OTRZYMYWANIE WARSTW PRZYMODELOWYCH CERAMICZNYCH FORM ODLEWNICZYCH NA BAZIE TLENKU ITRU M. Małek, P. Wiśniewski, K.J. Kurzydłowski Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska *Kontakt korespondencyjny: e-mail: marcin.malek@inmat.pw.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań ceramicznych mas odlewniczych o stężeniu fazy stałej wynoszącym 77 % wag. na osnowie proszków Y O o dwóch granulacjach i mesh. Oba proszki były dodane w trzech różnych proporcjach tj.: % % wag., % % wag. oraz % % wag. Tlenek itru jest stosunkowo nowym materiałem stosowanym do budowy warstw przymodelowych w ceramicznych formach odlewniczych dla stopów z podwyższoną zawartością pierwiastków silnie reaktywnych np. hafnu. W pracy przedstawiono rezultaty badań właściwości reologicznych i fizyko-chemicznych mas odlewniczych. Spoiwem głównym była substancja zawierająca nanocząstki Al O. Jako spoiwa stabilizującego użyto % wag. poli(glikolu) etylenowego o ciężarze cząsteczkowym g/mol. Przeprowadzono badania wielkości cząstek stosowanych proszków oraz obserwacji ich mikrostruktury. Dodatkowo wykonano badania: lepkości względnej i dynamicznej, pomiar ph, gęstości oraz zanurzeniowy test płyty mosiężnej. Pomiary zostały przeprowadzone przez 9h w laboratorium w temperaturze pokojowej wynoszącej C. Analizy wykazały, iż masy ceramiczne na bazie proszków tlenku itru są perspektywiczne do zastosowania ich w przemyśle jako podstawowych materiałów do konstrukcji warstw przymodelowych ceramicznych form odlewniczych dla stopów specjalnego przeznaczenia. Słowa kluczowe: Nanocząsteczki Al O ; Spoiwa; Warstwa przymodelowa; Ceramiczne formy odlewnicze; Tlenek itru;. Wprowadzenie Obecnie do wytwarzania ceramicznych form odlewniczych przeznaczonych do procesów odlewania precyzyjnego w krajowym przemyśle lotniczym stosowane są spoiwa alkoholowe opierające się na zhydrolizowanym krzemianie etylu (ZKE) Pod względem chemicznym jest on mieszaniną składającą się z ortokrzemianu etylu, produktów jego niepełnej hydrolizy oraz związków organicznych krzemu. Krzemian etylu w czystej postaci nie wykazuje zdolności wiążących. Charakteryzuje się natomiast wysoką efektywnością hydrolizy w wodzie, co pozwala na wykorzystanie go w przemyśle odlewniczym. W wyniku hydrolizy krzemianu etylu tworzy się nierozpuszczalna w wodzie krzemionka, która jest chemicznie obojętna, lecz wpływa na wytrzymałość termiczną oraz odznacza się zdolnością wiązania sypkich materiałów ceramicznych. Proces hydrolizy zachodzi w obecności rozpuszczalników np. alkoholu etylowego, acetonu, kwasu solnego czy innego silnego kwasu organicznego. Rozpuszczalnik znacząco przyspiesza proces hydrolizy, ale wpływa na zdrowie i komfort pracy przy wykonywaniu odlewniczych form ceramicznych [-]. Mieszaniny lejne na bazie ZKE wykazują szereg właściwości przydatnych podczas procesów formowania: wysoką stabilność parametrów technologicznych, szybkie schnięcie poszczególnych warstw, podwyższenie właściwości wytrzymałościowych wytworzonych form, wysoką gazoprzepuszczalnością wytworzonych form łatwość wybijania odlewów z form ceramicznych [-]. W laboratoriach prowadzone są prace badawcze nad wykorzystaniem wodnorozpuszczalnych spoiw na bazie nano Al O. Spoiwa takie charakteryzują się wyższą temperaturą topnienia oraz dużo lepszym zdyspergowaniem cząstek zarówno w wodzie jak i innych nieorganicznych rozpuszczalnikach. Spoiwa takie również posiadają większą powierzchnię właściwą [-]. Głównymi zadaniami stawianymi wyżej opisywanym spoiwom jest przede wszystkim regulacja właściwości reologicznych poprzez zapobieganie sedymentacji cięższych cząstek w mieszaninie formierskiej oraz nadanie odpowiednich wytrzymałości mechanicznych formom. Oprócz wymienionych zdolności, spoiwa powinny charakteryzować się wysoką mieszalnością ze składnikami mieszaniny, zdolnością formierską, trwałością składu chemicznego oraz brakiem reaktywności z odlewanym stopem. Dodatkowymi aspektami wpływającymi na wybór spoiwa są przepisy środowiskowe, które wymagają eliminowania spoiw składających się z alkoholowej osnowy na rzecz spoiw wodnorozcieńczalnych [7-].
Częstość występowania [%] Do otrzymywania wyrobów o skomplikowanym kształcie w odlewnictwie precyzyjnym stosuje się wielowarstwowe ceramiczne formy odlewnicze. Do ich najważniejszych właściwości należą: odpowiednia gazoprzepuszczalność oraz wytrzymałość podczas zalewania ciekłym metalem. Wyróżnia się dwa główne rodzaje warstw: - warstwa pierwsza tzw. warstwa przymodelowa- odpowiadająca za odwzorowanie kształtu odlewu i mająca bezpośredni kontakt z ciekłym stopem metalu, - warstwa konstrukcyjna tzw. backup (ang.) nadająca formie odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, porowatość oraz gazoprzepuszczalność [;9]. Do podstawowych materiałów, które stosuje się najpowszechniej do produkcji ceramicznych form odlewniczych należą glinokrzemiany, tlenki glinu, tlenki cyrkonu czy mulit. Tlenek itru do wytwarzania ceramicznych form odlewniczych stosuje się do tzw. stopów specjalnych, do których należą stopy niklu czy tytanu charakteryzujące się bardzo dużą reaktywnością z warstwami formy ceramicznej na bazie tlenku glinu, cyrkonu czy mulitu. Wykonanie form na bazie Y O jest trudne. Tlenek itru tworzy z klasycznymi spoiwami niestabilne zawiesiny, dlatego też w niniejszej pracy podjęto próbę scharakteryzowania właściwości reologicznych ceramicznych mas odlewniczych na bazie Y O []. A) B). Metodyka badań W ramach pracy przeprowadzono badanie dwóch tlenków itru (Treibacher) o różnej granulacji: i mesh. Dodatkowo zastosowano dwa spoiwa: spoiwo główne (Evonik) zawierające nanocząsteczki Al O oraz spoiwo stabilizujące % roztwór wodny poli(glikolu) etylenowego o ciężarze cząsteczkowym g/mol (PCC Rokita, Polska), który dodano w ilości % wagowych w stosunku do proszków. Całkowity udział fazy stałej wynosił 77% wag. Dla badanych proszków formierskich zostały przeprowadzone badania mikrostruktury przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi SU(Hitachi, Japonia) (detektor BSE, napięcie KV). Dodatkowo dla zastosowanych proszków zostało wykonane badanie wielkości cząstek przy użyciu dyfrakcji laserowej na urządzeniu Horiba LA-9 (Hitachi, Japonia). Masę ceramiczną wytwarzano w reaktorze i mieszano przy użyciu mieszadła mechanicznego. Badania przeprowadzano dopiero po dwóch dniach dla lepszego efektu upłynnienia mieszaniny formierskiej. Każdego dnia pomiaru została uzupełniona odparowana woda. Gęstość masy oznaczono w aerometrze. W celu identyfikacji właściwości adhezyjnych użyto mosiężnej płyty o wymiarach 7x7 mm i wadze 7,g. Obciekanie masy z płyty notowano co s, a całkowity czas pomiaru wynosił s. Lepkość względną zbadano przy użyciu kubka czerpalnego Zahn #, natomiast lepkość dynamiczną przy użyciu wiskozymetru Brookfield DV II+ (USA), wykorzystując w tym celu metodę cylindrów współosiowych. Właściwości reologiczne badano w zakresach obrotów - i - RPM. Badanie ph odbywało się na ph-metrze wyposażonym w elektrodę do zawiesin.. Wyniki badań Na rysunkach przedstawiono przykładowe zdjęcia mikrostruktury proszków tlenku itru wykonane przy użyciu SEM. Badane proszki charakteryzują się ostrokrawędzistymi nieregularnymi cząstkami. Cechy te pozwalają twierdzić, że jest to odpowiedni kształt w kontekście zdolności formierskich. Rys.. Obraz SEM badanych proszków tlenku itru (A- mesh, B- mesh) Rysunek prezentuje rozkład wielkości cząstek dla badanych proszków o granulacji i mesh. W przypadku proszku o wielkości # największą częstość występowania obserwuje się w przedziale 7 µm oraz 9 µm i wynosi ona odpowiednio % i %. Dla proszku # największy udział % występowania to cząstki o wielkości od 7 µm. 9 7 Wielkość cząstki [µm] # # Rys.. Zestawienie wielkości cząstek dla badanych proszków Y O. Rysunki prezentują ubytek masy badanej mieszaniny formierskiej na płycie mosiężnej w czasie. Charakter krzywych jest
Masa płyty [g] ph [-] Gęstość [g/cm] Masa płyty [g] Masa płyty [g] Lepkość Zahn Cup [s] Masa płyty po s [g] prawidłowy i niezmienny w czasie. Świadczy to o dobrej stabilności badanych gęstw oraz ich dużym upłynnieniu. Do ok. s mieszany łatwo obciekają z płyty, później obserwuje się plateau. Jest to efekt pożądany, sprawiający iż podczas suszenia mieszanina nie będzie obciekać z modelu, a warstwa pierwsza formy będzie charakteryzować się jednorodną grubością. Gwarantuje to łatwość formowania modeli woskowych oraz w późniejszym czasie otrzymywania form ceramicznych. Dzień Dzień Dzień Dzień Rys.. Rozkład testu płyty w czasie dla masy Y O w proporcji % % wag. Dzień Dzień Dzień Dzień Rys.. Rozkład testu płyty w czasie dla masy Y O w proporcji % % wag. Dzień Dzień Dzień Dzień Rysunek przedstawia zależność między lepkością kubka Zahna # a masą płyty po s obciekania. Rys.. Zestawienie zmian lepkości względnej oraz masy w czasie pomiaru dla badanych mieszanin formierskich Z rysunku można zaobserwować, iż lepkość maleje każdego dnia pomiaru dla każdej mieszaniny formierskiej. Kształtuje się w granicach 7s pierwszego dnia pomiaru, po czym maleje tylko do ok s ostatniego dnia. Pozwala to sądzić, że mieszanina formierska zachowuje dużą stabilność w czasie. Masa płyty po teście obciekania waha się w granicach,,9g. Rysunek 7 prezentuje zmianę ph oraz gęstości mieszaniny formierskiej w czasie. Z rysunku można odczytać, iż ph i gęstość zmieniają się nieznacznie w granicach błędu pomiaru urządzenia. Świadczy to o bardzo dobrym upłynnieniu i stabilności masy lejnej. 9 7 Dzień [-] %-% %-% %-% %-% %-% %-% Dzień [-] Rys.7. Zestawienie zmian ph oraz gęstości w czasie dla badanych mieszanin formierskich,,,,,,,,,,,,, Rys.. Rozkład testu płyty w czasie dla masy Y O w proporcji % % wag.
Lepkość [mpas] Rysunek przedstawia zależność między lepkością dynamiczna, a szybkością obrotu wrzeciona. Rys.. Rozkład lepkości dynamicznej badanej mieszaniny formierskiej na bazie tlenków itru Przedstawione wyniki badań przeprowadzone w wiskozymetrze Brookfield DV II+ pokazują, że mieszaniny formierskie mają bardzo podobną charakterystykę pętli histerezy. Są one wąskie lecz niepełne, co świadczy o częściowym odbudowaniem struktury wewnętrznej mieszanek zniszczonej ścinaniem. Najwyższą lepkością odznacza się zawiesina Y O w proporcji % % wag. proszku mesh do mesh. Najmniejszą zaś mieszanina w odwrotnej proporcji, czyli % % wag.. Wnioski RPM [-] %-% %-% %-% Celem pracy był badania nad opracowaniem mieszanin formierskich na bazie proszków Y O o dwóch granulacjach oraz mesh z dodatkiem spoiwa z nanocząstkami Al O oraz spoiwa stabilizującego, nadającej się do wykorzystania na warstwę przymodelową ceramicznych form odlewniczych. Stwierdzono, iż najlepszą charakterystykę reologiczną do przyszłościowego zastosowana wykazała mieszanina tlenków itru w proporcji % % wag. proszku. Spełnia ona podstawowe założenia przemysłowe, które musi wykazywać gęstwa stosowana w odlewnictwie precyzyjnym do produkcji ceramicznych form odlewniczych. w procesie odlewania precyzyjnego metodą Bridgmana, Inżynieria Materiałowa,,, s. 7 [] M. Zagórska, H. Matysiak, J. Michalski, M. Kopta, K. Kubiak, K.J. Kurzydłowski, Właściwości form ceramicznych do odlewania precyzyjnego części lotniczych, wytworzonych w układzie wodnym oraz w etanolu, XXXIX Szkoła Inżynierii Materiałowej, Kraków-Krynica [] A. Karwiński, Wpływ za wartości krzemionki koloidalnej na właściwości ciekłej masy ceramicznej stosowanej w technologii wytapianych modeli, Solidification of Metals and Alloys, No., 997 [] M. R. Ismael, R. D. dos Anjos, R. Salomao, V.C. Pandolfelli, Colloidal silica as a nostructured binder for refractory castables, Refractories Applications and News,, vol., nr, s. [] M. Małek, P. Wiśniewski, H. Matysiak, K.J. Kurzydłowski, Lejna mieszanina formierska do produkcji warstw przymodelowych ceramicznych form odlewniczych na osnowie tlenku itru oraz spoiwa zawierającego nanocząstki tlenku glinu, P.7 () [7] M. Małek, M. Zagórska,, P. Wiśniewski, H. Matysiak, J. Michalski, K.J. Kurzydłowski, Analiza porównawcza spoiw formierskich na bazie krzemionki koloidalnej stosowanych do budowy form ceramicznych do odlewania precyzyjnego części turbin lotniczych, XL Szkoła Inżynierii Materiałowej, Kraków [] M. Zagórska, M. Małek, P. Wawulska, H. Matysiak, J. Michalski, K.J. Kurzydłowski, Charakterystyka właściwości form ceramicznych wytworzonych na bazie wodnych spoiw Keysol i Matrixsol, XL Szkoła Inżynierii Materiałowej, Kraków. [9] Matysiak H., Ferenc J., Lipiński Z., Grabarz K., Michalski J., Kurzydłowski K. J., Development of new ceramic slurries and shell moulds for Bridgman casting of turbine blades, Proceedings of European Conference On Materials and Structures In Aerospace, Germany,. Podziękowania Badania realizowane w ramach projektu Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym" nr POIG...-- /- w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Literatura [] R. Haratym, R. Biernacki, D. Myszka, Ekologiczne wytwarzanie dokładnych odlewów w formach ceramicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, [] H. Matysiak, J. Ferenc, J. Michalski, Z. Lipiński, G. Jakubowicz, K.J. Kurzydłowski, Porowatość i wytrzymałość form ceramicznych wykorzystywanych
PRIME COAT MANUFACTURING BASED ON YTTRIUM III OXIDE SLURRIES FOR CERAMIC SHELL MOULDS FABRICATION Abstract In this work the rheological properties of ceramic slurries based on two different yttrium III oxide powders ( and mesh) was presented. Yttria was added in a ratio of % %, % % and % % by weight. Solid phase was 77 wt.%. To fabrication ceramic slurries Evonik binder and poli(ethylene) glycol were used. To investigated basic rheological properties ph, density, Zahn Cup viscosity and dynamic viscosity were studied. To characterizes yttrium III oxide SEM and grain size were done. The tests were taken 9h. It was proven that ceramic slurry based on yttria in ratio % % by weight met the standard industrial condition and is very promising for future application. Keywords: Al O nanoparticles; Evonik binders; Prime coat; Ceramic shell moulds; Yttrium III Oxide Pracę recenzował: dr hab. inż. Jarosław Mizera, Dziekan Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej