WPŁYW SKŁADU MASY GIPSOWEJ NA TERMICZNE ZMIANY WYMIAROWE FORMY STOSOWANEJ W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM

Transkrypt

1 44/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN WPŁYW SKŁADU MASY GIPSOWEJ NA TERMICZNE ZMIANY WYMIAROWE FORMY STOSOWANEJ W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM M. WIKTORSKI 1, M. PAWLAK 2, Z. NIEDŹWIEDZKI 3 Politechnika Łódzka, Zakład Odlewnictwa Łódź, ul. Stefanowskiego 1 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań dylatometrycznych związanych mas gipsowych o różnym udziale tlenku glinu, węglika krzemu, krzemionki oraz talku. Omówiono rolę, jaką spełniają kompozycje dodatków stosowanych jako materiał na formy w odlewnictwie precyzyjnym. Key words: plaster, gypsum, plaster moulds, precision casting, dilatation. 1. WPROWADZENIE Rozwój przemysłowy, konkurencja oraz konieczność przestrzegania rygorystycznych norm środowiskowych, wymaga od producentów odlewów pozyskiwania nowych rynków zbytu. Kontrahenci branżowi nie stanowią już gwarancji ciągłości produkcji i zatrudnienia. Coraz częściej klientami, nawet większych zakładów odlewniczych, są małe firmy o charakterze produkcyjno handlowym, świadczące również usługi bezpośrednio klientowi indywidualnemu. Pozyskanie nowych technologii i materiałów do wytwarzania odlewów gwarantujących dużą dokładność kształtowo wymiarową, jest potrzebą chwili. Jedną z takich technologii jest odlewanie w formach gipsowych. Między innymi, kompozycje gipsowe na formy odlewnicze, zapewniają uzyskanie odlewów o dużej dokładności kształtowej i wymiarowej, małej chropowatości i dużej czystości powierzchni. 1 mgr inż. Michał Wiktorski, mwik@p.lodz.pl, Instytut Inżynierii Materiałowej P.Ł. 2 dr inż. Marek Pawlak, Instytut Inżynierii Materiałowej P.Ł, adiunkt w Zakładzie Odlewnictwa 3 dr hab. inż. Zenon Niedźwiedzki prof. P.Ł., Instytut Inżynierii Materiałowej P.Ł. 365

2 Formy gipsowe o odpowiednich kompozycjach umożliwiają uzyskanie odlewów cienkościennych, nawet o grubości ścianek poniżej 1 mm [1,2,3]. Istnieje przy tym możliwość odtwarzania skomplikowanych kształtów odlewu, który praktycznie nie wymaga obróbki skrawaniem. Technologia formy gipsowej jest alternatywą dla odlewów skorupowych czy kokilowych. Wymaga ona starannego przestrzegania wszystkich parametrów procesu wytwarzania. Powodem takiego stanu rzeczy są, między innymi, przemiany fazowe zachodzące w gipsie. Podczas ogrzewania związanego dwuhydratu CaSO 4 2H 2 O ulega on kolejno przemianom w półhydrat CaSO 4 0,5H 2 O, anhydryt rozpuszczalny III i anhydryt nierozpuszczalny II. Każdorazowo przemianom tym towarzyszy zmiana stopnia uwodnienia oraz przebudowa siatki krystalicznej z układu jednoskośnego w układ ortorombowy, typowy dla czystego anhydrytu. Zmianom stopnia uwodnienia towarzyszy również zmiana gęstości odpowiednio: dwuhydrat ~2310 kg/m 3, półhydrat ~2755 kg/m 3, anhydryt rozpuszczalny III ~2484 kg/m 3, anhydryt nierozpuszczalny II ~2955 kg/m 3, która w znaczący sposób odpowiada za liniową rozszerzalność gipsu [2]. Analiza termograwimetryczna czystego gipsu oraz kompozycji gipsowych z Al 2 O 3, SiO 2, SiC i talkiem, prowadzona w zakresie do 1000 C wykazała, że utrata masy czystego gipsu osiągnęła wartość 7,28 %, a po zastosowaniu domieszek zmniejszyła się prawie trzykrotnie [4]. Dlatego zdecydowano się na określenie wpływu zawartości domieszki w kompozycji na rozszerzalność liniową. 2. METODYKA I ZAKRES BADAŃ 2.1. Metodyka badań Badania związanych kompozycji gipsowych prowadzono przy wykorzystaniu derywatografu systemu Paulik-Paulik-Erdey MOM 1500, wyposażonego w przystawkę do badań dylatometrycznych. W oparciu o analizę wyników badań derywatograficznych [4] i wstępnych dylatometrycznych, przyjęto kształtkę walcową, której wymiary podano na rys. 1. Wysokość kształtki dylatometrycznej dostosowano do zaleceń podanych w instrukcji obsługi derywatografu. Natomiast sposób mocowania badanej kształtki w komorze pieca przedstawiono na rys. 2. Badania prowadzono w czasie 100 min w zakresie temperatur O C, przy stałych pozostałych wielkościach, takich jak: DTD = 1/10, DTA = 1/15, prędkość nagrzewania v = 10 O C/min, czułość wagi 50 mg. Podczas badania rejestrowano zmiany wydłużenia kształtki (krzywa TD) oraz szybkość tych zmian (krzywa DTD), a także efekty cieplne towarzyszące przemianom fizycznym lub chemicznym (krzywa DTA). Jako substancji wzorcowej (materiału inertnego) użyto czystego chemicznie Al 2 O 3 (rys. 2). 366

3 40 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Badania wykonano w systemie podwójnym. W przypadku braku powtarzalności lub przy widocznym wpływie czynników zewnętrznych badania powtarzano. ø 7 ø 12 Rys. 1. Kształtka do badań dylatometrycznych. Fig. 1. The experimental sample. Rys. 2. Mocowanie próbki doświadczalnej w komorze piecowej: 1 obudowa szamotowa, 2 elementy grzejne pieca, 3 zabezpieczająca osłona kwarcowa, 4 inertna próbka wzorcowa z Al 2 O 3, 5 termopary Pt-PtRh, 6 oporowy pręt kwarcowy, 7 ceramiczna podstawa pieca, 8 podstawa kwarcowa, 9 platynowy talerzyk, 10 badana kształtka, 11 pryzmowa nakładka kwarcowa. Fig. 2. The experimental sample inside of heatig chamber: 1 furance lining, 2 heater, 3 guard, 4 inert material Al 2 O 3, 5 thermocouple Pt-PtRh, 6 quartz rod, 7 ceramic base, 8 quartz base, 9 plate of quartz, 10 experimental sample, 11 shin quartz. 367

4 2.2. Materiał użyty do badań 368 Do badań przyjęto następujące materiały: a) gips autoklawizowany α Hartform HF1firmy Formula [3] o następujących właściwościach: stosunek wodno-gipsowy dla rozpływu ø 120 mm W/G=0,34 początek czasu wiązania t wp 25 min, koniec czasu wiązania t wk 36,30 min, wytrzymałość na zginanie R g 8,32 MPa, b) tlenek glinu (Al 2 O 3 ) No ,5 %,o następujących właściwościach: zawartość: SiO 2 0,02 % Fe 2 O 3 0,02 % Na 2 O 0,40 % temperatura topnienia 1750 C ziarnistość 2,00 μm c) węglik krzemu (SiC) 98,40 % o następujących właściwościach: zawartość: C 0,00 % Si 1,12 % SiO 2 0,46 % gęstość nasypowa 8,00 g/cm3 d) krzemionka (SiO 2 ) o następujących właściwościach: zawartość: SiO 2 99,15 % Fe 2 O 3 00,09 % Al 2 O 3 00,39 % CaO+MgO 00,25 % Na 2 O+K 2 O 00,08 % temperatura spiekania 1400 C gęstość 2,61 g/cm3 e) Fintalc M30 (Mg 3 H 2 Si 4 O 12 ) o następujących właściwościach: zawartość: SiO 2 60,00 % MgO 31,00 % FeO 2,20 % H 2 O 4,80 % gęstość 2,75 g/cm3 Wymienione materiały badano w postaci czystej oraz jako związane kompozycje (masy gipsowe). Kształtki do badań przygotowano następująco: mieszanie kompozycji (wstępne w homogenizatorze typu LH w czasie 1 h, a następnie dokładne w młynku kulowym w czasie 0,5 h), sporządzenie ciekłej masy gipsowej, wykonanie kształtek walcowych,

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA suszenie w temperaturze otoczenia przez 48 h, wygrzewanie w temperaturze 110 C przez 4 h (do uzyskania stałej masy), studzenie do temperatury otoczenia w eksykatorze Zakres badań Składy badanych gipsowych mas przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Składy gipsowych mas do badań dylatometrycznych. Table 1. The compositions of set gypsum used in dilatation. Udział składników, % L.p Nazwa Gips HF Al 2 O 3 SiC Talk SiO 2 1. HF Al 2 O HF Al 2 O HF Al 2 O HF Al 2 O SiC HF SiC HF SiC HF SiC Talk HF Talk HF Talk HF Talk SiO HF SiO HF SiO HF SiO BADANIA DYLATOMETRYCZNE Wyniki badań w postaci wykreślnej (krzywe TD) przedstawiono na rys. 3 6, a w postaci tabelarycznej w tabeli

6 Rys.3. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych o różnej zawartości Al 2 O 3 od temperatury. Fig. 3. The dependence of dilatation Δl of set gypsum with an additive of Al 2 O 3 on temperature. Rys. 4. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych o różnej zawartości SiO 2 od temperatury. Fig. 4. The dependence of dilatation Δl of set gypsum with an additive of SiO 2 on temperature. 370

7 Rys. 5. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych o różnej zawartości SiC od temperatury. Fig. 5. The dependence of dilatation Δl of set gypsum with an additive of SiC on temperature. Rys. 6. Zależność wydłużenia Δl związanych mas gipsowych o różnej zawartości Talku od temperatury. Fig. 6. The dependence of dilatation Δl of set gypsum with an additive of Talc on temperature. ARCHIWUM ODLEWNICTWA 371

8 Tabela 2. Termiczne wydłużenie względne kształtek wykonanych ze związanej masy gipsowej o różnej zawartości: Al 2 O 3, SiO 2, SiC, Talku. Table 2. Relative thermal dilatation of samples made with set gypsum, for different contents: Al 2 O 3, SiO 2, SiC, Talc. C Wydłużenie względne, % Kompozycja HF + Al 2 O 3 HF 0,00 0,06 0,19-0,26-1,36-1,42-1,52-1,45-1,70-6,35 HF 80% 20% +Al 2 O 3 0,00 0,03 0,14 0,10-0,89-0,96-1,07-1,10-1,29-2,76 HF 65% 35% +Al 2 O 3 0,00 0,03 0,14 0,14-0,64-0,70-0,73-0,77-0,86-0,92 HF 50% 50% +Al 2 O 3 0,00 0,03 0,14 0,14-0,49-0,49-0,51-0,51-0,48-0,37 Al 2 O 3 0,00 0,01 0,06 0,20 0,31 0,40 0,51 0,62 0,73 0,88 Kompozycja HF + SiO 2 HF 0,00 0,06 0,19-0,26-1,36-1,42-1,52-1,45-1,70-6,35 HF 80% 20% +SiO 2 0,00 0,04 0,18 0,10-0,85-0,78-0,79-0,88-1,02-2,77 HF 65% 35% +SiO 2 0,00 0,04 0,19 0,16-0,45-0,28-0,07-0,02 0,00-0,84 HF 50% 50% +SiO 2 0,00 0,04 0,19 0,24-0,16 0,12 0,34 0,39 0,39-0,12 SiO 2 0,00 0,03 0,21 0,48 0,73 1,08 1,69 1,70 1,71 1,73 Kompozycja HF + SiC HF 0,00 0,06 0,19-0,26-1,36-1,42-1,52-1,45-1,70-6,35 HF 80% + SiC 20% 0,00 0,02 0,13-0,02-1,11-1,18-1,22-1,18-1,23-3,32 HF 65% + SiC 35% 0,00 0,03 0,12 0,00-0,88-0,91-0,95-0,91-0,91-1,99 HF 50% + SiC 50% 0,00 0,03 0,12 0,08-0,57-0,57-0,58-0,53-0,52-0,96 SiC 0,00 0,00 0,04 0,13 0,20 0,28 0,37 0,46 0,54 0,69 Kompozycja HF + Talk HF 0,00 0,06 0,19-0,26-1,36-1,42-1,52-1,45-1,70-6,35 HF 80% + Talk 20% 0,00 0,02 0,14 0,08-1,20-1,25-1,37-1,30-1,28-2,87 HF 65% + Talk 35% 0,00 0,05 0,14 0,08-1,09-1,12-1,12-1,03-0,98-2,31 HF 50% + Talk 50% 0,00 0,05 0,16 0,13-0,71-0,71-0,71-0,64-0,62-1,82 Talk 0,00 0,02 0,14 0,72 1,11 1,42 1,65 1,84 1,92 1,27 4. OMÓWNIENIE WYNIKÓW BADAŃ Z analizy krzywych dylatometrycznych (rys. 3 6) wynika, że czysty SiC oraz Al 2 O 3, w zakresie do 1000 C, charakteryzują się niewielką rozszerzalnością o przebiegu liniowym, odpowiednio 0,69 % i 0,88 % (tabela 2). Świadczy to o braku przemian polimorficznych w obu materiałach, dla badanego zakresu temperatury oraz sprawia, że kompensacja skurczu masy gipsowej jest bardziej przewidywalna. Krzywe dylatometryczne związanych mas z udziałem Al 2 O 3 (rys. 3) i SiC (rys. 5), w temperaturze C, wyraźnie charakteryzują się skurczem proporcjonalnym do zawartości dodatku. Porównując np. w temperaturze 500 C wartości skurczu związanej masy gipsowej HF 50% +SiC 50% ze skurczem związanego HF oraz z termiczną rozszerzalnością SiC, zauważyć można istotną proporcjonalność 372

9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA skurczu związanej masy w stosunku do czystych składników. Zarówno przyrost jej wydłużenia względem HF, jak i skurcz względem SiC, charakteryzuje ta sama wartość bezwzględna tj. 0,85%. W oparciu o to porównanie oraz analizę przebiegu krzywych dylatometrycznych, można z dużym przybliżeniem wyznaczyć wydłużenie względne kompozycji o dowolnej procentowej zawartości obu składników. Krzemionkę i talk charakteryzuje duża i nierównomierna rozszerzalność wywołana przez przemiany polimorficzne zachodzące w trakcie ogrzewania. Ich wpływ na rozszerzalność masy gipsowej jest szczególnie wyraźny w przypadku SiO 2 Przemiana kwarcu w kwarc, w temperaturze 573 C [6], powoduje powiększenie sieci krystalicznej i tym samym zmniejszenie gęstości kwarcu z 2650 kg/m 3 do 2510 kg/m 3 dla kwarcu. Jest to proces dość gwałtowny i powoduje dynamiczne zmniejszenie skurczu masy gipsowej, największe w przypadku 50% dodatku krzemionki. Najbardziej korzystnie oddziałuje na właściwości masy gipsowej 35% dodatek SiO 2, który praktycznie likwiduje jej skurcz w zakresie temperatury C, szczególnie interesującym dla odlewnictwa metali o średniej temperaturze topnienia. W przypadku mas z dodatkiem talku sprawa jest bardziej skomplikowana. Bardzo znaczna (1,92%) rozszerzalność tego dodatku sugeruje równie wyraźny wpływ na rozszerzalność masy gipsowej z jego udziałem. W rzeczywistości masa z dodatkiem talku charakteryzuje się większym skurczem. Oznacza to, że talk w związanej masie nie kompensuje w oczekiwany sposób jej skurczu. Przebieg krzywych dylatometrycznych z udziałem talku (rys. 6), wykazuje proporcjonalność skurczu mas dwuskładnikowych względem czystej masy gipsowej, ale bez korelacji z krzywą dylatometryczną czystego talku. Charakterystyczną cechą wspólną wszystkich badanych mas jest występowanie niewielkiego (~0,1%) rozszerzenia w granicach C. Jest ono wynikiem występującego w tym zakresie temperatury rozszerzenia gipsu, którego nie kompensuje jeszcze niewielkie wówczas rozszerzenie wprowadzonych do masy dodatków. 5. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań można stwierdzić, że: - związana masa z czystego α gipsu charakteryzuje się dużymi i nierównomiernymi zmianami wymiarowymi - szczególnie intensywny skurcz występuje w temperaturze C i powyżej 800 C, - wszystkie zastosowane dodatki powodują zdecydowane zmniejszenie skurczu termicznego związanej masy z ich udziałem w porównaniu z masą z czystego α gipsu. 373

10 LITERATURA [1] Lewandowski J.L.: Tworzywa na formy odlewnicze. Wydawnictwo Akapit, Kraków 1997 r. [2] Akerman K.: Gips i Anhydryt. PWN W-wa 1964 [3] Wiktorski M., Pawlak M., Niedźwiedzki Z.: Stanowisko do badania współczynnika przewodzenia ciepła materiałów stosowanych na formy gipsowe w odlewnictwie precyzyjnym. Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13, str [4] Wiktorski M., Pawlak M., Niedźwiedzki Z.: Badania derywatograficzne kompozycji gipsowych stosowanych na formy gipsowe w odlewnictwie precyzyjnym. Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13, str [5] Gips Hartform HF1 BPB Formula GmBH D Walkenried Niemcy, marzec 2000r. [6] Nadachowski F.: Zarys technologii materiałów ogniotrwałych. ŚWT 1995 r. EFFECT OF GYPSUM COMPOSITIONS ON THERMAL DILATATION GYPSUM MOULD USED IN PRECISION CASTING SUMMARY In this work dilatation of set gypsum mix with alumina, silicon carbide, silica and talc are presented. The influence of the additives on the properties of material used for moulds in precision casting are disciussed. Recenzował: prof. dr hab. inż. Józef Gawroński 374