Rotationskraft zu erzeugen, und die Rotationskraft elektrische Energie erzeugt. Die Turbine ist mit einem Turbinenläufer versehen, und der Außenrandbereich des Turbinenläufers ist mit mindestens einer Gasturbinenschaufel versehen.
Da eine Turbinenschaufel eines Düsentriebwerks oder eine am Boden befindliche Gasturbine hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wird diese mit einer komplexen Kühlstruktur (einem Luftloch) versehen, durch welche(s) ein Kühlmedium (Luft) strömt. Um eine solche innere Kühlstruktur auszubilden, wird ein (aus Siliziumdioxid gebildeter) Kern, welcher die gleiche Form wie ein das Kühlmedium führender Strömungskanal aufweist, im Inneren eines Formwerkzeugs angeordnet (bereitgestellt), um auf diese Weise einen Gießprozess und einen Kühlprozess durchzuführen. Dementsprechend kann ein Metallgussprodukt erhalten werden. Zu diesem Zeitpunkt kann durch Zerbrechen des Formwerkzeugs eine äußere Form erhalten werden. Da der Kern darin zurückbleibt, wird der Kern allerdings üblicherweise durch Auflösen und Entfernen mittels einer Base (beispielsweise NaOH oder KOH) entfernt.
Da der Kern mittels einer Base aufgelöst werden muss, wird dementsprechend ein Siliziumdioxid-Material (SiO₂) verwendet (Patentliteratur 1).
Ein Feingusskern kann hierbei durch Formen eines Siliziumdioxid-Materials, wie beispielsweise von geschmolzenem Siliziumdioxid (SiO₂), mittels Spritzgießen oder Schlickergießen, sowie Wärmbehandeln desselben erhalten werden.
Das Spritzgussverfahren ist ein Verfahren, bei welchem durch Verkneten von Keramikpulver und Wachs, Einspritzen eines durch Erwärmen und Schmelzen des Wachses erhaltenen Materials in ein Metallformwerkzeug, sowie Kühlen und Aushärten des Materials ein Pressling erhalten wird.
Das Schlickergussverfahren stellt desweiteren ein Verfahren dar, bei welchem durch Mischen von Keramikpulver mit Wasser oder dergleichen Schlicker hergestellt wird, der Schlicker in ein Formwerkzeug, das aus einem eine Lösung absorbierenden Material wie beispielsweise Gips erzeugt worden ist, eingegossen wird, und der Schlicker getrocknet wird, um einen gewünschten Formkörper zu erhalten.
Literaturliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: offengelegte japanische Patentveröffentlichung 6-340467

Zusammenfassung
Technisches Problem
Da das Siliziumdioxid-Material üblicherweise durch Mahlen eines durch Schmelzen von Quarz gebildeten Blocks erhalten wird, ergibt sich im Übrigen das Problem, dass das Material vergleichsweise grobkörnig ist. Ein solches Material wird beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens zu einem Kern geformt, und wird anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen (Sintern). Da die Partikel grobkörnig sind, ist die Festigkeit des Sinterkörpers allerdings gering.
Da die Fließfähigkeit des Materials während des Spritzgießens gering ist, ergibt sich weiterhin das Problem, dass ein hoher Einspritzdruck benötigt wird.
Da der bestehende Kern hauptsächlich unter dem Aspekt der Alkalilöslichkeit hergestellt wird, ergibt sich darüber hinaus das Problem, dass der Kern eine geringe Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweist.
Desweiteren wird beim Spritzgussverfahren eine Vielzahl von Löchern in der Oberfläche des Kerns ausgebildet, welcher im Anschluss an die Formgebung gesintert wird. Hierdurch ergibt sich das Problem einer geringen Festigkeit, weshalb der Kern ausgehend von den Löchern als Ursprungspunkten während des Gießens bricht.
Dementsprechend bestand ein Bedürfnis hinsichtlich eines Feingusskerns mit verbesserter Festigkeit bei hohen Temperaturen.
Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung vorstehend beschriebener Umstände gemacht und stellt sich die Aufgabe, einen Feingusskern mit verbesserter Fließfähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns, sowie ein Feingussformwerkzeug bereitzustellen.
Lösung des Problems
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme wird ein Feingusskern bereitgestellt, in welchem ein durch Mischen und Sintern von Siliziumdioxid-Partikeln und Siliziumdioxidstaub erhaltener Feingusskernkörper ausgebildet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird in dem ersten Aspekt ein Feingusskern bereitgestellt, in welchem eine Deckschicht auf der Oberfläche des gesinterten Feingusskernkörpers ausgebildet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein zur Herstellung eines Metallgusses verwendetes Feingussformwerkzeug bereitgestellt, welches den Feingusskern gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt in einer Form, die einem Hohlraum im Inneren des Metallgusses entspricht, sowie ein äußeres Formwerkzeug, das der Form der äußeren Begrenzungsoberfläche des Metallgusses entspricht, umfasst.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns bereitgestellt, welches das Eintauchen eines Sinterkörpers eines hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers in ein Beschichtungsmaterial, das ein Siliziumdioxid-Material und ein Aluminiumoxid-Material enthält, das Trocknen des Sinterkörpers, sowie das Erwärmen des Sinterkörpers zur Ausbildung einer Deckschicht auf der Oberfläche des Feingusskernkörpers umfasst.
Gemäß einem fünften Aspekt wird in dem vierten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns bereitgestellt, in welchem das Siliziumdioxid-Material Siliziumdioxid-Sol ist und das Aluminiumoxid-Material Aluminiumoxid-Sol ist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Fließfähigkeit eines Verbundkörpers, welcher durch Hinzufügen eines aus kugelförmigen, ultrafeinen Partikeln bestehenden Siliziumdioxidstaubs zu grobkörnigen Siliziumdioxid-Partikeln erzeugt wurde, zu verbessern. Dementsprechend ist es möglich, den bei der Herstellung eines Kerns verwendeten Einspritzdruck zu verringern.
Da die Deckschicht aus zwei Arten von Siliziumdioxid-Materialien mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern auf der Oberfläche des gesinterten Feingusskernkörpers ausgebildet wird, werden darüber hinaus die in der Oberfläche während des Sinterns gebildeten Löcher verschlossen. Dementsprechend besteht ein Effekt darin, dass ein Brechen des Kerns während des Gießens vermieden wird, indem die Festigkeit des Kerns verbessert wird und die Löcher verschlossen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Festigkeit und der Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub in Beispiel 2 veranschaulicht.
2 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Festigkeit und der Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub in Beispiel 3 veranschaulicht.
3 ist ein Flussdiagramm, welches beispielhaft den Ablauf eines Gießverfahrens veranschaulicht.
4 ist ein Flussdiagramm, welches beispielhaft den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs veranschaulicht.
5 ist eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zur Herstellung eines Kerns veranschaulicht.
6 ist eine schematische Perspektivdarstellung, welche einen Teil eines Metallformwerkzeugs veranschaulicht.
7 ist eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zur Herstellung eines Wachsmodells veranschaulicht.
8 ist eine schematische Darstellung, welche eine Ausgestaltung der Aufbringung von Schlicker auf ein Wachsmodell veranschaulicht.
9 ist eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zur Herstellung eines äußeren Formwerkzeugs veranschaulicht.
10 ist eine schematische Darstellung, welche einen Teilprozess des Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs veranschaulicht.
11 ist eine schematische Darstellung, welche einen Teilprozess des Gießverfahrens veranschaulicht.
12 ist eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zur Herstellung eines Kerns gemäß Beispiel 2 veranschaulicht.
13 ist ein Querschnittsstrukturdiagramm eines Feingusskerns.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die nachfolgende Beschreibung beschränkt. Ferner können die nachfolgend zu beschreibenden Komponenten eine von einem Fachmann ohne Weiteres ableitbare Komponente, eine Komponente mit im Wesentlichen gleicher Ausgestaltung, sowie eine sogenannte äquivalente Komponente umfassen.
Beispiel 1
Der erfindungsgemäße Feingusskern wird erhalten, indem Siliziumdioxid-Partikel und Siliziumdioxidstaub (mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm) unter Ausbildung des Feingusskernkörpers gemischt und gesintert werden.
Die Siliziumdioxid-Partikel sind hierbei beispielsweise aus geschmolzenem Siliziumdioxid (SiO₂), wie Quarzsand und Quarzmehl, gebildet.
Der Kernkörper wird mittels eines bekannten Verfahrens hergestellt, wonach Siliziumdioxidstaub (mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm) Siliziumdioxid-Partikeln, wie beispielsweise Quarzsand (220 Mesh (20 bis 70 μm) oder 350 Mesh (20 bis 40 μm)) oder einem durch Mischen von Quarzmehl (beispielsweise 800 Mesh (10 bis 20 μm)) und Quarzsand (beispielsweise 220 Mesh oder 350 Mesh) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellten Gemisch, hinzugefügt wird, Wachs hinzugefügt wird, und das resultierende Produkt erwärmt und verknetet wird, um auf diese Weise einen Verbundkörper zu erhalten.
Hierbei ist es wünschenswert, dass der Siliziumdioxidstaub einen Partikeldurchmesser von 0.05 bis 0.5 μm aufweist.
Wie in den nachfolgend beschriebenen Beispielen veranschaulicht ist, ist es hierbei wünschenswert, dass der mit Siliziumdioxid-Partikeln gemischte Siliziumdioxidstaub in einer Menge von 5 Gew.-% oder mehr, bevorzugt 10 Gew.-% oder mehr, und stärker bevorzugt 20 Gew.-% oder mehr vorliegt. Dies liegt darin begründet, dass sich die Festigkeit des Kerns bei einem Gehalt von weniger als 5 Gew.-% nicht so stark verbessert.
Durch Spritzgießen des erhaltenen Verbundkörpers wird ein Kernpressling erhalten.
Durch Ausführen einer Entfettungsbehandlung bei beispielsweise 600°C und einer Sinterbehandlung bei beispielsweise 1200°C wird im Anschluss daran ein Kernkörper erhalten.
Es ist möglich, die Fließfähigkeit eines Verbundkörpers, welcher durch Hinzufügen eines aus kugelförmigen, ultrafeinen Partikeln bestehenden Siliziumdioxidstaubs zu grobkörnigen Siliziumdioxid-Partikeln erzeugt wurde, zu verbessern. Dementsprechend ist es möglich, den bei der Herstellung des Kerns verwendeten Einspritzdruck zu verringern.
<Testbeispiel 1>
Es wird ein Testbeispiel beschrieben, welches den der Erfindung zugrunde liegenden Effekt der Fließfähigkeit verifiziert.
Um die verbesserte Spritzgießbarkeit zu überprüfen, wurde ein Vergleichstest hinsichtlich der Fließfähigkeit des Verbundkörpers durchgeführt.
10 Gew.-% (thermoplastisches) Wachs wurde Siliziumdioxid-Partikeln (beispielsweise 220 Mesh) hinzugefügt und mit diesen verknetet, um auf diese Weise einen als Vergleichsverbundkörper fungierenden Verbundkörper zu erhalten.
Siliziumdioxidstaub wurde mit Siliziumdioxid-Partikeln (beispielsweise 220 Mesh) in einem Gewichtsverhältnis von 9:1 gemischt, und sodann mit 10 Gew.-% (thermoplastischem) Wachs versetzt und verknetet, um auf diese Weise einen als Probenverbundkörper fungierenden Verbundkörper zu erhalten.
Der keinen Siliziumdioxidstaub enthaltende Vergleichsverbundkörper gemäß dem Stand der Technik und der Siliziumdioxidstaub enthaltende Probenverbundkörper wurden jeweils in eine Spritzgießvorrichtung eingespritzt, um sie auf diese Weise zu erwärmen und einzuspritzen. Zu jenem Zeitpunkt wurden ihre Drücke miteinander verglichen.
Wird der Druck des lediglich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Vergleichsverbundkörpers gemäß dem Stand der Technik auf 100 gesetzt, beträgt der Druck des 10 Gew.-% an Siliziumdioxidstaub enthaltenden Probenverbundkörpers 85, womit verifiziert wurde, dass sich durch den Zusatz von Siliziumdioxidstaub der Widerstand im Probenverbundkörper verringert und die Fließfähigkeit verbessert wird.
Da sich die Fließfähigkeit des Probenverbundkörpers verbessert, ist es dementsprechend möglich, den bei der Herstellung des Kerns verwendeten Einspritzdruck zu verringern. Darüber hinaus kann der Verbundkörper mit verbesserter Fließfähigkeit auf einen dünnen Pressling und auf einen komplexen Pressling aufgebracht werden.
<Testbeispiel 2>
Es wird ein Testbeispiel beschrieben, welches den der Erfindung zugrunde liegenden Effekt der Festigkeit zeigt.
In dem Testbeispiel wurden durch Hinzufügen von Wachs zu Gemischen, in welchen Quarzsand (220 Mesh: 20 bis 70 μm) jeweils mit 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 30 Gew.-% bzw. 40 Gew.-% an Siliziumdioxidstaub versetzt worden war, sowie Erwärmen und Kneten der Gemische Probenverbundkörper erhalten. Hierbei wurde ”RD-120” (Produktname), hergestellt von Tatsumori Ltd., als Quarzsand verwendet.
Durch Spritzgießen der erhaltenen Probenverbundkörper wurde jeweils ein Pressling erhalten.
Als Testprobe wurde jeweils eine Probe mit einer Breite von 30 mm, einer Länge von 200 mm, und einer Dicke von 5 mm erhalten.
Durch Ausführen einer Entfettungsbehandlung bei 600°C und einer Sinterbehandlung bei 1200°C wurde im Anschluss daran für jeden der Probenverbundkörper eine Testprobe für einen Kernkörper erhalten.
Die Festigkeit der erhaltenen Testproben wurde gemessen.
Der Festigkeitstest wurde hierbei auf Basis von ”Biegefestigkeit von keramischen Massen (1981)” gemäß JIS R 1601 durchgeführt.
Das Testergebnis für Testbeispiel 2 ist in 1 veranschaulicht. 1 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Festigkeit und der Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub in Testbeispiel 2 veranschaulicht.
Wie in 1 veranschaulicht ist, erhöhte sich bei einer Erhöhung der Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub auf 20 Gew.-% die Biegefestigkeit. Bei Zugabe einer Menge von 20 Gew.-% oder mehr an Siliziumdioxidstaub war die Verbesserung des Festigkeitsgrads darüber hinaus gering.
Aufgrund von Bedenken, dass sich die zum Auflösen des Kerns in einer Alkalilösung benötigte Zeit aufgrund der Verwendung eines gemischten Siliziumdioxidstaubs aus feinen Partikeln, welcher sich im Falle des Einsatzes zu hoher Mengen weiter verdichten würde, möglicherweise erhöht, wurde demzufolge verifiziert, dass für eine Verbesserung der Festigkeit des Kerns die Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub 5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, und bevorzugt 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%, betragen muss.
Da der Verbundkörper durch Hinzufügen eines aus kugelförmigen, ultrafeinen Partikeln bestehenden Siliziumdioxidstaubs zu grobkörnigen Siliziumdioxid-Partikeln erzeugt wird, verdichtet sich die Kernstruktur, und verbessert sich somit die Biegefestigkeit.
<Testbeispiel 3>
In Anlehnung an Testbeispiel 2 wurde ein Biegetest durchgeführt, wobei stattdessen Quarzsandpartikel mit einer Größe von 350 Mesh (20 bis 40 μm) verwendet wurden.
Das Testergebnis für Testbeispiel 3 ist in 2 veranschaulicht. 2 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Festigkeit und der Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub in Testbeispiel 3 veranschaulicht.
Da der Quarzsand feiner war als jener von Testbeispiel 2, war der anfängliche Wert für die Biegefestigkeit hoch, wie in 2 veranschaulicht ist. Bei einer Erhöhung der Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub auf 20 Gew.-% erhöhte sich darüber hinaus die Biegefestigkeit. Bei Zugabe einer Menge von 30 Gew.-% oder mehr an Siliziumdioxidstaub war die Verbesserung des Festigkeitsgrads indessen gering. Dementsprechend wurde in 2 verifiziert, dass für eine Verbesserung der Festigkeit des Kerns die Menge an zugesetztem Siliziumdioxidstaub 5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, und bevorzugt 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%, betragen muss.
Nachfolgend wird ein Gießverfahren beschrieben, welches ein Formwerkzeug mit einem darin angeordneten Feingusskern der Erfindung nutzt.
3 ist ein Flussdiagramm, welches beispielhaft einen Ablauf des Gießverfahrens veranschaulicht. Das Gießverfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Der in 3 veranschaulichte Prozess kann hierbei vollständig automatisiert durchgeführt werden, oder er kann von den die einzelnen Vorrichtungen bedienenden Personen prozessangepasst durchgeführt werden. In dem Gießverfahren der Ausführungsform wird ein Formwerkzeug hergestellt (Schritt S1). Das Formwerkzeug kann vorab hergestellt werden, oder es kann bei jedem Vergießen hergestellt werden.
Unter Bezugnahme auf die 4 bis 10 wird nachfolgend das Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs der mittels des Prozesses von Schritt S1 beschriebenen Ausführungsform beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, welches beispielhaft den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs veranschaulicht. Der in 4 veranschaulichte Prozess kann hierbei vollständig automatisiert durchgeführt werden, oder er kann von den die einzelnen Vorrichtungen bedienenden Personen prozessangepasst durchgeführt werden.
In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs wird ein Kern hergestellt (Schritt S12). Der Kern weist eine Form auf, welche dem Hohlraum im Inneren des unter Verwendung des Formwerkzeugs hergestellten Metallgusses entspricht. Da der Kern in einem Bereich angeordnet ist, welcher dem Hohlraum im Inneren des Metallgusses entspricht, ist es somit möglich, ein Einfließen des als Gussmetall fungierenden Metalls während des Gießens zu verhindern. Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung eines Kerns unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
5 ist eine schematische Darstellung, welche das Verfahren zur Herstellung eines Kerns veranschaulicht. Wie in 5 veranschaulicht ist, wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Kerns ein Metallformwerkzeug 12 hergestellt (Schritt S101). Das Metallformwerkzeug 12 ist derart geformt, dass ein dem Kern entsprechender Bereich als Hohlraum ausgebildet ist. Ein als Hohlraum ausgebildeter Bereich des Kerns wird zu einem konvexen Bereich 12a. Obgleich es in dem Querschnitt des Metallformwerkzeugs 12 gemäß 5 veranschaulicht ist, ist das Metallformwerkzeug 12 darüber hinaus derart geformt, dass neben einer Öffnung zum Einspritzen eines Materials in einen Zwischenraum oder einem Loch zum Freisetzen von Luft grundsätzlich ein weiterer Bereich, welcher die gesamte Begrenzungsfläche eines dem Kern entsprechenden Bereichs umfasst, als Hohlraum ausgebildet ist. In dem Verfahren zum Gießen eines Formwerkzeugs wird über die Öffnung zum Einspritzen eines Materials in den Zwischenraum des Metallformwerkzeugs 12 ein keramischer Schlicker 16 in das Metallformwerkzeug 12 eingespritzt, wie anhand eines Pfeils 14 angedeutet ist. Insbesondere wird ein Kern 18 durch sogenanntes Spritzgießen hergestellt, indem der keramische Schlicker 16 in das Metallformwerkzeug 12 eingespritzt wird. Im Anschluss an die Herstellung des Kerns 18 im Inneren des Metallformwerkzeugs 12 wird der Kern 18 in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs vom Metallformwerkzeug 12 abgetrennt, und der abgetrennte Kern 18 wird in einem Verbrennungsofen 20 gesintert. Auf diese Weise wird der aus Keramik gebildete Kern 18 gesintert und gehärtet (Schritt S102).
Im Anschluss an die Herstellung des Kerns 18 wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs ein äußeres Metallformwerkzeug hergestellt (Schritt S14). Das äußere Metallformwerkzeug weist eine Form auf, dessen innere Begrenzungsoberfläche der äußeren Begrenzungsoberfläche des Metallgusses entspricht. Das Metallformwerkzeug kann aus Metall oder aus Keramik gebildet sein. 6 ist eine schematische Perspektivdarstellung, welche einen Teil des Metallformwerkzeugs veranschaulicht. In dem in 6 veranschaulichten Metallformwerkzeug 22a entspricht eine auf der inneren Begrenzungsoberfläche ausgebildete Vertiefung der äußeren Begrenzungsoberfläche des Metallgusses. Darüber hinaus ist in 6 lediglich das Metallformwerkzeug 22a veranschaulicht; allerdings wird zusätzlich ein weiteres, dem Metallformwerkzeug 22a entsprechendes Metallformwerkzeug in einer Ausrichtung hergestellt, in welcher die auf der inneren Begrenzungsoberfläche ausgebildete Vertiefung derart bedeckt ist, dass sie mit dem Metallformwerkzeug 22a übereinstimmt.
In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs wird, wenn zwei Metallformwerkzeuge miteinander kombiniert werden, ein Formwerkzeug erhalten, dessen innere Begrenzungsoberfläche der äußeren Begrenzungsoberfläche des Metallgusses entspricht.
Im Anschluss an die Herstellung des äußeren Metallformwerkzeugs wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs ein Wachsmodell (ein Wachsformwerkzeug) hergestellt (Schritt S16). Nachfolgend wird dieses Verfahren unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 ist eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zur Herstellung eines Wachsmodells veranschaulicht. In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs wird der Kern 18 an einer vorbestimmten Stelle in dem Metallformwerkzeug 22a angeordnet (Schritt S110). Im Anschluss daran bedeckt ein dem Metallformwerkzeug 22a entsprechendes Metallformwerkzeug 22b die mit der Vertiefung versehene Oberfläche des Metallformwerkzeugs 22a, während gleichzeitig die Begrenzungsfläche des Kerns 18 von den Metallformwerkzeugen 22a und 22b umschlossen wird, so dass der Kern 18 und die Metallformwerkzeuge 22a und 22b einen Zwischenraum 24 bilden. In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs wird sodann begonnen, Wachs 28 aus einer mit dem Zwischenraum 24 verbundenen Leitung in den Zwischenraum 24 einzuspritzen, wie anhand eines Pfeils 26 angedeutet ist (Schritt S112). Das Wachs 28 ist hierbei ein Material, beispielsweise ein Wachs, dessen Schmelzpunkt vergleichsweise niedrig ist, und welches erwärmt und bei einer vorbestimmten Temperatur oder höher geschmolzen wird. In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs wird das Wachs 28 in den gesamten Bereich des Zwischenraums 24 eingefüllt (Schritt S113). Durch Aushärten des Wachses 28 wird anschließend ein Wachsmodell 30 erzeugt, in welchem das Wachs 28 die Begrenzungsfläche des Kerns 18 umschließt. Das Wachsmodell 30 ist derart geformt, dass ein im Wesentlichen aus dem Wachs 28 gebildeter Bereich, welcher die gleiche Form wie der zu erzeugende Metallguss aufweist, ausgebildet wird. In dem Verfahren zur Herstellung eines Metallgusses wird das Wachsmodell 30 anschließend von den Metallformwerkzeugen 22a und 22b abgetrennt, und es wird ein Gießtrichter 32 hieran angebracht (Schritt S114). Der Gießtrichter 32 stellt eine Öffnung dar, über welche als Schmelzmetall fungierendes geschmolzenes Metall während des Gießens eingeführt wird. In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs wird das Wachsmodell 30, welches den Kern 18 beinhaltet und aus dem die gleiche Form wie der Metallguss aufweisenden Wachs 28 gebildet ist, wie vorstehend beschrieben hergestellt.
Im Anschluss an die Herstellung des Wachsmodells 30 erfolgt in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs eine Aufbringung von Schlicker (Tauchen) (Schritt S18). 8 ist eine schematische Darstellung, welche eine Ausgestaltung der Aufbringung von Schlicker auf ein Wachsmodell veranschaulicht. 9 ist eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zur Herstellung eines äußeren Formwerkzeugs veranschaulicht. Wie in 8 veranschaulicht ist, wird das Wachsmodell 30 in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs in einen mit Schlicker 40 befüllten Lagerbereich 41 getaucht, und wird aus diesem zwecks Trocknung wieder herausgezogen (Schritt S19). Auf diese Weise kann eine Primärschicht 101A auf der Oberfläche des Wachsmodells 30 ausgebildet werden.
Der in Schritt S18 aufgebrachte Schlicker ist hierbei ein Schlicker, welcher direkt auf das Wachsmodell 30 aufgebracht wird. Als Schlicker 40 wird ein durch Dispergieren von ausschließlich ultrafeinen Aluminiumoxid-Partikeln erhaltener Schlicker verwendet. In dem Schlicker 40 ist es wünschenswert, hitzebeständige Mikropartikel, beispielsweise Zirkonoxid mit etwa 350 Mesh, als Mehl zu verwenden. Ferner ist es wünschenswert, eine Polycarbonsäure als Dispergiermittel zu verwenden. Ferner ist es wünschenswert, dem Schlicker 40 eine kleine Menge, beispielsweise 0.01%, an Entschäumungsmittel (einem Siliziummaterial) oder an einem die Benetzbarkeit steigernden Mittel hinzuzufügen. Sofern dem Schlicker das die Benetzbarkeit steigernde Mittel hinzugefügt wird, so ist es möglich, die Hafteigenschaft des Schlickers 40 an das Wachsmodell 30 zu verbessern.
Wie in 8 veranschaulicht ist, erfolgt die Aufbringung von Schlicker (Tauchen) auf das die Primärschicht (den ersten getrockneten Film) 101A aufweisende Wachsmodell in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs durch Aufbringen und Trocknen des Schlickers 40 (Schritt S20). Wie in 9 veranschaulicht ist, wird anschließend stuckiert, wobei aus Zirkonoxid bestehende Stuckkörner (mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0.8 mm) als Stuckmaterial 54 auf die Oberfläche des feuchten Schlickers gestreut werden (Schritt S21). Im Anschluss daran wird eine Schicht des feuchten Schlickers, auf dessen Oberfläche das Stuckmaterial 54 haftet, getrocknet, um auf diese Weise eine erste Unterstützungsschicht (einen zweiten getrockneten Film) 104-1 auf der Primärschicht (dem ersten getrockneten Film) 101A auszubilden (Schritt S22).
Es wird bestimmt, ob der zur Ausbildung der ersten Unterstützungsschicht (des zweiten getrockneten Films) 104-1 verwendete Prozess mehrere Male wiederholt wird (beispielsweise n: 6 bis 10 Mal) (Schritt S23). Die n-te Unterstützungsschicht 104-n wird in einer vorbestimmten Anzahl (n) laminiert (Schritt S23: Ja), so dass ein als äußeres Formwerkzeug fungierender getrockneter Pressling 106A gebildet wird, welcher die Dicke einer mehrschichtigen Unterstützungsschicht 105A von beispielsweise 10 mm aufweist.
Im Anschluss an die Herstellung eines mit einer Vielzahl von Schichten bestehend aus der Primärschicht 101A und der mehrlagigen Unterstützungsschicht 105A versehenen getrockneten Presslings 106A wird der getrocknete Pressling 106A in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs einer Wärmebehandlung unterzogen (Schritt S24). Im Einzelnen wird das zwischen dem äußeren Formwerkzeug und dem Kern befindliche Wachs entfernt, und das äußere Formwerkzeug und der Kern werden gesintert. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. 10 ist eine schematische Darstellung, welche einen Teilprozess des Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs veranschaulicht. Wie in Schritt S130 veranschaulicht ist, wird der als äußeres Formwerkzeug fungierende, mit einer Vielzahl von Schichten bestehend aus der Primärschicht 101A und der mehrlagigen Unterstützungsschicht 105A versehene getrocknete Pressling 106A in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs in einem Autoklav 60 erwärmt. Der Autoklav 60 erwärmt das Wachsmodell 30 im Inneren des getrockneten Presslings 106A, indem er unter Druck stehenden Dampf in letzteren einführt. Auf diese Weise wird das das Wachsmodell 30 bildende Wachs geschmolzen, so dass geschmolzenes Wachs 62 aus einem von dem getrockneten Pressling 106A umschlossenen Zwischenraum 64 abgeführt wird.
Da das geschmolzene Wachs 62 aus dem Zwischenraum 64 abgeführt wird, wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs ein Formwerkzeug 72 erzeugt, in welchem der Zwischenraum 64 in einem mit Wachs befüllten Bereich zwischen dem Kern 18 und dem als äußeres Formwerkzeug fungierenden getrockneten Pressling 106A ausgebildet wird, wie in Schritt S131 veranschaulicht ist. Wie in Schritt S132 veranschaulicht ist, wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs anschließend das mit dem Zwischenraum 64 zwischen dem Kern 18 und dem als äußeres Formwerkzeug fungierenden getrockneten Pressling 106A versehene Formwerkzeug 72 mittels eines Verbrennungsofens 70 erwärmt. Auf diese Weise wird aus dem Formwerkzeug 72 eine in dem als äußeres Formwerkzeug fungierenden getrockneten Pressling 106A enthaltene überflüssige Komponente oder Feuchtigkeitskomponente entfernt, und das Formwerkzeug wird zwecks Ausbildung des äußeren Formwerkzeugs 61 gesintert und gehärtet. In dem Verfahren zur Herstellung eines Metallgusses wird das Formwerkzeug 72 wie vorstehend beschrieben hergestellt.
Das Gießverfahren wird unter Bezugnahme auf die 3 bis 11 durchgehend beschrieben. 11 ist eine schematische Darstellung, welche einen Teilprozess des Gießverfahrens veranschaulicht. Im Anschluss an die Herstellung des Formwerkzeugs in Schritt S1 wird das Formwerkzeug in dem Gießverfahren vorgewärmt (Schritt S2). Hierbei wird das Formwerkzeug beispielsweise in einen Ofen (einen Vakuumofen und einen Verbrennungsofen) gestellt und auf einen Bereich von 800°C bis 900°C erwärmt. Aufgrund der Vorerwärmungsbehandlung ist es möglich, ein Brechen des Formwerkzeugs zu vermeiden, wenn geschmolzenes Metall (Schmelzmetall) zur Herstellung eines Metallgusses in das Formwerkzeug eingespritzt wird.
Im Anschluss an die Vorerwärmung des Formwerkzeugs wird in dem Gießverfahren das Vergießen durchgeführt (Schritt S3). Wie in Schritt S140 von 11 veranschaulicht ist, bedeutet dies, dass geschmolzenes Metall 80, d. h. ein Rohmaterial (beispielsweise Stahl) eines geschmolzenen Gussmetalls, aus der Öffnung des Formwerkzeugs 72 in eine Lücke zwischen dem äußeren Formwerkzeug 61 und dem Kern 18 eingespritzt wird.
Im Anschluss an die Verfestigung des in das Formwerkzeug 72 eingegossenen geschmolzenen Metalls 80 wird in dem Gießverfahren das äußere Formwerkzeug 61 entfernt (Schritt S4). Wie in Schritt S141 von 11 veranschaulicht ist, bedeutet dies, dass das äußere Formwerkzeug 61, nachdem der Metallguss 90 durch Verfestigen des geschmolzenen Metalls im Inneren des Formwerkzeugs 72 erhalten wurde, zerkleinert wird, um als Fragment 61a vom Metallguss 90 abgetrennt zu werden.
Im Anschluss an die Abtrennung des äußeren Formwerkzeugs 61 vom Metallguss 90 wird in dem Gießverfahren der Kernentfernungsprozess durchgeführt (Schritt S5). Wie in Schritt S142 von 11 veranschaulicht ist, bedeutet dies, dass durch Einbringen des Metallgusses 90 in einen Autoklav 92 ein Kernentfernungsprozess durchgeführt wird. Der Kern 18 im Inneren des Metallgusses 90 wird sodann geschmolzen, und ein geschmolzener Kern 94 wird aus dem Inneren des Metallgusses 90 abgeführt. Hierbei wird der Metallguss 90 im Inneren des Autoklavs 92 in eine Alkalilösung getaucht und wird wiederholt einer Druckerhöhung und einer Druckerniedrigung ausgesetzt, um den geschmolzenen Kern 94 aus dem Metallguss 90 abzuführen.
Im Anschluss an die Durchführung des Kernentfernungsprozesses wird in dem Gießverfahren eine Nachbehandlung durchgeführt (Schritt S6). Dies bedeutet, dass eine Nachbehandlung der Oberfläche oder des Inneren des Metallgusses 90 erfolgt. Ferner wird in dem Gießverfahren im Rahmen der Nachbehandlung die Qualität des Metallgusses überprüft. Wie in Schritt S143 von 11 veranschaulicht ist, kann auf diese Weise ein Metallguss 100 hergestellt werden.
In dem Gießverfahren der Ausführungsform wird der Metallguss durch Herstellung des Formwerkzeugs mittels des vorstehend beschriebenen Wachsausschmelzgießverfahrens unter Verwendung eines Wachses hergestellt. In dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs, dem Gießverfahren, sowie dem Formwerkzeug der Ausführungsform ist das als Außenbereich des Formwerkzeugs fungierende äußere Formwerkzeug hierbei als mehrlagige Struktur ausgebildet, in welcher die Primärschicht (der als Primärschicht fungierende erste getrocknete Film) 101A infolge der Verwendung eines Schlickers aus ultrafeinen Aluminiumoxid-Partikeln als innere Begrenzungsoberfläche ausgebildet ist und die mehrlagige Unterstützungsschicht 105A auf der Außenseite der Primärschicht 101A ausgebildet ist.
Als Feingussprodukte gemäß der Erfindung können neben der Gasturbinenschaufel beispielhaft eine Gasturbinenleitschaufel, eine Gasturbinenbrennkammer, ein Gasturbinenspaltring, oder dergleichen genannt werden.
Beispiel 2
Als nächstes wird ein zweiter Feingusskern beschrieben. 13 ist ein Querschnittsstrukturdiagramm eines Feingusskerns.
Ein Feingusskern gemäß der Erfindung wird durch Ausbilden einer Deckschicht aus zwei Arten von Siliziumdioxid-Materialien mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern auf einer Oberfläche eines gesinterten, hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers (nachfolgend als ”Kernkörper” bezeichnet) erhalten.
Wie im oberen Teil der Querschnittsdarstellung des als Sinterkörper fungierenden, in 13 veranschaulichten Kernkörpers veranschaulicht ist, wird während des Sinterns eine Vielzahl von Löchern 18c in einer Oberfläche 18b eines Kernkörpers 18a ausgebildet.
Wie im unteren Teil von 13 veranschaulicht ist, werden die in der Oberfläche 18b ausgebildeten Löcher 18c im Rahmen der Erfindung durch Überziehen der Löcher 18c mit einer Deckschicht 19a verschlossen.
In diesem Beispiel wird die Deckschicht 19a auf der Oberfläche 18b des als Sinterkörper fungierenden Kernkörpers 18a durch Mischen und Sintern der in Beispiel 1 erhaltenen Siliziumdioxid-Partikel mit Siliziumdioxidstaub (mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm) ausgebildet.
In der Deckschicht 19a werden beispielsweise zwei Arten von Siliziumdioxid-Materialien mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern verwendet.
Bei den zwei Arten von Siliziumdioxid-Materialien mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern wird hierbei Siliziumdioxid-Sol (30 Gew.-% SiO₂) als erstes Material verwendet, und wird Siliziumdioxidstaub (mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm) als zweites Material verwendet.
Im Rahmen der Erfindung wird ein aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub bestehender Schlicker durch Hinzufügen von Siliziumdioxidstaub zu und Dispergieren des Siliziumdioxidstaubs in Siliziumdioxid-Sol hergestellt.
Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub werden hierbei in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 bis 4:1 miteinander gemischt. Bei der Menge an Siliziumdioxid-Mikropartikeln in dem Siliziumdioxid-Sol, welches in dem aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub bestehenden, in einem Gewichtsverhältnis von 2:1 verkneteten Schlicker enthalten ist, war das Verhältnis von Feststoffgehalt des Sols zu Siliziumdioxidstaub auf einen Wert von 30:50 eingestellt.
Der gesinterte Kernkörper 18a wird in den aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub bestehenden Schlicker getaucht und zu einem späteren Zeitpunkt wieder aus diesem herausgezogen, um die aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub erzeugte Deckschicht 19a auf der Oberfläche des Kernkörpers 18a auszubilden. Im Rahmen der Ausbildung der Deckschicht 19a dringt die Schlickerkomponente auch in die Löcher 18c auf der Oberfläche des Kerns ein, weshalb sich nach der Trocknung des Kernkörpers eine aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub gebildete Komponente auch in den Löchern des Kerns abscheidet.
Im Anschluss an den Trocknungsprozess wird eine Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C durchgeführt. Wenn die Oberfläche mit der Deckschicht 19a versehen ist, kann die Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C oder weniger durchgeführt werden.
Da in dem als konstituierenden Material fungierenden Siliziumdioxid-Material Lücken innerhalb des einen großen Partikeldurchmesser aufweisenden Siliziumdioxidstaubs mit dem einen kleinen Partikeldurchmesser aufweisenden Siliziumdioxid-Sol aufgefüllt werden, wird in der erhaltenen Deckschicht 19a aufgrund des feinen Füllzustandes eine dichte Schicht erzeugt.
Da Siliziumdioxidstaub kugelförmig ist, dringt das einen kleinen Partikeldurchmesser aufweisende Siliziumdioxid-Sol ferner problemlos in Lücken zwischen den einen großen Partikeldurchmesser aufweisenden Siliziumdioxidstaub-Partikeln ein, weshalb das Siliziumdioxid-Material zusätzlich mit Feingut befüllt wird. Da Mikropartikel enthaltendes Siliziumdioxid-Sol darüber hinaus die Haftfestigkeit zwischen den Partikeln verbessert, tragen sie zu einer verbesserten Festigkeit bei.
Auf diese Weise wird erfindungsgemäß die Hochtemperaturfestigkeit des Feingusskerns verbessert.
Darüber hinaus werden ein Siliziumdioxid-Material und ein Aluminiumoxid-Material als ein zweites, die Deckschicht ausbildendes Material verwendet.
Das Siliziumdioxid-Material ist hierbei Siliziumdioxid-Sol (30 Gew.-% SiO₂), und das Aluminiumoxid-Material ist Aluminiumoxid-Sol (Al₂O₃).
Zur Herstellung eines gemischten Sols (Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol) werden Siliziumdioxid-Sol (SiO₂) und Aluminiumoxid-Sol (Al₂O₃) in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt.
Eine Probe des Kerns wird in das erzeugte Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um eine Schicht von Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol auf der Oberfläche 18b des Kernkörpers 18a auszubilden, und um eine Abscheidung des Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sols selbst in dem Loch 18c der Kernoberfläche zu bewirken.
Im Anschluss an den Trocknungsprozess wird beispielsweise eine Wärmebehandlung bei 1000°C durchgeführt. Wenn die Oberfläche mit der Deckschicht 19a versehen ist, kann die Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C oder weniger durchgeführt werden.
Im Rahmen der Wärmebehandlung wandelt sich das Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol infolge einer Reaktion in Mullit (3Al₂O₃ × 2SiO₂) um, welcher einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, den Kern 18 zu erhalten, in welchem der Kernkörper 18a mit einer aus Mullit bestehenden Deckschicht 19a überzogen ist.
Da der Schmelzpunkt von Mullit 1900°C beträgt und damit höher ist als der Schmelzpunkt von Siliziumdioxid (1600°C), können hierdurch hohe Gießtemperaturen gehandhabt werden.
Ferner wird ein Alkoxidmaterial als ein drittes, die Deckschicht ausbildendes Material verwendet.
Das Alkoxidmaterial umfasst hierbei einzig und allein Siliziumalkoxid, oder umfasst ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid.
Als Siliziumalkoxid wird Siliziumethoxid oder Siliziumbutoxid verwendet, und als Lösungsmittel wird Ethanol oder Butanol verwendet.
Werden zwei Arten von Alkoxiden miteinander gemischt, so wird darüber hinaus ein durch Mischen von Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid erhaltenes gemischtes Alkoxidmaterial verwendet, wobei beispielsweise ein alkoholisches Lösungsmittel wie Butanol als Lösungsmittel eingesetzt wird.
Wird ein gemischtes Alkoxid hergestellt, so wird ein aus Siliziumethoxid und Aluminiumisopropoxid bestehendes gemischtes Alkoxid in einer butanolischen Lösung gelöst.
Das gemischte Alkoxid (Siliziumethoxid + Aluminiumisopropoxid) wird hierbei in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt, um auf diese Weise ein organisches gemischtes Alkoxid herzustellen.
Die Probe des Kerns wird in das aus alleinigem Alkoxid oder gemischtem Alkoxid bestehende Erzeugnis getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um eine Siliziumschicht oder Siliziumaluminiumalkoxidschicht auf der Oberfläche 18b des Kernkörpers 18a auszubilden, und um eine Siliziumkomponente oder Siliziumaluminiumalkoxidkomponente selbst in dem Loch 18c der Kernoberfläche abzuscheiden.
Da sich das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid in einer alkoholischen Lösung während des Tauchens löst, dringt das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid problemlos in den Kernkörper ein, weshalb hierauf eine gute Deckschicht ausgebildet wird.
Im Anschluss an den Trocknungsprozess wird eine Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C durchgeführt. Wenn die Oberfläche mit der Deckschicht 19a versehen ist, kann die Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C oder weniger durchgeführt werden.
Im Falle eines gemischten Alkoxids wandelt sich die Siliziumaluminiumalkoxidschicht im Rahmen der Wärmebehandlung infolge einer Reaktion in anorganischen Mullit (3Al₂O₃ × 2SiO₂) um, welcher einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, den Kern 18 zu erzeugen, in welchem der Kernkörper 18a mit der aus Mullit bestehenden Deckschicht 19a überzogen ist.
Da der Schmelzpunkt von Mullit 1900°C beträgt und damit höher ist als der Schmelzpunkt von Siliziumdioxid (1600°C), können hierdurch hohe Gießtemperaturen gehandhabt werden.
Ferner wird ein ein Alkoxidmaterial und Siliziumdioxidstaub enthaltendes Alkoxid-Siliziumdioxidstaub-Material als ein viertes, die Deckschicht ausbildendes Material verwendet.
Das Alkoxidmaterial umfasst hierbei einzig und allein Siliziumalkoxid, oder umfasst ein gemischtes Alkoxid aus Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid.
In anorganischem Siliziumdioxidstaub wird beispielsweise ein kugelförmiges Material mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm verwendet.
Hierbei ist es wünschenswert, dass der Siliziumdioxidstaub einen Partikeldurchmesser von 0.05 bis 0.5 μm aufweist.
Der Dispersionsanteil an Siliziumdioxidstaub wird auf 5 bis 40 Gew.-% eingestellt, und beträgt annähernd etwa 20 Gew.-%.
Als Siliziumalkoxid wird Siliziumethoxid oder Siliziumbutoxid verwendet, und als Lösungsmittel wird Ethanol oder Butanol verwendet.
Werden zwei Arten von Alkoxiden miteinander gemischt, so wird ein durch Mischen von Siliziumalkoxid und Aluminiumalkoxid erhaltenes gemischtes Alkoxidmaterial verwendet, wobei beispielsweise ein alkoholisches Lösungsmittel wie Butanol als Lösungsmittel eingesetzt wird.
Wird ein gemischtes Alkoxid hergestellt, so wird ein aus Siliziumethoxid und Aluminiumisopropoxid bestehendes gemischtes Alkoxid in einer butanolischen Lösung gelöst.
Das gemischte Alkoxid (Siliziumethoxid + Aluminiumisopropoxid) wird hierbei in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt, um auf diese Weise ein organisches gemischtes Alkoxid herzustellen.
Die Probe des Kerns wird in das aus alleinigem Alkoxid oder gemischtem Alkoxid und darin dispergiertem Siliziumdioxidstaub bestehende Erzeugnis getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um eine Siliziumdioxidstaub enthaltende Siliziumschicht oder Siliziumaluminiumalkoxidschicht auf der Oberfläche 18b des Kernkörpers 18a auszubilden, und um eine Siliziumdioxidstaub enthaltende Siliziumschicht oder Siliziumaluminiumalkoxidkomponente selbst in dem Loch 18c der Kernoberfläche abzuscheiden.
Da sich das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid in einer alkoholischen Lösung während des Tauchens löst, dringt das alleinige Alkoxid oder das gemischte Alkoxid problemlos in den Kernkörper ein, weshalb hierauf eine gute Deckschicht ausgebildet wird.
Im Anschluss an den Trocknungsprozess wird beispielsweise eine Wärmebehandlung bei 1000°C durchgeführt. Wenn die Oberfläche mit der Deckschicht 19a versehen ist, kann die Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C oder weniger durchgeführt werden.
Im Anschluss an den Trocknungsprozess hat eine Ablagerung der Alkoxid- und Siliziumdioxidstaubkomponenten selbst in dem Loch 18c der Oberfläche 18b des Kernkörpers 18a stattgefunden. Zu jenem Zeitpunkt wird aus einer eine große Partikelgröße aufweisenden Siliziumdioxidstaubschicht und einer feinen und dichten Alkoxidschicht eine Mischschicht ausgebildet.
Da in der Alkoxidschicht aufgrund der Wärmebehandlung bei 1000°C ein anorganisches keramisches Material erzeugt wird, werden Lücken in der eine große Partikelgröße aufweisenden Siliziumdioxidstaubschicht mittels einer dichten Keramikschicht befüllt, weshalb sich die Haftfestigkeit zwischen den Partikeln verbessert.
Im Falle eines gemischten Alkoxids wandelt sich die Siliziumdioxidstaub enthaltende Siliziumaluminiumalkoxidschicht im Rahmen der Wärmebehandlung infolge einer Reaktion in anorganischen Mullit (3Al₂O₃ × 2SiO₂) um, welcher einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Da die Lücken in der eine große Partikelgröße aufweisenden Siliziumdioxidstaubschicht mit einer dichten Mullitschicht befüllt sind, ist es möglich, den Kern 18 zu erhalten, in welchem der Kernkörper 18a mit der eine verbesserte Haftfestigkeit zwischen den Partikeln bewirkenden Deckschicht 19a überzogen ist.
Da der Schmelzpunkt von Mullit 1900°C beträgt und damit höher ist als der Schmelzpunkt von Siliziumdioxid (1600°C), können hierdurch hohe Gießtemperaturen gehandhabt werden.
Da auf diese Weise die Vielzahl der in der Oberfläche ausgebildeten Löcher verschlossen wird, ist es erfindungsgemäß möglich, das im Stand der Technik beschriebene Problem zu vermeiden, wonach der Kern ausgehend von den Löchern als Ursprungspunkten während des Gießens bricht. Dementsprechend wird die Hochtemperaturfestigkeit des Feingusskerns verbessert.
Da Siliziumdioxidstaub eine große Partikelgröße aufweist, ist darüber hinaus selbst eine Wärmebehandlung bei 1000°C mit einer geringen Wärmeschrumpfung verbunden.
Ferner werden ein Siliziumdioxid-Material, ein Aluminiumoxid-Material und Siliziumdioxidstaub als ein fünftes, die Deckschicht ausbildendes Material verwendet.
Das Siliziumdioxid-Material ist hierbei Siliziumdioxid-Sol (30 Gew.-% SiO₂), und das Aluminiumoxid-Material ist Aluminiumoxid-Sol (Al₂O₃).
Der Dispersionsanteil an Siliziumdioxidstaub, welcher in dem Siliziumdioxid-Material und dem Aluminiumoxid-Material dispergiert ist, wird hierbei auf 5 bis 40 Gew.-% eingestellt, und beträgt annähernd etwa 20 Gew.-%.
Es ist wünschenswert, dass der Siliziumdioxidstaub einen Partikeldurchmesser von 0.05 bis 0.5 μm aufweist.
Zur Herstellung eines gemischten Sols (Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol) (in welchem die Partikeldurchmesser der dispergierten Partikel von 1 bis zu mehreren hundert Nanometer betragen), werden Siliziumdioxid-Sol (SiO₂) und Aluminiumoxid-Sol (Al₂O₃) hierbei in einem Molverhältnis von 2:3 gemischt.
Siliziumdioxidstaub wird dem erzeugten Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol hinzugefügt und in diesem dispergiert, um einen aus Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol und Siliziumdioxidstaub bestehenden Schlicker herzustellen.
Die Probe des Kerns wird in den aus Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol und Siliziumdioxidstaub bestehenden Schlicker getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um eine Schicht von Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol und Siliziumdioxidstaub auf der Oberfläche 18b des Kernkörpers 18a auszubilden, und um eine Abscheidung der aus Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol und Siliziumdioxidstaub gebildeten Komponente selbst in dem Loch 18c der Kernoberfläche zu bewirken.
Im Anschluss an den Trocknungsprozess wird eine Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C durchgeführt. Wenn die Oberfläche mit der Deckschicht 19a versehen ist, kann die Wärmebehandlung bei beispielsweise 1000°C oder weniger durchgeführt werden.
Im Rahmen der Wärmebehandlung wandelt sich Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Sol infolge einer Reaktion in Mullit (3Al₂O₃ × 2SiO₂) um, welcher einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Da Lücken in der eine große Partikelgröße aufweisenden Siliziumdioxidstaubschicht mit der dichten Mullitschicht befüllt werden, ist es möglich, den Kern 18 zu erhalten, in welchem der Kernkörper 18a mit der eine verbesserte Haftfestigkeit zwischen den Partikeln bewirkenden Deckschicht 19a überzogen ist.
Da der Schmelzpunkt von Mullit 1900°C beträgt und damit höher ist als der Schmelzpunkt von Siliziumdioxid (1600°C), können hierdurch hohe Gießtemperaturen gehandhabt werden.
Da auf diese Weise die Vielzahl der in der Oberfläche ausgebildeten Löcher verschlossen wird, ist es erfindungsgemäß möglich, das im Stand der Technik beschriebene Problem zu vermeiden, wonach der Kern ausgehend von den Löchern als Ursprungspunkten während des Gießens bricht. Dementsprechend wird die Hochtemperaturfestigkeit des Feingusskerns verbessert.
Da Siliziumdioxidstaub eine große Partikelgröße aufweist, ist darüber hinaus selbst eine Wärmebehandlung bei 1000°C mit einer geringen Wärmeschrumpfung verbunden.
<Testbeispiel 4>
Zur Verifizierung des der Erfindung zugrunde liegenden Effekts wird nachfolgend ein Testbeispiel beschrieben.
In dem Testbeispiel wurde durch Hinzufügen von Wachs zu einem Gemisch, in welchem Quarzsand (220 Mesh) mit 20 Gew.-% an Siliziumdioxidstaub versetzt worden war, sowie Erwärmen und Kneten des Gemischs ein Verbundkörper erhalten.
Durch Spritzgießen des erhaltenen Verbundkörpers wurde ein Pressling erhalten.
Als Testprobe wurde eine Probe mit einer Breite von 30 mm, einer Länge von 200 mm, und einer Dicke von 5 mm erhalten.
Durch Ausführen einer Entfettungsbehandlung bei 600°C und einer Sinterbehandlung bei 1200°C wurde in der Folge eine Probe für einen Kernkörper erhalten.
Als nächstes wurde ein aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub bestehender Schlicker durch Hinzufügen von Siliziumdioxidstaub (kugelförmig, mit einem Partikeldurchmesser von 0.15 μm) zu und Dispergieren des Siliziumdioxidstaubs in Siliziumdioxid-Sol (30 Gew.-% SiO₂) hergestellt (Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub wurden in einem Gewichtsverhältnis von 2:1 miteinander verknetet). Bei dieser Menge an Siliziumdioxid-Mikropartikeln in dem Siliziumdioxid-Sol war das Verhältnis von Feststoffgehalt des Sols zu Siliziumdioxidstaub somit auf einen Wert von 30:50 eingestellt.
Die Probe des Kernkörpers wurde in den erhaltenen, aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub bestehenden Schlicker getaucht und wieder aus diesem herausgezogen, um die aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub erzeugte Deckschicht 19a auf der Oberfläche auszubilden. Im Anschluss an den Trocknungsprozess wurde bei 1000°C eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die aus Siliziumdioxid-Sol und Siliziumdioxidstaub erzeugte Deckschicht 19a auf der Oberfläche 18b des Kernkörpers 18a auszubilden.
Als Vergleichsbeispiel wurde ein Kernkörper ohne Deckschicht als Vergleichsprobe hergestellt.
Die Festigkeit jeder Testprobe wurde gemessen.
Der Festigkeitstest wurde hierbei auf Basis von ”Biegefestigkeit von keramischen Massen (1981)” gemäß JIS R 1601 durchgeführt.
Die Festigkeit der Vergleichsprobe ohne Deckschicht gemäß dem herkömmlichen Verfahren betrug 23 MPa, wohingegen die Festigkeit der Probe des Kernkörpers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren 29 MPa betrug. Infolgedessen wurde festgestellt, dass die Festigkeit in der Probe des Kernkörpers der Erfindung um 25% erhöht war.
Nachfolgend wird ein Gießverfahren beschrieben, welches ein Formwerkzeug mit einem darin angeordneten Feingusskern der Erfindung nutzt.
Im Übrigen wird auf eine Erläuterung von Prozessen, welche mit jenen des Gießverfahrens gemäß Beispiel 1 identisch sind, verzichtet, und es wird lediglich das ”Verfahren zur Herstellung eines Kerns” unter Bezugnahme auf 12 beschrieben.
12 ist eine schematische Darstellung, welche das Verfahren zur Herstellung eines Kerns gemäß Beispiel 2 veranschaulicht. Wie in 12 veranschaulicht ist, wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs ein Metallformwerkzeug 12 hergestellt (Schritt S101). Das Metallformwerkzeug 12 ist derart geformt, dass ein dem Kern entsprechender Bereich als Hohlraum ausgebildet ist. Ein als Hohlraum ausgebildeter Bereich des Kerns entspricht dem konvexen Bereich 12a. Obgleich es in dem Querschnitt des Metallformwerkzeugs 12 gemäß 12 veranschaulicht ist, ist das Metallformwerkzeug 12 darüber hinaus derart geformt, dass neben einer Öffnung zum Einspritzen eines Materials in einen Zwischenraum oder einem Loch zum Freisetzen von Luft grundsätzlich ein weiterer Bereich, welcher die gesamte Begrenzungsfläche eines dem Kern entsprechenden Bereichs umfasst, als Hohlraum ausgebildet ist. In dem Verfahren zum Gießen eines Formwerkzeugs wird über die Öffnung zum Einspritzen eines Materials in den Zwischenraum des Metallformwerkzeugs 12 ein keramischer Schlicker 16 in das Metallformwerkzeug 12 eingespritzt, wie anhand eines Pfeils 14 angedeutet ist. Insbesondere wird ein Kern 18 durch sogenanntes Spritzgießen hergestellt, indem der keramische Schlicker 16 in das Metallformwerkzeug 12 eingespritzt wird. Im Anschluss an die Herstellung des Kerns 18 im Inneren des Metallformwerkzeugs 12 wird der Kern 18 in dem Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs vom Metallformwerkzeug 12 abgetrennt, und der abgetrennte Kern 18 wird in einem Verbrennungsofen 20 gesintert. Auf diese Weise wird der aus Keramik gebildete Kern 18 gesintert und gehärtet (Schritt S102).
Die bislang beschriebenen Prozesse sind mit jenen von Beispiel 1 identisch.
Um eine Deckschicht auf der Oberfläche des Kerns 18 auszubilden, wird der gesinterte Kern 18, wie in 12 veranschaulicht ist, anschließend in einen mit Schlicker 19 befüllten Lagerbereich 17 getaucht, und wird aus diesem zwecks Trocknung wieder herausgezogen (Schritt S103). Im Anschluss daran wird der getauchte Kern 18 entnommen und in dem Verbrennungsofen 20 gesintert. Auf diese Weise wird die Deckschicht 19a auf der Oberfläche des aus Keramik gebildeten Kerns 18 ausgebildet (Schritt S104).
In dem Verfahren zum Gießen eines Formwerkzeugs wird der mit der Deckschicht 19a versehene Kern 18 wie vorstehend beschrieben hergestellt. Darüber hinaus wird der Kern 18 aus einem Material erzeugt, welches nach Aushärtung des Metallgusses unter Anwendung eines Kernentfernungsprozesses, wie beispielsweise einer chemischen Behandlung, entfernt werden kann.
Da in dem Gießverfahren der Ausführungsform die Deckschicht auf der Oberfläche des Kerns ausgebildet wird, verbessert sich die Maßgenauigkeit, und verbessert sich somit selbst bei hohen Gießtemperaturen die Haltbarkeit.
Da ein Kern mit hoher Festigkeit bereitgestellt wird, erhöht sich darüber hinaus selbst bei langer Dauer des Gießprozesses die Freiheit hinsichtlich der Ausgestaltung des Vergießens (beispielsweise eine geringe Herabziehgeschwindigkeit oder dergleichen).
Darüber hinaus ist es möglich, ein Feingussprodukt wie beispielsweise eine Turbinenschaufel bereitzustellen, welche dünn ist und einen guten thermischen Wirkungsgrad aufweist.
Bezugszeichenliste

12, 22a, 22b: Metallformwerkzeug
12a: Konvexer Bereich
14, 26: Pfeil
16: Keramischer Schlicker
18: Kern
18a: Kernkörper
18b: Oberfläche
18c: Loch
19: Schlicker
19a: Deckschicht
20, 70: Verbrennungsofen
24, 64: Zwischenraum
28: Wachs
30: Wachsmodell
32: Gießtrichter
40: Schlicker
60, 92: Autoklav
61: äußeres Formwerkzeug
61a: Fragment
62: geschmolzenes Wachs
72: Formwerkzeug
80: geschmolzenes Metall
90, 100: Metallguss
94: geschmolzener Kern
101A: Primärschicht

Claims

Feingusskern, in welchem ein durch Mischen und Sintern von Siliziumdioxid-Partikeln und Siliziumdioxidstaub erhaltener Feingusskernkörper ausgebildet ist.
Feingusskern nach Anspruch 1, wobei eine Deckschicht auf der Oberfläche des gesinterten Feingusskernkörpers ausgebildet ist.
Feingussformwerkzeug, welches zur Herstellung eines Metallgusses verwendet wird, umfassend: den Feingusskern nach Anspruch 1 oder 2, welcher eine Form aufweist, die einem Hohlraum im Inneren des Metallgusses entspricht; und ein äußeres Formwerkzeug, welches der Form der äußeren Begrenzungsoberfläche des Metallgusses entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns, umfassend: Eintauchen eines Sinterkörpers eines hauptsächlich Siliziumdioxid-Partikel enthaltenden Feingusskernkörpers in ein Beschichtungsmaterial, welches ein Siliziumdioxid-Material und ein Aluminiumoxid-Material enthält; Trocknen des Sinterkörpers; und Erwärmen des Sinterkörpers, um eine Deckschicht auf der Oberfläche des Feingusskernkörpers auszubilden.
Verfahren zur Herstellung eines Feingusskerns nach Anspruch 4, wobei das Siliziumdioxid-Material Siliziumdioxid-Sol ist und das Aluminiumoxid-Material Aluminiumoxid-Sol ist.