WPŁYW RODZAJU SPOIWA NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE CERAMICZNYCH FORM ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 WPŁYW ODZAJU SPOIWA NA WŁAŚCIWOŚCI ECHANICZNE CEAICZNYCH FO ODLEWNICZYCH. ałek, P. Wiśniewski, H. atysiak, J. ichalski,. Kopta,. Cygan, K.J. Kurzydłowski Wydział Inżynierii ateriałowej, Politechnika Warszawska Uczelniane Centrum Badawcze ateriały Funkcjonalne Politechniki Warszawskiej aterials Engineers Group Sp. z o.o. WSK PZL zeszów S.A. *Kontakt korespondencyjny: marcin.malek@inmat.pw.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu rodzaju spoiwa na właściwości mechaniczne ceramicznych form odlewniczych. Wyznaczono podstawowe parametry wytrzymałościowe tj. wytrzymałość na zginanie, moduł Younga oraz moduł Weibulla. Przeprowadzono także badania porowatości i określono średnią wielkość porów form ceramicznych. Dodatkowo w celu weryfikacji jakości technologicznej otrzymanych form ceramicznych przeprowadzono próby odlewnicze w odlewni precyzyjnej WSK PZL zeszów S.A. Zakres prób obejmował wykonanie odlewów części turbin lotniczych z nadstopów niklu i nadstopu kobaltu wraz z pełnym odbiorem jakościowym. Na podstawie uzyskanych wyników wykazano, że zastosowanie systemów wodnych w procesie otrzymywania ceramicznych form odlewniczych jest konkurencyjne do obecnie stosowanego systemu alkoholowego oraz stwierdzono, że istnieje duża możliwość zastosowania tych systemów w procesie odlewania precyzyjnego. Słowa kluczowe: Zhydrolizowany krzemian etylu; Spoiwa; Odlewnictwo precyzyjne; Ceramiczne formy odlewnicze; Właściwości mechaniczne;. Wprowadzenie Obecnie do wytwarzania form ceramicznych przeznaczonych do odlewania precyzyjnego w krajowym przemyśle maszynowym i lotniczym dość często stosowane są spoiwa alkoholowe opierające się na zhydrolizowanym krzemianie etylu (). Krzemian etylu jest estrem kwasu krzemowego i alkoholu etylowego, powstającym w reakcji (): SiCl + C H OH (C H O) Si + HCl () Pod względem chemicznym jest on mieszaniną składającą się z ortokrzemianu etylu, produktów jego niepełnej hydrolizy oraz związków organicznych krzemu. Krzemian etylu w czystej postaci nie wykazuje zdolności wiążących. Charakteryzuje się natomiast wysoką efektywnością hydrolizy w wodzie, co pozwala na wykorzystanie go w przemyśle odlewniczym. W wyniku hydrolizy powstaje nierozpuszczalna w wodzie krzemionka, która jest chemicznie obojętna, wytrzymuje oddziaływanie wysokiej temperatury oraz odznacza się zdolnością wiązania sypkich materiałów ceramicznych. Proces hydrolizy krzemianu etylu zachodzi w obecności rozpuszczalnika, którym może być alkohol etylowy, aceton, kwas solny, siarkowy lub inny silny kwas organiczny. Dodatek rozpuszczalnika przyśpiesza proces, ale jednocześnie negatywnie wpływa na środowisko naturalne, a przede wszystkim na komfort pracy przy wykonywaniu odlewniczych form ceramicznych [-]. ieszanki formierskie na bazie zhydrolizowanego krzemianu etylu wykazują wysoką stabilność parametrów technologicznych oraz zapewniają szybkie schnięcie poszczególnych warstw formy ceramicznej. Wytworzone formy charakteryzują się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, wysoką gazoprzepuszczalnością oraz łatwością wybijania odlewów. Wśród konkurencyjnych spoiw wodnorozpuszczalnych największe zastosowanie znajdują spoiwa na bazie krzemionki koloidalnej (KK). Jest ona hydrozolem kwasu krzemowego, czyli zawiesiną koloidalnych cząstek krzemionki (SiO ) w wodzie. Czynnikiem wiążącym ziarna osnowy ceramicznej jest żel krzemionkowy, powstały po odparowaniu wody z zolu. Krzemionka koloidalna jest nieszkodliwa dla otoczenia [-]. Podstawowymi zaletami spoiw na bazie krzemionki koloidalnej są: długi okres przydatności technologicznej, dobra zwilżalność powierzchni modelu woskowego, łatwość przygotowania spoiwa w warunkach produkcyjnych oraz nieszkodliwość dla środowiska. Jednak w porównaniu ze spoiwami alkoholowymi, spoiwa wodnorozpuszczalne wymagają dłuższych czasów wysychania

2 i utwardzania kolejnych warstw form ceramicznych oraz zdarza się, że bywają niestabilne w czasie, co wymusza ich wzmożoną kontrolę []. W laboratoriach prowadzi się prace nad wykorzystaniem spoiw wodorozcieńczalnych zawierających koloidalne nanocząstki Al O. Spoiwo zawierające takie cząstki charakteryzuje się wyższą temperaturą topnienia oraz lepszym zdyspergowaniem zarówno w wodnych jaki nieorganicznych rozpuszczalnikach. Dodatkowo posiada większą powierzchnią właściwą []. Głównymi zadaniami stawianymi wyżej opisywanym m jest przede wszystkim regulacja właściwości reologicznych, nadanie odpowiednich wytrzymałości mechanicznych formom oraz zapobieganie sedymentacji cięższych cząstek w mieszaninie formierskiej. Oprócz tych zdolności powinno się także charakteryzować dobrą mieszalnością ze składnikami mieszaniny, zdolnością formierską, trwałością składu chemicznego oraz brakiem reaktywności z odlewanym stopem. Dodatkowymi aspektami wpływającymi na wybór spoiwa są przepisy środowiskowe, które wymagają eliminowania spoiw składających się z alkoholowej osnowy na rzecz spoiw wodnorozcieńczalnych [7-8]. W pracy scharakteryzowano właściwości otrzymanych form ceramicznych na bazie wodnorozcieńczalnych spoiw Keysol, atrixsol i emasol oraz spoiwa standardowego na bazie, które potraktowano jako materiał odniesienia. W tablicy zestawiono charakterystykę technologiczną zastosowanych systemów formierskich. System formierski na bazie spoiwa zastosowano do wytworzenia materiału odniesienia. Tablica. Charakterystyka technologiczna stosowanych systemów formierskich. Typ Warstwy warstwa Uwagi formy konstrukcyjne Ludox A Ludox A Ludox A Keysol. etodyka badań proszki olochite, proszki olochite, atrixsol proszki olochite, emasol proszki olochite, atrixsol produkcja seryjna, materiał odniesienie nowe dla warstw konstrukcyjnych form nowe dla warstw konstrukcyjnych form nowe dla warstwy przymodelowej oraz warstw konstrukcyjnych form W ramach pracy przeprowadzono badania na sześciowarstwowych ceramicznych formach odlewniczych otrzymanych z udziałem trzech nowych spoiw na bazie krzemionki koloidalnej. Były nimi spoiwa Keysol i atrixsol (ansom & andolph, USA) oraz emasol (emet, UK).Badaniom poddano trzy stany wytworzonych ceramicznych form odlewniczych: stan surowy, wypalony (7 C przez h), stan wyżarzony ( C przez h). Wytrzymałość mechaniczną form ceramicznych oznaczono w statycznej próbie zginania. Test odbywał się w warunkach -punktowego zginania belek o przekroju prostokątnym. Badanie przeprowadzono zgodnie z normą AST D79. Pomiary wykonane zostały na maszynie Q-TEST przy rozstawie podpór L= mm. Próbki obciążano do złamania z szybkością m/min, rejestrując wartość siły niszczącej F. Wytrzymałość na zginanie σ wyznaczono z zależności (): () Strzałkę ugięcia badanej formy ceramicznej wyznaczono przy pomocy ekstensometru elektromechanicznego o bazie pomiarowej mm. Odkształcenie wyznaczono używając wzoru (): () Znając wartość odkształcenia i naprężenia z prawa Hook a () wyznaczono moduł Younga: () Z uwagi na fakt, że wytrzymałość form ceramicznych cechuje znaczny rozrzut wartości, w celu statystycznego opisu wytrzymałości mechanicznej wykorzystano równanie Weibulla (): m exp () P Za pomocą podwójnego logarytmowania zależność () można zlinearyzować do postaci: ( ) () Współczynnik kierunkowy równania () opisuje wartość modułu Weibulla m. Określa on stopień rozrzutu wytrzymałości mechanicznej ceramicznej formy odlewniczej 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. Pomiary porowatości i gęstości ceramicznych form odlewniczych przeprowadzono korzystając z porozymetru rtęciowego Auto Pore II 9 firmy icrometrics. Stała penetrometru wynosiła, µl/pf, masa 7,97 g, a objętość,8 cm. Cieczą penetrującą była rtęć o gęstości d=, g/cm oraz napięciu powierzchniowym γ=8 - N/m. Kąt zwilżania materiału kapilary ciekłą rtęcią wynosił Θ= deg. Przy pomocy porozymetru rtęciowego wyznaczono: porowatość oraz średnią wielkość porów. Testy odlewnicze przeprowadzono w odlewni precyzyjnej WSK PZL zeszów S.A. W nowo opracowanych formach typu i odlano części turbin lotniczych silników firm Pratt & Whitney America i Pratt & Whitney Canada z nadstopów niklu IN7, IN, ar 7 oraz z nadstopów kobaltu ar 9. Zgodnie z wymogami procesu produkcyjnego wytworzone odlewy poddano odbiorowi jakościowemu wg. Odpowiednich standardów WSK PZL zeszów S.A. Zakres kontroli odlewów obejmował: kontrole wizualną (VI), fluorescencyjne badanie penetracyjne (FPI), prześwietlanie promieniami rentgena (X-ay) oraz kontrolę zgodności wymiarowej (C).. Wyniki badań Na rysunkach i w tablicy zamieszczono zestawienie właściwości mechanicznych dla czterech badanych ceramicznych form odlewniczych z udziałem różnych spoiw.

3 ln[ln(/-p)] oduł Younga [Pa] oduł Weibulla ln[ln(/-p)] Wytrzymałość na zginanie [Pa] 8 7 ys.. Zestawienie wytrzymałości na zginanie dla czterech badanych ceramicznych form odlewniczych ys.. Zestawienie modułu Younga dla czterech badanych ceramicznych form ceramicznych , -,,,, - ln(σ/σo),, - SUOWA - SUOWA - SUOWA - SUOWA ys.. Zestawienie modułu Weibulla dla czterech badanych ceramicznych form odlewniczych w stanie surowym ln[ln(/-p)] -,,,, - - ln(σ/σo) - WYPALONA - WYPALONA - WYPALONA - WYPALONA ys.. Zestawienie modułu Weibulla dla czterech badanych ceramicznych form odlewniczych w stanie wypalonym -,,,,, ln(σ/σo) - WYŻAZONA - WYŻAZONA - WYŻAZONA - WYŻAZONA ys.. Zestawienie modułu Weibulla dla czterech badanych ceramicznych form odlewniczych w stanie wyżarzonym 8 ys.. Zestawienie modułu Weibulla dla czterech badanych ceramicznych form odlewniczych

4 Średnia wielkość pora [µm] Porowatość [%] Analiza danych z rysunku pozwala stwierdzić, że największą wytrzymałością na zginanie charakteryzują się ceramiczne formy odlewnicze po procesie wyżarzania w temperaturze C przez h. Jest to spowodowane tym, iż w temperaturze około C następuje proces spiekania materiału form odlewniczych co znacząco zwiększa ich wytrzymałość mechaniczną. Największą wytrzymałość na zginanie posiadają formy oraz. Zmiany modułu Younga przedstawione na rysunku także pokazują, że formy wyżarzone posiadają najwyższy moduł Younga, a spośród nich najwyższymi wartościami modułu Younga odznaczają się formy i. Analizując zmiany modułu Weibulla (rys. ) zauważono, że obróbka cieplna powoduje zmniejszenie wartości modułu m. Zarówno w stanie surowym jak i wypalonym formy oraz charakteryzują się najwyższymi wartościami modułu Weibulla. Wartość modułu m silnie zależy od ilości i gęstości występowania defektów. Formy w stanie surowym i wypalonym cechują się istotnie niższym średnim rozmiarem porów (defekty struktury materiału formy). W formach w stanie surowym część porów jest wypełniona masą modelową. Podczas dalszej obróbki cieplnej formy w stanie wypalonym są pozbawione masy modelowej, jednak temperatura (~ 7 C) jest zbyt niska, aby wstępowało w niej zjawisko spiekania. I towarzyszy temu procesowi skurcz materiału i wzrost porów. Spiekanie materiału formy zachodzi podczas jej wyżarzania, wtedy wielkość porów istotnie wzrasta co tłumaczy istotne obniżenie wartości modułu m co przedstawia rysunek 8 i tablica. Tabela. Zestawienie wyników badań właściwości mechanicznych i porozymetrycznych badanych ceramicznych form odlewniczych Porowa Średnia σ E tość wielkość Spoiwo Forma m [Pa] [Pa] otwarta porów % µm Keysol + atrixsol atrixsol emasol surowa, 7,8 8,,, wypalona, 98,9, 7,9, wyżarzona,7 87,,9,, surowa,,9,8 7,,8 wypalona,9 98,8, 7,9,7 wyżarzona 7,,,,9, surowa, 8,8,9 7,,7 wypalona,7,7 8,,, wyżarzona,9,, 9,, surowa, 9,, 7,8,7 wypalona,,,9 7,7, wyżarzona, 9,7, 9,,7 Na rysunkach 7 8 i tablicy przedstawiono zestawienie wyników porowatości i średniej wielkości porów dla badanych ceramicznych form odlewniczych ys.7. Zestawienie porowatości dla badanych czterech ceramicznych form odlewniczych 7 ys. 8. Zestawienie średniej wielkości porów dla badanych czterech ceramicznych form odlewniczych Przedstawione wyniki badań przeprowadzonych w porozymetrze rtęciowym pokazują, że porowatość dla wszystkich ceramicznych form odlewniczych jest bardzo zbliżona i zawiera się w granicach % co gwarantuje dostateczną gazoprzepuszczalność form. Nie stwierdzono znacznego wpływu parametrów obróbki cieplnej na wartość porowatości w badanych formach odlewniczych. Najwyższą porowatością odznaczają się formy i. Średnia wielkość porów rośnie wraz ze wzrostem temperatury obróbki cieplnej badanych form ceramicznych. Największą wartością charakteryzują się formy i.

5 Tablica. Zestawienie wyników prób odlewniczych przeprowadzonych w WSK PZL zeszów S.A. TYP ILOŚĆ FOA CZĘŚCI FO PWA PWA PWA PWC PWC PWC PWC PWA AUTOKLAW UWAGI PO WYBICIU STOP VI FPI I FPI II X-AY C forma przeciek na tulejce forma przeciek na tulejce łatwe wybijanie łatwe wybijanie sztuki czyste bez przebić łatwe wybijanie IN7C IN7C pęknięcie formy, wtrącenie pęknięcie odlewu zażużlenie; wtrącenie pęknięcie odlewu - wtrąceń A9 - wtrącenie wtrącenie IN - IN7LC ziarno zgodne ziarno zgodne bardzo drobne pow. odl. ładna brak chropowatości powierzchnia bez pęknięć pozostałość formy na korycie łopatek bez pęknięć formy, pow. odl. dość ładna (niewielkie narosty na grzbiecie przy kn) łatwe wybijanie, ładna pow. odl. wyraźne pęknięcia na piórach łopatek f) łopatki z jednej strony pęknięcia formy na kn przy górnej belce; f) łopatek z jednej strony pęknięcia formy na kn IN IN niedolew, wtrącenie niedolewy, inne wady niedolew, wtrącenie wtrącenia, uszkodzenie mechaniczne rzadzizna wtrącenie; rzadzizna wtrącenie; rzadzizna UZYSK % zgodne 7, zgodne, zgodne 9, wtrącenia wtrącenia wtrącenia zgodne 77, rzadzizna wtrącenia rzadzizna zgodne 8, wtrącenia wtrąceń - zgodne 9, wtrąceń; pęknięcie odlewu wtrącenie; pęknięć - zgodne 7,8 IN7C - - wtrącenia - zgodne, A7 wtrącenie pęknięcia zażużlenia - zgodne 8, IN7C wtrącenie. zażużlenie wtrącenie IN7C - wtrąceń zażużlenia rzadzizna rzadzizna zgodne 8, zgodne 7, IN7C wtrącenie zażużlenie wtrącenia wtrącenie zgodne 7, IN7C wtrącenie zażużlenie wtrącenie IN7C niedolew, wtrącenie rzadzizna zażużlenia; wtrącenia rzadzizna zgodne 8, wtrącenia zgodne,

6 Wyniki prób odlewniczych przeprowadzonych w WSK PZL zeszów S.A. zestawiono w tablicy Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że: formy charakteryzują się dobrą wytrzymałością mechaniczną i nie pękają podczas procesu odlewniczego. Dodatkowo umożliwiają łatwe wybicie odlewów, wszystkie odlewy są zgodne wymiarowo, powierzchnia odlewów oraz wielkość uziarnienia w odlewach spełniają wymagania odbiorowe, uzysk jakościowy zmierzony w toku próby jest zadowalający.. Wnioski W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości wytrzymałościowych i porozymetrycznych dla ceramicznych form odlewniczych na bazie nowych wodnych spoiw Keysol, atrixsol i emasol oraz używanego w praktyce przemysłowej systemu formierskiego na bazie. Wykazano, że wszystkie formy spełniają podstawowe wymagania przemysłowe stawiane im w zastosowaniu w odlewnictwie precyzyjnym. Wytrzymałość na zginanie w stanie wyżarzonym oraz wartości modułu Weibulla w stanach surowym oraz wypalonym są wyższe dla spoiw wodnorozcieńczalnych niż dla spoiwa alkoholowego. Oznacza to, iż ceramiczne formy odlewnicze na bazie wodnych spoiw charakteryzują się większą odpornością na zniszczenie podczas procesu wytapiania modeli woskowych czy zalewania ciekłym stopem. Porowatość form odlewniczych jest porównywalna dla obu systemów formierskich. Nie wykazano znaczącego wpływu procesu termicznej obróbki cieplnej na opisywane wartości. Udowodniono, iż zastosowanie spoiw wodorozcieńczalnych w procesie otrzymywania ceramicznych form odlewniczych powoduje podwyższenie właściwości mechanicznych, w porównaniu z powszechnie stosowanym systemem alkoholowym. Podczas testów przeprowadzonych w odlewni precyzyjnej WSK PZL zeszów S.A. wykazano, że dobre właściwości technologiczne form na bazie wodnych spoiw mogą być konkurencyjne z właściwościami form na bazie spoiwa alkoholowego, dzięki czemu możliwe jest ich wdrożenie do przemysłowego procesu odlewania precyzyjnego. w układzie wodnym oraz w etanolu, XXXIX Szkoła Inżynierii ateriałowej, Kraków-Krynica [] A. Karwiński, Wpływ za wartości krzemionki koloidalnej na właściwości ciekłej masy ceramicznej stosowanej w technologii wytapianych modeli, Solidification of etals and Alloys, No., 997 [].. Ismael,. D. dos Anjos,. Salomao, V.C. Pandolfelli, Colloidal silica as a nostructured binder for refractory castables, efractories Applications and News,, vol., nr, s. [] odríguez J.A., Fernández-García., Synthesis, Properties, and Applications of Oxide Nanomaterials, John Wiley& Sons, Inc. New Jersey, 8. [7]. ałek,. Zagórska,, P. Wiśniewski, H. atysiak, J. ichalski, K.J. Kurzydłowski, Analiza porównawcza spoiw formierskich na bazie krzemionki koloidalnej stosowanych do budowy form ceramicznych do odlewania precyzyjnego części turbin lotniczych, XL Szkoła Inżynierii ateriałowej, Kraków [8]. Zagórska,. ałek, P. Wawulska, H. atysiak, J. ichalski, K.J. Kurzydłowski, Charakterystyka właściwości form ceramicznych wytworzonych na bazie wodnych spoiw Keysol i atrixsol, XL Szkoła Inżynierii ateriałowej, Kraków. Podziękowania Praca finansowana przez Narodowe Centrum Badań i ozwoju w ramach projektu programu LIDE nr /L-/ Literatura []. Haratym,. Biernacki, D. yszka, Ekologiczne wytwarzanie dokładnych odlewów w formach ceramicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 8 [] H. atysiak, J. Ferenc, J. ichalski, Z. Lipiński, G. Jakubowicz, K.J. Kurzydłowski, Porowatość i wytrzymałość form ceramicznych wykorzystywanych w procesie odlewania precyzyjnego metodą Bridgmana, Inżynieria ateriałowa,,, s. 7 []. Zagórska, H. atysiak, J. ichalski,. Kopta, K. Kubiak, K.J. Kurzydłowski, Właściwości form ceramicznych do odlewania precyzyjnego części lotniczych, wytworzonych

7 THE INFLUENCE OF BINDES TYPE ON THE ECHANICAL POPETIES OF CEAIC SHELL OLDS Abstract The influence of binders type on the mechanical properties in ceramic shell molds was studied in this paper. icrostructure observation (SE) and physico-mechanical properties were studied. The basic parameters such as flexural strength, Young's modulus and Weibull modulus were researched. Porosity and average pore size of the ceramic shell molds were also identified. Additional, in order to verify the quality of received ceramic shell molds, precision casting tests on WSK PZL zeszów S.A were performed. The range of tests included execution of aircraft turbine parts made from nickel superalloy with full reception quality. The effect of binders type on the mechanical properties of ceramic shell molds was identified. It was proven that the water system of manufacturing ceramic shell molds is competitive to the current alcohol system and there is a high possibility to use this system in foundry precision casting. Keywords: Hydrolyzed ethyl silicate; Binders; Precision casting; Ceramic shell molds; echanical properties. Pracę recenzował: dr hab. inż. Jarosław izera, Dziekan Wydziału Inżynierii ateriałowej Politechniki Warszawskiej 7