innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

Transkrypt

1 innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowa VIII International Scientific Conference Materiały konferencyjne Conference proceedings

2 Kierunki rozwoju materiałów pomocniczych stosowanych w odlewnictwie ciśnieniowym Aleksander Fajkiel, Piotr Dudek, Edward Czekaj Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, Kraków, Polska Abstract W publikacji przedstawiono krótki rys historyczny dotyczący rozwoju materiałów pomocniczych powłok oddzielająco-smarujących do form i smarów tłokowych stosowanych w technologii odlewania ciśnieniowego. Zaprezentowano postęp w doborze surowców podstawowych i pomocniczych oraz schematyczną budowę ich struktury. Zwrócono uwagę na ich rolę i zadania przy coraz większych wymaganiach dotyczących jakości odlewów, ochrony środowiska naturalnego i ich wpływu na ekonomiczność procesu odlewania. Wprowadzenie Proces odlewania pod ciśnieniem wymaga stosowania dwóch rodzajów materiałów pomocniczych, a mianowicie: powłok oddzielająco-smarujących, smarów tłokowych. Badania naukowe i doświadczenia przemysłowe wskazują, że jakość odlewów ciśnieniowych, poza prawidłową konstrukcją formy i doborem parametrów technologicznych, w niemałym stopniu zależy od składu i jakości powłok do form oraz smarów tłokowych. Jednocześnie jakość tych materiałów pomocniczych ma wpływ na wydajność procesu odlewania, trwałość form i warunki sanitarno-higieniczne w odlewni. Nie bez znaczenia jest także ich wpływ na gospodarkę wodno-ściekową związaną z koniecznością utylizacji, jako odpadów produkcyjnych. Kompleksowe rozwiązanie problemów związanych ze skutecznością działania materiałów pomocniczych wymaga poznania fizykochemicznych mechanizmów wzajemnego oddziaływania materiałów oddzielająco-smarujących z powierzchnią zewnętrzną odlewu oraz formą, a także zagadnień tribologicznych towarzyszących procesowi prasowania i wypełniania wnęki formy ciekłym metalem, jego krzepnięcia, chłodzenia, a także wypychania odlewu z formy. Określenia wymaga również wpływ materiałów pomocniczych na właściwości odlewów, takie jak: porowatość, szczelność, wytrzymałość i jakość powierzchni. Rola i zadania powłok do form i smarów tłokowych Forma ciśnieniowa jest narzędziem pracującym w bardzo trudnych warunkach termofizycznych, na które składa się wysoka temperatura i energia kinetyczna strugi ciekłego metalu o dużej prędkości (do 100 m/s), ciśnienie prasowania (często powyżej 100 MPa), duża aktywność chemiczna, głównie ciekłych stopów aluminium wobec stali i zjawisko tarcia związane z oporami wypełniania wnęki formy. Z tych to powodów proces odlewania pod ciśnieniem wymaga stosowania powłok ochronnych o działaniu oddzielającosmarującym. Ich zadaniem jest utworzenie bariery uniemożliwiającej bezpośredni metaliczny kontakt pomiędzy materiałem formy a odlewem. Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

3 W działaniu powłok do form ciśnieniowych można wyróżnić dwa rodzaje: działania główne i uboczne. Do pierwszej grupy zaliczyć należy: działanie oddzielające powierzchnię formy od krzepnącego odlewu, ochrona formy przed atakiem strugi ciekłego metalu, działanie smarujące ułatwiające wypchniecie odlewu i prawidłowe funkcjonowanie mechanizmów formy, a także działanie chłodzące wnękę formy i zmniejszające jej zużycie. Oprócz tego powłoka wywiera szereg działań ubocznych niekorzystnych dla procesu odlewania takich, jak wydzielanie gazów, brudzenie odlewów, korodowanie formy itp. Przy ocenie jakości powłok muszą być one również uwzględnione. Prawidłowo dobrana powłoka decyduje o właściwej pracy formy i jej trwałości, a także podnosi jakość odlewów. Proces odlewania pod ciśnieniem polega na bardzo szybkim wtłaczaniu ciekłego metalu do wnęki formy przy pomocy tłoka poruszającego się w tzw. komorze prasowania. Tłok pracuje zatem w ekstremalnie ciężkich warunkach, na które wpływają: tarcie pod dużymi obciążeniami w obecności ciekłego metalu, wysoka temperatura i agresywne oddziaływanie ciekłego metalu, szczególnie silne w przypadku odlewania stopów aluminium. Aby przeciwstawić się tym szkodliwym oddziaływaniom stosuje się w maszynach ciśnieniowych zimnokomorowych odpowiednie środki zaradcze, takie jak: chłodzenie tłoka od wewnątrz i jego smarowanie po zewnętrznej powierzchni pracującej, a także dobór odpowiednich materiałów na tłok i komorę [1]. Szczególnie ważną rolę w pracy tłoka odgrywa smar, którego głównym zadaniem w tym przypadku jest obniżenie współczynnika tarcia między tłokiem i komorą, a także stworzenie bariery uniemożliwiającej adhezyjne sczepianie się i dyfuzyjne oddziaływanie odlewanego stopu z materiałem tłoka i komory. Tarcie powoduje nie tylko nadmierną stratę energii w ruchu posuwisto-zwrotnym i tłoczyska maszyny, ale przede wszystkim skraca trwałość tłoka i komory wskutek ich zużycia w procesie tribologicznym. Zużycie to objawia się głównie zwiększaniem luzu tej pary kinematycznej. W warunkach krytycznych następuje wytrysk metalu poza komorę, a gdy luz ten zostanie wypełniony całkowicie ciekłym metalem dochodzi do zatarcia obu elementów. Zbyt szybkie zużywanie się tych elementów, pociąga za sobą duże koszty związane z ich częstą wymianą, postojami maszyn i utraconą w tym czasie produkcją, co z ekonomicznego punktu widzenia ma bardzo istotne znaczenie. Poza tribologicznym zużyciem powierzchni trących, procesowi prasowania ciekłego metalu towarzyszą zjawiska korozji chemicznej (reakcje z tlenem z powietrza) i erozji spowodowanej rozpuszczaniem w ciekłym metalu materiału tłoka i komory prasowania, szczególnie intensywne w przypadku odlewania stopów aluminium. W wyniku tego oddziaływania na powierzchni stali powstają bardzo twarde i kruche związki międzymetaliczne typu Fe x Al y, które nie tylko powodują przywieranie stopu do powierzchni, ale jednocześnie w przypadku wykruszania się stanowią rodzaj ścierniwa gwałtownie przyspieszającego proces zużycia [2]. Z tego powodu szczególnie ważną rolę odgrywa właśnie smarowanie układu trącego, a jeszcze ważniejszą dobór odpornego na ciężkie warunki pracy smaru. A więc smaru charakteryzującego się wysoką wytrzymałością błonki smarnej i dużą odpornością na podwyższone temperatury. Rys historyczny W początkowym okresie rozwoju maszyn i technologii odlewania ciśnieniowego jako materiałów pomocniczych zarówno do smarowania form jak i tłoków stosowano tłuszcze pochodzenia zwierzęcego bądź roślinnego. Powszechnym środkiem smarnym był łój poubojowy jako surowiec najtańszy i ogólnie dostępny, który stosowano aż do połowy lat 60. ubiegłego wieku [3]. Rozwój przemysłu petrochemicznego w latach 70. XX wieku i metod przetwórstwa ropy naftowej stworzył możliwość pozyskiwania nowych surowców bazowych do wytwarzania środków smarnych zarówno o konsystencji ciekłej jak i stałej. Rozpoczęto wówczas stosowanie w odlewnictwie ciśnieniowym emulsji wodno-olejowych jako pokryć oddzielająco-smarujących. Bazę do ich wykonywania stanowiły oleje mineralne i syntetyczne (sylikony) oraz środki powierzchniowo czynne (emulgatory). Emulsje wodno-olejowe w tym okresie przyczyniły się do stopniowego wycofywania z praktyki przemysłowej powłok ciekłych z rozcieńczalnikami węglowodorowymi (nafta, benzyna).

4 Począwszy od lat 80. ubiegłego wieku aż do chwili obecnej pokrycia oddzielające stanowią wieloskładnikowe układy (systemy), składające się głównie: z bazowej substancji podstawowej (wysokojakościowe oleje mineralne i syntetyczne oraz woski syntetyczne), środków powierzchniowo-czynnych, stabilizatorów emulsji, środków zwilżających i bakteriobójczych (biostaty i biocydy). W ostatnim okresie czasu do praktyki przemysłowej wprowadzono emulsje wodne zawierające zawiesinowe substancje proszkowe. Ponadto w coraz szerszym zakresie stosuje się suche, proszkowe preparaty oddzielająco-smarujące. Wykres ewolucji składów chemicznych powłok oddalająco-smarujących i ich zużycie w latach przedstawiono na rysunku 1 [3]. Rys. 1. Ewolucja składów chemicznych powłok oddzielająco-smarujących i ich zużycie: a) od 1970 r. do 1980 r.; b) od 1980 r. do 1990 r.; c) od 1990 r. do 2000 r.; d) od 2000 r. do 2012 r. [3] Z danych zaprezentowanych na rysunku 1 wynika, że w okresie od 1970 r. do 1980 r. główną cześć spośród powłok oddzielająco-smarujących zajmowały te o konsystencji stałej oraz ciekłej na bazie węglowodorów wielkocząsteczkowych. Gwałtowny wzrost stosowania powłok wodno-emulsyjnych w odlewniach ciśnieniowych nastąpił w latach 80., a w latach 90. powłoki wodno-emulsyjne stanowiły prawie 3/4 wszystkich materiałów stosowanych w odlewnictwie ciśnieniowym (vide rys. 1, wykres c), sukcesywnie wypierając powłoki węglowodorowe stałe i ciekłe. Oprócz tego pojawiły się też nowe proszkowe preparaty oddzielająco-smarujące w postaci tzw. ciekłych proszków. Jednakże te preparaty nie znalazły szerszego zastosowania z przyczyn konieczności stosowania względnie drogich i skomplikowanych urządzeń do nanoszenia ich na robocze powierzchnie oprzyrządowania odlewniczego (formy, komory i tłoki). Poczynając od roku 2000 do chwili obecnej w największym stopniu wykorzystywane są wodno-emulsyjne powłoki oddzielająco-smarujące (wykres d na rys. 1). Odnotować w tym miejscu należy, iż pierwsze miejsce (38%) zajmują wodno-emulsyjne powłoki na osnowie związków krzemowo-organicznych (sylikony). Taki stan rzeczy wyjaśnić można stosunkowo wysokimi właściwościami technologicznymi i ich bezpieczeństwem ekologicznym. Przejściową pozycję zajmują pokrycia: a. wodno-emulsyjne, na bazie produktów naftowych (19%); b. suche, z proszkowym wypełniaczem (14%) oraz c. olejowe - roślinne (także 14%). W najmniejszym stopniu, w ostatnim okresie, wykorzystywane są pokrycia oddzielające na osnowie tłuszczów zwierzęcych (1%) i pokryć węglowodorowych stałych i ciekłych (5%). Pierwsze na skutek złożoności otrzymania jednorodnej emulsji z wysoką Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

5 stabilnością sedymentacyjną, drugie za przyczyną zwiększonej ilości braków, związanego z jakością powierzchni wytwarzanych odlewów. Nowoczesne materiały pomocnicze dla odlewnictwa ciśnieniowego Powłoki oddzielająco-smarujące W praktyce przemysłowej zastosowanie znajdują powłoki do form oraz smary tłokowe o konsystencji mazistej, ciekłej i proszkowej. Konsystencja tych materiałów pomocniczych narzuca sposób ich nanoszenia na formę i tłok. Preparaty maziste nanosi się tylko pędzlem, ciekłe i proszkowe metodą natryskową. Ze względu na możliwość mechanizacji, a nawet automatyzacji zabiegu nanoszenia preparatów poprzez natryskiwanie przyszłość należy do powłok i smarów o konsystencji ciekłej. Ciekłą konsystencję powłok i smarów można uzyskać poprzez stosowanie dwóch rodzajów rozcieńczalników: węglowodorowych i wodnych. Rozcieńczalniki węglowodorowe są prostsze w użyciu, gdyż rozcieńczenie dokonuje się bez większych trudności poprzez proste mieszanie z nimi podstawowych surowców preparatu, który stanowią przeważnie oleje mineralne i tłuszcze. Rozcieńczenia tego rodzaju produktów wodą, z oczywistych względów, nie da się przeprowadzić bezpośrednio. Dokonać tego można dopiero po zastosowaniu odpowiednich substancji powierzchniowo czynnych, które wraz z substancją podstawową i wodą tworzą emulsje. Tego rodzaju powłoka wodno-olejowa, wykazuje jednak szereg cech odmiennych od tych z rozcieńczalnikiem węglowodorowym. Przede wszystkim zawiera ona znaczną ilość wody, wskutek czego powoduje silne chłodzenie formy, bowiem do odparowania woda wymaga kilkunastokrotnie większej ilości energii cieplnej niż rozcieńczalnik węglowodorowy. Podczas natryskiwania powłoki wodorozcieńczalnej powstaje więc znaczny efekt chłodzący. Wymusza on z kolei wysokie tempo pracy przy odlewaniu pod ciśnieniem. Natomiast intensywne chłodzenie formy przy wysokim tempie pracy, przedłuża jej trwałość. Ponadto stosowanie wody jako rozcieńczalnika eliminuje zagrożenie pożarowe, nie daje oparów i gazów o charakterze toksycznym, a także nie wydziela nieprzyjemnych zapachów. Budowę wodno-olejowej powłoki oddzielająco-smarującej przedstawiono na rysunku 2. Woda Baza olejowa Emulgator Biocyd Dodatek przeciwpienny Dodatek EP Inhibitor korozji Rys. 2. Budowa wodno-olejowej powłoki oddzielająco-smarującej [4]

6 Preparaty te produkowane są w postaci koncentratów przez różne firmy i pod różnymi nazwami handlowymi, sporządzane są przeważnie na bazie oleju mineralnego lub syntetycznego. W zależności od rodzaju stopu, stopnia skomplikowania odlewu stosowane są przy rozcieńczeniu wodą nawet w stosunku 1 : 100 (150). W przypadku nanoszenia powłok z rozcieńczalnikiem wodnym na gorącej powierzchni formy zachodzi zjawisko Leidenfrosta, tj. utrudnione zwilżanie przez kroplę cieczy powierzchni ciała stałego o temperaturze wyższej od temperatury wrzenia cieczy. Stąd w powłokach znajdują się dodatki ułatwiające zwilżanie powierzchni formy w podwyższonych temperaturach. Parametry natrysku powłok wodorozcieńczalnych, takie jak: czas, ciśnienie, ilość medium nie pozwalają na dokładne ustalenie grubości warstwy powstającego filmu" oddzielającego. Przyczyną tego jest zróżnicowana geometria wnęki formy oraz zmienne gradienty temperatury w poszczególnych jej fragmentach. Grubość uzyskiwanego filmu" jest ograniczona, ponieważ wskutek stale malejącej temperatury formy podczas procesu natryskiwania zmienia się także prędkość procesu odparowywania, w wyniku czego po pewnym czasie zostaje osiągnięty taki punkt krytyczny, po którym natryskiwana powłoka ochronna spływa już bezużytecznie z warstwy wytworzonego wcześniej filmu" oddzielającego, co przedstawiono na rysunku 3. Temperatura, C Czas natrysku, s Rys. 3. Grubość filmu smarnego na powierzchni formy ciśnieniowej w zależności od czasu natrysku [5] Z rysunku 3 wynika, że po otwarciu formy następuje wstępne jej powolne chłodzenie w powietrzu do temperatury około 300 C, po czym rozpoczyna się proces natryskiwania, który obniża temperaturę do korzystnej dla procesu nawilżania formy, tj. około C. Podczas zwilżania następuje szybki spadek temperatury warstw wierzchnich formy. W zależności od intensywności i czasu natrysku spadek temperatury dla form do odlewania stopów aluminium wynosi C i zachodzi z szybkością ok. 30 C/s. Po zakończeniu natryskiwania, wskutek inwersji temperatury z wewnętrznych warstw formy, następuje jej wzrost w warstwach wierzchnich do początkowej temperatury roboczej tj C. Jednocześnie z rysunku 3 wynika, że po osiągnięciu przez formę temperatury zwilżania (około 260 C), rozpoczyna się proces powstawania filmu" oddzielającego, który trwa około 2 3 sekund. Po tym czasie powłoka oddzielająca spływa bezużytecznie z powierzchni formy, a grubość uzyskanego filmu" oddzielającego wynosi około 0,15 μm. Natomiast klasyczne powłoki na rozcieńczalnikach węglowodorowych stosunkowo dobrze dają nakładać się na powierzchni formy. W wyniku wysokiej temperatury następuje bowiem wyraźne obniżenie lepkości i napięcia powierzchniowego powłok. Z uwagi na możliwość zagazowywania odlewów produktami termicznego rozkładu powłok, w ostatnim okresie czasu podjęto badania nad proszkowymi preparatami oddzielająco-smarującymi. Mimo licznych prób przemysłowych każda z firm bardzo ostrożnie podchodzi do wyników tych badań. Grubość filtru smarnego, µ Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

7 Główne trudności związane z nanoszeniem proszków, dotyczą metody i urządzeń do realizacji procesu pokrywania form i komór. Nanoszenie proszków może się odbywać dwoma metodami. Obie metody wykorzystują system odlewania próżniowego. W pierwszej metodzie następuje tylko próżniowe zasysanie proszku do wnęki formy przez komorę wlewową, w drugiej próżniowe zasysanie proszku wspomagane jest jego elektrostatyczną polaryzacją. W obu metodach dużym problem jest także zatykanie filtrów i zapylanie elektrozaworów sterujących pracą zespołu próżniowego. Jakkolwiek produkcja ciekłych proszków została opanowana przez większość firm produkujących preparaty klasyczne, jednak wdrożenie tej technologii do praktyki przemysłowej będzie związane z nowymi i dużymi nakładami inwestycyjnymi. Smary tłokowe W technice smarowania tłoków, poza preparatami plastycznymi (mazistymi) i ciekłymi, aktualnie dominują preparaty w postaci granulatów na bazie wosków, węglowodorów i polimerów o konsystencji stałej (z grafitem lub bez tej substancji uzupełniającej), a także preparaty smarne w postaci proszków (rysunek 4). Według opinii producentów te środki smarne zapewniają odlewom większą czystość, są bezpieczne w użyciu oraz bardziej efektywne w działaniu (mniejsze zużycie komór i tłoków) w stosunku do preparatów ciekłych i pastowatych. Smar ciekły Smar stały (granulat) Baza olejowa: oleje mineralne, syntetyczne, poliglikolowe, silikonowe Baza stała węglowodorowa: woski, stearyna, Parafina, cerezyna, wazelina, gacz Estry syntetyczne, estry kwasów tłuszczowych Dodatki smarnościowe AW i EP Dodatki adhezyjne Stałe dodatki smarnościowe: grafit, dwusiarczek molibdenu, proszki metali Inhibitory korozji Substancje podstawowe Substancje pomocnicze Rys. 4. Budowa smarów ciekłych i stałych (granulatów) Jako substancję podstawową ciekłych smarów tłokowych najczęściej stanowią: oleje mineralne, oleje syntetyczne węglowodorowe, oleje poliglikolowe, syntetyczne estry, oleje silikonowe, estry kwasów tłuszczowych i inne. W skład smarów wchodzą ponadto różnego rodzaju dodatki uszlachetniające, jak: inhibitory korozji, dodatki smarnościowe (AW i EP), dodatki adhezyjne (zwiększające przyczepność smaru do metali) i inne. Natomiast w przypadku smarów tłokowych produkowanych w postaci granulatów substancję podstawową najczęściej stanowią: woski, stałe węglowodory (stearyna, parafina, cerezyna, petrolatum (wazelina), gacze parafinowe) i niektóre polimery. Składnikami niektórych smarów tłokowych mogą być ponadto substancje stałe o dużym stopniu rozdrobnienia, zwane również stałymi dodatkami smarnymi, takie jak: grafit, dwusiarczek molibdenu, proszki metali i inne. Jakkolwiek automatyczny system podawania smarów tłokowych o konsystencji ciekłej nie nastręcza większych trudności, to konsystencja preparatów smarnych w postaci granulatów wymaga innej metody ich nanoszenia na tłok i komorę prasującą.

8 Metoda automatycznego podawania tych preparatów oparta jest na ciśnieniowym systemie pneumatycznym. Wielkość dozowanej porcji ustalana jest długością skoku tłoczka siłownika pneumatycznego. W tej metodzie nanoszenia, szczególnie preparatów w postaci granulatów, główne trudności występują z utrzymaniem drożności rurki dozującej, która znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie otworu zalewowego komory, a więc i silnego, cieplnego oddziaływania ciekłego metalu. Pomimo wielu zalet automatycznych urządzeń dozujących, sposób podawania porcji granulatu lub proszku nie zapewnia właściwej powtarzalności procesu smarowania, co przy cenie tych preparatów jest bardzo istotne. Podsumowanie Z przedstawionego przeglądu materiałów pomocniczych stosowanych w procesie odlewania ciśnieniowego, wynika że: na przestrzeni lat następował intensywny rozwój preparatów smarnych, związany nie tylko z coraz wyższymi wymaganiami jakościowymi odlewów, ale i z parametrami ekonomicznymi obejmującymi m.in. z trwałość eksploatacyjną form i wydajność procesu odlewania, skład chemiczny pod względem doboru surowców podstawowych ewaluował od komponentów naturalnych tłuszczy pochodzenia zwierzęcego oraz olei roślinnych w kierunku surowców mineralnych pochodzących z destylacji ropy naftowej, surowców syntetycznych otrzymywanych na drodze syntezy chemicznej, np. oleje węglowodorowe, silikonowe czy poliestrowe, wszystkie surowce podstawowe, jak i wszystkie substancje pomocnicze używane zarówno do produkcji smarów tłokowych, jak i powłok oddzielająco-smarujących powinny charakteryzować się nie tylko wysoką wytrzymałością błonki smarnej w podwyższonych temperaturach, ale i małą skłonnością do wydzielania gazów i nieszkodliwością dla środowiska naturalnego, w dalszym ciągu przy produkcji i stosowaniu materiałów pomocniczych dla odlewnictwa ciśnieniowego należy dążyć do uzyskiwania coraz wyższego poziomu ochrony przeciwzużyciowej form i kinematycznego węzła tarcia, jakim jest zespół komory i tłoka prasującego. Literatura 1. Fajkiel A. i inni: Wybrane zagadnienia z technologii odlewania ciśnieniowego. Instytut Odlewnictwa, Kraków 2002, s Fajkiel A., Kajoch W.: Steel surface, pressure contactig with aluminim in view of X-ray microprobe analysis and augerel ectronspectroscopy, Archives of Metallurgy, vol.37, 1992, pp Pivovarchik A.A., Chaykovskiy Ya.S., Mikhal tsov A.M.: Razdelitelnye pokrytiya dla alyuminievykh splavov pod davleniem. Lit ye i Metallurgiya, 2 (70), 2013, s Ciecze do obróbki metali na: dostęp z dnia Fajkiel A., Korzec R. Nowoczesne materiały pomocnicze dla odlewnictwa ciśnieniowego. Konferencja Naukowo-Techniczna, Instytutu Odlewnictwa, Kraków 1996, s Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym