niektóre problemy wytrzymałości cienkościennych form odlewniczych

niektóre problemy wytrzymałości cienkościennych form odlewniczych

55/14
Archives of Foundry,
Year 2004, Volume 4, № 14
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
NIEKTÓRE PROBLEMY WYTRZYMAŁOŚCI
CIENKOŚCIENNYCH FORM ODLEWNICZYCH
Z. PIŁKOWSKI1, M. NADOLSKI2
Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej, Aleja Armii Krajowej 19,
42-200 Częstochowa
STRESZCZENIE
Przedstawiono aktualne problemy ulepszania ceramiki cienkościennych form dla
technologii wytapianego modelu celem wyeliminowania pęknięć podczas dewaksacji.
Key words: investment casting, reinforced ceramic shell mold, modulus of rupture
(MOR)
1. TENDENCJE ROZWOJOWE
Formowanie cienkościenne pojawiło się w odlewnictwie - ściślej technologii
wytapianego modelu (TWM) - najpierw w odmianie form powłokowych z obudową
(sypką lub zagęszczoną), później – samonośnych. Techniczne warunki dla formowania
cienkościennego stworzyły mocne spoiwa na bazie krzemianu etylu, który zastosowano
około połowy lat 1930-tych. Dziesięć lat później użyto w TWM spoiw wodnych na
bazie zolu krzemionkowego (krzemionki koloidalnej). Oba rodzaje spoiw używane są
do dzisiaj. Przechodzenie od formy blokowej ku cienkościennej było procesem,
któremu towarzyszyły liczne niepowodzenia wynikające z wysokich wymagań
stawianym tego typu formom: dostateczną wytrzymałością przed- i po wypaleniu
a także w wysokiej temperaturze, dostateczną podatnością, odpornością na szok
termiczny i obojętnością chemiczną w kontakcie z ciekłym metalem. Wymieniony
zespół wymagań – jakkolwiek niekompletny – jest dostatecznie trudny w realizacji, o
czym świadczy znaczny (dochodzący 40%) udział braków notowany w produkcji
większych, bardziej złożonych odlewów precyzyjnych [[6]].
1
2
prof .dr inż.,e-mail:[email protected]
mgr inż.,e-mail:[email protected]
414
Chociaż spoiwa etylowe pod względem siły wiązania i szybkości pracy są bliskie
ideału, to jednak ze względu na szkodliwe składniki VOC ich dalsze stosowanie w
nowej sytuacji prawnej3 staje się problematyczne. Wraz z wymuszonym zwrotem ku
ekologicznym spoiwom na bazie wody powróciły znane już wcześniej problemy: zła
zwilżalność woskowego modelu, skłonna do pęknięć w stanie niewypalonym (green)
ceramika oraz długi czas przesuszeń międzywarstwowych i wysychania końcowego.
Spadek wydajności odlewni po przejściu na spoiwa wodne wymusił ukierunkowanie
stosownych badań nie tylko na ograniczenie wady wolnego wysychania, lecz również
na bardziej kompleksowe rozwiązania. Nową generację udoskonalonych spoiw wodnych
(USW) początkowo projektowano z przeznaczeniem na warstwy pierwsze, poprawiając
zwilżalność i stabilność pracy oraz eliminując tendencje do odstawania, wyginania
i pękania, następnie zajęto się masami na warstwy wsporcze z ich podstawowym
priorytetem - wytrzymałością.
Aktualnie dla poprawy wytrzymałości i elastyczności form wprowadza się do
spoiw płynne polimery na bazie alkoholi poliwinylowych PVA4 (dla systemów
kwaśnych) i na bazie lateksów (dla systemów alkalicznych). Spoiwa modyfikowane
polimerami stały się przedmiotem kilku amerykańskich patentów m.in. Guerry [[18]]
i Doles’a [[2]], a także wynalazku krajowego [[17]].
Nowe spoiwa początkowo miały pewne ograniczenia (m.in. wymagały
stosowania osnów z kwarcu topionego [[4]]). Ograniczenia te stopniowo usunięto,
czego przykładem są produkty REMASOL ADBOND B i LUDOX AS-40. Należy
dodać, że stosowanie polimerowo modyfikowanych spoiw nieco obniża wytrzymałość
form po wypaleniu (z powodu destrukcji fazy organicznej), natomiast podnosi ich
podatność i przepuszczalność.
Dla przyspieszenia wysychania i poprawy wytrzymałości wypróbowano zole
krzemionkowe o 3 - 4 krotnie większym wymiarze cząstek SiO2 i 40% ich koncentracji
w koloidzie. Spoiwa tego rodzaju są przedmiotem patentu Vandermeera [[19]].
Poszukuje się także innych rozwiązań. Jednym z kierunków jest wprowadzanie
do składu mas materiałów proszkowych, takich jak:, pucolany, tufy, lotne popioły
przemysłowe i wulkaniczne, mikrokrzemionka [[2]].
Inną drogą poprawy odporności na pękanie form cienkościennych w fazie
dewaksacji jest zbrojenie ceramiki tj. wprowadzanie do masy środków blokujących
rozwój pęknięć, najczęściej - materiałów włóknistych. Udział składników włóknistych
zazwyczaj nie przekracza 12% (wag.), najczęściej leży w przedziale od 0,5 – 5%.
Umacnianie form za pomocą włókien szklanych było przedmiotem badań Sapčenki
[[10]] i innych [[8], [9]]. Natomiast masami modyfikowanymi włóknami
3
W krajach Unii Europejskiej wydano w 1990 roku Environmental Protection Act,
zobowiązujący przemysł odlewniczy do zredukowania lub wyeliminowania przed kwietniem
1997 emisji lotnych składników organicznych ( volatile organic compound), a także
amoniaku, do atmosfery.
4
M.in. w patencie US Pat. 5,118,727 Roberts stosuje rozpuszczalny w wodzie PVA.
415
polimerowymi zajmowali się m.in. Jones i Yuan [[6]], [[11]], węglowymi - Naik i
Corrigan [[12]], ceramicznymi - Vandermeer [[13]], whiskersami - Preedy i Simpson
[[15]]. W formach dla nadstopów i monokryształów stosowano również bardziej
spektakularne rozwiązania, a mianowicie oploty, maty lub tkaniny z włókna tlenkowego
(glinowego, krzemionkowego, mullitowego5) lub z węglika krzemu [[20]].
2. WYTRZYMAŁOŚĆ FORM CIENKOŚCIENNYCH
Wytrzymałościowe cechy form cienkościennych mogą być określane w różny
sposób. Wyznacza się między innymi: krytyczne obciążenie pękania (tzw. wskaźnik
AFL6 ), wielkość ugięcia (Bending, Deflection), wskaźnik pękania (Fracture Index)
oparty na pomiarze pracy łamania. Jednak do najbardziej rozpowszechnionych należy
trójpunktowa próba zginania. Pomiar ten określa się w literaturze światowej terminem
modulus of rupture (MOR), który jest odpowiednikiem krajowego Rg. Ocena
wytrzymałości cienkościennych form za pomocą trójpunktowej próby zginania była
szczegółowo omówiona przez Okhusen’a i Voigt’a [[21]] i analizowana przez Craigha
[[1]]. Aktualnie w ocenie mas dla TWM wskaźnik ten stał się niejako standardem.
Ponieważ wartość MOR zależy od „historii” termicznej próbki niezbędne jest podanie
nie tylko wyniku pomiaru lecz także informacji (oznaczenia lub opisu) dot. obróbki
cieplnej badanej próbki, na przykład [[16]]:
MOR1 – dla wytrzymałości w tzw. stanie surowym (ang. green), wyznaczonej
na próbce wysuszonej bez wypalenia,
MOR2 – dla wytrzymałości wyznaczonej na próbce po wypaleniu (zazwyczaj
w temperaturze 900 - 1000o C w czasie 1 godziny)
MOR3 - dla wytrzymałości zmierzonej na próbce nagrzanej do 1000 oC (ang.
hot MOR).
W tablicy 1 przedstawiono przykładowe wartości MOR mas ceramicznych opracowanych przez różnych autorów, zaś na rys.1 zilustrowano zależność tego wskaźnika od
równoczesnego użycia kilku środków umacniających: a) polimeru, b) dodatku
proszkowego i c) materiału włóknistego. Do opracowania wykresu posłużyły wyniki
badań R. Dolesa [[2]] .
5
Patent J.Lane'a (USPat.4998581)
Wskaźnik AFL (Adjusted Fracture Load) jest zdefiniowany jako obciążenie niezbędne do
złamania próbki powłoki o szerokości 10 mm, przy rozpiętości podpór 70 mm [[6]]
6
416
MOR1 = 0,1985x + 3,1791
MOR2 = 0,1342x + 3,502
R2 = 0,9739
R2 = 0,5879
MOR3 = 0,0066x 3 - 0,1501x 2 + 1,0256x + 9,325
R2 = 0,6219
14
12
MOR(MPa)
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
x = L+M (%)
MOR1
MOR2
MOR3
Rys. 1. Wpływ dodatku lateksu L i mikrokrzemionki M na wytrzymałość powłok
z włóknem polipropylenowym [[2]]
Fig.1. Effects of different ratios of the latex polymer L and microsilica M on the
strenght of shell-molds with polypropylen fibers [2]
Tabela 1 Wytrzymałość niektórych form powłokowych w stanie surowym (MOR1) i po
wypaleniu (MOR2)
Table 1. Green (MOR1) and fired (MOR2) strenght of some ceramic shell-molds
Lp.
Składnik umacniający
MOR1
MOR2
Źródło
(MPa)
(MPa)
1
Lateks akrylowy
5,6
9,2
Guerra
[[18]]
2
Lateks butadienowo - styrenowy (BS) i
4,0 –5,3
5,4-6,5
Karwiński i
politetrafluoroetylenowy (PTFE)
in.[[17]]
3
polimer (6;8%) + włókno nylonowe (2%)
4,7 - 7,8
4,7 - 4,8
Jones S.,
Yuan C [[6]]
3,1 - 6,3
3,5 - 5,5
Doles [[2]]
4
Lateks BS + włókno polipropylenowe (0,25%)
+ mikrokrzemionka
5
Włókno szkalne E,S (10%) + włókno
4,3-7,0
4,8-7,2
Vandermeer
ogniotrwałe Wallastonite (10%)
[[13]]
6
Włókno szklane
2,0- 3,0
1,1-2,3
Sapčenko
[[10]]
7
5,9
11,5
Vandermeer
Zol krzemionkowy specjalny (SiO2 :
[[19]]
zaw. 40% ; wymiar 40 nm)
8
Fosforan chromowo - glinowy (spoiwo)
5,0-5,5
4,0 - 4,5
Karwiński,
Stachańczyk
[[22]]
3. BADANIA WŁASNE
Przeprowadzono badania wytrzymałości powłok ceramicznych sporządzonych z
mączki kwarcowej i zolu krzemionkowego (Sizol 030 – Rudniki) oraz mas
417
wzmacnianych dodatkiem środków blokujących w postaci włókien: a) szkalnych
(rowing cięty ER-5001 - Krośnieńskie Huty Szkła), b) polipropylenowych (Texa-Fib 30
- ALCOR), c) ceramicznych (Cerafiber 10 - Thermal Ceramics). Przesuszenia
międzywarstwowe (6x) wykonywano w temperaturze 18 - 20 oC w warunkach
wysychania naturalnego, natomiast suszenie końcowe - w temperaturze 200oC.
Wartości MOR wyznaczano na próbkach o szerokości 18 mm, grubości 5 – 8,5 mm
i rozstępie 150 mm. Wyniki w tablicy 2 podają średnie uzyskane z co najmniej pięciu
pomiarów przeprowadzonych na próbkach w stanie surowym (MOR1) i po wypaleniu
w temperaturze 1000 oC w czasie 1 godziny (MOR2). Rozrzut wyników
charakteryzowano odchyleniem standardowym (stand).
Tabela 2. Wyniki badań
Table 2. Results of experiments
Lp
1
Rodzaj masy
Masa 1 - bez dodatków
MOR1
[MPa]
stand
[MPa]
MOR2
[MPa]
stand
[MPa]
4,27
0,599
5,1
1,123
2
Masa 2 - z włóknem
polipropylenowym (1%)
5,01
1,213
3,88
0,710
3
Masa 3 - z włóknem szklanym (2%)
4,50
0,294
3,40
0,418
4
Masa 4 - z włóknem ceramicznym
(5%)
3,43
1,084
1,80
0,790
Badania wykazały, że umacnianie ceramiki materiałami włóknistymi nie zawsze jest
skuteczne. Jeżeli przyjąć dla MOR1 amerykański poziom minimalnej wytrzymałości
masy w fazie dewaksacji, tj. poziom 350 psi (2,4 MPa) [18], to można stwierdzić, że
badane masy poziom ten osiągnęły. Wiadomo jednak, że ta minimalna wytrzymałość
ceramiki w stanie green wymaga przeprowadzania procesu dewaksacji w sposób
niezwykle ostrożny, w optymalnych warunkach wytapiania wosku, najlepiej metodą
flash fire. Dlatego też dla uniknięcia pęknięć dąży się do uzyskania znacznie wyższych
wartości wskaźnika MOR1, najlepiej powyżej 4,5 MPa. Ten warunek spełniły jedynie
masy 2 i 3, czego nie da się powiedzieć o masie 4 umacnianej włóknem Cerafiber 10.
W kontekście uzyskanych wyników nie dziwi fakt słabego umocnienia masy włóknem
szklanym uzyskany w badaniach Sapčenki [[10]], a także - włóknami nylonowymi
w badaniach Jonesa i Yuana [[6]].
Eksperymenty z masami włóknistymi wykazały ponadto, że wskazywany przez
niektórych autorów korzystny wpływ oddziaływania włókien na wytrzymałość form
niestety nie przekłada się na technologiczne właściwości mas. Gęstwa włóknista
nawarstwia się źle, nierównomiernie, ma skłonność do spływania a przy większym
udziale materiału włóknistego zupełnie nie nadaje się do nakładania metodą dippingu.
418
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
Craig T. L., Enhanced Binders for the Production of Ceramic Shells, mat. firmy
REMET, Nov. 1994
Doles; Ronald S., Method of increasing the strength and solids level of
investment casting shells, Pat USA 6,540,013, 2003 [199]
Gebelin Jean - Christopher, Jolly Mark R., Modeling of the investment casting
process, Journal of Materials Processing Technology, 135, (2003), 291 – 300
[129]
Guerra M., Remasol Adbond B and Remasol Adbond BV Binders, 40th Annual
Meeting of the Investment Casting Institute, Oct.1992 [81]
Hendricks, M. J., Well, D. K. and Engelhardt, D. R., New developments in rapid
dry water based shell systems, In Proceedings of 23rd European Investment
Casting Federation Conference on Investment Casting, Prague, 1994
Jones S., Yuan C., Advances in shell molding for investment casting, J. of
Materials Processing Technology 135 , 2003, 258 – 265 [135]
Lewandowski J.L., Tworzywa na formy odlewnicze, Wyd. Akapit, Kraków 1999,
s.101 [118]
W. Bryt. Patent nr 14106 34 – 1975
ZSRR Patent nr 430939 – 1974
Sapčenko I.G., Oboločkovyje formy armirovannyje steklovoloknom, Lit. proizv.,
1997, 1, 18 –19 [147]
Yuan C., Jones S., Investigation of fiber modified ceramic moulds for investment
casting, J. of the European Ceramic Society 23 (2003) 399-407 [136]
Naik R. V.; Corrigan J., Reinforced ceramic shell mold and method of making
same, USPat. 6568458, 2003 [200]
Vandermeer J., Investment casting mold and method of manufacture, USPat.
6257316, 1999, November 23 [73]
Haratym R., Karwiński A, Wpływ wybranych parametrów procesu
technologicznego na wytrzymałość i przepuszczalność form ceramicznych
wykonywanych metoda wytapianych modeli (MWM), Acta Metallurgica Slovaca,
2002, 8, 395-399 [152]
Preedy K. S., Simpson F. H., Fiber reinforced ceramic matrix laminate, US
Patent 5376598, 1994 [177]
Piłkowski Z. i in. Cienkościenne formy dla odlewnictwa artystycznego, praca
badawcza KBN 4T08B 01923, 2002
Karwiński A., Adamczyk Z., Stachańczyk J., Sposób otrzymywania spoiwa
wodno- krzemionkowego, zwłaszcza dla odlewnictwa precyzyjnego, Patent PL
182949, 2002 [116]
Guerra M., Fast processing water based binder system, US Pat 5629369 (1997) i
USPat 6020415 (2000) [192]
Vandermeer J., Investment casting mold and method of manufacture, US Pat
6000457, 1999 [187]
419
[20]
[21]
[22]
Ghosh A. i in., Ceramic shell mold provided with reinforcement, and related
processes, USPat 6431255, 2002 [68]
Okhuysen, V. and Voigt, R. C., Criticial assessment of mould of rupture (MOR)
testing. In Proceedings of 42nd Annual Technical Meeting of Investment Casting
Institute, Atlanta, USA, 1994, Paper 23 [509]
Karwiński A., Stachańczyk J., Kompozycja na powłoki samonośnej formy
ceramicznej, Patent PL 145903 [150]
SOME STRENGHT PROBLEMS OF SHEELL MOLDS FOR INVESTMENS
CASTING
SUMMARY
The paper presents advances in shell molding for investment casting, some problems of
the water based binder systems and fiber reinforced ceramic shell molds.
Recenzował Prof. Józef Gawroński