23/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 NOŚNOŚĆ POWIERZCHNI ODLEWÓW WYKONANYCH METODĄ WYTAPIANYCH MODELI A ENERGOCHŁONNOŚĆ ICH WYTWARZANIA J. TOMASIK 1, R. HARATYM 2, R. BIERNACKI 3 Instytut Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Warszawskiej ul. św. A. Boboli 8, 02-525 Warszawa Instytut Technologii Materiałowych Politechniki Warszawskiej ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa STRESZCZENIE Przeprowadzono ocenę jakości odlewów wykonanych w procesie z przeciwciśnieniem w porównaniu do tradycyjnej metody wytapianych modeli. W referacie przedstawiono ponadto wyniki badań długości nośnej profilu surowych powierzchni odlewów opisanej przez parametr M r. Parametry chropowatości (R a, R max ) zostały odniesione do mikrogeometrii form ceramicznych. W zależności od metody wytwarzania przyporządkowano im odpowiednią energochłonność wytwarzania. Zmniejszenie energochłonności powoduje zmniejszenie emisji szkodliwych gazów (CO 2, SO 2 i NO x ) do atmosfery, które oszacowano zgodnie z danymi GUS. Key words: investment casting, quality of casting, ecology 1. WPROWADZENIE Trudna sytuacja energetyczna na świecie prowadzi do wprowadzenia oszczędzania energii w procesach wytwarzania. Dąży się do tego, aby przy podwyższaniu jakości odlewów obniżyć energochłonność ich wytwarzania i jednocześnie poprawić warunki pracy w odlewni precyzyjnej. Nadmierne zużycie energii negatywnie wpływa 1 dr inż.; J.Tomasik@mchtr.pw.edu.pl 2 dr inż.; roman.haratym@polkom.net 3 mgr inż.; rbiernac@wip.pw.edu.pl
186 na środowisko. W Polsce przemysł energetyczny jest główną przyczyną zanieczyszczenia powietrza [1]. Głównym źródłem takich zanieczyszczeń (emisja do atmosfery CO 2, SO 2 i NO x ) jest przemysł energetyczny (45 do 55 % zanieczyszczeń). Energochłonność przemysłu w Polsce należy do najwyższych w świecie. Dla stopów z metali nieżelaznych jak stopy Cu i Al, stan powierzchni odlewów precyzyjnych w znaczący sposób wpływa na ich odporność na oddziaływanie atmosfery korozyjnej. Nośność surowej powierzchni odlewów zbliżona do nośności powierzchni obrabianej metodą obróbki skrawaniem mówi, że styk powierzchni odlewów z ośrodkiem korozyjnym będzie najmniejszy. Stan powierzchni w aspekcie nośności opisuje parametr tp 50 (dla 50 % R max ) lub M r (nośność rdzenia), rys. 1. Rys. 1. Parametry krzywej udziału materiałowego profili chropowatości [2]. Fig. 1. The parameters curve of roughness profiles [2]. Powierzchnia surowa odlewu precyzyjnego na głębokości kilkuset mikrometrów jest pokryta warstwą wierzchnią, która kształtuje się podczas krzepnięcia ciekłego tworzywa odlewu, powstaje bardzo szybko a jej struktura o bardzo drobnym ziarnie jest wielokrotnie bardziej odporna na korozję niż rdzeń odsłonięty po jej zdjęciu metodą skrawania. Na stan powierzchni odlewu (jej mikrogeometrię) w znaczący sposób wpływa stan powierzchni formy ceramicznej. 2. METODYKA BADAŃ Do oceny parametrów powierzchni FC i odlewów wykorzystano metodę stykowo-mechaniczną używając profilometru S3P firmy Perthen Mahr (Niemcy) oraz profilometru Surtronic 3P firmy Taylor Hobson. Analiza jakości powierzchni odlewów i FC była oparta na ocenie standardowych parametrów R a, R max oraz M r i R P. Najbardziej efektywnym parametrem dla porównania między sobą odlewów precyzyjnych lub do wyrobów wykańczanych obróbką skrawaniem jest udział nośny profilu głównie jego rdzenia rys. 1. Taki tryb postępowania jest jak najbardziej racjonalny, gdyż w rzeczywistości dążymy do otrzymania odlewu precyzyjnego, który powinien być eksploatowany tak, jak w przypadku wyrobu wykańczanego obróbką skrawaniem. Powierzchnia odlewów oraz FC jest trudnym obiektem dla parametrycznego opisu. Opis kształtu powierzchni wyrobu ułatwia w każdej fazie procesu wytwarzania ocenę związków między warunkami wytwarzania powierzchni a jej jakością oraz
187 późniejszym procesem eksploatacji. Mimo, że na ogół porowatość powierzchni wyrobu wpływa negatywnie na odporność na korozję (O k ), to w przypadku odlewów precyzyjnych następuje zwiększenie odporności na zużycie (rośnie wartość parametru O k ). Odlewy do badań wykonane metodą tradycyjną oraz z przeciwciśnieniem zostały przedstawione na rys. 2. Odlewy w procesie z przeciwciśnieniem wykonano na stanowisku rys. 3. Poziom górny Rys. 3. Stanowisko badawcze [1]. Fig. 3. Test stand [1]. Poziom dolny Rys. 2. Kształt odlewu. Fig. 2. Shape casting. Rys. 4. Kapilary na powierzchni formy (zdjęcie pow. 300x). Fig. 4. Capillaries on mould surface (magnification 300x). Parametry procesu wytwarzania odlewów były następujące: 1. Proces tradycyjny temperatura ciekłego metalu (AK9 lub AK132) T c = 710 720 o C zaś temperatura formy ceramicznej T FC = 320 do 360 o C. 2. Proces z przeciwciśnieniem T C = 670 + 10 o C oraz T FC = 150 do 200 o C. Formy ceramiczne wytwarzane w oparciu o spoiwa SIKOP oraz EKOSIL spoiwo wodne krzemianowe (ekologiczne) najnowszej generacji. Na wypełniacz spoiwa i obsypkę zastosowano SiO 2 i glinokrzemiany. Do badań ponadto wybrano podstawowe parametry technologiczne wpływające na jakość odlewów (mikrogeometrii powierzchni) jak: ciśnienie metalostatyczne ciekłego metalu w FC,
188 stan powierzchni formy ceramicznej, jej przepuszczalność oraz sposób zwilżania powierzchni formy ceramicznej przez ciekły metal. Stan powierzchni formy ceramicznej będzie oszacowany na postawie profilogramu, kształtu ziaren sypkiego materiału użytego do budowy FC oraz kształtu i wielkości kapilar (porów) znajdujących się na powierzchni formy ceramicznej. 3. WYNIKI POMIARÓW Badania powierzchni form ceramicznych dały następujące wyniki: 1) wyniki pomiarów chropowatości form a) dla FC z udziałem SiO 2 R a średnie (10 pomiarów) około 2,29 µm rys. 5 b) dla FC z udziałem molochite - R a średnie (10 pomiarów) około 2,75 µm c) dla FC z udziałem SiO 2 (pomiar na profilometrze Surtronic 3P) d) wartość średnia dla R a (dla 6 pomiarów) R a = 5,54 µm e) wartość średnia dla R p około 10,72 µm (rys. 6) (R max średnia = 28,48 µm) f) M r = M r2 M r1 wyniosło od 72,1 do 73,4 µm 2) wyniki pomiarów odlewów przedstawiono głównie na rys. 5 i 6 a) R a średnie od około 4,11 µm do 5,48µm zależnie od położenia w zestawie b) R p średnie od około 10,90 µm do 13,61µm zależnie od położenia w zestawie c) wartość M r wyniosła od 62,5 µm do 86,6 µm Kształt kapilar na powierzchni FC jest zbliżony w większości przypadków do koła (lewa strona na rys. 4). Wielkość kapilar odczytana z profilogramów wyniosła od około 55 µm do 90 µm. Wyniki pomiarów Ra na stanowisku 3 (z przeciwciśnieniem) pozwoliły na uzyskanie następujących wyników: R a = 1,08 µm do 1,42 µm (M K = 1 do 3 mm) oraz R a = 1,7µm do 2,30 µm (M K = 6 mm), gdzie M K moduł krzepnięcia. Wcześniejsze badania (wyrywkowe) udowodniły, że udział nośny tp 50 (dla 50 % R max ) jest zbliżony dla procesu tradycyjnego i z przeciwciśnieniem. R A 8,00 7,00 6,00 Chropowatość [µm] 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 góra I wewnętrzny góra I zewnętrzny góra II zewnętrzny dół II wewnętrzny dół II zewnętrzny dół I wewnętrzny dół I zewnętrzny góra II wewnętrzny Rys. 5. Parametr R a dla odlewów. Fig. 5. Parameter R a for cast. Miejsce w zestawie
189 R P 16,00 14,00 12,00 Chropowatość [µm] 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 góra I zewnętrzny góra I wewnętrzny góra II zewnętrzny góra II wewnętrzny dół I zewnętrzny dół I wewnętrzny dół II zewnętrzny dół II wewnętrzny Rys. 6. Parametr R p dla odlewów. Fig. 6. Parameter R p for cast. Miejsce w zestawie 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Z uwagi na anizotropię budowy FC [1], co widać najczęściej na jej przekroju. Ścianki prostopadłe do osi wlewu głównego (w odróżnieniu do pozostałych) posiadają zazwyczaj więcej spoiwa w porównaniu do wkładu ceramicznego budującego FC. Wpływa to przede wszystkim na wartość przepuszczalności formy i wypełnienie kształtu formy przez ciekłe stopy Al. oraz gładkość powierzchni. Wyższa gładkość odlewów w procesie z przeciwciśnieniem pozwala na nakładanie warstw dekoracyjnych (miedziowanie i następnie niklowanie) zwiększając odporność wyrobów na korozję w czasie eksploatacji. Z analizy rys. 5 i 6 wynika, że wyższe ciśnienie metalostatyczne (dół w zestawie) daje gorszą gładkość powierzchni. Ponadto różnice w wartościach R a i R p na tych samych poziomach w zestawie odlewów rys. 2. mają związek z anizotropią budowy formy ceramicznej. Energochłonność wytwarzanych odlewów ma związek z rodzajem procesu. Dla tradycyjnej metody wytapianych modeli energochłonność technologiczna E t wynosi około 49 MJ/1kg odlewu ze stoopu AL., przy uzysku około U Z = 0,45 (45%). Proces z przeciwciśnieniem dla średniej wielkości odlewu ze stopu AL. (0,15 kg)m zwiększa uzysk do około 0,80 (80 %). Daje zmniejszenie E t o około 4,5 MJ na 1 kg wykonanych odlewów. Na każde 20 Mg wykonanych odlewów przewiduje się zmniejszenie energiochłonności o około 90.000 MJ. Przyjmując, że dla energii konwencjonalnych 9MJ = 1 KWh mamy oszczędność około 10.000 KWh. Zgodnie z danymi angielskimi (ang. Life Cycle) każdy 1KWh powoduje emisję do atmosfery 950 g CO 2 (dane GUS podają 850 g CO 2 ). Zmniejszenie energochłonności wpływa na poprawę stanu środowiska. Zmiana procesu wytwarzania powoduje więc jednocześnie poprawę jakości odlewów i stanu środowiska.
190 5. WNIOSKI 1. Decydujący wpływ na wartość parametrów mikrogeometrii powierzchni w procesach odlewania precyzyjnego ma ciśnienie metalostatyczne w FC. 2. Anizotropia budowy FC i moduł krzepnięcia ścianki odlewu powoduje zmiany w chropowatości odlewów znajdujących się na jednakowym poziomie w zestawie. 3. Zmiana procesu wytwarzania odlewów z tradycyjnego na proces z przeciwciśnieniem powoduje znaczne zmniejszenie energochłonności wytwarzania odlewów, co wpływa na poprawę stanu środowiska naturalnego. LITERATURA [1] R. Haratym: Anizotropia własności form ceramicznych w aspekcie dokładności odlewów wytworzonych w procesie z przeciwciśnieniem, Archiwum Odlewnictwa 2005, Rocznik 8 Nr 8, Katowice. [2] M. Wieczorowski, A. Cellary, J. Chajda: Charakterystyka chropowatości powierzchni, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2003. LOAD CAPACITY OF SURFACE INVESTMENT PROCESS VERSUS MANUFACTURING ENERGY-CONSUMING SUMMARY Quality assessment of castings made by counter back process in comparison to conventional investment casting process was carried out. The paper presents results of Comparative by Mr param eters and carrying length. Surface microgeometry parameters of the castings (R a, R max ) have been related to microgeometry of ceramic forms. The energy consumption was assigned to those process, dependent on the process type and iths quality. The reduction of energy of harmful gases emission to the atmosphere, such as CO 2, SO 2 and NO x, estimated in accordance to the GUS (Polish Head Statistical Office) data. Recenzent: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kaczorowski.