ANIZOTROPIA WŁASNOŚCI FORM CERAMICZNYCH W ASPEKCIE DOKŁADNOŚCI ODLEWÓW WYTWORZONYCH W PROCESIE Z PRZECIWCIŚNIENIEM

Transkrypt

1 14/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN ANIZOTROPIA WŁASNOŚCI FORM CERAMICZNYCH W ASPEKCIE DOKŁADNOŚCI ODLEWÓW WYTWORZONYCH W PROCESIE Z PRZECIWCIŚNIENIEM R. HARATYM 1 Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania Wawelska 14, Warszawa STRESZCZENIE W artykule przedstawiono anizotropię własności form ceramicznych w aspekcie dokładności wymiarowej odlewów. Na anizotropię własności form wpływają głównie nierównomiernie rozmieszczone porcje ciekłej mieszanki ceramicznej (CMC) w otoczeniu ziaren sypkich materiałów ceramicznych. Dokładność wymiarowa odlewów zależy głównie od odchyłek wymiarowych (δ fc ) FC w kolejnych fazach ich wytwarzania. Wartość odchyłek δ fc jest zależna przede wszystkim od odkształceń FC podczas spiekania spoiwa oraz odkształceń formy podczas jej pełzania, gdy krzepnący i stygnący odlew oddziałuje na nią siłowo. Mimo dość krótkiego czasu krzepnięcia i stygnięcia odlewów, odlewnicy amerykańscy parametrem związanym z pełzaniem charakteryzują zdolność FC do przenoszenia obciążeń w funkcji temperatur [1]. Za miarę tych odkształceń przyjęto odchyłki zmiany wymiarowej FC wywołane rozszerzalnością formy pod obciążeniem w funkcji temperatury. Obciążenie próbek podczas badań rozszerzalności wynosiło na ogół od 0,05 do 0,15 MPa. Zauważono, że najmniejsze odkształcenia powstają, gdy FC są wykonane z udziałem glinokrzemianów (Molochite) i kwarcu topionego. Keywords: ceramic mould, dimensional accuracy, anisotropy 1 dr inż., roman.haratym@polcom.net

2 WPROWADZENIE Właściwości formy ceramicznej (FC) otrzymanej w procesie wytapianych modeli decydują w ponad 50% o dokładności wymiarowej odlewów. Proces z przeciwciśnieniem, często nazywany procesem CLA [2] jest jedną z najbardziej nowoczesnych metod otrzymywania odlewów precyzyjnych (rys. 1). W tym procesie, formy po obróbce cieplnej - wyżarzaniu są powolnie z piecem studzone do temperatury pokojowej. Następnie na przykład do otrzymania odlewów z stopów Al, podgrzewamy je w komorze (rys. 1-I) do temperatury maksimum 200 C i zasysamy bezpośrednio do FC z pieca ciekły metal o temperaturze C. Otrzymujemy odlewy o wysokiej jakości powierzchni i dokładności wymiarowej, przy dużym uzysku często ponad 80%. Rys. 1. Zasada otrzymywania odlewów metodą CLA (z przeciwciśnieniem) [2]. Fig. 1. Principle of the CLA (with counter-pressure) casting method [2]. Rys. 2. Stanowisko badawcze do otrzymywania odlewów metodą CLA (Politechnika Warszawska) Fig. 2. Test stand for making castings by the CLA method (Warsaw University of Technology). Rys. 3. Stanowisko do badania rozszerzalności pod obciążeniem próbek FC. Fig. 3. Stand for expansion testing of ceramic mold specimens under load.

3 117 Zestaw z formą ceramiczną (FC) jest mocowany w ruchomej komorze (I) podłączony z jednej strony do pompy próżniowej a z drugiej poprzez zawór odcinający do atmosfery. Komora znajduje się bezpośrednio nad piecem topialnym (II). Gdy forma ceramiczna osiągnie odpowiednią temperaturę następuje odsysanie powietrza przez pompę próżniową do wartości około 300 do 700 hpa i następnie zanurzenie końcówki FC w ciekłym metalu. Po wypełnieniu FC, jej przestudzeniu, następuje zwolnienie próżni i odzyskanie części ciekłego metalu z wlewu głównego (III) oraz otrzymanie odlewów (IV)- rys. l. Unikalne w skali kraju stanowisko badawcze wykonane w Politechnice Warszawskiej przedstawiono na rys OCENA ANIZOTROPII WŁASNOŚCI FORM CERAMICZNYCH 2.1. Rodzaje FC i metodyka badań Zastosowano nowy typ ekologicznego spoiwa- wodne" spoiwo krzemianowe nieorganiczne EKOSIL [3] (Patent Instytutu Odlewnictwa w Krakowie). Do sporządzenia ciekłych mas ceramicznych i do obsypania zastosowano dwa materiały ceramiczne: kwarc krystaliczny i glinokrzemianowy Molochite. Przy wykonaniu pierwszej warstwy formy ceramicznej do spoiwa dodawano niejonowego środka powierzchniowo-czynnego Rokafenolu w ilości do 0,2%. Parametrem, który głównie wpływa na dokładność wymiarową FC i następnie odlewu jest rozszerzalność cieplna form w fazie jej obróbki cieplnej oraz rozszerzalność form ceramicznych pod obciążeniem, która jest związana z pełzaniem FC gdy krzepnie w niej odlew. Parametr ten do oceny właściwości FC z powodzeniem stosują odlewnicy USA. Badania rozszerzalności prowadzono na próbkach 4 x 4 x 10 w dilatometrze japońskim firmy Rigaku Denki oraz dilatometrze Zakładu Odlewnictwa Politechniki Warszawskiej na próbkach większych 20 x 60 (rys.3). Jednocześnie wykonywano zdjęcia FC na przekroju w powiększeniu 16 x Analiza wyników badań Analiza zdjęć (przykład na rys. 4), potwierdza fakt, że formy są niejednorodne co prowadzi do anizotropowości właściwości. Na anizotropię własności termofizycznych form (FC) wpływają głównie nierównomiernie rozmieszczone porcje ciekłej mieszanki ceramicznej uformowane w czasie nakładania kolejnych warstw FC. Przyczyniają się do tego zjawiska procesu fluidyzacji na granicy ośrodków gazowego i ciała stałego oraz ciała s tałego i cieczy. Obroty pochylonego pod kątem 30 zestawu modelowego po nałożeniu warstwy ciekłej

4 118 Rys. 4. Przekrój przez formę ceramiczną (zdjęcie pow. 16x). Fig. 4. Ceramic mold cross-section (magnification 16x). Rys. 5. Charakter krzywych otrzymywanych podczas badania rozszerzalności pod obciążeniem próbek form ceramicznych. Fig. 5. Characteristic curves obtained from expansion tests of ceramic mold specimens under load. mieszanki ceramicznej oraz umocowanych w niej ziaren sypkiej ceramiki powodują powstanie siły odśrodkowej przesuwającej ziarna ceramiki w różne strony w efekcie w FC równolegle do warstwy wierzchniej formy (www- rys. 4) odległości między ziarnami są minimalne. Zaś między warstwami porcje CMC są dużo większe. Badania rozszerzalności FC pod obciążeniem dla całego cyklu podgrzewania i studzenia ten fakt anizotropii potwierdzają (patrz tabela l). Sposób prowadzenia badań- SPB: www- wzdłuż warstwy wierzchniej (rys. 4); ns- na średnicy; pww- prostopadle do warstwy wierzchniej. Badania przeprowadzono na bazie spoiwa Ekosil [3] z dodatkiem materiałów ceramicznych SiO 2, glikokrzemianów (Molochite) oraz kwarcu topionego. Kształt ziaren sypkiego SiO 2 był zbliżony do sferycznego (kulistego) przy niewielkim udziale ziaren kanciastych. Ziarna materiałów Molochite i kwarcu topionego zawierały znacznie większe udziały (U) ziaren kanciastych. Dla Molochite U wyniosło około 30 do 40% a dla kwarcu topionego ponad 50%. Większa ilość ziaren kanciastych powoduje powstanie większych porcji CMC w przestrzeni międzyziarnowej. Badania rozszerzalności większych próbek F o długości mm zarówno wzdłuż warstwy wierzchniej (www - rys. 4) jak na średnicy ( próbki mm) potwierdziły zjawisko anizotropii. Przykładowo dla FC z SiO 2 mamy, przy różnych sposobach prowadzenia badań (tabela l): www- odkształcenie spiekania ΔR od 0,11 do 0,133%; ns- ΔR od 0,13 do 0,21%, zaś dla pww- odkształcenie ΔR osiąga od 0,205 do 0,35%.

5 119 Najmniejsze odkształcenia spiekania powstają w FC na bazie Ekosilu i kwarcu topionego. Dla metody badań pww- mamy maksymalne wartości ΔR od 0,12 do 0,20%. Tabela 1. Odkształcenia termiczne formy ceramicznej (FC). Table 1. Thermal deformations of ceramic mould. Wielkość Odkształcenie spiekania [%] Rozszerzalność Rodzaj spoiw L.p. ziarna [mm] (DR- rys. 5) średnia [%] Materiał ceramiczny SPB Max. Min. Temperatura [ o C] >0,8 1,38 0,133 0,110 Ekosil [3] www 615 >0,8 1,40 1 0,210 0,130 ns 650 SiO 2 >0,8 1,34 0,350 0,205 pww 590 >0,5 0,43 0,140 0,100 Ekosil www 1000 >0,5 0,34 2 0,220 0,120 ns 900 Glinokrzemian >0,5 0,407 Molochite (M) 0,265 0,155 pww 900 >0,5 0,109 0,115 0,055 Ekosil www 720 >0,5 0, ,150 0,108 ns 786 Kwarc topiony (KT) >0,5 0,09 0,200 0,120 pww PODSUMOWANIE Dążenie do obniżenia kosztów wytwarzania spowodowało zmniejszenie do minimum odległości między poziomami w zestawie modeli (odlewów) do wartości około 10 do 12 mm. W efekcie- wnęki formy ceramicznej (FC) są w poziomach blisko siebie, co powoduje powstanie sieci wnęk [4]. FC w środkowej części staje się formą blokową o zmiennej grubości ścianek od 8 mm (ścianki zewnętrzne) do nawet ponad 100 mm. Po obróbce cieplnej FC w czasie jej studzenia różnica w grubości ścianek może spowodować dość duże naprężenia na różnych przekrojach formy. Z tego względu trzeba dążyć do uzyskania minimalnych odchyłek związanych ze spiekaniem formy oraz do uzyskania jak najbardziej jednorodnej struktury formy w całej objętości. Wytwarzanie FC na bazie kwarcu topionego daje minimalne odchyłki spiekania, co prowadzi w dużym stopniu do najmniejszych odchyłek wykonania odlewów. Przykładowo dla odlewów ze stopu AK9 (w procesie CLA) otrzymujemy

6 120 odchyłki wymiarowe: ΔL 1 =0,6 0,75 % (FC- kwarc topiony); ΔL 2 =0,7 0,83 % (FC- Molochite); ΔL 3 =0,78 0,0,95 % (FC- SiO 2 ). 4. WNIOSKI 1. Proces wytwarzania warstwowych FC powoduje znaczną anizotropię ich właściwości termicznych. 2. Odchyłki wymiarowe odlewów ze stopów AK9 są najmniejsze gdy FC są wykonane z kwarcu topionego lub glinokrzemianów (Molochite). LITERATURA [1] Snow J.D., Scott D.H.: Comparing Fused Silica and Alumino-Silicate Investment Refractories. Incast April [2] Metals Handbook. Casting, Vol. 15, Publ. ASM International [3] Zgłoszenie patentowe nr (Instytut Odlewnictwa I Instytut Katalizy I Fizykochemii Powierzchni PAN). [4] Piwonka T.S., Wiest I.M.: Factors Affecting Investment Casting Pattern Die Dimensions. Inact June ANISOTROPY OF PROPERTIES OF CERAMIC MOLDS IN ASPECT OF ACCURACY OF CASTINGS MADE IN THE COUNTER-PRESS URE PROCESS SUMMARY The anisotropy of the ceramic molds properties is mainly influenced by non-uniformly distributed portions of liquid ceramic blend (LCB) in a neighborhood of the ceramic material grains. The dimensional accuracy of castings depends mainly on dimensional deviations δfc of ceramic molds in the successive phases of their production. The values of deviations δfc depend mainly on deformations of ceramic molds during sintering of the binder as well as the mold deformations due to creep, which occurs when the solidifying and cooling castings interacts mechanically with the mold. In spite of a relatively short time of solidification and cooling times, American foundrymen characterize the ability of ceramic mold to sustain the loads (in a function of temperature) by a creep-related parameter. As a measure of those deformations the deviations of dimensional variations of ceramic molds were assumed, resulting from the mold expansion under the load (0.05 to 0.15 MPa), in a function of temperature. It was found that the smallest deformations occur when the ceramic molds are made of aluminosilicate (Molochite) and melted quartz. Recenzował Prof. Józef Gawroński