27/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 PROCES WYGRZEWANIA WSTĘPNEGO FORM GIPSOWYCH DLA ODLEWNICTWA ARTYSTYCZNEGO M. PAWLAK 1 Politechnika Łódzka, Zakład Odlewnictwa 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 1 STRESZCZENIE W opracowaniu przedstawiono wyniki badań gipsowej formy blokowej stosowanej w odlewnictwie artystycznym. Badania obejmują rozkład temperatury w formie w czasie wygrzewania wstępnego (do 200 ºC) oraz efektywność wytapiania wosku modelowego z kanałów Ø 3 10 mm dla form wilgotnych i suszonych w ciągu naturalnym. Key words: plaster, gypsum, plaster moulds, jewellery and artistic casting. 1. WPROWADZENIE Odlewanie precyzyjne metodą wytapianego modelu w gipsowych formach blokowych metodą podciśnieniową stosowane jest powszechnie w przemyśle jubilerskim. Coraz częściej technologia ta znajduje zastosowanie również w wytwarzaniu niezbyt dużych odlewów artystycznych i technicznych [3]. Odlewy wykonywane tą metodą charakteryzują się doskonałym odwzorowaniem kształtu, bardzo dobrą dokładnością wymiarową i jakością powierzchni. Wadą t ej metody jest duży koszt jednostkowy, wynikający z drogiego oprzyrządowania oraz kos z- townych materiałów formierskich i modelowych. Szczególnie wysoka cena wosków modelowych skłania do możliwie efektywnego ich odzyskiwania w celu ponownego użycia, zwykle na mniej odpowiedzialne elementy zestawów modelowych (wlewy główne, nadlewy, odpowietrzenia). Producenci wyrobów jubilerskich uznają ten problem za nieistotny, gdyż w ich produkcji koszt wosku w stosunku do kosztu wyrobu finalnego jest niewielki. 1 dr inż., pawlakma@p.lodz.pl 225
W bilansie kosztów odlewów wykonanych z tańszych stopów udział materiału modelowego jest znaczący, zatem zagadnienie odzyskiwania wosku, szczególnie w przypadku większych odlewów niż jubilerskie, jest ekonomicznie uzasadnione. Opracowanie stanowi fragment szerszego programu badań form gipsowych dla potrzeb odlewnictwa artystycznego i precyzyjnego. 2. BADANIE PROCESU WYGRZEWANIA WSTĘPNEGO FORM Celem badań było wyznaczenie rozkładów temperatury w formie doświadczalnej w czasie wstępnego wygrzewania i określenie najkorzystniejszych warunków realizacji tego procesu z punktu widzenia skuteczności wytapiania modelu woskowego [1,2]. 2.1. Materiały użyte do badań. W badaniach wykorzystano następujące materiały: gips Gold Star firmy Hoben, wosk modelowy Ruby Red Nr 14079 firmy SDS Kerr. 2.2. Metodyka badań. Forma doświadczalna Do wykonania form doświadczalnych wykorzystano standardową tuleję (formę) odlewniczą o wymiarach Ø100x160 mm, stosowaną w technologiach jubilerskich i drobnych przedmiotów artystycznych (rys. 1). Formę doświadczalną wykonywano w dwóch wariantach: forma pełna, bez modeli woskowych (typ A) do badania procesu wygrzewania, forma z modelami woskowymi (typ B) do badania skuteczności ich wytapiania. Do badań wykorzystano zestawy modelowe składające się z wałeczków Ø 3; 4; 8; 10 x 30 mm odwzorowujące najczęściej spotykane grubości ścianek w odlewach art y- stycznych. Masę gipsową zestawioną w stosunku wodno-gipsowym W/G=0,38 mieszano wstępnie przez 0,5 min. ręcznie, mieszadłem tarczowym (n=1100 obr/min) przez 3 min., a następnie odgazowywano na stole wibracyjnym w czasie 0,5 min. Gotową masę zalewano do odpowiednio przygotowanych tulei odlewniczych, o d- gazowywano je przez 1 min. w autoklawie i odstawiano na 70 min. do ostatecznego związania masy. Przekroje gotowych form przedstawiono na rys. 1. Po związaniu masy w powierzchni czołowej formy wiercono otwory Ø1,5 x 50 mm do umieszczenia termoelementów płaszczowych. W formach typu B umieszczono 4 termoelementy, w formach typu A stosowano układ pomiarowy składający się z 6 termoelementów. Schemat ich rozmieszczenia w obu typach form przedstawiono na rys 2. 226
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Ø4 Ø10 11 Ø8 27 14,5 11 a) b) c) Rys. 1. Formy doświadczalne; a forma pełna (typ A), b forma z woskowymi modelami (typ B), c schemat rozmieszczenia modeli w formie; 1 tuleja odlewnicza, 2 masa gipsowa, 3 model woskowy. Fig. 1. The experimental moulds; a full mould (type A), b lost wax mould (type B). Ø3 Rys. 2. Rozmieszczenie otworów na termoelementy na powierzchniach czołowych form. Fig. 2. Scheme of holes positions for thermocouples on the face of moulds. Stanowisko badawcze Formy doświadczalne badano na stanowisku przedstawionym na rys. 3. Badania wygrzewania wstępnego przeprowadzono dla dwóch rodzajów form doświadczalnych: 1. Formy wilgotnej wstawionej do komory cieplnej po czasie 1 godz. od momentu związania masy. 2. Formy suszonej przed wstawieniem do komory cieplnej suszonej w ciągu naturalnym w czasie 168 godz. W obydwu przypadkach temperatura w komorze cieplnej wynosiła 200 ºC (zgodnie z zaleceniem producenta gipsu). Formy wygrzewano w tej temperaturze w czasie 12 godzin. 227
Rys. 3. Schemat stanowiska do wstępnego wygrzewania form (a) i wytapiania modeli woskowych (b) 1 komora badań cieplnych, 2,3 podstawka ceglana, 4 forma doświadczalna, 5 termoelementy, 6 przewody łączące rejestrator, U.R. układ rejestrujący Fig. 3. Scheme of a stand to the preliminary baking moulds (a) and melting the wax models (b). Badanie skuteczności procesu wytapiania modeli woskowych również prowadzono przy użyciu form wilgotnych i suszonych, przy czym czas ich wygrzewania ograniczono do 2 godzin. Po wytopieniu wosku formy wypychano z tulei, przełamywano i mierzono głębokość wsiąkania wosku w materiał formy od ścianki kanałów 3 10 mm. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ 3.1. Proces wygrzewania wstępnego form gipsowych. Wyniki badań przedstawiono na rys. 4 oraz 5. Porównanie zależności T S =f(t) w obu rodzajach form wskazuje na znaczne różnice czasowe w przebiegu procesu ich wygrzewania. W formie wilgotnej temperatura 105 118 ºC utrzymywała się w czasie ok. 120 min. (we wnętrzu formy ok. 210 min.) potrzebnym do odprowadzenia wody zarobowej. W formie suszonej ten czas był znacznie krótszy i wynosił ok. 60 min. we wnętrzu i parę minut w warstwie zewnętrznej. Szczegółowa analiza przebiegu zmian temperatury we wnętrzu obu typów form wykazuje, że po uwzględnieniu różnicy czasowej wynikającej z konieczności odparowania wody zarobowej, krzywe te mają analogiczny kształt. Występują na nich chara k- terystyczne przystanki w tych samych temperaturach, świadczące o następujących zjawiskach: ~ 100 0 C odparowanie wody zarobowej, 98 110 0 C przekształcenie dwuhydratu w półhydrat, 110 125 0 C przemiana -półhydratu w -anhydryt III, 125 175 0 C przemiana -półhydratu w -anhydryt III. 228
ARCHIWUM ODLEWNICTWA x Rys. 4. Zależność temperatury formy Ts od czasu jej nagrzewania t w różnych odległościach x od osi formy. Forma wilgotna pełna (A). Fig. 4. Dependence of the mould temperature Ts on the baking time t in the various distance from the axis mould. The wet full mould (A). x Rys. 5. Zależność temperatury formy Ts od czasu jej nagrzewania t w różnych odległościach x od osi formy. Forma suszona pełna (A). Fig. 5. Dependence of the mould temperature Ts on the baking time t in the various distance from the axis mould. The dry full mould (A). 229
Po zakończeniu przemian fazowych następowało powolne wyrównywanie temperatury we wnętrzu form do temperatury 200 ºC panującej w komorze cieplnej. Przy inte n- sywności grzania 6,5 0 C/min. następowało to odpowiednio: dla formy wilgotnej po 660 min., a suszonej po 480 min. 3.2. Proces wytapiania modelu woskowego z formy gipsowej. Wyniki badań przedstawiono na rysunkach 6, 7 oraz w tablicy 1. Porównanie zależności T S =f(t) w obu rodzajach form wskazuje na znaczne różnice w przebiegu procesu nagrzewania. Wnętrze formy wilgotnej nagrzewało się do temperatury 100 ºC w czasie 90 min. Następnie temperatura stabilizowała się na tym poziomie aż do całkowitego odparowania wody zarobowej. Forma suszona, pozbawiona wody zarobowej, do osiągnięcia we wnętrzu tej samej temperatury potrzebowała znacznie krótszego czasu, wynoszącego tylko 54 min. Ocena nasiąkliwości woskiem obu form: wilgotnej i suszonej wykazała, zgodnie z oczekiwaniami, że jest ona dużo większa dla formy suszonej niż wilgotnej. Powodem tego było szybkie zwiększanie się temperatury formy do ok. 120 ºC, co spowodowało nadmierne nagrzanie i upłynnienie wosku. W formie wilgotnej temperatura 100 ºC utrzymywała się wystarczająco długo (odparowanie wody!), aby upłynnić wosk bez nadmiernego zmniejszenia jego lepkości. Utrudniło to wsiąkanie wosku w ścianki kanałów. Dodatkowym czynnikiem przeciwdziałającym penetracji wosku w p o- ry formy było częściowe zapełnienie ich przez odparowywaną z masy wodę. Po upływie 2 godz. w obydwu przypadkach wosk został całkowicie wytopiony. Pomiar grubości nasączonej woskiem warstwy powierzchniowej wnęk form doświadczalnych obu typów wykazał znaczne różnice w głębokości wsiąkania wosku w ścianki kanałów zależne od ich średnicy (tablica 1). Wynikało to stąd, że przy rozgrzanej gipsowej ściance wosk był gorący, posiadał małą lepkość i łatwo wsiąkał w jej porowatą powierzchnię. Wewnątrz kanału wosk był trochę mniej nagrzany i posiadał większą lepkość, co przy małej gęstości właściwej zdecydowanie utrudniało jego wypłynięcie. W tej sytuacji w cienkich przekrojach wosk utrzymywał się tak długo, że właściwie w całości wsiąkał w materiał formy miało to miejsce w przypadku kanałów 3 4 mm. Kanały 8 10 mm miały ścianki nasiąknięte woskiem na znacznie mniejszą głębokość. Tutaj sytuacja była odwrotna - większa masa wytapianego wosku ułatwiała jego wypłynięcie. Na ocenianych przełomach wyraźnie widać, że grubość nasiąkniętej ścianki w przypadku kanału 3 mm jest ok. 2 razy większa niż w przypadku 10 mm. 230
ARCHIWUM ODLEWNICTWA x Rys. 6. Zależność temperatury formy Ts od czasu jej nagrzewania t w różnych odległościach x od osi formy. Forma wilgotna z modelami woskowymi (B). Fig. 6. Dependence of the mould temperature Ts on the baking time t in the various distance from axis mould. The wet mould with wax model (B). x Rys. 7. Zależność temperatury formy Ts od czasu jej nagrzewania t w różnych odległościach x od osi formy. Forma suszona z modelami woskowymi (B). Fig. 7. Dependence of the mould temperature T S on the baking time t in the various distance from axis mould. The dry mould with wax models (B). 231
4. WNIOSKI Tabela 1. Głębokość wsiąkania wosku w ściankę formy. Table 1. Depht of wax soaking into the mould wall. Średnica modelu, mm ø 10 ø 8 ø 4 ø 3 Odległość modelu Głębokość nasiąknięcia wosku, mm od osi formy, mm Forma wilgotna Forma suszona 14 1,8 0,8 38 2,8 11 1,0 2,1 25 1,1 2,2 40 1,8 2,7 12 2 22 2,8 1,4 32 2,8 42 3,3 12 35 22 3,8 2,2 32 4,0 42 4,4 1. Czas potrzebny do uzyskania we wnętrzu badanej formy temperatury 100 ºC niezbędnej do wytopienia wosku, a następnie temperatury 200 ºC zapewniającej uzyskanie struktury anhydrytu III, jest zdecydowanie większy dla formy wilgotnej niż suszonej wstępnie w ciągu naturalnym. 2. Wytapianie wosku jest skuteczne tylko w przypadku modeli o ściankach grubszych niż 3 4 mm. Należy je stosować dla form wilgotnych. 3. W przypadku małych, cienkościennych modeli proces wytapiania wosku można pominąć. Zaleca się wówczas wstępne suszenie form w ciągu naturalnym, co poprawia ekonomikę ich późniejszej obróbki cieplnej. LITERATURA: [1] Pawlak M.: Ocena wybranych właściwości gipsu stosowanego w technologii odl e- wania podciśnieniowego w formach blokowych. Archiwum IIM PŁ, Łódź 2003. [2] Piekarski P.: Badanie procesów termicznych w technologii odlewania podciśni e- niowego w formach gipsowych. Praca magisterska wykonana pod kierunkiem M. Pawlaka, Łódź 2003. [3] Katalog firmy Hoben. THE PRELIMINARY BAKING GYPSUM MOULDS FOR ARTISTIC CASTING SUMMARY In this work the investigations of preliminary baking the gypsum block mould are presented. It showed the temperature profile in the wet and dry test mould and efficiency of melting a wax model ( 3 10mm). Recenzował: prof. dr hab. inż. Józef Gawroński 232