53/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 CHARAKTERYSTYKA TERMOFIZYCZNA CIEKŁYCH MAS CERAMICZNYCH STOSOWANYCH DO ODLEWANIA PRECYZYJNEGO STOPÓW TYTANU A. KARWISKI 1, W. LENIEWSKI 2, P. WIELICZKO 3. Instytut Odlewnictwa w Krakowie STRESZCZENIE W artykule przedstawiono pomiar właciwoci termofizycznych spoiw, materiałów ceramicznych oraz mas ceramicznych. Przedmiotem bada były materiały ceramiczna nadajce si do wykonywania form ceramicznych do precyzyjnego odlewania tytanu i stopów reaktywnych. Do oznaczania własnoci termofizycznych posłuył aparat do oznaczania temperatur charakterystycznych PR-25/1750. Wyznaczano temperatury przemian fazowych (temperatura spiekania, miknicia, topnienia i płynicia). Key words: liquid ceramic slurry, the titanium casting, investing casting method, thermo-physical proprieties of ceramic materials. 1. WŁASNOCI CIEKŁYCH MAS CERAMICZNYCH Wysok jako odlewów precyzyjnych osign mona jedynie przez uycie nowoczesnych typów spoiw oraz ciekłych mas ceramicznych, słucych do wytwarzania form odlewniczych. Spoiwa, masy ceramiczne i formy odlewnicze powinny, wic charakteryzowa si wieloma specyficznymi właciwociami, m.in.: homogenicznoci składu, i stabilnoci parametrów fizykochemicznych, dobr zwilalnoci hydrofobowych powierzchni modeli, znaczn szybkoci parowania i elowania, odpowiedni przepuszczalnoci gazów, wytrzymałoci mechaniczn 1 dr in., akarw@iod.krakow.pl 2 mgr in., wles@iod.krakow.pl 3 Mgr in., wieliczp@iod.krakow.pl
i nisk podatnoci na deformacje. W przypadku odlewania metali reaktywnych takich jak tytan wymagania te staj si jeszcze wysze. Jednoczesne sprostanie tym rónorodnym i czsto wykluczajcym si wymaganiom moliwe jest jedynie w przypadku poznania mechanizmów zjawisk fizykochemicznych zachodzcych w układach zdyspergowanych, jakimi s spoiwa i ciekłe masy ceramiczne. Ze wzgldu na wysokie wymagania znana jest jedynie ograniczona ilo spoiw i materiałów ceramicznych uywanych w odlewnictwie precyzyjnym, wykorzystujcym technologi wytapianych modeli do produkcji odlewów ze stopów metali reaktywnych. Najczciej jako spoiwa stosowane s zole tlenku cyrkonu (ZrO 2 ), tlenku itru (Y 2 O 3 ) lub znacznie drosze i mniej dostpne zole tlenu ceru (CeO 2 ). Jako materiały ceramiczne wykorzystywane s przewanie tlenek cyrkonu lub jego mieszanina z tlenkiem wapnia bd te tlenek itru. 2. POMIARY PARAMETRÓW TERMOFIZYCZNYCH MAS CERAMICZNYCH Do oznaczania parametrów termofizycznych próbek masy ceramicznej posłuył aparat do oznaczania temperatur charakterystycznych PR-25/1750 (rys. 1) zwany te najczciej mikroskopem wysokotemperaturowym. Moe on by stosowany do wyznaczania temperatur charakterystycznych (temperatura spiekania, miknicia, topnienia i płynicia) wszystkich tworzyw ceramicznych, które ulegaj spiekaniu w zakresie temperatur 800-1750 C. Rys. 1. Aparat do oznaczania temperatur charakterystycznych PR-25/1750 Fig. 1. Apparatus to denotation of characteristic temperatures PR-25/1750 Program komputerowy do wyznaczania temperatur przemian fazowych został opracowany w oparciu o norm PN-82/G-04535. Wg tej normy okrelono temperatury przemian jako: 464
spiekania temperatura, w której rozpoczyna si nadtapianie poszczególnym ziaren na granicy ich zetknicia, przy równoczesnym zmniejszeniu si wymiarów kształtki bez zmiany jej pocztkowej postaci; miknicia (pocztek deformacji) temperatura, w której obserwuje si pierwsz oznak miknienia. Stwierdza si to na podstawie zmiany powierzchni, zaokrglenia krawdzi próbki lub te na podstawie pocztku wydymania kształtki; topnienia (temperatura tworzenia kuli) temperatura, w której kształtka topi si przyjmujc w przyblieniu posta półkuli o wysokoci równej 2/3 pierwotnej wysokoci kształtki; płynicia temperatura, w której kształtka rozpływa si tworzc warstw o gruboci równej około 1/3 wysokoci półkuli, obserwowanej temperaturze topnienia. 2.1. Badania spoiw W celu porównania charakterystyk termicznych badanych spoiw do zlewek pobrano po 30ml cieczy. Odparowanie fazy ciekłej nastpowało w warunkach naturalnych bez wymuszonego podgrzewania próbek. Wysuszone próbki badanych materiałów przedstawia rys. 2. Rys. 2. Wysuszone próbki badanych materiałów (od lewej: zolsio 2, zol ZrO 2, zol Y 2 O 3, acetylooctan Ti) Fig. 2. Dry up samples of examine materials (from left: solsio 2, sol ZrO 2, sol Y 2 O 3, Ti acetoacetate) Do bada charakterystyk termicznych wybrano kawałki próbek o moliwie regularnych kształtach i porównywalnej wielkoci. Wybrane próbki przyklejano do alundowej podstawki niewielk iloci gumy arabskiej i wprowadzano do komory grzewczej pieca o temperaturze 600 C. Wszystkie próbki (spoiw i materiałów ceramicznych) badano w tym samym zakresie temperatur. W przedziale temperatur 600 do 850 C prdko podgrzewania wynosiła 15 C/min. Po przekroczeniu temperatury 850 C prdko zmniejszano do 10 C/min. Rejestracj i pomiar charakterystyk wykonywano w przedziale temperatur 900 do około 1750 C, przy czym w zakresie temperatur 1650 do 1750 C obniano prdko podgrzewania do 8 C/min. Próbka wykonana z sizolu (zolu SiO 2 ) posiada charakterystyk zblion do charakterystyki krzemionki koloidalnej. Jedynie dla temperatur rzdu 950 C wystpuje kilkuprocentowy spadek wysokoci i zmniejszenie objtoci próbki. Zjawisko to 465
powoduje konieczno wypalania form warstwowych wykonanych przy wykorzystaniu spoiw krzemionkowych w temperaturze 960 C i jest to zgodne z praktyk odlewni precyzyjnych. Dla spoiwa ZrO 2 znaczcy spadek 10% wysokoci próbki wskazuje na konieczno wypalania formy powyej temperatury 1250 C. Po jej przekroczeniu kształt próbki praktycznie nie ulega zmianie. Dla zolu Y 2 O 3 zaobserwowano 2 do 3%-owy spadek wysokoci próbki wystpujcy w temperaturze około 1500 C. Nie wystpuje natomiast w całym zakresie temperatur uchwytna nagła zmiana kształtu. Przykładowe wyniki pomiarów dla próbek acetylooctanu tytanu przedstawiaj rysunki 3 i 4. Rys. 3. Obraz próbki zolu TiO 2 : A) w temperaturze 901,0 C; B) w temperaturze 1752,0 C po 82 minutach nagrzewania Fig. 3. Sol TiO 2 sample image: A) in temperature 901,0 C; B) in temperature 1752,0 C after 82 minutes of heating Rys. 4. Przebieg procesu nagrzewania oraz temperatury charakterystyczne dla próbki zolu TiO 2 otrzymanego z acetyloooctanu tytanowego Fig. 4. Course of the heating process and characteristic temperatures for sol TiO 2 sample received from titanium acetoacetate 466
Charakterystyka termofizyczna zolu TiO 2 zbliona jest do charakterystyki sizolu zolu SiO 2. Brak uchwytnej nagłej zmiany wysokoci w całym przedziale temperatur. Problemem jest mała wytrzymało wykonywanych form oraz wystpujcy wzrost wysokoci próbki (ok. 1 do 2%). Dla form wykonanych w całoci na tym spoiwie wystpowało zjawisko zmniejszania si objtoci formy, co w przypadku cienkociennych odlewów (0.9, 0.6mm) prowadziło do braków spowodowanych zamykaniem cienkich przekrojów w formie. Zjawisko to zostało wyeliminowane przez wykonanie pierwszej warstwy formy warstwowej przy zastosowaniu acetylooctanu tytanu, a nastpnych warstw przy wykorzystaniu zolu SiO 2. Niewielka rozszerzalno pojedynczej warstwy nie miała w takim przypadku znaczenia, natomiast zachowano du oporno na oddziaływanie z ciekłym metalem. 2.2. Badania materiałów ceramicznych i mas ceramicznych. Próbki do bada charakterystyk temperaturowych materiałów ceramicznych przygotowano w formie walców o rednicy 5mm i wysokoci 5mm ubijajc materiał ceramiczny z dodatkiem niewielkiej iloci sizolu w specjalnej matrycy do przygotowania próbek (rys. 5). Rys. 5. Fig. 5. Przykładowa próbka po wypaleniu Example of sample after burn-out W przedstawiony powyej sposób wykonano próbki masy ceramicznej do bada parametrów termofizycznych. Wykonano próbki z tlenku cyrkonu ZrO 2 stabilizowanego tlenkiem wapnia oraz z materiału glinokrzemianowego molochite u. Próbka przygotowana z ZrO 2 charakteryzuje si korzystnymi parametrami termofizycznymi. Niewielka zmiana wysokoci próbki nastpowało dopiero po przekroczeniu temperatury 1650 C. Porównanie kształtu próbek dla pocztku i koca pomiaru wykazuje bardzo małe zmiany. Wyniki przedstawiaj rysunki 6 i 7. 467
Rys. 6. Obraz próbki tlenku cyrkonowego ZrO 2 : A) w temperaturze 902,8 C; B) w temperaturze 1749,9 C po 57 minutach nagrzewania Fig. 6. ZrO 2 sample image: A) in temperature 902,8 C; B) in temperature 1749,9 C after 57 minutes of heating Rys. 7. Przebieg procesu nagrzewania oraz temperatury charakterystyczne dla próbki tlenku cyrkonowego ZrO 2 Fig. 7. Course of the heating process and characteristic temperatures parameters for ZrO 2 Mniej korzystn charakterystyk termofizyczn zarejestrowano dla próbki z molochite u. Tu zmian wysokoci próbki obserwowano ju dla temperatury 1270 C. Porównanie próbki pocztkowej i kocowej wskazuje na prawie 10%-owy spadek wysokoci. Praktyczne dowiadczenia wskazuj jednak, e formy wykonane z molochite u charakteryzuj si wysok wytrzymałoci i odpornoci na szoki cieplne. W trakcie prezentowanych prac wyznaczono przebieg zmian wysokoci próbek materiału w funkcji zmian temperatury dla ciekłej masy ceramicznej wykonanej z acetylo-octanu tytanu i tlenku cyrkonu. Na prezentowanym (rys. 8) wykresie zamieszczono równie zmian wska nika kształtu oraz zmiany boczne wykonanych próbek mas. 468
Rys. 8. Przebieg procesu nagrzewania próbki masy acetylooctan tytanu + tlenek cyrkonu Fig. 8. Course of the heating process for sample titanium acetoacetate + ZrO 2 W przypadku masy z udziałem tlenku cyrkonu w tej temperaturze nie stwierdzono adnych odkształce kształtu próbek. 3. POSUMOWANIE. Materiały ceramiczne zalecane do stosowania w metodzie wytapianych modeli do odlewania stopów tytanu stabilizowany dodatkiem tlenku wapnia. Szczególnie wysokie wymagania stawiane s materiałom uywanym w ciekłej masie ceramicznej na pierwsz powłok, która styka si bezporednio z ciekłym metalem. Z jednej strony musi ona gwarantowa wysok jako powierzchni odlewu (brak reakcji na granicy metal-forma), z drugiej posiada wystarczajc wytrzymało uniemoliwiajc jej zniszczenie pod wpływem cinienia ciekłego metalu. LITERATURA [1] Projekt Badawczy Nr 4T08B034 25: Nowa generacja ciekłych mas ceramicznych do odlewania precyzyjnego stopów metali reaktywnych. [2] Adamczyk Z., Karwiski A., Para G.: Charakterystyka fizykochemiczna spoiw i ciekłych mas ceramicznych stosowanych w odlewnictwie precyzyjnym monografia, Instytut Odlewnictwa, Kraków 1999. [3] Karwiski A.: Spoiwa wodne nowej generacji dla odlewnictwa precyzyjnego charakterystyka fizykochemiczna i optymalizacja procesów technologicznych. Projekt badawczy 1999. 469
THERMO-PHYSICAL CHARACTERISTIC OF LIQUID CERAMIC SLURRIES TO PRECISE CASTING OF THE TITANIUM ALLOYS SUMMARY The article describes the measurement of thermo-physical proprieties of binders, ceramic materials and ceramic slurries. The present study concerns the ceramic materials to perform ceramic moulds to precise casting of the titanium and reactive alloys. The thermophysical proprieties measurements were performed on the apparatus to denotation of characteristic temperatures PR-25/1750. Appoint the temperatures of phase changes (the temperature of sintering, softening, melting and flowing). Recenzował: prof. Jerzy Mutwil. 470