Pobierz - Technical Nowa Sól

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2005
DEFORMACJA CIEPLNA RDZENI
ODLEWNICZYCH Z POWŁOKAMI OCHRONNYMI
DEFORMACJA CIEPLNA RDZENI ODLEWNICZYCH
Z POWŁOKAMI OCHRONNYMI
Jarosław JAKUBSKI 1,
Stanisław DOBOSZ2
Wydział Odlewnictwa
Akademia Górniczo-Hutnicza
im. Stanisława Staszica
Petr JELINEK3
Katedra Odlewnictwa,
Uniwersytet Techniczny w Ostrawie,
1.
Wprowadzenie.
Wysokie wymagania stawiane obecnie odlewniom dotycz ce jako ci
otrzymywanych wyrobów sprawiaj , e prowadzone s poszukiwania nowych materiałów
na formy i rdzenie odlewnicze, które sprostaj oczekiwaniom odbiorców dotycz cych
jako ci powierzchni i dokładno ci otrzymanych odlewów. Inn metod poprawy
wła ciwo ci mas, a co za tym idzie i odlewu jest zastosowanie odpowiednich powłok
ochronnych.
Stosowane obecnie powłoki mo na podzieli pod wzgl dem oddziaływania na stop
odlewniczy na pasywne, aktywne, wzmacniaj ce i adsorbuj ce. Powłoki aktywne maj na
celu zmian wła ciwo ci powierzchniowej warstwy odlewu poprzez wprowadzenie do tej
warstwy okre lonego składnika. Powłoki pasywne, zwane równie ochronnymi, nie
powinny powodowa zmiany składu chemicznego wierzchniej warstwy odlewu. Ich
zadaniem jest umo liwienie uzyskania gładkiej powierzchni odlewu oraz zabezpieczenie
przed powstawaniem przypale i w ar [1].
Jako kryterium oceny wpływu rodzaju powłoki na zachowanie rdzeni zastosowano
badanie parametru hot distortion okre lanego na aparacie DMA.
Parametr hot distortion symuluje zachowanie si gotowych rdzeni w trakcie
zalewania [2]. W czasie oddziaływania cieplnego w rdzeniach zachodzi wiele ró nych
zjawisk, jak na przykład deformacja cieplna (rozszerzanie i kurczenie), termoplastyczno ,
destrukcja cieplna i mechaniczna, które w sumie decyduj o ko cowym kształcie odlewu,
jego dokładno ci wymiarowej i gładko ci powierzchni a ostatecznie o jako ci
produkowanych odlewów. W próbie hot distortion kształtka masy jest umieszczona na
wsporniku i silnie nagrzana na rodku po jednej stronie. W wyniku ró nicy
w rozszerzalno ci cieplnej pomi dzy nagrzan i zimn powierzchni , kształtka odkształca
si od ródła ciepła. Ta wielko odkształcenia jest mierzona i rejestrowana na wykresie.
Do wolnego ko ca kształtki przykładany jest czujnik, który rejestruje zmiany
odkształcenia. Na skutek termoplastycznej natury wi zania podczas nagrzewania osi gany
jest punkt, gdzie utwardzona masa nie mo e si dłu ej odkształca przy obci eniu, po
czym nast puje odkształcenie w przeciwnym kierunku. Wielko tego przeciwnego
odkształcenia tak e jest mierzona i rejestrowana na wykresie. Ostatecznie dalszy rozkład
spoiwa objawia si całkowit utrat wytrzymało ci i uplastycznieniem kształtki [4, 5].
1
mgr in . [email protected]
. dr hab. in ., prof. ndzw. [email protected]
3
prof. dr hab. in . [email protected]
2
119
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2005
2.
Badania własne.
Przeprowadzone zostały badania wpływu rodzaju powłoki ochronnej na zachowanie
si mas w czasie odkształcenia cieplnego. Kształtki do badania wykonano z sypkich mas
samoutwardzalnych z ywic furfurylow . Na wykonane kształtki naniesiono nast puj ce
powłoki:
- powłoka grafitowa;
- powłoka aluminiowo-krzemowa;
- powłoka korundowa;
- powłoka cyrkonowa.
Powłoki nanoszono przez malowanie p dzlem. Wykonano badania kształtek
pokrytych podwójn warstw powłoki. W ka dym przypadku rozcie czalnikiem był
alkohol. Na wykresach przedstawiono porównanie zachowa kształtki bez powłoki oraz
z pojedyncz i podwójn warstw powłoki.
Na rysunku 1 przedstawione s wyniki bada parametru hot distortion dla powłoki
glinowo-krzemowej. Przebieg odkształcenia kształtki bez powłoki jest charakterystyczny
dla tego rodzaju materiałów [6]. W pocz tkowym etapie nagrzewania nie wyst puj
z zasadzie widoczne zmiany w zachowaniu kształtki. Z upływem czasu nagrzewania
badana kształtka odkształca si ku górze. Po niewielkim odkształceniu nast puje
gwałtowne załamanie kształtki spowodowane całkowit destrukcj spoiwa. Zastosowanie
powłoki glinowo-krzemowej nie zmienia zasadniczo samej charakterystyki krzywej
odkształcenia. W przypadku powłoki pojedynczej wykonano dwa pomiary. Krzywe maj
zbli ony przebieg. W stosunku do kształtki bez powłoki daje si zaobserwowa , e wzrasta
zarówno wielko , jak i czas, w którym zachodziło odkształcenie.
Al-Si jedna warstwa próbka 1
Al-Si dwie warstwy
Al-Si jedna warstwa próbka 2
ywica furanowa bez powłoki
2
1
Odkształcenie, [mm]
0
0
20
40
60
80
100
120
-1
-2
-3
-4
-5
-6
Czas,[s]
Rys. 1 Deformacja cieplna rdzeni z powłok Al-Si.
Fig. 1 Thermal deformation of core sands with silicate aluminum coating.
Nie mo na jednoznacznie okre li jak grubo powłoki wpływa na wytrzymało
ciepln , poniewa porównanie wyników uzyskanych dla pojedynczej i podwójnej warstwy
pokazuje, e odkształcenia s podobne w obu przypadkach.
W przypadku powłoki cyrkonowej (rys. 2) daje si zaobserwowa zdecydowany
wpływ ilo ci nało onej warstwy na zachowanie kształtek. Zastosowanie powłoki polepsza
120
Nowa Sól 12-13.05.2005 r.
DEFORMACJA CIEPLNA RDZENI
ODLEWNICZYCH Z POWŁOKAMI OCHRONNYMI
VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2005
odporno termiczn kształtki. W przypadku nało enia pojedynczej warstwy wydłu enie
wytrzymało ci jest jednak zwi zane z prawie trzykrotnym wzrostem odkształcenia.
Podwójna powłoka działa zdecydowanie lepiej. Polepsza si wytrzymało
na
oddziaływanie cieplne, natomiast zmiana wielko ci odkształcenia jest niewiele wy sza ni
dla kształtki bez powłoki.
Zastosowanie powłoki grafitowej powoduje niewielk popraw wytrzymało ci
termicznej (czas destrukcji wzrasta o około 14sekund) zdecydowanie zwi ksza si
wielko
odkształcenia. Jest to zjawisko niekorzystne ze wzgl du na mo liwo
pojawienia si niedokładno ci wymiarowych, czy dodatkowych napr e w odlewie. Nie
zaobserwowano wpływu grubo ci powłoki na zachowanie masy w czasie nagrzewania.
Powłoka cyrkonowa jedna warstwa próbka 1
Powłoka cyrkonowa jedna warstwa próbka 2
Powłoka cyrkonowa dwie warstwy
ywica furanowa bez powłoki
2
1
Odkształcenie, [mm]
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-1
-2
-3
-4
-5
-6
Czas,[s]
Rys. 2 Deformacja cieplna rdzeni z powłok cyrkonow .
Fig. 2 Thermal deformation of core sands with zirconium coating.
Powłoka grafitowa jedna warstwa
Powłoka grafitowa dwie warstwy
ywica furanowa bez powłoki
3
2
Odkształcenie, [mm]
1
0
0
20
40
60
80
100
120
-1
-2
-3
-4
-5
-6
Czas, [s]
Rys. 3 Deformacja cieplna rdzeni z powłok grafitow .
Fig. 3 Thermal deformation of core sands with graphite coating.
121
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2005
Powłoka korundowa jedna warstwa próbka 1
Powłoka korundowa dwie warstwy
Powłoka korundowa jedna warstwa próbka 2
ywica furanowa bez powłoki
2
1
0
Odkształcenie,[mm]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-1
-2
-3
-4
-5
-6
Czas, [mm]
Rys. 4 Deformacja cieplna rdzeni z powłok korundow .
Fig. 4 Thermal deformation of core sands with corundum coating.
Wyniki uzyskane dla powłok korundowych trudno jednoznacznie zinterpretowa .
Analizuj c krzywe widoczne na rysunku 4 mo na tylko stwierdzi , e stosowanie powłoki
korundowej poprawia wytrzymało termiczn . Rozbie ne wyniki otrzymane dla kształtek
pokrytych pojedyncz warstw uniemo liwiaj stwierdzenie jak grubo warstwy wpływa
na wielko odkształcenia masy z powłok .
Powłoka korundowa dwie warstwy
Powłoka grafitowa dwie warstwy
Powłoka cyrkonowa dwie warstwy
ywica furanowa bez powłoki
Al-Si dwie warstwy
3
2
Odkształcenie, [mm]
1
0
-1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-2
-3
-4
-5
-6
Czas, [s]
Rys. 5 Deformacja cieplna rdzeni z podwójn warstw powłoki.
Fig. 5 Thermal deformation of core sands with double layer of coating.
122
Nowa Sól 12-13.05.2005 r.
VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2005
DEFORMACJA CIEPLNA RDZENI
ODLEWNICZYCH Z POWŁOKAMI OCHRONNYMI
Na rysunku 5 przedstawiono wyniki odkształcenia cieplnego kształtek pokrytych
podwójn warstw powłok. Zastosowanie powłok polepsza wła ciwo ci rdzeni poprzez
zwi kszenie odporno ci na oddziaływanie termiczne – czas potrzebny do całkowitej
destrukcji spoiwa ulega wydłu eniu. Kształtki pokryte powłokami korundow i cyrkonow
charakteryzuj si poza tym mniejszym stopniem deformacji.
3.
Wnioski ko cowe.
Przeprowadzone badania pokazuj , e w zale no ci od zastosowanej powłoki
deformacj cieplna masy mo e przebiega w ró ny sposób. Nie chodzi o sam charakter
odkształcania, ale o czas potrzebny do destrukcji spoiwa, czy wielko odkształcenia.
Najlepszy wpływ na zachowanie rdzeni ma powłoka cyrkonowa.
Praca jest finansowana przez Komitet Bada Naukowych
w ramach projektu nr 3 T08B 037 28
4.
Literatura.
1. Lewandowski J. L.: Tworzywa na formy odlewnicze, Kraków, Akapit, 1997
2. Jakubski J., Dobosz St. M.: Badanie zjawisk wysokotemperaturowych w rdzeniach
odlewniczych, DOKSEM, 2001, s. 55 – 59
3. Hot-distortion Tester for Bonded Sands – Instruction Manual
4. Morgan D., Fashman E. W.: The BCIRA Hot Distortion Tester for Quality in
Production of Chemically Bonded Sands, AFS Transaction, 1975, nr 91, s. 73 – 80
5. Keil M. J., Rodrigez J., Ramrattan S. N.: Thermal Distortion of Shell and Nobake
Binder System, AFS Transaction, 2000, nr 99, s. 71 – 74
6. Jakubski J., Dobosz St. M.: Analiza deformacji cieplnej mas z zastosowaniem aparatu
DMA, Archiwum Odlewnictwa, 2003, vol. 3, nr 9, s. 246 – 251
123