WPŁYW RECYKLINGU MATERIAŁÓW ZE ZUŻYTYCH FORM CERAMICZNYCH NA NIEKTÓRE WŁAŚCIWOŚCI TERMO-FIZYCZNE FORM W PROCESIE WYTAPIANYCH MODELI

Transkrypt

1 17/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW RECYKLINGU MATERIAŁÓW ZE ZUŻYTYCH FORM CERAMICZNYCH NA NIEKTÓRE WŁAŚCIWOŚCI TERMO-FIZYCZNE FORM W PROCESIE WYTAPIANYCH MODELI STRESZCZENIE R. HARATYM 1 Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania Wawelska 14, Warszawa W artykule przedstawiono recykling materiałów ceramicznych (w PWM) głównie glinokrzemianów, który pozwala na zmniejszenie ilości odpadów w odlewniach precyzyjnych i poprawia ekonomikę procesu wytwarzania. Właściwości termofizyczne formy ceramicznej (FC), jak rozszerzalność cieplna oraz odporność na pełzanie, sprawdzone w wielu badaniach świadczą, że dodatek materiałów z odzysku pozwala na wykonanie FC dobrej jakości. Key words: recycling, ceramic moulds, investment casting process 1. WPROWADZENIE Dokładność wymiarowa odlewów jest celem nadrzędnym w procesie wytapianych modeli (PWM). Dokładność odlewów zależy głównie od dokładności wykonania wytapianych modeli, form ceramicznych oraz błędów wymiarowych odlewów powstałych w czasie skurczu i stygnięcia tworzywa odlewu. Przy czym błędy wymiarowe formy ceramicznej stanowią około 50 do 60 % sześciosigmowej odchyłki odlewu. Dokładność wymiarowa formy ceramicznej (Δ 6δ FC) jest przede wszystkim sumą błędów związanych z odkształceniem formy (δ fct ) po wlaniu w nią ciekłego metalu oraz podczas krzepnięcia i stygnięcia w niej odlewu. Błąd δ fct (około 70 % odchyłki wymiarowej FC - Δ 6δ FC ) zależy głównie od jej rozszerzalności cieplnej i odporności na pełzanie w wyższych temperaturach. 1 dr inż., roman.haratym@polcom.net

2 METODYKA BADAŃ Recykling materiału ceramicznego z pokruszonej podczas odbijania od odlewów FC, wykonanej na osnowie glinokrzemianów, prowadzono następującą metodą: 1) ostateczne kruszenie kawałków FC prowadzono metodą walcowania, szczelina między walcami w walcarce laboratoryjnej (średnica walców 150 mm) wynosiła około 1,2 mm, 2) przesianie rozkruszonej wcześniej FC przez sita o odpowiednich prześwitach oczek, 3) ziarna (po przesianiu) większe od 0,3 mm, płukano i suszono, 4) ziarna glinokrzemianów po wysuszeniu powtórnie przesiewano i następnie używano do badań jako dobry materiał odzyskowy. Wysegregowane ziarna o wielkości powyżej 0,5 mm przeznaczono do wykonania próbek badawczych cylindrycznych o wymiarach Ø 24 lub 27 mm (średnica zewnętrzna) i około Ø 14 mm (średnica wewnętrzna) oraz długości L = 26 do 28 mm. Sposób wykonania próbek sześciowarstwowych: 1) spoiwo (na warstwy nieparzyste zol kwasu krzemowego, zaś na warstwy parzyste krzemian etylu) w połączeniu z mączką glinokrzemianową daje ciekłą mieszankę ceramiczną (CMC), 2) obsypkę pierwszej warstwy stanowił atestowany glinokrzemian, 3) warstwy 2 do 6 wykonano z obsypką z glinokrzemianu odzyskowego. Rozszerzalność w funkcji temperatury (od 20 do 900 o C) badano w dylatometrze różnicowym typu Rigaku-Denki na próbkach (wyciętych z próbek cylindrycznych) o przekroju 4 x 4 i długości 10 do 12 mm oraz na próbkach cylindrycznych na stanowisku badawczym wykonanym w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Warszawskiej (rys. 1). Pełzanie FC badano stosując metodę przybliżoną, zgodnie z doświadczeniami odlewników amerykańskich [1] i przedstawioną dokładnie w [2], wykorzystując badania rozszerzalności pod obciążeniem od około 0,025 do 0,15 MPa. Zastosowane minimalne obciążenie jest zbliżone do maksymalnego ciśnienia metalostatycznego ciekłego metalu w FC, które wynosi dla stopów żelaza średnio około 0,02 MPa. 3. WYNIKI POMIARÓW Rozszerzalność FC ze spoiwami ZKK i KE oraz glinokrzemianem nowym (atestowanym) przedstawiono na rys. 2 wraz wynikami rozszerzalności pod obciążeniem (przybliżone pełzanie). Wyniki przedstawiono dla czterech próbek (maksimum i minimum). Natomiast rozszerzalność FC z materiałem z odzysku przedstawiono na rys. 3. Ponadto wykonano badania z formą kombinowaną, gdzie 50 % materiału na obsypkę stanowił glinokrzemian oraz 50 % SiO 2, wyniki przedstawiono na rys. 4.

3 143 Rys. 1. Stanowisko do badania rozszerzalności pod obciążeniem próbek FC. Fig.1. Stand for expansion testing of ceramic mold specimens under load. Rys. 2. Rozszerzalność FC z glinokrzemianem. Fig. 2. Expansion of ceramic aluminosilicates mold. Rys. 3. Rozszerzalność FC z glinokrzemianem z odzysku. Fig. 3. Expansion of ceramic mold from recycled aluminosilicates.

4 144 Krzywa I przedstawia formę z materiału otrzymanego z pierwszego odzysku, zaś krzywa II z tym samym materiałem glinokrzemianowym plus SiO 2, który przeszedł powtórny odzysk. Rys. 4. Rozszerzalność FC z glinokrzemianem z odzysku i SiO 2. Fig. 4. Expansion of ceramic mold from recycled aluminosilicates and SiO 2. Aby oszacować możliwość krotności przeprowadzenia recyklingu na jednej i tej samej próbce FC, posłużono się dodatkowym parametrem jakim jest przepuszczalność formy, P f. Od wartości P f zależy zdolność do wypełnienia wnęki FC przez ciekły metal. Na ogół wykonujemy pomiar P f w temperaturze 20 0 C. Lecz w procesie odlewania precyzyjnego najważniejsze jest P f 900 w temperaturze około C jako wartość średnia temperatury FC podczas zalania jej ciekłym metalem. Ogólnie P f 900 = P f 20 W 1 W 2,gdy współczynnik W 1 = μ 20 : μ 900 i gdzie μ 20 jest równe lepkości powietrza w 20 0 C, zaś μ 900 jest lepkością powietrza w C. W 2 jest współczynnikiem opisującym skłonność FC do tworzenia mikropęknięć przy szybkim podgrzewaniu z uwzględnieniem anizotropii budowy wewnętrznej formy [2]. Za szybko prowadzony proces obróbki cieplnej FC, za niska temperatura FC podczas zalewania jej ciekłym metalem oraz nieprawidłowo prowadzony proces usuwania modeli z formy prowadzi do znacznego wzrostu współczynnika W 2. Wtedy W 2 >>1 co może doprowadzić do dużego wzrostu przepuszczalności FC (powstanie dużo pęknięć) i co prowadzi do obniżenia jakości powierzchni odlewów. Na podstawie badań (gdy oszacowano W 2 jako równe około 1) ustalono, że dla FC z glinokrzemianami, próbki I mają średnią przepuszczalność w temperaturze 20 o C

5 145 0,81 cm 4 /G. min. Próbki II z materiałem z odzysku (po dwukrotnym recyklingu) maja przepuszczalność około 0,57 cm 4 /G. min. Ponadto dla temperatury C, P f 900 (dla I) wynosi około 0,38 cm 4 /G. min oraz P f 900 (dla II) wynosi około 0,30 cm 4 /G. min. We wcześniejszych badaniach ustalono, że przepuszczalność P f 900 poniżej 0,2 może powodować niedolewy. Podobnie jest w przypadku użycia samych glinokrzemianów na obsypkę, wtedy P f 900 (II) wynosi około 0,32 cm 4 /G. min. 3. ANALIZA WYNIKÓW Jak widać z badań, dwukrotność prowadzenia recyklingu materiałów ceramicznych glinokrzemianowych, na tej samej próbce formy ceramicznej jest optymalna. Wynika to ze zmian w budowie formy, gdzie wzrost ilości spoiwa prowadzi do obniżenia jej przepuszczalności. Jednocześnie wzrost ilości spoiwa powoduje [2] podwyższenie wartości błędów wymiarowych związanych ze spiekaniem ΔR (rys. 5), i może prowadzić do obniżenia dokładności wytwarzanych odlewów. Rys. 5. Charakter krzywych otrzymanych podczas badania rozszerzalności pod obciążeniem próbek form ceramicznych. Fig. 5. Characteristic curves obtained from expansion tests of ceramic mold specimens under load. Aktualnie w kraju odlewnie precyzyjne zużywają około 20 Mg glinokrzemianów. Tak stosunkowo nieduża ilość wynika z wysokich cen (w porównaniu do SiO 2 ) lecz może zostać powiększona przez zastosowanie recyklingu materiału ze zużytych form. Recykling rozszerzy możliwość wytwarzania bardziej dokładnych odlewów w procesie wytapianych modeli. Jednocześnie zmniejszy się ilość odpadów form ceramicznych w porównaniu do ilości produkowanych dokładnych odlewów. Obecnie istnieje od wielu lat dążność do zastąpienia KE (spoiwa nieekologicznego) przez wodne spoiwo krzemianowe (w kraju Ekosil), obojętne dla środowiska.

6 146 Zastosowanie spoiwa ekologicznego Ekosilu zamiast KE daje porównywalne wartości właściwości termo-fizycznych [3]. 4. WNIOSKI 1. Dwukrotny recykling ceramicznych materiałów glinokrzemianowych jest procesem ekologicznym i pozwala ponadto poprawić ekonomikę wytwarzania w odlewni precyzyjnej, 2. Właściwości termofizyczne form wykonanych z atestowanych materiałów są porównywalne z właściwościami FC wykonanych na bazie glinokrzemianów z odzysku, 3. Dokładność odlewów wykonanych w FC na osnowie materiałów nowych i z odzysku jest podobna (przy dwukrotnym recyklingu tej samej FC). LITERATURA [1] I.D. Snow, D.H. Scott: Comparing Fused Silica and Alumino Silicate Investment Refractories. Incast April [2] R. Haratym: Anizotropia własności form ceramicznych w aspekcie dokładności odlewów wytworzonych w procesie z przeciwciśnieniem. Archiwum Odlewnictwa, Katowice rok 2005, rocznik 5 nr 15 [3] R. Haratym: Analiza odchyłek wymiarowych form ceramicznych powstałych podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewu precyzyjnego. Archiwum Odlewnictwa, Katowice rok 2004, rocznik 4 nr 14 INFLUENCE OF RECYCLING OF USED CERAMIC MOULDS MATERIALS ON SOME THERMO-PHYSICAL PROPERTIES IN INVESTMENT CASTING PROCESS SUMMARY The paper presents recycling of ceramic materials in investment casting, mainly aluminosilicates, which enables reduction of waste in foundries and improves the manufacturing process economics. The thermophysical properties of ceramic moulds, like thermal expansion and creep resistance, checked in many tests, certify that the addition of recovered materials enables manufacturing ceramic moulds of good quality. Recenzent: prof. dr hab. Inż. Jan Lech Lewandowski.