CHARAKTERYSTYKA WŁAŚCIWOŚCI FORM CERAMICZNYCH WYTWORZONYCH NA BAZIE WODNYCH SPOIW KEYSOL I MATRIXSOL

Transkrypt

1 CHARAKTERYSTYKA WŁAŚCIWOŚCI FORM CERAMICZNYCH WYTWORZONYCH NA BAZIE WODNYCH SPOIW KEYSOL I MATRIXSOL M. Zagórska 1*, M. Małek 1, P. Wawulska 1, H. Matysiak 2, J. Michalski 3, K.J. Kurzydłowski 1 1 Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska 2 Uczelniane Centrum Badawcze Materiały Funkcjonalne Politechniki Warszawskiej 3 Materials Engineers Group Sp. z o.o. * Kontakt korespondencyjny: zagaa@op.pl Streszczenie W odlewnictwie precyzyjnym do wytwarzania skomplikowanych elementów techniką wytapianych modeli woskowych wykorzystywane są odlewnicze formy ceramiczne. Jakość uzyskiwanych odlewów w znacznym stopniu zależy od właściwości tych form, które mają zwykle budowę wielowarstwową. W związku z tym duży nacisk stawiany jest na właściwy dobór materiałów formierskich (spoiw, proszków ceramicznych oraz substancji pomocniczych). Materiały te zapewniają odpowiednią wytrzymałość, porowatość i gazoprzepuszczalność form, powinny również spełniać stale rosnące wymagania środowiskowe. W pracy przeprowadzono badania form ceramicznych wytworzonych na bazie wodnych spoiw Keysol i w celu porównania z właściwościami form na bazie aktualnie stosowanego w przemyśle spoiwa zawierającego zhydrolizowany krzemian etylu (ZKE). Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że formy na bazie spoiw wodnych charakteryzują się dobrymi właściwościami technologicznymi i tym samym mogą być konkurencyjne dla form wytwarzanych na bazie ZKE. Słowa kluczowe: Odlewnictwo precyzyjne; Formy ceramiczne; Wytrzymałość na zginanie; Porowatość; Tomografia komputerowa 1. Wprowadzenie Odlewanie precyzyjne metodą wytapianych modeli wykorzystywane jest do wytwarzania skomplikowanych części maszyn oraz urządzeń. Zastosowanie tej techniki pozwala na seryjną i wielkoseryjną produkcję odlewów o najwyższej dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni. Technika ta stosowana jest między innymi w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, zbrojeniowym, narzędziowym, maszynowym jak również w artystycznym i jubilerskim. Głównymi etapami procesu odlewania techniką wytapianych modeli są: wykonanie woskowych modeli odlewów, wytworzenie na modelach form ceramicznych, wytopienie modeli, obróbka cieplna form, zalanie ciekłym metalem. Zaletami procesu jest możliwość uzyskiwania bardzo dużych dokładności wymiarowych i gładkości powierzchni oraz wykonywanie odlewów o bardzo złożonych kształtach. W celu zapewnienia optymalnych parametrów procesu odlewania, duży nacisk stawiany jest na odpowiedni dobór materiałów formierskich: spoiw, proszków ceramicznych oraz substancji pomocniczych [1]. Podstawowymi i najczęściej stosowanymi materiałami na osnowy mieszanek formierskich są: glino-krzemiany, tlenki glinu i cyrkonu, krzemian cyrkonu oraz mulit. Natomiast najpowszechniejszymi spoiwami są spoiwa wodnorozcieńczalne na bazie krzemionki koloidalnej lub alkoholowe na bazie zhydrolizowanego krzemianu etylu. Wśród istotnych właściwości stosowanych materiałów można wyróżnić: temperaturę topnienia, rozszerzalność i przewodnictwo cieplne oraz rozkład wielkości cząstek. Ważne są również aspekty środowiskowe, ponieważ zaostrzanie norm dotyczących ochrony środowiska wymaga eliminowania spoiw alkoholowych na rzecz spoiw wodnorozpuszczalnych [2]. Odtwarzanie skomplikowanych geometrycznie kształtów w odlewnictwie precyzyjnym umożliwiają powszechnie stosowane wielowarstwowe formy ceramiczne. W związku ze znaczącym wpływem na jakość uzyskiwanych odlewów, formy te powinny wykazywać odpowiednie właściwości technologiczne, wśród których można wyróżnić: odpowiednią wytrzymałość, porowatość oraz gazoprzepuszczalność podczas zalewania ciekłym metalem [3, 4]. Odlewnicze formy ceramiczne zbudowane są z kilku do kilkunastu warstw, które różnią się strukturą i właściwościami. Różnice te wynikają z funkcji, jakie pełnią poszczególne warstwy form: warstwa pierwsza (przymodelowa) zapewnia precyzyjne odtwarzanie kształtu odlewów oraz kształtuje ich powierzchnię i mikrostrukturę, warstwy konstrukcyjne (tylne, ang. backup) nadają odpowiednią wytrzymałość, porowatość oraz gazoprzepuszczalność. Jedną z najistotniejszych właściwości technologicznych form ceramicznych jest wytrzymałość mechaniczna. Wytrzymałość form powinna być dostatecznie wysoka, aby umożliwiła ich suszenie, obróbkę cieplną oraz wytapianie modeli i zalewanie metalem. Jednocześnie musi być odpowiednio niska, aby nie doprowadziła

2 do pęknięć odlewu podczas krzepnięcia i zagwarantowała łatwość wybijania odlewów. Wytrzymałość form ceramicznych silnie zależy od ich porowatości. W konsekwencji do oceny jakości form stosuje się między innymi takie parametry jak: porowatość, gęstość oraz średnia wielkość porów. Ważnym etapem w procesie wytwarzania form ceramicznych jest ich suszenie, które w znaczącym stopniu wpływa na jakość i właściwości form. Odpowiedni czas suszenia poszczególnych warstw zapewnia ich utwardzenie oraz ograniczenie ryzyka uszkodzeń i pęknięć w procesie odlewania. W związku z tym proces suszenia powinien być prowadzony w warunkach kontrolowanych zarówno pod względem temperatury jak i wilgotności [5 7]. W niniejszej pracy scharakteryzowano właściwości odlewnicze form ceramicznych wytworzonych na bazie wodnorozcieńczalnych spoiw Keysol i oraz porównano je z właściwościami standardowych form ceramicznych na bazie spoiwa ZKE. 2. Materiały do badań i metodyka badawcza Badania przeprowadzono na doświadczalnych sześciowarstwowych formach ceramicznych (Rys. 1.). Skład wykorzystanych mieszanek formierskich na bazie wodnych spoiw Keysol i (Ransom & Randolph, USA) oraz spoiwa ZKE przedstawiono w Tabeli 1. Formy badano w stanie surowym oraz po wypalaniu (760 C przez 1h) i wyżarzaniu (1200 C przez 1h). Uzyskane formy poddano badaniom wytrzymałościowym i analizie porowatości. W pracy wykorzystano rentgenowską tomografię komputerową do zobrazowania defektów form. Jest to nieniszcząca metoda badań materiałów, która pozwala na otrzymanie płaskiego lub przestrzennego rozkładu gęstości. Badania próbek przeprowadzono przy użyciu mikrotomografu rentgenowskiego Skyscan 1172 (Skyscan, Belgia). Próbki skanowane były przy obrocie o 180 z rejestracją wyników co 0,4. Dla wszystkich próbek wielkość piksela mieściła się w granicy 7,5 8,3 m (wielkość pikseli w tomografii świadczy o uzyskanym powiększeniu). Po zeskanowaniu próbek dane zostały poddane obróbce, w wyniku której uzyskano poszczególne przekroje poprzeczne form oraz modele 3D. Wytrzymałość form wyznaczono w statycznej próbie zginania, w teście 3-punktowego zginania belek o przekroju prostokąta, w oparciu o normę ASTM D790. Pomiary wykonano na maszynie wytrzymałościowej Q-TEST przy rozstawie podpór L = 25 mm (Rys. 1). Próbki obciążano do złamania z szybkością 1 m/min, rejestrując wartość siły niszczącej F. Wytrzymałość na zginanie badanych form wyznaczono z zależności (1). 3FL 2 2bh Strzałkę ugięcia belek rejestrowano za pomocą ekstensometru elektromechanicznego o bazie pomiarowej 25 mm. Odkształcenie próbek wyznaczono ze wzoru (2): 6 fh 2 L (1) (2) Znając wartość odkształcenia i naprężenia z prawa Hook a (3) wyznaczono moduł Younga dla materiału form odlewniczych. E Z uwagi na fakt, że wytrzymałość form ceramicznych cechuje znaczny rozrzut wartości, w celu statystycznego opisu wytrzymałości mechanicznej wykorzystano równanie Weibulla (4). m 1 exp (4) P 0 Za pomocą podwójnego logarytmowania zależność (4) można zlinearyzować do postaci: 1 ln ln m ln m ln 0 1 P Parametry zależności (5) uzyskano poprzez naniesienie punktów pomiarowych na wykresy we współrzędnych ln[ln(1-1/p)] i ln( / 0). Moduł Weibulla m określa stopień rozrzutu wytrzymałości mechanicznej materiału ceramicznego i wiąże się z gęstością prawdopodobieństwa występowania defektów w formach. Im większa jest wartość modułu, tym mniejszy jest rozrzut wytrzymałości, a tym samym mniejsze prawdopodobieństwo zniszczenia przy naprężeniach poniżej wielkości średniej. Stanowisko do badań właściwości wytrzymałościowych form wraz z parametrami geometrycznymi próbek przedstawiono na Rys. 1. a) b) c) Rys. 1. Sposób obciążania próbek (a), geometria próbek (b) oraz wytworzone ceramiczne formy doświadczalne (c) Pomiary porowatości i gęstości form przeprowadzono przy użyciu porozymetru rtęciowego Auto Pore II 9220 firmy Micrometrics. Stała penetrometru wynosiła 21,63 L/pF, masa 67,97 g, a objętość 6,68 cm 3. Cieczą penetrującą była rtęć o gęstości d=13,54 g/cm 3 oraz napięciu powierzchniowym = N/m. Kąt zwilżania materiału kapilary ciekłą rtęcią wynosił =130 deg. W toku badań wyznaczono: porowatość, średnią wielkość porów oraz gęstość pozorną. (3) (5) Tabela 1. Skład mieszanek formierskich wykorzystanych do produkcji analizowanych form ceramicznych Forma Pierwsza warstwa Backup ZKE Spoiwo Ludox SK + krzemian cyrkonu + glinian kobaltu + elektrokorund Spoiwo ZKE + Molochite Keysol + Spoiwo Keysol + Al2O3 200# + Al # + 5% CoAl2O4 Spoiwo + Molochite

3 Kinetykę suszenia poszczególnych warstw form ceramicznych wyznaczono techniką prądową. Idea tego pomiaru polega na wyznaczeniu wartości napięcia w układzie elektrycznym, w którym jednym z elementów jest schnąca forma (schemat elektryczny stanowiska pomiarowego przedstawiono na Rys. 2). Elektrody zamocowano w modelu woskowym formy pomiarowej. Przez schnące warstwy form przepuszczano prąd elektryczny o stałym napięciu 30V. Podczas schnięcia warstwy ubywa elektrolitu (wody), w związku z czym wzrasta opór elektryczny i maleje napięcie mierzone na oporniku. Całkowite wyschnięcie warstwy prowadzi do wystąpienia przerwy w obwodzie, co powoduje, że wartość prądu i napięcia spada do zera. Pomiary prowadzono kolejno dla wszystkich warstw konstrukcyjnych form ceramicznych. a) b) Rys. 2. a) Schemat układu pomiarowego oraz b) układ pomiarowy do wyznaczania czasu schnięcia form ceramicznych 3. Wyniki badań Na Rys. 3 zestawiono przykładowe obrazy form (3D i 2D) uzyskane za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej. Obrazy mikrostruktury nie ujawniły w wytworzonych formach typowych wad formierskich (delaminacji, przebicia czy zróżnicowanej grubości pierwszej warstwy). Dodatkowo, analizy obrazów tomograficznych pozwoliły na wyznaczenie grubości pierwszej warstwy form (Tabela 2). Obserwuje się jej spadek wraz ze wzrostem temperatury obróbki cieplnej, co jest skutkiem skurczu towarzyszącego procesowi spiekania materiałów ceramicznych. Spadek wytrzymałości form Keysol+ po wypalaniu spowodowany jest wypaleniem polimeru obecnego w spoiwie, odpowiedzialnego za wyższą wytrzymałość w stanie surowym. Natomiast wzrost wytrzymałości po wyżarzaniu związany jest z procesem spiekania osnów ceramicznych i krzemionki koloidalnej. Wytrzymałość form Keysol+ jest wyższa w stanie wyżarzonym w związku z większą zawartością fazy stałej (SiO2) w spoiwie wodnorozpuszczalnym niż w spoiwie alkoholowym. Tabela 2. Grubość pierwszej warstwy form w stanie surowym, wypalonym i wyżarzonym Forma Grubość SD pierwszej ( m) warstwy ( m) surowa 885,76 122,38 ZKE wypalona 725,27 100,06 wyżarzona 533,32 129,45 Keysol + surowa 905,92 77,78 wypalona 633,52 176,43 wyżarzona 409,44 57,16 Rozkłady modułu Weibulla dla form w stanie surowym, wypalonym i wyżarzonym przedstawiono na Rys Uzyskane wyniki pokazują, że obróbki cieplne obniżają wartość modułu Weibulla w obu systemach formierskich. W stanie surowym i po wypalaniu formy na bazie spoiw Keysol i charakteryzują się wyższym modułem Weibulla. Forma Obraz 3D Obraz 2D Keysol + Rys. 4. Wytrzymałość na zginanie i moduł Younga form w stanie surowym, wypalonym i wyżarzonym ZKE Rys. 3. Przykładowe obrazy form uzyskane za pomocą tomografii komputerowej Wyniki badań właściwości mechanicznych, wytrzymałości na zginanie, modułu Younga oraz rozkłady modułu Weibulla przedstawiono na Rys Uzyskane wyniki wykazują, że formy wytworzone na bazie wodnych spoiw Keysol i mają wyższą wytrzymałość na zginanie w stanie surowym oraz po wyżarzaniu w porównaniu do form wytworzonych na bazie spoiwa ZKE. W stanie wypalonym wartości wytrzymałości są zbliżone dla obu systemów formierskich (Rys. 4). Wyniki badań z wykorzystaniem porozymetru rtęciowego przedstawiono na Rys. 7. Porowatość we wszystkich przypadkach przekracza 24%, co zapewnia dostateczną gazoprzepuszczalność form. Formy na bazie spoiw Keysol i wykazują nieznacznie niższą porowatość niż formy na bazie spoiwa ZKE. Nie stwierdzono znaczącego wpływu obróbki cieplnej na porowatość w obu przypadkach. Natomiast wraz ze wzrostem temperatury obróbki cieplnej zaobserwowano wzrost średniej wielkości porów. W stanie wyżarzonym formy na bazie spoiwa wodnego wykazują wyższe średnie wielkości porów, jednak różnice są nieistotnie małe.

4 Wyniki analiz czasu suszenia warstw wytworzonych form przedstawiono na Rys. 8. Czasy suszenia form na bazie spoiwa alkoholowego mieszczą się w przedziale 1,5 3h. W przypadku form Keysol+ czas suszenia form wydłuża się wraz ze wzrostem liczby warstw i przyjmuje wartości od 2 do około 6 godzin. Różnica w czasach suszenia związana jest z szybszym parowaniem alkoholu z warstw form na bazie spoiwa ZKE. Rys. 5. Rozkłady modułu Weibulla dla form Keysol+ w stanie surowym, wypalonym i wyżarzonym Rys. 8. Czasy suszenia kolejnych warstw wytworzonych form ceramicznych 4. Wnioski Rys. 6. Rozkłady modułu Weibulla dla form ZKE w stanie surowym, wypalonym i wyżarzonym Pomiary gęstości wykazały brak istotnego wpływu obróbki cieplnej oraz zbliżone wartości średniej gęstości dla obu systemów formierskich: 1,8 g/cm 3 dla form ZKE i 1,95 g/cm 3 dla form Keysol+. Nieznacznie wyższe wartości dla form Keysol+ wynikają z niewielkich różnic w ciężarze właściwym spoiw wodnorozcieńczlnych materiału ceramicznego (korundu) użytego na osnowę pierwszej warstwy. W pracy scharakteryzowano właściwości technologiczne form na bazie wodnych spoiw Keysol i oraz na bazie spoiwa alkoholowego ZKE. W obu przypadkach właściwości te spełniają podstawowe wymagania odlewnicze. Wytrzymałość na zginanie w stanie wyżarzonym oraz moduł Weibulla w stanie surowym i wypalonym są wyższe dla form wytworzonych na bazie spoiw wodnych. Oznacza to, że formy te mają większą odporność na pękanie podczas procesu wytapiania modeli woskowych oraz zalewania ciekłym stopem. Porowatość oraz gęstość wytworzonych form jest porównywalna dla obu systemów formierskich. Nie wykazano znaczącego wpływu obróbki cieplnej na wartość porowatości oraz gęstości. Czasy suszenia form na bazie spoiw Keysol i są wyraźnie dłuższe niż form na bazie spoiwa alkoholowego. Jednak mieszczą się w zakresie wymagań produkcji przemysłowej (7h). W praktyce przemysłowej można podjąć próbę skrócenia czasu suszenia poprzez zastosowanie wymuszonego obiegu powietrza. Wykazano dobre właściwości technologiczne form na bazie spoiw wodnych Keysol i, które są porównywalne i mogą być konkurencyjne z właściwościami form na bazie spoiwa alkoholowego ZKE. Podziękowania Praca finansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu programu LIDER nr 010/L-2/10 Literatura [1] R. Skoblik, L. Wilczewski, Odlewnictwo i obróbka plastyczna, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 1997 Rys. 7. Porowatość i średnia wielkość porów dla form w stanie surowym, wypalonym i wyżarzonym

5 [2] R. Haratym, R. Biernacki, D. Myszka, Ekologiczne wytwarzanie dokładnych odlewów w formach ceramicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2008 [3] R. Skoblik, L. Wilczewski, Odlewnictwo i obróbka plastyczna, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 1997 [4] S. Pattnaik, D.B. Karunakar, P.K. Jha, Developments In Investment Casting Process-A Review, Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212, s [6] H. Matysiak, J. Ferenc, Z. Lipiński, K. Grabarz, J. Michalski, K.J. Kurzydłowski, Development of new ceramic slurries and shell moulds for Bridgman casting of turbine blades, Proceedings of European Conference On Materials and Structures In Aerospace, Germany, 2010 [7] H. Saridikmen, N. Kuskonmaz, Properties of ceramic casting molds produced with two different binders, Ceramics International, 2005, 31, s [5] H. Matysiak, J. Ferenc, J. Michalski, Z. Lipiński, G. Jakubowicz, K.J. Kurzydłowski, Porowatość i wytrzymałość form ceramicznych wykorzystywanych w procesie odlewania precyzyjnego metodą Bridgmana, Inżynieria Materiałowa, 2011, 1, s Abstract Characteristic properties of ceramic molds based on water binders Keysol and Ceramic molds are used in investment casting to manufacture complicated elements by lost-wax process. The quality of castings strongly depends on the properties of molds, which usually have multi-layer structure. A proper selection of molding materials (binders, ceramic powders and excipients) is of prime importance. These molding materials provide sufficient strength, porosity and gas permeability of forms and they should also meet the constantly increasing environmental requirements. In this study ceramic molds made of water-based binders Keysol and were analyzed to compare with currently used forms based on binders containing hydrolyzed ethyl silicate (ZKE). The obtained results showed that forms based on water binders have good technological properties and may be competitive to the forms based on ZKE binder. Keywords: Precision casting; Ceramic molds; Bending strength; Porosity; Computer-assisted tomography (CAT) Pracę recenzował: dr hab. inż. Wojciech Święszkowski, Politechnika Warszawska