PROCES WYSOKOTEMPERATUROWEGO WYGRZEWANIA FORM GIPSOWYCH DLA ODLEWNICTWA ARTYSTYCZNEGO

Transkrypt

1 27/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN PROCES WYSOKOTEMPERATUROWEGO WYGRZEWANIA FORM GIPSOWYCH DLA ODLEWNICTWA ARTYSTYCZNEGO M. PAWLAK 1 Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Odlewnictwa Łódź, ul. Stefanowskiego 1 STRESZCZENIE W opracowaniu przedstawiono wyniki badań gipsowej formy blokowej stos o- wanej w odlewnictwie artystycznym. Badania obejmują rozkład temperatury w formie oraz ocenę zmian strukturalnych jej materiału w czasie wygrzewania wysokotemperat u- rowego dla formy wilgotnej i wstępnie suszonej w ciągu naturalnym. Key words: plaster, gypsum, plaster moulds, jewellery and artistic casting 1. WPROWADZENIE Odlewanie precyzyjne metodą wytapianego wosku w gipsowych formach blokowych przy użyciu podciśnienia stosowane jest powszechnie w przemyśle ju bilerskim. Coraz częściej technologia ta znajduje zastosowanie również w wytwarzaniu niezbyt dużych odlewów artystycznych i technicznych. Odlewy wykonywane tą metodą chara k- teryzują się doskonałym odwzorowaniem kształtu, bardzo dużą dokładnością wymiarową i małą chropowatością powierzchni [2]. Wadą tej metody jest duży koszt jednostkowy odlewu, wynikający z drogiego oprzyrządowania, kosztownych materiałów formierskich i modelowych oraz znacznej energochłonności procesu obróbki termicznej form. Obróbka termiczna form realizowana jest w dwóch etapach 1. Wygrzewanie wstępne, którego celem jest wysuszeni form i wytopienie modelu woskowego [2]. 1 dr inż., mpawlak@p.lodz.pl 213

2 Wygrzewanie wysokotemperaturowe, którego zadaniem jest uzyskanie w formie struktury anhydrytu II, nie podlegającej dalszym przemianom fazowym. Gips, będący głównym składnikiem kompozycji formierskich stosowanych na formy w odlewnictwie artystycznym w czasie ogrzewania przechodzi szereg przemian polimorficznych związanych ze znacznymi zmianami gęstości rzeczywistej [1, 3]. Pociąga to za sobą duże różnice w jego rozszerzalności [4]. Przy gwałtownym, lokalnym przegrzaniu formy, występującym przy jej zalewaniu ciekłym stopem zjawisko to, w połączeniu ze złą przewodnością gipsu [5], wywołuje duże naprężenia termiczne, powodujące pękanie formy. Z tego powodu gotowe formy wymagają, poza wygrzewaniem wstępnym, wygrzewania wysokotemperaturowego. Obróbka termiczna, realizowana wg odpowiedniego programu, pozwala przeobrazić dwuhydrat CaSO 4 2H 2 O kolejno w półhydrat CaSO 4 0,5H 2 O, anhydryt III i ostatecznie w anhydryt II, materiał stabilny, o przewidywalnych właściwościach. Jest to proces długotrwały i energochłonny. Producent badanego gipsu zaleca prowadzenie wygrzewania wysokotemperaturowego w czasie 3 6 godzin. Czas ten uzależnił od wielkości formy, nie podając jednak żadnego kryterium tego parametru. Według zaleceń firmowych czas całego cyklu obróbki termicznej formy (łącznie z wygrzewaniem wstępnym i częściowym schłodzeniem) wynosi 5 16 godzin [6]. Skrócenie czasu obróbki termicznej form, szczególnie w zakresie energochłonnej fazy wysokotemperaturowej przyniesie wymierne oszczędności bez pogorszenia jakości produkcji. Jest to szczególnie istotne przy wykonywaniu odlewów art y- stycznych ze stopów metali nieszlachetnych. 2. BADANIE PROCESU WYGRZEWANIA WYSOKOTEMPERATUROWE- GO FORM Celem badań było wyznaczenie rozkładu temperatury w formie doświadczalnej w czasie wygrzewania wysokotemperaturowego i określenie najkorzystniejszych warunków realizacji tego procesu Materiały użyte do badań W badaniach wykorzystano następujące materiały: gips Gold Star firmy Hoben, woda zdemineralizowana Metodyka badań W badaniach posłużono się metodyką analogiczną do zastosowanej w bad a- niach procesu wygrzewania wstępnego [2].

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Forma doświadczalna Do wykonania form doświadczalnych wykorzystano standardową tuleję (fo r- mę) odlewniczą o wymiarach Ø 100x160mm, jedną z największych ze stosowanych w technologiach jubilerskich i drobnych przedmiotów artystycznych. Masę gipsową zestawioną w stosunku wodno-gipsowym W/G=0,38 mieszano wstępnie przez 30s ręcznie, mieszadłem tarczowym (n=1100 obr/min) przez 180s, a n a- stępnie odgazowywano na stole wibracyjnym w czasie 30s. Gotową masę zalewano do odpowiednio przygotowanych tulei odlewniczych, odgazowywano je przez 60s w autoklawie i odstawiano na 4200s (70min) do ostatecznego związania masy. Przekrój gotowej formy przedstawiono na rys. 1.a. Po związaniu masy w powierzchni czołowej formy wiercono (przy użyciu szblonu) otwory Ø 1,5 x 50mm do umieszczenia termometrów płaszczowych. Schemat ich rozmieszczenia w obu typach form przedstawiono na rys 1.b. a) b) Rys. 1. Forma doświadczalna (a) oraz rozmieszczenie otworów na termoelementy na jej powierzchni czołowej (b) Fig. 1. The experimental mould (a) and scheme of holes positions for thermocouples on the face of mould (b) Stanowisko badawcze Formy doświadczalne badano na stanowisku przedstawionym na rys. 2. Bad a- nia prowadzono dla dwóch rodzajów form doświadczalnych: 1. Formy wilgotnej wstawionej do pieca po czasie 1 godz. od momentu związania masy. 2. Formy suszonej wstawionej do pieca suszonej w ciągu naturalnym w czasie 168 godz. Formy, zarówno suszone, jak i wilgotne, wstawiano do zimnego pieca i wygrzewano wstępnie, zgodnie z zaleceniem producenta gipsu, w temperaturze C przez 4,5 godziny. Następnie zwiększono temperaturę do 750 C i utrzymywano na tym poziomie przez 5 godzin od momentu pełnego wyrównania temperatury wewnątrz formy. Po tym czasie formę chłodzono z piecem do 550 C i kończono proces. Poza opisanym pełnym (standardowym) cyklem wygrzewania realizowano cykle skrócone, w czasie których formy usuwano z pieca odpowiednio po 1, 2 i 4 godzi- 215

4 nach od momentu osiągnięcia temperatury 750 C mierzonej w osi formy. Próbki wycięte z tych form służyły do oceny struktury masy gipsowej. Wygrzewanie form realizowano w oporowym piecu wgłębnym APE 800. Rys. 2. Schemat stanowiska do wygrzewania wysokotemperaturowego form doświadczalnych. 1 piec APE 800, 2 programator, 3 podstawka ceglana, 4 forma doświadczalna, 5 termoelementy, 6 termoelement kontrolny, 7 przewody łączące, 8 układ rejestrujący, 9 komputer, 10 kominek odpowietrzający Fig. 2. Scheme of a stand to the firing experimental moulds. 1 furnace APE 800, 2 time-clock, 3 brick base, 4 experimental mould, 5 thermocouples, 6 control thermocouple, 7 wires, 8 recorder, 9 computer, 10 air-escape Po całkowitym ostudzeniu formy wybijano i z uzyskanego materiału wycinano próbki przeznaczone do oceny struktury masy przy użyciu mikroskopu skaningowego. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Wyniki badań przedstawiono na rys Porównanie zależności t w =f(τ) w obu rodzajach form wskazuje, że pełne przegrzanie ich wnętrza do temperatury 750 C następuje po ok. 2 godzinach licząc od momentu uzyskania tej temperat ury we wnętrzu komory pieca. Oznacza to, że dla wygrzewania wysokotemperaturowego nie ma znaczenia, czy do pieca zostanie wstawiona forma wilgotna, czy suszona. 216

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 3. Zależność temperatury formy t W mierzonej w różnych odległościach x od osi formy od czasu jej wygrzewania. Cykl pełny, forma suszona Fig. 3. Dependence of the mould temperature t W on the firing time in the various distance from axis mould. Standard firing cycle, the dry mould Rys. 4. Zależność temperatury formy t W mierzonej w różnych odległościach x od osi formy od czasu jej wygrzewania. Cykl pełny, forma wilgotna Fig. 4. Dependence of the mould temperature t W on the firing time in the various distance from axis mould. Standard firing cycle, the wet mould 217

6 a) t=20 O C b) t S =250 O C Rys. 5. Zdjęcie z mikroskopu skaningowego (pow. 1500x) struktury CaSO 4 2H 2 O (a) i masy po wygrzewaniu wstępnym (b) 2 Fig. 5. Scanning pictures (magnif. 1500x) of gypsum morfology CaSO 4 2H 2 O (a) and after preliminary baking process (b) a) t W =750 O C, =0 b) t W =750 O C, =2 h c) t W =750 O C, =4 h d) t W =750 O C, =6 h Rys. 6. Zdjęcie z mikroskopu skaningowego struktury masy gipsowej po wygrz ewaniu wysokotemperaturowym (pow. 1500x) Fig. 6. Scanning pictures of gypsum morfology after firing (magnif. 1500x) 2 Zdjęcia skaningowe wykonał dr inż. Leszek Klimek 218

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Po szczegółowej analizie przebiegu krzywych t w =f(τ) w zakresie temperatur C można zauważyć, że krzywa obrazująca nagrzewanie wnętrza formy suszonej jest łagodniej nachylona (ok. 15%). Oznacza to, że intensywność zwiększania temperatury jest mniejsza, co sprawia, że przemiany fazowe przechodzą nieco mniej intensywnie i wywołują mniejsze naprężenia własne w formie. Należy również zwrócić uwagę na bardzo długi czas wygrzewania wysokotemperaturowego formy zalecany przez producentów gipsów. Jest on zdecydowanie za długi, przyjęty wyraźnie z dużym nadmiarem. Akerman podaje, że struktura anhydrytu II powstaje w temperaturze C w czasie 2 4 godzin [1]. Podobne wnioski wynikają z przeprowadzonych przez autora badań gipsu autoklawizowanego α, stan o- wiącego podstawowy składnik gipsów jubilerskich [3]. Analizując zależność temperatury t w mierzonej w osi formy (x=0) od czasu jej wygrzewania τ można wnioskować, że proces obróbki wysokotemperaturowej formy powinno się zakończyć już po 4 godzinach od momentu osiągnięcia temperatury 400 C we wnętrzu formy, a po ok. 5 godzinach po osiągnięciu tej temperatury we wnętrzu pieca. Oznacza to skrócenie czasu energochłonnego wygrzewania wysokotemperaturowego o ok. 55%. Analiza zdjęć skaningowych (rys. 5 oraz 6) wskazuje na zasadność tego stwierdzenia. Struktura masy gipsowej w momencie uzyskania we wnętrzu formy te m- peratury 750 C przedstawiona na rys. 6a wyraźnie różni się od struktur ze zdjęć 5a i 5b jest drobniejsza i bardziej rozmyta, ale jeszcze nie przeobrażona do postaci anhydrytu II. Jest to prawdopodobnie anhydryt II ze znacznymi pozostałościami anhydrytu III. Po dalszym wygrzaniu przez dwie godziny struktura wyraźnie stabilizuje się i praktycznie przestaje się zmieniać, przyjmując postać charakterystyczna dla anhydrytu II (rys. 6c oraz 6d). 4. WNIOSKI 1. Całkowite wyrównanie temperatury do wartości 750 C w typowej formie jubilerskiej Ø100 mm następuje w czasie 2 godzin, od momentu uzyskania tej temperatury w przestrzeni roboczej pieca. 2. Strukturę anhydrytu II w całej objętości badanej formy można uzyskać w czasie 3 godzin od momentu uzyskania temperatury 750 C w komorze pieca, co pozwala skrócić zalecany czas standardowego wygrzewania wysokotemperaturowego o ok. 55%. 3. Pełny cykl obróbki termicznej dla formy Ø100 mm można skrócić ze standardowego czasu 16 godzin do 12 godzin, tj. ok. 25%. 219

8 LITERATURA [1] Akerman K.: Gips i anhydryt. PWN, Warszawa [2] Pawlak M.: Proces wygrzewania wstępnego form gipsowych dla odlewnictwa art y- stycznego. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2005, nr 17, s [3] Pawlak M.: Ocena wybranych właściwości gipsu stosowanego w technologii o d- lewnictwa podciśnieniowego w formach blokowych. Archiwum IIM PŁ, Łódź [4] Wiktorski M., Pawlak M., Niedźwiedzki Z.: Wpływ składu masy gipsowej na termiczne zmiany wymiarowe formy stosowanej w odlewnictwie precyzyjnym. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2005, nr 17, s [5] Wiktorski M., Pawlak M., Niedźwiedzki Z.: Stanowisko do badania współczynnika przewodzenia ciepła materiałów stosowanych na formy gipsowe w odlewnictwie precyzyjnym. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004, nr 13, s [6] Katalog firmy Hoben. SUMMARY THE FIRING GYPSUM MOULDS FOR ARTISTIC CASTING In this work the investigations of the gypsum block mould are presented. It showed the temperature profile and the structural changes of gypsum up to anhydrite II in the wet and dry test mould in firing process in the range of temperature C. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 220