ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING Published quarterly as the organ of the Foundry Commission of the Polish Academy of Sciences ISSN (1897-3310) Volume 10 Special Issue 2/2010 151 155 28/2 Jakość odlewów w procesie wytapianych modeli oraz Replicast CS w aspekcie ekologii J. Tomasik a, *, R. Haratym b, M. Kłębczyk c a Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej ul. Św. A. Boboli 8,02-525 Warszawa, Polska b Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania, ul. Wawelska 14, 02-061 Warszawa, Polska b Instytut Technik Wytwarzania Politechniki Warszawskiej, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Polska *Contact: e-mail: j.tomasik@mchtr.pw.edu.pl Abstract W artykule przedstawiono porównanie jakości odlewów wykonanych metodą wytapianych modeli na bazie modeli z mieszanek otrzymanych głównie z recyklingu z odlewami wykonanymi w procesie Replicast CS. W ramach oceny jakości sprawdzono parametry mikrogeometrii powierzchni odlewów oraz dokładności wymiarowej. Dokładność wymiarowa obejmuje ponadto odchyłki wymiarowe w fazie wykonania modeli wytapianych, modeli z polistyrenu spienionego oraz form ceramicznych. Dokonano oceny jakości odlewów w aspekcie ekologii. Słowa kluczowe: Jakość, Proces wytapianych modeli, Replicast CS. 1.Wprowadzenie Dotychczas prowadzone były próby oceny dokładności wymiarowej i jakości odlewów precyzyjnych w procesie Replicast CS, ale dotyczyły one produkcji odlewów ze stopu Al, co przedstawiono w literaturze [1], [2] i [3]. Ponadto odlewy były w postaci prostopadłościanów. W przypadku odlewów wykonanych metodą wytapianych modeli (MWM) nie poruszano dotychczas tematu wytwarzania modeli na bazie mieszanek otrzymanych z recyklingu. 2. Ocena dokładności odlewów i modeli wykonanych metodą wytapianych modeli (MWM) Ogólnie Δ L 6 σ wynosi: 2 2 2 Δ L6 σ = M + f + u (1) -błędy wykonania modeli gdzie: a) M b) f - błędy wykonania formy ceramicznej c) u - błędy związane ze skurczem ciekłego metalu podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewów W przypadku oceny błędów uwzględniamy błędy powstałe podczas pomiarów [4]. Modele o kształcie odlewu schodkowego (rys.1) wykonano na bazie mieszanki modelowej otrzymanej z jednokrotnego recyklingu. Dokładność odlewów szacowano przez obliczenie sześciosigmowej odchyłki wykonania Δ L 6 σ. ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 151-155 151
Rys. 1. Model odlewu schodkowego Mieszanka modelowa była mieszaniną wosków twardych (recykling) Dokonano oceny szerokości schodków modeli o wymiarze około 25mm (dla wymiaru matrycy). Oszacowano wartość M ( 6σ ) modeli dla wykonanych 60 sztuk modeli wytapianych ze wzoru: ( X X ) 2 Σ i σ (2) oraz = n σ 6 ( 6 ) = σ M, gdzie: X wartość średnia dla 60 modeli X i kolejny wymiar modelu n ilość modeli otrzymano wartość: M 1( 6σ ) = 0,12mm (dla modułu 0,8cm) oraz M 2 ( 6σ ) = 0,10mm (dla modułu 0,1cm) Odrzucono wymiary odstające. Ponadto wykonano 11 sztuk modeli z wosku twardego Blaysona (A7-FR60) dla których otrzymano także: M ( 6σ ) = 0,13mm (dla modułu 0,9cm) 1 Jak widać dokładność modeli z recyklingu jest zbliżona do dokładności modeli z masy nowej Blaysona. Na bazie modeli z recyklingu wykonano odlewy z żeliwa sferoidalnego, wartość ΔL 6 σ obliczona dla wartości 6σ wynosi około 0,23mm co świadczy o tym, że odlewy są dokładne. Dla małych wymiarów L około 25mm, ΔL 6 σ około 0,9% L nom, co należy zaliczyć do odlewów dokładnych, gdyż forma ceramiczna była wykonana na bazie SiO 2. 3. Ocena dokładności odlewów wykonanych w procesie Replicast CS Kształt modelu z polistyrenu spienionego przedstawiono na rys. 2. Oszacowano wymiar szerokości modelu. Wykonano pomiary 14 sztuk odlewów. Otrzymano następujące wyniki: Rys. 2. Rodzaj odlewu poddany badaniu dokładności wymiarowej S 6σ = 0,34mm S średnie równe 39,35mm co daje wartość ΔL 6σ =0,86%L nom Odlewy były wykonane ze staliwa o zawartości 0,4%C i około 0,5% Cr w formach na bazie glinokrzemianów. Otrzymano odlewy mające ΔL 6 σ zbliżone do dokładności odlewów sferoidalnych wykonanych na bazie modeli z recyklingu mieszanek modelowych wosków twardych (70% Castylene B405 oraz po 15% wosku Blaysona i KC 4017B). 4. Jakość odlewów otrzymanych MWM i Replicast CS Jakość odlewów rozpatrujemy oceniając stan powierzchni mikrogeometrię powierzchni będącą odbiciem powierzchni formy ceramicznej, która pośrednio w dużym stopniu zależy od właściwości powierzchni modelu. Do oceny parametrów powierzchni formy ceramicznej, która była wykonana na bazie materiałów ceramicznych SiO 2 i glinokrzemianowych oraz spoiwa krzemianowego wodnego, wykorzystano profilometr cyfrowy S3P firmy Perthen Mahr. Oceniano parametry R a, R z, R max. Na podstawie kilkunastu profilogramów i zdjęć powierzchni formy ceramicznej (FC) ustalono, że średnia średnica zagłębienia wynosi od około 0,08mm do 0,10mm zaś średnia głębokość około 15mm przy niepewności oceny wymienionych parametrów od 10 do 20μm. Zwilżanie powierzchni modeli wytapianych (także z recyklingu) przez ciekłą mieszankę ceramiczną zawarta jest między 40 i 60% co częściowo potwierdzają inne badania [9]. Jednocześnie FC jest na swojej powierzchni w skali globalnej anizotropowa [3], co powoduje zróżnicowanie wartości mikrogeometrii powierzchni odlewów w zależności od jej położenia względem wlewu głównego. 4.1. Ocena jakości powierzchni odlewów wykonanych w procesie Replicast CS Badaniom jakości powierzchni zostały poddane dwa rodzaje odlewów A i B (rys.3), które różnią się od siebie wymiarami i metodą wykonania FC, z uwagi na materiały ceramiczne z których zostały zbudowane. 152 ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 151-155
16. 4,56 6,27 17. 3,95 5,84 18. 3,59 5,2 Rodzaj A Rodzaj B Rys. 3. Rodzaje odlewów poddane badaniom jakości powierzchni Badania zostały przeprowadzone na skomputeryzowanym stanowisku z profilometrem cyfrowym firmy Perthen Mehr. Badaniom poddano 9 odlewów typu B oraz 17 odlewów typu A. Wszystkie odlewy zostały wykonane ze staliwa niskostopowego 0,4% C i 0,5%Cr. Podczas zalewania form ceramicznych ciekłym metalem, temperatura spustu wynosiła 1610 C, temperatura kadzi 1570 C, a temperatura FC zawierała się między 600 C i 800 C. Wyniki pomiarów jakości powierzchni prezentuje tablica 1. Przykładowe wykresy chropowatości powierzchni przedstawiono na rys. 4 i rys. 5. Tabela 1. Jakość powierzchni odlewów wykonanych ze staliwa niskostopowego w rożnych rodzajach FC (rys.3) Rodzaj odlewu Rodzaj odlewu B Rodzaj odlewu A Lp. Parametr mierzony Ra [μm] z w 1. 3,51 3,72 2. 4,33 4,59 3. 4,81 5,36 4. 3,97 6,88 5. 4,96 5,45 6. 5,39 4,2 7. 3,45 5,75 8. 4,7 4,7 9. 5,23 5,63 10. 4,38 6,26 11. 3,66 5,11 12. 3,75 6,44 13. 3,78 4,84 14. 4,21 4,56 15. 4,03 6,32 Rodzaj FC N FC B +FC C Rz+R N 1 +N 2 Rodzaj materiału ceramicznego w CMC Nośność powierzchni tp50 (dla Rmax=50%) 58 do 79% (śr 66%) 36 do 72 % (śr 57%) 53 do 79 % (śr 66%) 19. 3,51 5,84 20. 3,95 6,09 21. 3,88 4,82 22. 4,82 5,62 23. 5,26 5,69 24. 3,89 4,88 25. 3,75 6,09 26. 4,1 4,82 27. 3,68 5,36 FC B R 1 +R 2 FC C Rz Molochite z odzysku Molochite z odzysku 52 do 70 % (śr 61,5%) 36 do 61% (śr 52,5%) (N) formy ceramiczne nowe, materiał ceramiczny glinokrzemian Molochite, spoiwo krzemianowe nowe z polimerami Remasol Ultra i Ludox SK. (N 1 ) formy ceramiczne nowe, materiał ceramiczny glinokrzemian Molochite i Remasil, spoiwo jak dla (N). FC B +FC C (Rz+R) formy ceramiczne wykonane po recyklingu z materiałów zarówno z odlewni Radomia jak i z WSK Rzeszów. FC B (R 1 +R 2 ) formy ceramiczne wykonane po recyklingu materiałów ceramicznych Molochite z odlewni z Radomia spoiwa jak w formach (N). FC C (Rz) formy ceramiczne wykonane po recyklingu materiałów z WSK Rzeszów Remasil, spoiwa jak w formach (N). Gdzie w tablicy 1: z powierzchnie zewnętrzne, w powierzchnie ustalone w odniesieniu do powierzchni wlewu głównego Tabela 2. Zestawienie wartości średnich parametru Ra w zależności od rodzaju formy ceramicznej i rodzaju odlewów Odlewy rodzaj B Odlewy rodzaj A Średnia wartość Ra dla wymiaru z Średnia wartość Ra dla wymiaru w (N) FC B +FC C (R+Rz) (N 1 +N 2 ) FC B (R 1 +R 2 ) FC C (Rz) 4,31 μm 4,69 μm 4,04 μm 3,95 μm 4,13μm 5,2 μm 5,07 μm 5,7 μm 5,51μm 5,36μm Analizując tablicę 2 widać, że średnie wartości parametru Ra dla powierzchni z i w odlewów wykonanych w formach ceramicznych po recyklingu są bardzo zbliżone do wartości Ra dla powierzchni odlewów wykonanych w formach ceramicznych nowych N. Dla odlewu typu B różnica w średnich wartościach parametru Ra wynosi dla powierzchni z 10% oraz dla powierzchni w 3%. ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 151-155 153
W przypadku odlewów typu A różnica w średnich wartościach parametru Ra wynosi dla powierzchni z 3% oraz dla powierzchni w 6%. Nośność powierzchni odlewów tp 50 (dla R max =50%) wynosi średnio: a) gdy formy są nowe około 63%, b) gdy formy są z materiałów z recyklingu tp 50 wynosi około 57%. Różnica między nimi jest zaledwie około 10%. 5. Wartość R a przy ocenie globalnej jest zbliżona dla odlewów wykonanych w MWM (Ra śr =4,94μm) i Replicast CS (Ra śr ~5,02μm). 6. Wnioski 1. Stosowanie materiałów odpadowych na wytwarzanie modeli wytapianych i form ceramicznych (FC) nie obniża jakości odlewów precyzyjnych. 2. Proces Replicast CS nie powoduje pogorszenia jakości odlewów w porównaniu do MWM. 3. Proces Replicast CS obniża koszt wykonania odlewów, brak fazy usuwania modeli z FC i zmniejszenie ilości warstw FC. 4. Korzyści ekologiczne zmniejszenie ilości odpadów oraz zmniejszenie energochłonności wytwarzania odlewów w MWM i Replicast CS. Literatura Rys.4. Badany odlew A Rys.5. Badany odlew B 4.2. Ocena jakości powierzchni odlewów wykonanych MWM Opierając się na badaniach [10] otrzymujemy następujące wyniki parametru chropowatości Ra. Ra min =3,27μm oraz Ra max =6,61μm, gdy mieszanka modelowa jest oparta na nowych materiałach woskach twardych Blaysona i Castylene. W przypadku odlewów ze staliwa węglowego 0,6%C [11] (odlew o średniej grubości ścianki 7mm) otrzymano Ra śr =5,16μm dla zbadanych kilkunastu odlewów. 5. Analiza wyników badań Porównując metodę Replicast CS z MWM otrzymano: 1. Zbliżone wartości dokładności odlewów ΔL 6 σ -0,86% i 0,90%L nom. 2. Globalna wartość R a dla MWM wynosi 4,94μm (wartość średnia bez uwzględnienia powierzchni z i w ). 3. W procesie Replicast CS nie stwierdzono większych różnic w R a (>10%) między odlewami wykonanymi w formach (N) i (R, R z ) tablica 2. 4. Otrzymano zbliżone wartości R a dla odlewów wykonanych w MWM dla modeli z mieszanek nowych i po recyklingu. [1] R. Haratym, Jakość odlewów w procesie Replicast CS w aspekcie ochrony środowiska, Archiwum Odlewnictwa, rocznik 4, nr 13, Katowice 2004. [2] R. Haratym, Dokładność wymiarowa odlewów wykonanych w procesie Replicast CS, Archiwum Odlewnictwa rocznik 3, nr 9, Katowice 2003. [3] R. Haratym, Anizotropia własności form ceramicznych w aspekcie dokładności odlewów wytworzonych w procesie z przeciwciśnieniem, Archiwum Odlewnictwa, rocznik 5, nr 15, Katowice 2005. [4] J. Arendarski, Niepewność pomiarów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003 [5] M. Szweycer, Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa w Krakowie, Kraków 1996. [6] R. Haratym, Mikrogeometria wielowarstwowych form ceramicznych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji nr 1, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004. [7] S. D. Snow, D. H. Scott, Comparing Fused Silica and Alumino Silicate Investment Refractories, Incast April 2001. [8] T. S. Piwonka, J. M. Wiest, Factors Affecting Investment Casting Pattern Die Dimensions, Incast June 1998. [9] A. Karwiński, W. Leśniewski, P. Wieliczko, Wpływ dodatku włókien ceramicznych na powstanie warstwy ceramicznej w metodzie wytapianych modeli, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji nr 1, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004. [10] D. Myszka, R. Haratym, R. Biernacki, Jakość odlewów precyzyjnych z żeliwa sferoidalnego a energochłonność ich wytwarzania, Archives of Foundry Engineering, vol. 8, Special Issue 2/2008. [11] J. Tomasik, R. Haratym, Nośność powierzchni odlewów precyzyjnych a wymagania ekologii, Acta Metallurgica Slovaca, 8, 2002, Kosice. 154 ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 151-155
The quality of castings obtained during lost-wax and Replicast CS processes in aspect of ecology Abstract In the article it was presented comparison of castings quality obtained during lost-wax process in case of recycled wax mixture and castings obtained during Replicast CS process. It was verified parameters of castings surface microgeometry and dimension accuracy. Moreover dimension accuracy contain dimension deviation appeared during wax and polystyrene models process and ceramic mould manufacturing. The quality of castings in case of ecology aspects was also verified. ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 151-155 155