Pobierz

Solidification of Metais and Alloys, No .3 1, 1997
Krzepnięcie Merali i Stopów, Nr 31, 1997
PAN- Oddział Katowice; PL ISSN 0208-9386
Zbigniew Pi/kowski., Marek Czyż ..
Badanie mas na formy dla procesu Vacumetal
l'r;edstawiono wyniki poszukiwania ekonom icznych rozwiązań w zakresie specjaln ych mas formi..:rskic h dla precyzyjnego od!..:wania metodą wytapianych modeli ze wspomaganiem próżnio­
\\)' !Tl (proCl:s Vacumetal). Badania zmierzały do \vykorzystania krajowych materiałów krzemionkowyc h (spoi\' i wypełniaczy} .
l.
WPROWADZENIE
W szczegó lnej odmianie technologii wytapianego modelu (TWM), jakim jest
rroccs Yacumetal i metody pokrewne, dla uzyskania małych precyzyjn yc h odlewów ze stopów metali sz lachetnych (i niektórych stopów Cu) stosuje si<,: specja lne masy formierskie, gdyż masy oparte na klasycznym spoiwie, jakim jest
krzemian etylu są dla tych stopów przenikalne (kąt e < 90). Również istotne
jest to, ?.e masy klasyczne nie najlepiej odwzorowują powierzchnię miniaturowych m ode li a operacja usuwania mikroodlewów z formy jest zbyt kłopotliwa .
Do najbardziej znanych mas specjalnych zaliczyć należy : Satin Cast 20, Satin Cast Regular, Supervest, K - 90 (Kerr Manufacturing Co), U ltra Yest
(Ra nsom & Randolph) oraz Gold Star 21 (Hoben Davis Ltd). Osnową tych mas
jest sproszkowany krystobalit, zaś materiałem wiążącym - preparowany al/agips. Prócz tych podstawowych skład ników mogą występować specjalne dodatki roz lu ź.niające i aktywujące . Podczas obróbki termicznej form następują zmiany objętościowe skład ników masy tak skorygowane, że możliwe staje si<,: wyeliminowanie zjawiska pękania formy i skurczowego nadmiaro;vania modeli.
Wymienione masy roza odpowied nimi właściwościami cieplnymi (ogniotrwałość, odporność na wstrząs termiczny, pojemność i przewodnictwo cieplne)
charakteryzuje minimalny rozwój reakcji kontaktowych metal - forma oraz dobra wytrzymałość mechaniczna. Masy zarabiane są czystą wodą lub wodą z
dodatkam i katalitycznym i w proporcji woda l masa w granicach: 3 8/ l 00 -;401100 (WM-= 0.38- 0,40).
Aktualnie poszukuje si9 rozwiązali zmierzających do obniżenia ceny tego rodzaj u mas i rozszerzeni a zakresu ich użytkowani a, zwłaszcza w precyzyjnych
metodach odlewania. Opisane badania dotyczą tego rodzaju zagadnień.
· proksor zwycza jn y w Katedrze Odlewnictwa l'olitechniki Cz<;slochowskicj
··dyrektor <..l s produkCJI w Zakładach Ml:TKOL w Praszcc
172
Zbigniew
Piłkowski,
Marek
Czyż
2. BADANIE MAS O OBNIŻONEJ ZAWARTOŚCI KRYSTOBALITU
Przeprowadzono badania z masą Ultra - Vest firmy Ransom & Randolph
(R&R), zastępując w niej częściowo krystobalit krzemionką koloidalną w postac i kraj owego produktu Arsil (tabl. l).
Charakterystyka krzemionki koloidalnej Arsi/
Characteri stics ofthe colloidal silica Arsi/
1
1
Tablica l
Table l
min 85%
max7%
pH (4% roztwór)
Gęs tość
6.0-8 .0
max 1509 gldm 3
nasypowa
Pozos tałość
na sici e 63 >Jrn .
Badano szereg zestawów mas,
max 0.5'Yo
sporządzając
rato ryjne w postaci ksztahek do badania
formy odlewnicze i próbki labo-
wytrzymałości
na zginanie Rg, zgodnie
z zaleceniami normy PN - 73/H -!l 070. W tablicy 3 zamieszczono wyniki badania wytrzymałości różnych mas na próbkach wysuszonych (powietrze, 24 h,
temp. 20° C) i wypalonych , według cyklu zalecanego przez R&R dla form blokowych (tablica 2) .
Cykl wypalania
Tablica 2
Table 2
The burning time
Temperatura
oc
260
l
370
l
150
l
730
2
l
730
studzenie z piecem
1
da ne pro du ce nta
Czas doJ Sc ia , h
173
Badanie mas na formy dla procesu Vacumetal
Wyniki badania mas krystobalitowo-gipsowych o
różnym
Tablica 3
udziale Arsilu
Resu lts of examining cristobal ite-plaster masscs with various eontent of Arsif
• -
Rg 1 (kG/cm 2)
Table 3
Udzia ł Ars lłu ,%
WM
o
0.40
1,70
0.45
l
0,42
1,77
0,05
2
0.45
2,23
0,05
5
0.60
1,85
0. 13
lO
0.74
2, 17
o. l 5
ś r~dn.a
'
Odch . stand . S
z 4 pom1ar6w
Badania wykazały, że dodatek krzemionki koloidalnej powoduje dość istotn y
wzrost wskaźnika wodożądności WM W badanym przedziale zależność tę można
op i sać równaniem liniowym o wysokim współczynniku korelacji (r = 0.990):
WM
=
0,034 X + 0,40
(l)
gdz ie:
WM- wskażnik wodorządności masy (stosunek woda/sucha substancja) ;
x - procentowa
Okazało się, że
zawartość
wraz z
krzemionki koloidalnej w
rosnącym udziałem
składzie
masy.
krzemionki koloidalnej zachodzi
wody zarobowej przy sporządzaniu
masy dla uzyskania odpowiedniej konsystencji użytkowej . Jest to zjawisko niekorzystne: wydłuża czas wysychania, osłabia strukturę formy i zwiększa niebezpieczeństwo powstawania pęknięć podczas wypalania. Mimo odnotowania korzystnego wzrostu własności mechanicznych masy po dodaniu Arsilu (tabl. 3)
n a le ży stwierdz i ć, że ob ran a droga poszukiwań nie prowadzi do wytyczonego
konieczność używania podwyższonej ilości
celu .
174
Zbigniew
Y
Piłkowski,
Marek
Czyż
--V
0.75 l
0,70
L
0,65
0,60
0,55
l
~~i-. )/
~ll
ly~ll·
[Y~
V
L
--
t-
0,50 t--t-·
0,45
0,40
--
~
L--t~rtt
1
2
3
4
l_ l
5
6
7
8
9
X
(%(
Rys. l Zmiana zapotrzebowania na ~odę w mas ie gipsowo-krystobalitowej z dodatkiem Arsilu
x-dodatek Arsilu , y-
wodożądność
masy WM
Fig t The change o f demand for watcr in the cristobalitee-plaster mass contaming Ar.nl
3.
BADANIA SIZOLOWYCH MAS NA FORMY
POWŁOKOWE
W PROCES IE VM
Należy podkreślić , że
w procesie Vacumetal stosowana jest wyłącznie ceramiczna forma blokowa. Forma powłokowa ze względu na jej niższą wytrzymało ść mechaniczną i techniczne trudności w konstrukcyjnym kojarzeniu z oprzyrządowaniem VM nie jest stosowana i dlatego użycie formy powłokowej w
prezentowanych tu badaniach należy uznać za techniczną nowość 2.
Badano masy z mączki kwarcowej na spoiwie z zolu kwasu krzemowego,
używając krajowego produktu o nazwie SIZOL 030 3 Przygotowanie kształtek,
proces wypalania i ocena własności mechanicznych mas były realizowane tak, jak
w przypadku mas krystobalitowo - gipsowych. Dodać należy , że czas żelowania
próbek wynosił 4 min, zaś czas umacniania: 25 min . Skład masy: spoiwo Sizol
030 - 25,9% ; mączka kwarcowa (FG 0.056/0.056/0. 071 - 99%) -44,0 %; piasek
kwarcowy (FG 0.21/0. 15/0.1 O- 85%)- 30,0 %; aktywator 4 - O, l 0%.
Wyniki badania wytrzymałości masy na zginanie (Rg1) i na rozciąganie (Rm 1)
przedstawiono w tablicy 5. Podano wartości średnie z 9 pomiarów.
2 -OpiS technicznych rozwiązań problemu wykracza poza ramy
3 -producent: Z .CH . Rudniki S.i\
·• U l O - produkt przemysłowy (Cementownia Gro szowice).
artykułu
Badanie mas na formy dla procesu Vacumetal
175
Charakterystyka spoiwa Sizal 030 5
Tablica 4
Characteristics of Sizal 030 binder
Table 4
Po s tać
ciecz ruchli wa, przezroczysta, o palizująca . o
lekkim zabarwieniu biał o - nicbieskim
1204
9.9
7
100- 180
15 -3 0
nieograni czona
Gęs t ość w 20°C, kg/m'
Odczyn pH
Lepko ść w 20°C, mPa .s
Powierzchn ia wł aśc i wa , m)g
W ielk ość cząstecze k koloidalnych. J-lm .
S tabiln ość w 20°C
Zagraniczne odpowiedniki SilOLU 030 Pyramol F 30 (Crosfie ld Chemieais Ltd) ; Syt on 2x (Monsanto
Chemieai s Ltd ): l-z1dox (Du Pon t Co).
Tablica 5
Wyn iki badania masy sizolowej
Results o f examining the mass containing Sizal
Rrnl
S tan próbki
ś r cd nJa )
Odchyl.
stand . S
MPa
R8
1
Srcdma
Table 5
O dchyl.
stand . S
MPa
Wysuszona
0,46
0,0127
0,59
0,025 5
Wypalona
0,56
0,0 120
0,77
0,0254
Stwi e rdzo no, że masa sizalowa charakteryzuje się dobrymi własnościami
mechanicznymi , wzrastającymi po procesie wypalenia. Wyniki te uzasadniały
rea li zację e ksperymentu odlewniczego z zastosowaniem form powłokowych w
procesie wypełniania ze wspomaganiem próżniowym .
W badaniach używano woskowych kompletów odlewniczych s kładających
s i ę z 9 mode li w postaci: 3 próbek cylindrycznych (d= Smm) i 3 pró bek kwadra towych (5x5 mm) o gładkich ściankach oraz 3 płas kich krążków o s ilni e
zróż ni cowan ej fakturze pow ierzchn i. Komplety pokrywan o 8 warstwową powłoką s p orządzo n ą z następ ujących składników:
•
zo l kwasu krzemowego- Sizal 030 o
2;
- Ate st producenta
własnościach
przedstawionych w tablicy
Zbigniew
176
•
•
mączka
Piłkowski,
Marek
Czyż
kwarcowa o FG 0.056/0.056/0.071 - 99%;
krzemionkowy - Arsil o własnościach przedstawionych w tablicy
wypełniacz
l;
•
•
•
woda destylowana o temperaturze 25 °C;
piasek kwarcowy: l ( FG 0.2 1/0.15/0.10 - 85'Vo),
0.30/0.42/0.60- 85%). 3 (FG 0.42/0.60/0.80- 85%);
aktywator U - l O.
wyżarzony
2 (rG
Masy na warstwę kontaktową sporządzano z proszku wypełniacza krzetntonkowego Arsil lub mączki kwarcowej i spoiwa Sizol 030 (25%). Skład (%)
ma sy w warstwach podporowych był następujący:
S izol OJO (30% Si0 2 ) 25
mącz~a ~warcowa
44
pia>ck kwarcowy (l , 2, 3) 30
utwardzacz U-1 O
Czas suszenia pojedynczej warstwy
wynosił
l
40- 50 min.
Badania zreal izowa no metodą doświadczenia czynnikowego w oparciu o plan
ty pu 2; ( tabli ca 6). Zmiennymi w eksperymencie odlewniczym były: poziom
c i śnie nia
(x 1). czas utrzymywania podciśnienia po wypełnieniu formy (x 2), oraz
rodzaj masy (x 3 ) na pierwszą tj. kontaktową warstwę powłoki. Zmienną zależną
była jakość powierzchni odlewu (gładkość, odwzorowanie reliefu, ilość i zakres
wad) oce niana metodę rangawania za pomocą 12 punktowej skali jakości. Ocenie poddano 64 odlewy testowe wykonane techniką Vacumetal oraz 3 od lewy
wyko nane klasyczną TWM (wszystkie w formach powłokowych). Materiałem
od lcwÓ\v był brąz cynowy B l Ol , temperatura zalewania stopu wynosiła II 00 "C.
4. OMÓWIENIE WYNIKÓW
/ uwagi na og ranic zo ną objętość artykułu nie zamieszczono tablic z bezwyni kami pomiarów (56 prób). W związku z tym należy podkreślić,
że badania populacji danych doświadczalnych testem Cochrana wykazały jednorod n ość wariancji [G= 0,2177 < G,abl = 0.3384], co formalnie uprawniało do
przeprowadzenie szczegółowych obliczeń statystycznych, zwłaszcza oszacowania l\b,, tj. przedziału ufno śc i współczynników regresji w modelu badanej zależ­
pośrednimi
noŚCI.
l czterech obliczonych
bo= 9,001
współczynników:
b, = -0,120
b2
=
0,005
b,= 0.786
177
Badanie mas na fonny dla procesu Vacumetal
statystycznie nieistotnym ze względu na L'lb; (L'lb;=0,02) okazał się współczynnik
b 2 . Tak więc, model badanej zależności - przy prawdopodobieństwie 95% - może być wyrażony równaniem:
y = 9,001-0,12 x 1 + 0,786 x 3
( 2)
y -jakość powierzchni odlewu w badanym procesie,
x 1 -wartość podciśnienia ,
x 3 - rodzaj (stopień rozdrobnienia) osnowy.
w którym :
Plan
doświadczenia
czynnikowego
Tablica 6
Table 6
factor cxperirnent design
Poziom podstawowy
zmi an
POZIOill ni ższy"-"
Poziom wyższy "+"
P rze d z iał
x,
X2
X]
Jak ość
podcisni cnic
czas trzymani a
pierwsza powloka
powi crzchn 1
50
5
5
lO
40
o
60
lO
Nr dos wiadczcn ia
Y
A rsil
Si02
mączka
macierz planu
wg pl anu
wg losowani a
x,
X2
XJ
l
3
2
+
2
+
+
-
+
+
+
+
3
5
+
4
7
-
:'
6
7
8
6
+
l
4
8
-
+
+
+
-
-
skala do 12
-
W badanym wycinku przestrzeni czynnikowej przedłożony model adekwatnie o pisuje wyniki eksperymentu wskazując , że osnowa powłoki kontaktowej
(x1) ma istotny wpływ na jakość powierzchni odlewu . Krzemionka koloidalna,
której subtelne rozdrobnienie miało dać dobre odwzorowanie i gładkość powierzchni odlewu , zawiodła . Okazało się, że rozdrobnienie krzemionkowej
178
Zbigniew
Piłkowski,
Marek
Czyż
osnowy w warstwie kontaktowej ma technologiczne granice. Przy nadmiernym
(koloidalnym) rozdrobnieniu pojawiają się procesy niekorzystne. Niebagatelną
rolę odgrywa tu po pierwsze- zjawisko obniżania temperatury sp iekan ia osnowy
wraz z rozdrobnieniem substancji (zjawisko znane w metalurgii proszków), po
drugie - przyspieszenie reakcji kontaktowych metal -forma .
1~.J
!
i
9.0 !
9.90
, 11,611
8.0
..
· --~--~·---.~ --~:-----..
x,
x,
Rys. 2
Wpł y w eiśni..:nia
odlewania (x 1) i rodzaju osnowy w warstwie kontaktowej (x 1 )
powierzni odlewu (y)
najako ś ć
Fi g. 2. The e!Teet of the matrix kind in the eontael iayer (x 1) and of casting pressure (x 1 ) on
thc quality ofthe casting surface (y)
Wpływ
wspomagania procesu ciśnieniem (czynnik x 1 ), jakkolwiek nie może
jest słaby. Wskazywałoby to na niedostateczną przepuszczalność
materiału formy , co potwierdza nieistotna - leżąca poza przedziałem ufności wa11ość współczynnika regresji przy x 2 (czas utrzymywania podciśnienia). Należy stwierdzić , że ujawniony w równaniu (2) kierunek oddziaływania ciśnienia
pokrywa się z przesłankami teoretycznymi.
być pominięty ,
Jakkolwiek użycie krzemionki koloidalnej na warstwę kontaktową okazało
zabiegiem nietrafionym, to jednak badania wykazały, że warstwy podporowe
opa11e na zolu kwasu krzemowego spełniają bardzo dobrze swoje zadania.
Stwierdzono, że Sizal 030 w wielowarstwowych formach powłokowych daje
mocne, jednorodne powłoki, które dobrze znoszą silne obciążenia termiczne i
mechaniczne procesu VM. Wynik ten potwierdziły próby na dużych (l O kg) ,
grubościennych odlewach z brązu.
się
Badanie mas na fonny dla procesu Vacumetal
179
W końcowej części bada!l wypróbowano formy powłokowe o zrozntcowanym uwarstwieniu : warstwa kontaktowa z masy gipsowo- krystohu/i/owej Ultra
Vest (R&R), warstwy podporowe- z masy sizalowej. Stwierdzono, że takie postc;powanie prowadzić może do rozwiązań godzących problem jakości odlewu
z niewygórowanymi kosztami formy. Osiągnięto bardzo dobrą jakość powierzchni odlewu przy ininimalnym zużyciu drogich, krystobalitowych materiałów.
LITERATURA
l . Piłk owski Z .. H{Jiyw c::ynnikriw technologicznych na jakość: powier::chni brq::u cynowego w
odlewach otr::ymywanyclz w pozakr:::emianowych procesach TWM. praca badawcza BW-17202/94. Politcchnika Częs tochowska 1995. s.23.
Zhign iew
Marek
Piłkowski
Czyż
Moulding sandsfor Vacumetal process
Summary
lnvcstigation have bccn ceniered around devcloping cconomical forulac of spccial mouldin g
sunds for pr..:cisc castin g cmploying thc vacum-aidcd lost wax matbod (thc Vacum..:tal proccss).
l·:fi(Jrts havc hccn utilizc !oca l silica matcrials (Arsi/ and Si:::ol).