PRÓBA ZASTOSOWANIA PARAMETRÓW KRZYWEJ UDZIAŁU MATERIAŁOWEGO DO OPISU MIKROGEOMETRII POWIERZCHNI ODLEWÓW PRECYZYJNYCH

Transkrypt

1 72/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN PRÓBA ZASTOSOWANIA PARAMETRÓW KRZYWEJ UDZIAŁU MATERIAŁOWEGO DO OPISU MIKROGEOMETRII POWIERZCHNI ODLEWÓW PRECYZYJNYCH J. TOMASIK 1, R. HARATYM 2 Instytut Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Warszawskiej ul. św. A. Boboli 8, Warszawa Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej ul. Narbutta 85, Warszawa STRESZCZENIE W publikacji przedstawiono wyniki badań jakości powierzchni odlewów precyzyjnych poprzez pomiar jej mikrogeometrii z wykorzystaniem parametrów Rpk, Rk, Rvk, Mr1 i Mr2 wyznaczonych z krzywej udziału materiałowego. Uzyskane wyniki potwierdzają lepszą przydatność parametrów krzywej udziału materiałowego (krzywej Abbota) niż parametry tradycyjne (Ra, Rz) do optymalizacji procesu wytwarzania odlewów precyzyjnych. Key words: surface microgeometry, precision casting 1. WPROWADZENIE Doskonalenie istniejących technologii oraz wprowadzanie nowych metod wykonywania elementów maszynowych prowadzi do kształtowania struktury geometrycznej powierzchni (w obszarze mikrogeometrii) zawierającej nowe cechy. Dotyczy to między innymi powierzchni elementów wykonywanych w procesie odlewania precyzyjnego. Ich mikrogeometria zależy od wielu czynników, między innymi od powierzchni formy ceramicznej, która charakteryzuje się określonym stopniem porowatości wynikającym z jakości mieszanki ceramicznej (kształtu i wielkości ziaren, lepkości, napięcia powierzchniowego). Chropowatość powierzchni formy zależy 1 dr inż., J.Tomasik@mchtr.pw.edu.pl 2 dr inż., roman.haratym@polkom.net

2 533 natomiast od powierzchni modelu i stopnia jego zwilżenia przez ciekłą mieszankę ceramiczną oraz od samego kształtu modelu. Zainteresowanie problematyką pomiarów mikrogeometrii powierzchni odlewów precyzyjnych wynika z szerokiego ich zastosowania w wielu branżach przemysłu. np.: lotniczej, kosmicznej, zbrojeniowej, medycznej. Dobrze wykonane odlewy precyzyjne powinny mieć minimalne naddatki na obróbkę wykańczającą (np. szlifowanie) i tylko na powierzchniach dotyczących maksimum od 5% do 10% całkowitej powierzchni odlewu. Odlewy precyzyjne stanowią coraz większą konkurencję dla wyrobów wykonywanych poprzez skrawanie ze względu na mniejszą energochłonność, dłuższy czas eksploatacji oraz z uwagi na lepsze właściwości warstwy wierzchniej. Ponieważ własności eksploatacyjne odlewów precyzyjnych (wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na korozję, odporność na zużycie, własności ślizgowe itp.) w dużej mierze zależą od mikrogeometrii powierzchni, stąd ciągłe dążenie do nadania powierzchniom współpracującym optymalnej chropowatości. Dotychczas mikrogeometrię powierzchni odlewów precyzyjnych mierzono z wykorzystaniem parametrów tradycyjnych, takich jak Ra i Rz oraz współczynników długości nośnej profilu tp20 i tp50 [1]. W normie PN-EN ISO zdefiniowane zostały parametry związane z krzywą udziału materiałowego wyznaczoną dla profilu filtrowanego i wprowadzone głównie na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego. Szerzej ich znaczenie zostało opisane w literaturze [2]. Interpretacja geometryczna tych parametrów została przedstawiona na rysunku 1. Rys. 1. Parametry krzywej udziału materiałowego (krzywej Abbota) profili chropowatości [2] Fig. 1. The parameters of Abbot curve of roughness profiles

3 534 Parametr Rpk charakteryzuje górną część powierzchni, która szybko ulega wytarciu po rozpoczęciu współpracy dwóch powierzchni. Parametr ten jest więc miarą odporności na ścieranie (mała jego wartość odpowiada większej odporności). Natomiast parametr Rk, niezależny od wzniesień i wgłębień profilu, opisuje wysokość chropowatości rdzenia profilu, czyli efektywną głębokość chropowatości po pewnym okresie docierania. Mała wartość parametru Rk oraz duża różnica Mr2 i Mr1 pozwalają wnioskować o dobrej nośności powierzchni i odpornoś ci na pracę w warunkach dużych naprężeń. Wgłębienia powierzchni opisuje parametr Rvk. Jest on miarą zdolności pracujących powierzchni do utrzymywania smaru w powstałych mechanicznie wgłębieniach. Mr1 i Mr2 to parametry określające wartość udziału materiałowego odpowiednio dla górnej i dolnej granicy rdzenia profilu chropowatości. Opisane powyżej parametry dają informację o strukturze profilu nierówności, która w dużej mierze determinuje funkcjonalne zachowanie się elementu w czasie pracy. Z racji wymagań, że do wyznaczenia tych parametrów krzywa udziału materiałowego musi mieć kształt litery S (powinna najpierw stromo opadać, następnie przechodzić w odcinek bardziej płaski i znowu zakończyć się częścią stromo opadającą), mogą one być stosowane do oceny mikrogeometrii powierzchni o losowej strukturze nierówności, a więc ukształtowanych głównie w wyniku obróbek wykańczających (szlifowania, docierania, honowania itp.). Wstępnie przeprowadzone przez autorów badania potwierdziły, że struktura nierówności powierzchni odlewów precyzyjnych ma charakter losowy, a więc do jej opisu liczbowego mogą być zastosowane parametry wyznaczone z krzywej udziału materiałowego.. 2. PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań były odlewy wykonane z materiału AK9, stopu tytanu (implanty do stawu biodrowego) oraz stopu chromowo-niklowego z dodatkiem molibdenu i wanadu (LH25N13MV). Do wykonania odlewów z materiału AK9 i LH25N13MV wykorzystano formy ceramiczne wykonane według technologii Replicast CS na bazie materiału ceramicznego molochite i spoiwa ekosil. Natomiast do wykonania odlewów ze stopu tytanu wykorzystano formy ceramiczne ośmiowarstwowe wykonane na bazie materiału ceramicznego molochite i spoiwa zol kwasu krzemowego (ZK) oraz krzemianu etylu (KE). Łącznie do badań wykorzystano 15 odlewów (po 5 dla każdego rodzaju materiału). Dla każdego odlewu wykonano po 3 pomiary w różnych miejscach. Pomiary mikrogeometrii powierzchni zostały wykonane z wykorzystaniem profilometru cyfrowego Surtronic 3P f-my Rank Taylor Hobson. Profilometr ten współpracujący z komputerem umożliwia ocenę liczbową mikrogeometrii powierzchni według większości znormalizowanych parametrów, zarejestrowanie profilogramu i krzywej udziału materiałowego.

4 WYNIKI POMIARÓW I ICH INTERPRETACJA Pomiary mikrogeometrii powierzchni odlewów precyzyjnych zostały poprzedzone pomiarami powierzchni modeli i form ceramicznych, w których odlewy zostały wykonane. Celem tych pomiarów była próba oceny wpływu chropowatości powierzchni modeli i form na chropowatość powierzchni odlewów. Ze względu na ograniczoną objętość niniejszego artykułu szczegółowe wyniki tych badań zostaną przedstawione w innej publikacji. Na rysunku 2 przedstawiono tylko przykładowy profilogram dla powierzchni formy ceramicznej wykonanej metodą wytapianych modeli z materiału ceramicznego Molochite i spoiw: zol kwasu krzemowego i krzemian etylu. Rys. 2. Profilogram powierzchni formy ceramicznej Fig. 2. Surface profilogram of ceramic mold Jak widać z przedstawionego profilogramu powierzchnia formy ma strukturę porowatą, co wynika z procesu jej wykonywania, głównie kształtu ziaren zastosowanego materiału ceramicznego. W tabeli 1 zamieszczono wyniki pomiarów (wartości średnie) mikrogeometrii powierzchni odlewów. Jak już sygnalizowano, dla każdego rodzaju materiału wykonano po pięć próbek. Ponieważ mikrogeometrię powierzchni każdego odlewu mierzono w trzech różnych miejscach, dla danej grupy próbek uzyskano po piętnaście wyników pomiaru, z których obliczono wartości średnie. Tabela 1. Wyniki pomiarów mikrogeometrii powierzchni odlewów precyzyjnych Table 1. Experimental results of surface microgeometry of precision casting Rodzaj materiału Wartości mierzonych parametrów Rpk, m Rk, m Rvk, m Mr1, % Mr2, % Mr2-Mr1, % AK9 7,32 7,19 8,7 22,0 95,97 74,0 LH25N13MV 10,13 9,95 10,5 18,0 78,19 60,19 Stop tytanu 10,28 9,11 9,64 18,0 89,

5 536 Analizując wyniki badań, w odniesieniu do parametrów Rpk, Rk i Rvk, można zauważyć, że struktura nierówności powierzchni odlewów jest stosunkowo jednorodna (zbliżone wartości parametrów) dla określonego materiału. Teoretycznie można się było spodziewać, że ze względu na porowatość powierzchni form ceramicznych, mikrogeometria powierzchni odlewów będzie się charakteryzowała wyższymi wierzchołkami, które opisuje parametr Rpk. Prawdopodobnie zależy to od stopnia wnikania ciekłego metalu w pory FC. Dla wszystkich mierzonych powierzchni odlewów występuje stosunkowo duża różnica wartości współczynników nośności liniowej (Mr2- Mr1), co świadczy o dobrej ich nośności. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy profilogram i krzywą udziału materiałowego powierzchni odlewów wykonanych ze stopu tytanu. Zaobserwowana struktura nierówności nie odbiega znacząco od struktury powierzchni elementów wykonanych z materiałów litych o podobnym stopniu gładkości. Kształt krzywej udziału materiałowego (zbliżony do litery S) świadczy o losowym charakterze struktury nierówności powierzchni odlewów precyzyjnych wykonanych z tego materiału. a) b) Rys. 3. Profilogram (a) i krzywa Abbota (b) dla powierzchni odlewu ze stopu tytanu Fig. 3. Profilogram and Abbot curve for surface of titanium alloy casting

6 PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania potwierdziły, że parametry wyznaczane z krzywej udziału materiałowego (Abbota) mogą być przydatne w lepszym stopniu niż parametry tradycyjne (Ra, Rz) do oceny własności funkcjonalnych powierzchni odlewów precyzyjnych i do optymalizacji procesów ich wytwarzania. Umożliwiają one wyodrębnienie z profilu obszaru wierzchołków, obszaru dolin i zasadniczego obszaru profilu (rdzenia). Jest to istotne szczególnie w procesie docierania się powierzchni współpracujących. Na przykład mała wartość parametru Rk, sugeruje powierzchnię bardziej płaską zdolną do wytrzymywania dużych obciążeń mechanicznych. Ponieważ jednak mikrogeometria powierzchni odlewów zależy od bardzo wielu czynników wymienionych wcześniej (rozdz. 1), w celu optymalizacji procesów ich wytwarzania należałoby przeprowadzić bardziej obszerne badania, w których określono by wpływ różnych czynników na mikrogeometrię form ceramicznych, a następnie wpływ powierzchni formy i parametrów procesu odlewania na mikrogeometrię odlewów. Przeprowadzenie takich badań wymaga starannego przygotowania próbek, polegającego na zebraniu dokładnej informacji o parametrach procesu ich odlewania. LITERATURA [1] J. Tomasik, R. Haratym: Surface microgeometry of special castings. Materials Engineering Quarterly, vol. 10 nr 3/2003 [2] M. Wieczorowski, A. Cellary, J. Chajda: Charakterystyka chropowatości powierzchni. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2003 THE APPLICATION OF ABBOT CURVE FOR DESCRIPTION OF SURFACE MICROGEOMETRY OF PRECISION CASTING SUMMARY The paper presents the results of investigation of the quality of precision casting surfaces with the use of parameters Rpk, Rk, Rvk, Mr1 and Mr2 estimated based on Abbot curve. The obtained results confirm better usefulness of Abbot curve parameters compared to traditional parameters (Ra, Rz, Rmax) for the optimization of precision casting technology. Recenzował Prof. Marcin Perzyk