BADANIE WŁASNOŚCI POKRYĆ OGNIOTRWAŁYCH NANOSZONYCH NA MODELE POLISTYRENOWE, STOSO- WANE PRZY WYTWARZANIU ODLEWÓW METODĄ LOST FOAM

Transkrypt

1 7/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN BADANIE WŁASNOŚCI POKRYĆ OGNIOTRWAŁYCH NANOSZONYCH NA MODELE POLISTYRENOWE, STOSO- WANE PRZY WYTWARZANIU ODLEWÓW METODĄ LOST FOAM T. PACYNIAK, R. KACZOROWSKI 2 Zakład Odlewnictwa, Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej, Łódź, ul. Stefanowskiego /5 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono metodę pomiaru przepuszczalności pokryć ogniotrwałych dla procesu pełnej formy. Wyprowadzono zależność umożliwiającą wykonanie pomiaru na aparacie LPiR- przystosowanym do pomiaru przepuszczalności masy formierskiej. Zależność ta pozwala wyznaczyć przepuszczalność próbek o różnej grubości w odniesieniu do próbek znormalizowanych. Dzięki temu istnieje możliwość porówn a- nia otrzymanych wyników. Key words: founding, casting, lost foam casting, expendable pattern casting, refractory coating. WSTĘP Wytwarzanie odlewów metodą pełnej formy jest dość młodą technologią odle w- niczą. Polega ona na tym, że styropianowy model odwzorowujący kształt odlewu łączy się z układem wlewowym wykonanym również ze spienionego polistyrenu bądź to za pomocą klejenia, bądź zgrzewania powierzchni łączonych elementów. Na tak przyg o- towany zespół modelowy nakłada się specjalne pokrycie ogniotrwałe (pędzlem, natryskowo lub zanużeniowo) i całość zaformowuje się w piasek bez lepiszcza, który zagęszcza się zwykle przez wibracje. Następnie tak wykonaną formę zalewa się ciekłym dr inż. pacyniak@p.lodz.pl 2 mgr inż. kaczorek@p.lodz.pl 47

2 metalem, który powoduje zgazowywanie modelu styropianowego i wypełnienie miejsc uprzednio zajmowanych przez model [], [4], [5]. Na jakość odlewów wykonanych tą technologią ma wpływ wiele czynników m.in. g ę- stość spienionego polistyrenu, od której zależy wytrzymałość modelu i jakość jego powierzchni; rodzaj piasku, a w szczególności jego przepuszczalność oraz pokrycie ogniotrwałe nanoszone na model, które stanowi roboczą powierzchnię formy pozwalającą uzyskać odpowiednią jakość powierzchni odlewu i zapobiega penetracji metalu do piasku. Warstwa ta jednocześnie musi charakteryzować się dobrą przepuszczalnością, by gazy powstające wewnątrz formy mogły łatwo ją opuścić. W literaturze [], [2], [3] określono wymagane właściwości spienionego polistyrenu dla procesu pełnej formy. W niniejszej pracy zamieszczono wyniki analizy wybranych pokryć ogniotrwałych stosowanych w procesie wytwarzania odlewów metodą LOST FOAM. 2. MATERIAŁY I ZAKRES BADAŃ 2.. Materiały stosowane do badań Do badań użyto następujące pokrycia: a) Pokrycie wodne na modele styropianowe KERNTOP L87 firmy Ashland. Wykonane jest na bazie cyrkonowo ceramicznej z dodatkiem tlenków. Posiada nas tępujące dane techniczne wg producenta kolor różowy zawartość substancji stałej % gęstość 2,6 g/cm 3 lepkość 30 Pa s osadzanie 0%/24h b) Pokrycie alkoholowe na modele styropianowe KERNTOP Z85 firmy Ashland o następujących właściwościach: kolor biały zawartość substancji stałej 82 % gęstość 2,4 g/cm 3 lepkość 0 Pa s osadzanie %/24h c) Pokrycie wodne dla odlewów z żeliwa szarego i staliwa na bazie różnych krzemianów glinu i magnezu DISOPAST 6230/7 produkcji Huetteness -Albertus o parametrach: kolor zielono-szary zawartość substancji stałej 58 % gęstość,48 g/cm 3 lepkość czas wypływu ok. 9 sek. 4 mm kubek Forda wg DIN wartość ph 9,5 48

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA d) Pokrycie wodne dla odlewów z aluminium na bazie różnych krzemianów glinu i magnezu DISOPAST 6779 produkcji Huetteness-Albertus o parametrach: kolor - szary zawartość substancji stałej 54 % gęstość,48 g/cm 3 lepkość czas wypływu ok. 7 sek. 4 mm kubek Forda wg DIN wartość ph 9, Zakres i metodyka badań Przed naniesieniem pokrycia na model pokrycie powinno być odpowiednio przygotowane i charakteryzować się właściwą lepkością zalecaną przez producenta. Przygotowane pokrycie nanoszono na polietylenowe okrągłe kształtki w specjalnej tulei, którą przedstawia rysunek. Grubość pokrycia można było regulować przy pomocy walca dystansowego. Następnie tak przygotowane próbki suszono przez 2 godziny w piecu o temperaturze 50 0 C. Po tym czasie warstwę pokrycia zdejmowano delikatnie z kształtek i wstawiano je na 24 godziny do eksykatora. Ostatecznie przygotowane próbki umieszczano w przystawce z gumową membraną, którą to zakładano na aparat do badania przepuszczalności typu LPiR-. Przed każdym pomiarem przepuszczalności mierzono grubość pokrycia z dokładnością 0,05 mm. Zakres badań obejmował wyżej wymienione pokrycia w zakresie grubości od do 2 mm. 50 Warstwa pokrycia Kształtka polietylenowa Walec dystansowy Tuleja Rys.. Oprzyrządowanie do wykonywania cienkich warstw pokrycia. Fig.. Attachment for deposition of thin ceramic coating. 49

4 3. BADANIA WŁASNE 3.. Teoretyczne podstawy badania przepuszczalności cienkich warstw Badania przepuszczalności materiałów i mas formierskich są prowadzone najczęściej w odlewniach na urządzeniach prostych i uniwersalnych, dzięki którym w sposób szybki i łatwy można otrzymać wynik pomiaru. Najszerzej rozpowszechnionym w Polsce urządzeniem do pomiaru przepuszczalności jest aparat LPiR produkowany przez Wadowickie Przedsiębiorstwo Produkcyjno-Doświadczalne Aparatury Odlewniczej WADAP. Stąd też przepuszczalność pokryć ogniotrwałych badano właśnie na takim aparacie. Grubość warstwy pokrycia, z którego wykonywano próbki musiała być zbliżona do tej jaką nakłada się na modele. Grubość ta jest znacznie mniejsza od wysokości próbek dla jakich wyskalowany jest aparat do badania przepuszczalności. Wyniki pomiarów należy dlatego przeliczyć wg poniżej wyprowadzonej zależności. p 0 ciśnienie otoczenia, p nadciśnienie pod próbką (odczytywane podczas pomiaru na skali ciśnienia aparatu LPiR-, p ciśnienie otrzymywane przez wentylator aparatu (p = 00 mm H 2 O = 98 Pa), p d straty ciśnienia w dyszy, p 0 straty ciśnienia w próbce, F D pole przekroju dyszy aparatu. Rys. 2. Schemat pomiaru przepuszczalności na aparacie LPiR- do badania przepuszczalności. Fig. 2. Scheme of a measurement of the permeability with use of the device LPiR- 50

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Z równania Bernoulli ego gdzie: 2 v p d () 2 v prędkość przepływu powietrza przez dyszę, [m/s], - gęstość powietrza, [kg/m 3 ] v 2 2 p d p d (2) po podstawieniu otrzymano 2 C (3) v C (4) p d Straty ciśnienia w dyszy wynoszą: p d = p 0 + p (p 0 + p ) = p p (5) Zatem po podstawieniu zależności (5) do (4) otrzymano następującą postać zależności prędkości przepływu powietrza przez dyszę: v C p p Objętość powietrza przepływającego przez dyszę V, [m 3 ] wynosi: V = v F D (7) gdzie: - czas, [s] Ponieważ dla danej dyszy przekrój F D dyszy oraz powierzchnia F próbki jest stała, wykonując podstawienie i wprowadzając je do wzoru na przepuszczalność złoża porowatego określonego wzorem: V h P F p 0 (6) (8) gdzie: h wysokość próbki 5

6 Przepuszczalność P [m 2 /Pa*s] F powierzchnia próbki otrzymano P C h (9) 3 98 p p Na podstawie normy dotyczącej pomiaru przepuszczalności PN-80/H-072 dla dyszy 0,5 mm i średnicy próbki D = 50 mm wyznaczono zależność przepuszczalności P ośrodka porowatego od ciśnienia mierzonego pod próbką p. Zależność tą przedstawiono na rysunku 3. 9,0E-07 8,0E-07 7,0E-07 6,0E-07 5,0E-07 4,0E-07 3,0E-07 2,0E-07,0E-07 0,0E Ciśnienie p [Pa] Rys. 3. Zależność P=f(p ) przepuszczalności P od ciśnienia p pod próbką (na podstawie normy PN-80/H-072 dla dyszy 0,5 mm i średnicy próbki D = 50 mm) Fig. 3. A plot P=f(p ) of the permeability P as a function pressure p under sample. Wykorzystując przedstawioną powyżej zależność P = f(p ) oraz równanie (9) sporządzono zależność współczynnika C 3 od ciśnienia p, którą przedstawiono na rysunku 4. Wartość współczynnika C 3 nie jest stała. Dla badanych pokryć ciśnienie p pod próbką zmieniało się z w granicach od 550 do 920 Pa, co odpowiada zmianie ws półczynnika C 3 w granicach od 9552 do 03. Przyjęto więc średnią wartość tego współczynnika wynoszącą Dla takiej wartości współczynnika C 3 wykonano zależność P = f(p ) i naniesiono ją wraz z zależnością wyznaczoną na podstawie polskiej normy. Ilus truje to rysunek 5. 52

7 Przepuszczalność P ARCHIWUM ODLEWNICTWA Współczynnik C Ciśnienie p [Pa] Rys. 4. Zależność współczynnika C 3 od ciśnienia p. Fig. 4. The effect of pressure p on the coefficient C 3. 2,5E-07 2,0E-07 Krzywa wg PN Krzywa teoretyczna,5e-07,0e ,0E-08 0,0E Ciśnienie p [Pa] Rys. 5. Zależność P = f(p ) wyznaczona wg PN (krzywa ) i wyznaczona teoretycznie przez autorów wg wzoru (9) dla współczynnika C 3 = 9694 (krzywa 2). Fig. 5. A relation P=f(p ) as determined according to the Polish Norm No. PN-80/H-072 (curve ) and theoretically determined one for value 9694 of the coefficient C 3 (curve 2) 53

8 Przepuszczalność P [m 2 /Pa*s] Analiza powyższej zależności upoważnia do stwierdzenia, że wartość współczynnika C 3 jest poprawna, a wzór (9) pozwala wyznaczać przepuszczalność ciał porowatych dla różnych wysokości badanych próbek. Znając wysokość próbki i ciśnienie p pod próbką odczytane z aparatu LPiR- można w prosty sposób korzystając ze wzoru (9) obliczyć przepuszczalność badanej próbki Wyniki badań przepuszczalności Otrzymane wyniki przepuszczalności pokryć ilustruje rysunek 6. Przepuszczalność pokryć była o około 000 razy mniejsza od przepuszczalności piasku ( m 2 /Pa s) i jak widać kształtowała się od około do 3,5 0-9 m 2 /Pa s. 4,00E-09 3,50E-09 3,00E-09 2,50E-09 2,00E-09,50E-09 DISOPAST 6230/7 DISOPAST 6779 KERNTOP L87 KERNTOP Z85,00E-09 5,00E-0 0,00E Kolejne próbki Rys.6. Wyniki pomiaru przepuszczalności pokryć Fig. 6. Results of the measurements of the permeability of the coatings 54

9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4. WNIOSKI Przedstawiona metoda określania przepuszczalności cienkich warstw pozwala wyznaczać przepuszczalność pokryć stosowanych w procesie LOST FOAM. Z przeprowadzonych badań wynika, że najlepszą przepuszczalność z przebadanych pokryć posiada pokrycie KERNTOP Z85 i wynosi około 3,5 0-9 m 2 /Pa s. Jednakże i tak pokrycie to posiada przepuszczalność około 000 razy mniejszą niż suchy piasek i ma decydujący wpływ na filtrację gazowych produktów rozkładu spienionego polist yrenu. Aby zmniejszyć opory filtracji należy stosować możliwie jak najmniejszą grubość p o- krycia na styropianowych modelach. LITERATURA [] Pacyniak T.: Materiały na modele ze spienionych tworzyw wielkocząsteczkowych, Materiały Pomocnicze w Odlewnictwie, Katowice 994 r., [2] Jopkiweicz A., Pacyniak T.: Wpływ wybranych parametrów na proces otrzymywania odlewów siluminowych metodą zgazowywanych modeli, Tendencje rozwojowe w technologii maszyn, Sekcja III Odlewnictwo i Spawalnictwo, Zielona Góra 992 r., [3] Pacyniak T.: Analiza procesu zgazowywanego modelu styropianowego w metodzie pełnej formy, Zjawiska fizyko-chemiczne w Odlewnictwie, KBN PAN, Zielona Góra 994 r., [4] Kludziński J.: Modernizacja ciągu technologicznego służącego do wykonywania odlewu metodą pełnej formy, Praca dyplomowa pod kierunkiem dr inż. T. Pac y- niaka, Łódź 992 r., [5] Pacyniak T.: Analiza procesu zapełniania wnęki ciekłym stopem w metodzie pełnej formy, Krzepnięcie metali i stopów, Rok 999 Rocznik, Nr 40, PAN Katowice. 55

10 INVESTIGATION OF PROPERTIES OF REFRACTORY COATINGS USED FOR FOAM PATTERNS USED IN THE CASTING MANUFACTURING BY MEANS OF THE LOST FOAM METHOD SUMMARY The method of evaluation of the permeability of refractory coatings used in the process of lost foam casting is presented in this work. A relation enabling carrying out the measurements using the apparatus LPiR- adopted to the measurement of the permeability of the moulding sand has been derived. This relation allows one to determine a permeability of specimens of different thicknesses with respect to specimens of the normalised thickness. In this way one can compare results obtained for specimens of different thicknesses. Recenzował: prof. dr inż. Józef Gawroński 56