33/39 Solidinkation of Metais and Alłoys, No. 33,1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 33, 1997 P AN - Oddzinl Katowice PL ISSN 0208-9386 WPŁ YW GAZOWYCH PRODUKTÓW DESTRUKCJI CIEPLNEJ MODELI POLISTYRENOWYCH NA WŁASNOŚCl METALU W PROCESIE PELNEJ FORMY. ŻÓLKIEWlCZ Zdzisław Instytut Odlewnictwa- Kraków, ul. Zakopiańska 73 JANKOWSKI Wiesław Akademia Górniczo-Hutnicza- Wydział Odlewnictwa- Kraków, ul. Reymonta 23 W czasie zalewania pełnej Streszezell i e formy ciekłym stopem, model z polistyrenu spienionego wypełniający wnękę formy poddawany jest działaniu wysokiej temperatury i przechodzi ze stanu stałego w stan gazowy. Na granicy układu : ciekły metal - model - forma zachodzi szereg zjawisk, które nie są całkowicie wyjaśnione W trakcie zgazowywania modelu wydzielają się produkty stałe i gazowe. Na kinetykę rozkładu modelu wpływa szereg czynników, które w sposób istotny decydują o jakości otrzymywanych odlewów. Pomiędzy zwierciadłem ciekłego metalu a modelem powstaje szczelina, w której ciśnienie wydzielających się gazów jest zwykle kilkakrotnie wyższe od ciśnienia gazów we wnęce formy wykonanej metodami tradycyjnymi. badania realizowane w ramach projektu badawczego KBN nr 7 TOSB 011 09
279 Proces pełnej Wprowadzenie formy polega na umieszczeniu modelu z polistyrenu spienionego (styropianu) - na którego powierzchnię naniesiona jest powłoka ogniotrwała - w skrzynce formierskiej oraz zasypaniu modelu odlewu i układu wlewowego suchym piaskiem kwarcowym, który następnie jest zagęszczany do osiągnięcia maksymalnej zwartości i gęstości. Ciekły metal wlany do fonny zgazowuje model styropianowy, odtwarzając go doskonale w postaci odlewu. Gazy powstałe w wyniku destrukcji cieplnej modelu przechodzą przez powłokę ogniotrwałą i piasek na zewnątrz formy. Technologie odlewnicze, wykorzystujące modele z polistyrenu spienionego i podobnych tworzyw charakteryzują się niewątpliwie wieloma zaletami, przede wszystkim technologicznymi, ekonomicznymi i ekologicznymi, z których główne to [ l, 5, 9]: możliwość otrzymywania odlewów o złożonych i skomplikowanych ksztahach; możliwość wytwarzania odlewów z otworami i wnękami, szczególnie o małych wymiarach; skomplikowanych otworów przepływowych, a nawet otworów z gwintem, bez stosowania rdzeni i obróbki skrawaniem; brak na odlewach naddatków technologicznych, wynikających odlewniczych; z pochyleń możliwość wytwarzania odlewów o założonej dokładności wymtarowej; ograniczenie do minimum oczyszczania i obróbki skrawaniem gotowych odlewów z uwagi na prawie zupełny brak zalewek (przeważnie powierzdmie podziału modeli i tonny); nie występują dla wielu stopów nie stosuje się nadlewów na odlewach (np. dla żeliwa szarego, żeliwa sferoidalnego, żeliwa ciągliwego), co zdecydowanie zwiększa uzysk metalu; obniżone koszty wytwarzania odlewów w stosunku do innych technologii; w porównaniu z formami piaskowymi zalewanymi na wilgotno koszty te maleją o około 20 %. Dzięki stosowanemu coraz częściej w proceste pełnej formy podciśnieniu w fonnie podczas zalewania i stygnięcia odlewu [6], uzyskuje się z jednej strony wzrost wytrzymałości formy, a z drugiej - ułatwienie lokalizacji (wychwytywania)
280 gazowych produktów destrukcji cieplnej modeli, co daje możliwość ich neutralizacji na przykład poprzez spalanie katalityczne, czy absorbcję przez węgiel aktywny. Dzięki temu proces zyskuje walory ekologiczne i polepszenia warunków pracy. Modele z polistyrenu spienionego wykorzystuje się do wykonywania odlewów zarówno ze stopów metali nieżelaznych, jak i stopów żelaza. Otrzymuje się odlewy o dokładności wymiarowej, porównywalnej z dokładnością odlewów wykonanych metodami: odlewania grawitacyjnego do kokil, formowania skorupowego, jak również wytapianych modeli. Jakość powierzchni odlewów odpowiada jakości powierzchni modelu polistyrenowego, ściśle go odwzorowując. Dlatego też już od drugiej połowy lat osiemdziesiątych kilkadziesiąt odlewn i, a obecnie ponad sto, przede wszystkim: amerykańskich, angielskich, francuskich, japońskich, kanadyjskich, niemieckich, rosyjskich, ukraińskich i włoskich, stosuje różne odmiany procesu pełnej formy do produkcji odlewów: maszynowych, motoryzacyjnych, artystycznych i innych. Szersze omówienie ważniejszych czynników technologicznych, występujących w procesie pełnej formy, autorzy referatu przedstawili w pracy [3]. Istota zagadnienia Przechodzenie modelu polistyrenowego ze stanu stałego w stan gazowy, w wyniku oddziaływania ciepła ciekłego metalu wypełniającego wnękę formy, jest procesem złożonym. Zgazowywanie (odparowywanie) modelu można scharakteryzować szybkością liniową, objętościową lub masową tego procesu (V). Na wartość tej szybkości mają wpływ następujące czynniki: + powierzchnia styku ciekłego metalu z modelem, + stosunek powierzchni styku model - ciekły metal do powierzchni przekroju poprzecznego modelu, + własności tworzywa modelu, w tym gęstość materiału modelu, + konfiguracja modelu, + temperatura ciekłego metalu, + przepuszczalność formy (przede wszystkim przepuszczalność ceramicznej powloki ogniotrwałej),
281 własności tennofizyczne fonny, temperatura fonny, ł różnice ciśnień we wnęce fonny, w fonnie i na zewnątrz formy. Kinetykę procesu zgazowywania modelu z polistyrenu spienionego można przedstawić następującymi etapami [2, 7, 10]: * działanie promieniowania z lustra ciekłego metalu na powierzchnię styku metal - model; * promieniowanie z lustra ciekłego metalu do fazy cieklej modelu i powstawanie Jazy gazowej ; przewodzenie ciepła przez fazę gazową do fazy ciekłej i stałej modelu; konwekcja ciepła w szczelinie gazowej. Ciepło dostarczone przez ciekły metal winno zapewnić transfonnację modelu polistyrenowego ze stanu stałego w stan gazowy w takim czasie (przy określonej przepuszczalności fonny), aby otrzymać odlew o założonym kształcie i jakości. Postulat ten realizuje się przez odpowiedni dobór głównych czynników technologicznych procesu, to jest: ~składu chemicznego i gęstości modelu, => przepuszczalno~ici fonny, ~temperatury zalewania ciekłego metalu, ~sposobu i parametrów układu wlewowego, =>ciśnienia hydrostatycznego zalewanego metalu. Przebieg zapełniania ciekłym metalem fonny, wypełnionej modelem polistyrenowym, można przedstawić w następujący sposób: w pierwszym etapie ciekły metal zapełnia wnękę fonny w sposób nieustabilizowany; pod działaniem pierwszych porcji metalu rozpoczyna się topienie i zgazowywanie modelu; zwierciadło ciekłego metallt podnosi się i kolejne porcje metalu zapełniają cały poziomy przekrój wnęki fonny; ciepło z ciekłego metalu oddziaływuje na model polistyrenowy i wzrasta szybkość jego zgazowywania; na powierzchni styku metal - model tworzy się szczelina gazowo - parowa i strefa topienia modelu. W szczelinie gazowo - parowej panuje określone w danym momencie ciśnienie gazów. W pierwszym etapie jest ono zmienne i zależne
282 od warunków tennofizycznych. Wielkość tego ciśnienia może mieć wpływ na własności odlewu. Jednym z podstawowych parametrów, decydujących o prawidłowym przebiegu procesu pełnej fonny, jest ilość gazów wydzielających się z modelu polistyrenowego. Zależy ona od składu chemicznego i gęstości tworzywa modelu orazjego objętości. Badania własne Celem badań było określenie objętości i szybkości wydzielania się produktów gazowych z próbki polistyrenu spienionego o określonej gęstości, poddanej zgazowywaniu w określonej temperaturze. Badania przeprowadzono w Zespole Laboratoriów Atestowanych Instytutu Odlewnictwa w Krakowie - Laboratorium Badań Materiałów Fonnierskich. Do określania objętości gazów, wydzielających się z próbek polistyrenu spienionego, wykorzystano polskie urządzenie typu PR-45/l200 TF o zakresie temperatury pracy 0-1200 C ± I C. Badania przeprowadzono w zakresie temperatury 400-1200 11 C, na próbkach polistyrenu spienionego o różnej gęstości - w zakresie 20-45 kg/m 3 Określano objętość gazów wydzielających się ze zgazowywanych próbek, w zależności od ich gęstości, czasu i temperatury zgazowywania. Próbki wykonane były z tego samego gatunku polistyrenu. Proces zgazowywania próbek prowadzono w szczelnej komorze urządzenia, bez dostę p u powietrza. Na rysunku 1 przedstawiono, uzyskane z wyników badań, prlykladowe krqwe kinetyki wydzielania się gazów z próbek o gęstości 45 kg/m 3, zgazowywanych w temperaturze 500 i 1200 C. Na rysunku 2 pokazano wpływ gęstości badanych próbek na całkowitą względną objętość gazów przy zgazowywaniu próbek w temperaturze 500 i 1200 C, w odniesieniu do całkowitej objętości gazów uzyskanej w czasie zgazowywania próbki o gęstości 25 kg/m 3, w temperaturze 500 C. Natomiast na rysunku 3 przedstawiono wpływ gęstości próbki na średnią masową szybkość zgazowywania (V m, śr), w temperaturze 500 i 1200 C. Uzyskane wyniki badań wskazują, że objętość wydzielanych gazów w wyższej
283 o 50 100 ~~;. ; 150 200 l 250 Rys. I. Zależność zmiany objętości gazów, wydzielających się z próbki o gęstości 45 kg/m 3, od czasu zgazowywania w temperaturze: I - 500 C, 2-1200 C 25 30 35 40 45 ~~~~~.Ptóbki f ~lli"!~ Rys. 2. Całkowita względna objętość wydzielających się gazów w zależności od gęstości ~róbki, dla temperatury zgazowywania: 1-500 C, 2-1200 C 35 t~t!.~fi>~ą:~ifi 40 45 temperatura' ~iar.o.,w~bi. Rys. 3. Średnia masowa szybkość zgazowywania próbki V m, ś r ( 10 6 kg/s) w zależności od jej gęstości, dla temperatury zgazowywania: l -500 C, 2-1200 C
284 temperaturze ( 1200 C) jest kilkakrotnie większa, aniżeli w niższej temperaturze (500 C). Różnica występuje również w długości czasu zgazowywania próbki o tej samej objętości i gęstości, w zależności od temperatury zgazowywania; w temperaturze 1200 C czas zgazowywania jest również kilkakrotnic krótszy, niż w temperaturze 500 C- rysunki l i 2 W przedstawionych wynikach badań obserwuje się wyraźny związek szybkości destrukcji cieplnej próbek z temperaturą ich zgazowywania; w wyższej szybkość zgazowywaniajest większa- rysunek 3. temperaturze Wpływ produktów zgazowywania modelu polistyrenowego na własności metalu Z szybkością zgazowywania modelu polistyrenowego (V), przy określonej przepuszczalności formy, związane jest ściśle ciśnienie gazów nad zwierciadłem ciekłego metalu [II]. Ciśnienie to oddziaływuje na powłokę ogniotrwałą modelu i formę, na zwierciadło ciekłego metalu oraz na powierzchnię modelu polistyrenowego, będącą w kontakcie ze strefą zgazowywania. Z danych literaturowych wynika [4, 8], że w zależności od temperatury zgazowywania modelu polistyrenowego zmienia się nie tylko całkowita objętość wydzielanych gazów, ale także poszczególne składniki (pierwiastki lub związki chemiczne) i ich udział ilościowy w mieszance gazowej. W niższej temperaturze wydzielają się węglowodory: benzen, toluen, styren; natomiast w temperaturze wyższej następuje wzrost zawartości CO, C0 2, CI-Lt i H 2. Równocześnie ze wzrostem temperatury wzrasta całkowita objętość gazów, powstających ze zgazowywania modelu polistyrenowego. Wzrost objętości i zmienny skład mieszanki gazowej może wywierać wpływ na przebieg reakcji chemicznych, zachodzących między poszczególnymi składnikami gazowymi a ciekłym metalem. Wzrost ciśnienia i zmienność mieszanki gazowej we wnęce formy może powodować zagazowania metalu (w efekcie kotkowym - odlewu). Ponadto, przy wysokiej temperaturze zalewanego metalu i dużych płaskich powierzchniach modelu styropianowego, w trakcie zalewania formy i zgazowywania modelu może nastąpić uszkodzenie (lub zniekształcenie) cienkiej, ceramicz-
285 nej powłoki ogniotrwałej, powodując wystąpienie szeregu wad odlewów. Aktualnie prowadzone są dalsze badania nad wzajemnym oddziaływaniem gazowych produktów destrukcji cieplnej modeli z polistyrenu spienionego i ciekłego metalu pod kątem zagazowania odlewów otrzymywanych w procesie pełnej fonny. Zakończenie W ostatnich kilkunastu latach obserwuje się wzrostową tendencję stosowania modeli polistyrenowych do wytwarzania skomplikowanych odlewów ze stopów aluminium i stopów żelaza. Odlewom tym stawia się wysokie wymagania jakościowe. Technologie wykonywania odlewów, oparte na procesie pełnej formy, stosują renomowane firmy, np.: Ford Motor Campany Essex- Kanada, General Motors -USA, Texid Fiat- Włochy, Peugeot i Citroen - Francja, Morikava - Japonia. Zainteresowanie tych firm stosowaniem procesu pełnej formy wynika ze znaczącej obniżki kosztów wytwarzania odlewów i poprawy ich jakości. Kluczem do stosowania modeli z polistyrenu spienionego jest poznanie i opisanie całego szeregu zjawisk fizykochemicznych, zachodzących w formie podczas wypełniania jej ciekłym metalem. W tym kierunku zmierzają również badania, realizowane w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie. Literatura [l) Clegg A.J.: Evaporative Pattem Casting - a Reviev of Recent Developments and Progress. FoundryTradeJoumal International, 14(1991)2, 72, 74, 76,78-83. [2] Dieter H.B., Paoli A.J.: Sand Without Binder for Making Fuli Mould Castings. AFS Transactions, 67(1959), 147-160. [3] Jankowski W., Żilłl!iewia Z.: Główne czynniki teclmologi=e w procesic pelnej for.my. Prz.Odlewn, 47(1997)1, 7-10. (4] Kobzar A.l, Iwaniuk Je.G.: Produkty termiceskoj destrukcji litejnogo penopolistirola. Lit.Proizv. (1975)7, 31-32. [S] Lessiter M.J.: lnnovations in Controling the Lost Foam. Modem Casting, 86( 1996) l, 45-48. [6] Lost foam casting- shaping up to the future. A reviev of the polystyrene moulding technolob'y from Foseco. The Britisch Foundryman, 79(1986)12, 466,468-469. [7] MoU N., Johnson D.: Eliminaring the lustrous carbon defekt with a new moudable foam. The Britisch Foundryman, 79(1986)12, 458, 460-461, 464. [8] Piech K.: Technologie wykonywania odlewów z zastosowaniem modeli z polistyr.:nu spienionego. Pr.lnst.Odlewnictwa, Kraków, 44(1994)3, 201-216. [9] Prało A.: Production despiecesen ałłages d' aluminium procecle,.polycast". Hornmes et.fonderie, ( 1990)204, 27-29. [IO]Walter Ch., Siefer W.: Einfluss der Gasentwicklung in kaltharzgcbundenen Yollfolmen auf PutzaufWand und Gussfehler. Teil 2. Einfluss der ScWichte und des Schlichtens auf dic Gaskonzentration beim Vollformgiessen. Giesserei, 82(1995)3, 91-95. [Ił ]Żólkiewicz Z.: Praca n.-bad. [nst.odlewnictwa. Kraków 1993, Z l. 166~, /93.