14/5 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 5 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 5 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 MIKROGEOMETRIA POWIERZCHNI ODLEWÓW Z ŻELIWA SFEROIDALNEGO WYKONANYCH METODĄ PEŁNEJ FORMY D. MYSZKA 1, R.HARATYM, J.TOMASIK, R.BIERNACKI, Z.ŻÓŁKIEWICZ Politechnika Warszawska, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Polska Instytut Odlewnictwa ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków, Polska STRESZCZENIE Artykułem tym autorzy pragną włożyć swój wkład w uzupełnienie wiedzy dotyczącej odwzorowania powierzchni modelu polistyrenowego przez odlewy z żeliwa sferoidalnego wykonane metodą pełnej formy. Brak było jak do tej pory metody i urządzenia do pomiaru chropowatości powierzchni tak delikatnego materiału jakim jest styropian. Zadanie to udało się zrealizować za pomocą profilometru cyfrowego S3P z głowicą bez ślizgacza, jak również ukazać znaczący wpływ pokrycia ceramicznego na odwzorowanie modelu metalem. Wykazano, iż to nie powierzchnia modelu ma najistotniejszy wpływ na jej odwzorowanie przez odlew, ale przede wszystkim jakość pokrycia ceramicznego na modelu. Stwierdzono również, że chropowatość modelu jest często większa niż chropowatość powierzchni odtwarzającego go odlewu. Jest to dodatkowym potwierdzeniem znaczącej odpowiedzialności powłoki ceramicznej modelu za stan powierzchni odlewu z żeliwa sferoidalnego wykonanego metodą pełnej formy. Keywords: lost foam method, ductile iron, surface quality, fluid beds 1 mgr inż., dawidmyszka@poczta.onet.pl.
107 1. WPROWADZENIE W wyniku zastosowania metody pełnej formy otrzymuje się najczęściej odlewy ze stopów aluminium lub miedzi, staliwa orz żeliwa. Największymi zaletami tego procesu są: możliwość wykonania odlewów o skomplikowanych kształtach bez stosowania rdzeni; możliwość wykonania odlewów o zacieśnionych tolerancjach wymiarowych oraz odlewów o grubości ścianki od 3mm; nie wymagany jest dodatek spoiw do materiału formy (najczęściej piasek kwarcowy); łatwe oddzielanie materiału formierskiego od odlewu. Wszystkie te elementy składają się między innymi na mniejsze koszty wytwarzania odlewów oraz poprawę warunków pracy w odlewni. Jednak uzyskanie wysokiej klasy odlewów wymaga bardzo dobrego przygotowania tej metody do warunków produkcyjnych. Penetracja, wtrącenia niemetaliczne czy pęknięcia to najczęściej pojawiające się i dyskwalifikujące odlew wady. Na wykonanie odlewów metodą pełnej formy składa się szereg etapów przygotowawczych (rys.1). Poprawna realizacja każdego z nich ma oczywiście swój istotny wpływ na efekt końcowy - odlew. Z punktu widzenia jakości powierzchni najistotniejszym wydaje się transformacja modelu polistyrenowego pokrytego cienką warstwą ceramiczną w odlew. Czynnikami, które mają na to znaczący wpływ są przede wszystkim: jakość powierzchni modelu; jakość powłoki ceramicznej; jakość metalu odwzorowującego model. Wykonanie modeli ze spienionego polistyrenu Nanoszenie pokrycia ceramicznego Formowanie przez wibracyjne zagęszczanie Usuwanie odlewów ze skrzynek formierskich Proces odlewania Rys. 1. Schemat procesu wykonania odlewów metodą pełnej formy Fig. 1. Schema of the lost foam process
108 Artykułem tym autorzy pragną włożyć swój wkład w uzupełnienie wiedzy dotyczącej odwzorowania powierzchni modelu polistyrenowego przez odlewy z żeliwa sferoidalnego. Jak podaje literatura [1], brak było jak do tej pory metody i urządzenia do pomiaru chropowatości powierzchni tak delikatnego materiału jakim jest styropian. Zadanie to udało się zrealizować, jak również ukazać znaczący wpływ pokrycia ceramicznego na odwzorowanie modelu metalem. 2. METODYKA BADAŃ Na etapie wstępnym przygotowano modele polistyrenowe poprzez spienianie wstępne oraz spienianie wtórne w matrycach aluminiowych. Następnie modele suszono w temperaturze 45ºC w ciągu 48godz. Tak przygotowane modele połączono w zestawy (model + układ wlewowy) i naniesiono warstwę odpowiedniego pokrycia ceramicznego. Gotowe modele, wysuszone w temperaturze 50ºC, zaformowano w skrzynkach formierskich o wymiarach 500x600x800mm. Formowanie zrealizowano wg kolejno wypunktowanych operacji: Umieszczenie zestawów modelowych w skrzynce formierskiej; Wypełnienie skrzynki piaskiem kwarcowym i wibracyjne zagęszczanie; Transport na stanowisko zalewania; Zapewnienie szczelności górnej powierzchni skrzynki formierskiej folią polietylową; Podłączenie do skrzynki instalacji próżniowej odgazowującej wnękę formy. Żeliwo sferoidalne przygotowano w piecu indukcyjnym o średniej częstotliwości o pojemności 150kg. Żeliwo przygotowano na bazie złomu stalowego (30%) oraz surówki LS2111. ciekły metal sferoidyzowano i modyfikowano kolejno: FeNiMg oraz FeSi75. tak przygotowany metal, o składzie 3,45%C; 2,3%Si; 0,24%Mn; 0,035%P; 0,01%S; 0,05%Mg, zalano przygotowane formy. Wykonane odlewy oraz modele poddano badaniom strukturalnym na mikroskopie metalograficznym OLYMPUS IX70 i stereoskopowym OLYMPUS SZX9 oraz pomiarom chropowatości na profilometrze cyfrowym S3P z głowicą bez ślizgacza, która daje tzw. profil surowy (prawie bez zniekształceń). Ta metoda pozwala na pomiar bardzo delikatnych wyrobów jak modele polistyrenowe lub modele woskowe stosowane w procesie wytapianych modeli. 3. WYNIKI BADAŃ Na podstawie badań stereoskopowych stwierdzono, że obraz powierzchni modelu polistyrenowego i odlewu żeliwnego jest zbliżony (rys.2a,b). Uwidocznione granulki polistyrenu sugerują, iż metal prawie idealnie odtworzył powierzchnię
109 modelu. Jednak takie odwzorowanie nie jest najczęstsze. Otóż zdjęcie na rys.2c, przedstawiające rzut na powierzchnię jednego z szeregu odlewów, wskazuje na nieco inny charakter. Ma to potwierdzenie w widoku przekroju modelu i odlewu (rys.3a,b). a) b) c) Rys. 2. Fot. x100. Widok na powierzchnię: a) modelu polistyrenowego, b) odlewu z żeliwa sferoidalnego I, c) odlewu z żeliwa sferoidalnego II; Fig. 2. Fot. x100. Surface: a) polystyrene model, b) ductile iron casting I, c) ductile iron casting II. a) b) c) Rys. 3. Przekrój od powierzchni przez: a) model polistyrenowy (Fot.x57), b) odlew z żeliwa sferoidalnego (Fot.x100), c) odlew z żeliwa sferoidalnego - nakłucia (Fot.x300); Fig. 3. Surface section: a) polystyrene model (Fot.x57), b) ductile iron casting (Fot.x100), c) ductile iron casting (Fot.x300). Ze zdjęć tych wynika, że powierzchnia odlewu nie jest idealnym odwzorowaniem powierzchni modelu. Taki stan rzeczy wynika z tego, że warstwa pokrycia ceramicznego, dzięki małemu zwilżaniu powierzchni modelu nie penetruje całkowicie porów pomiędzy granulkami polistyrenu, a jedynie ich zewnętrzną część (rys.4). Taka sytuacja jest jak najbardziej korzystna z tego względu, iż na odlew żeliwny, prawie dokładnie odwzorowujący powierzchnię pokrycia ceramicznego modelu, nie transponują się ostre połączenia granulek polistyrenu. Ponieważ najlepszą miarą zwilżania jest w tym wypadku jest lepkoś ć, tak więc można wysnuć wniosek, że dokładna kontrola tego parametru będzie w największej mierze decydować o charakterze zniekształcenia powierzchni odlewu.
110 Rys. 4. Schemat odwzorowania mieszanką ceramiczną modelu; Fig. 4. Schema the surface of polystyrene model with ceramic layer Rys. 5. Schemat pomiaru chropowatości powierzchni, model polistyrenowy: R a =22μm; b)odlew żeliwny: R a =12μm. Fig. 5. Schema of surface section: a) polystyrene model: R a =22μm, b) ductile iron casting: R a =12μm. Kolejnym potwierdzeniem dla wyżej wysuniętego wniosku jest pomiar chropowatości dokonany na modelach polistyrenowych i odlewach. Okazuje się (rys.6a,b), iż chropowatość modelu jest większa niż chropowatość powierzchni odtwarzającego go metalu. Jednak nie tylko chropowatość powierzchni decyduje o jakości powierzchni. Istotnym z tego punktu widzenia czynnikiem jest odpowiednie odgazowanie formy w czasie jej zapełniania ciekłym metalem. W wyniku źle przeprowadzonego procesu możemy uzyskać odlew o bardzo dużym stopniu porowatości. Również w tym przypadku pokrycie ceramiczne odgrywa ważną rolę. Mieszanka pokrycia musi być tak dobrana, aby umożliwiała odpowiednie odprowadzenie wszystkich zbędnych gazów wydzielających się w procesie. Źle dobrane właściwości mieszanki mogą przyczynić się do powstania penetrujących w głąb lub obecnych tuż pod powierzchnią pęcherzy gazowych (rys.3c). 4. WNIOSKI Wszystkie przedstawione badania jakości powierzchni odlewów z żeliwa sferoidalnego wykonanych metodą pełnej formy wskazują na szereg problemów dotyczących tego zagadnienia. Najważniejszymi wnioskami, które wychodzą naprzeciw tym problemom, a zawierają się w tej pracy, są: 1. Powierzchnia odlewu z żeliwa sferoidalnego wykonanego metodą pełnej formy nie jest dokładnym odwzorowaniem modelu polistyrenowego. Odwzorowanie to, w głównej mierze, zależy od rodzaju pokrycia ceramicznego, które jest dla niego bezpośrednią matrycą. 2. Zbyt duże zwilżanie przez mieszankę ceramiczną powierzchni modelu polistyrenowego może w znaczącym stopniu przyczynić się do pogorszenia stanu powierzchni odlewu żeliwnego. Z tego powodu dokładna kontrola
111 tego parametru może w istotny sposób przyczynić się do poprawy stanu powierzchni odlewu. 3. Właściwa przepuszczalność powłoki ceramicznej modelu w dużym stopniu wpływa na minimalną ilość pęcherzy gazowych na i pod powierzchnią odlewu. 4. Pomiar chropowatości modeli polistyrenowych z powodzeniem może być realizowany za pomocą cyfrowego profilometru S3P. 5. Zwilżalność powierzchni modelu przez ciekłą mieszankę ceramiczną może mieć bezpośredni wpływ na stan powierzchni odlewu (dla założenia, iż R a pokrycia ceramicznego R a odlewu ). Wniosek ten wynika pośrednio z badań dokumentujących mniejszą chropowatość powierzchni modelu od chropowatości odlewu z żeliwa sferoidalnego odwzorowującego ten model. LITERATURA [1] K.Piech: Prace badawcze prowadzone w Instytucie Odlewnictwa w zakresie technologii modeli zgazowanych. Konferencja Instytutu Odlewnictwa pt. Odlewanie metodą zgazowanych modeli, Kraków, 2001; [2] J.Stachańczyk: Kierunki rozwoju technologii modeli zgazowanych. Konferencja Instytutu Odlewnictwa pt. Odlewanie metodą zgazowanych modeli, Kraków, 2001; [3] J.Baler, M.Köppen: Handbuch der Guβfehler. IKO-Erbslöh, Mahrl, 1994. MICROGEOMETRY OF THE LOST FOAM DUCTILE IRON CASTINGS SURFACE SUMMARY The present study investigates the surface of the polystyrene model and ductile iron castings obtain in lost foam process. Till now there haven t been any method to check the coarseness of such gentle material as polystyrene is. This case was done by special method with use the S3P numerical pyrometer. The influence of ceramic layer on the polystyrene model was also investigated. The results show, that it is not the surface of the model have main influence on the casting surface but the ceramic layer. It was shown that coarseness of the model surface is much smaller than the casting. It is the additional prove that one of the main influence on the lost foam ductile iron casting quality has the ceramic layer on the top of the polystyrene model. Recenzował: Prof. J. Stachańczyk